張 偉 夏劍敏

(1.上海鐵路局車輛處 上海 200071；2.上海鐵路局上海動車段 上海 201812)

國產化動車組空心車軸超聲波探傷專用探頭的開發(fā)

張 偉1夏劍敏2

(1.上海鐵路局車輛處 上海 200071；2.上海鐵路局上海動車段 上海 201812)

目前國內動車組空心車軸探傷設備使用的探頭全部由國外進口，價格高昂、供貨周期長，為了保障動車組的正常安全運營，對探頭進行了國產化研究，產品經過2年的實際運用，結果表明，自主研制的空心軸探傷用探頭可以替代進口產品，滿足動車組空心車軸的探傷需要。

探頭；動車組；空心車軸；超聲波探傷

1 背景與難點

隨著我國高速鐵路動車組大量上線運營，相應的動車組空心車軸探傷設備也隨之配套運行。目前空心車軸探傷設備上使用的超聲波探傷探頭全部都是進口產品，價格高昂、供貨周期長，無法大量配置，而且其主要技術掌握在國外供應商手中，一旦出現缺貨、停產、技術限制或其他因素引起的無探頭可用的情況，將無法保障動車組安全、正常、持續(xù)地運行。為此，須立即開展動車組空心車軸超聲波探傷用探頭的國產化研究。

動車組空心車軸超聲波探傷是動車組運用檢修體系的重要組成部分，其探頭的質量與性能直接關系到車軸探傷結果的準確性。探頭的設計不僅要考慮到被檢測對象可能發(fā)生的缺陷類型、取向、大小，同時還要考慮被檢測對象的表面特征。動車組空心車軸超聲波探傷除了要求探頭具備較好的性能外，還要滿足通過車軸中孔進行探傷的要求。另外，和諧系列動車組多種車型不同的車軸內孔直徑也給設計和開發(fā)帶來一定的難度。

國產化探頭的主要技術難點如下：

(1)高性能壓電復合材料的制備，用于產生具有高靈敏度和寬帶寬聲波的振動晶片(振子)；

(2)超聲探頭的聲匹配層設計，用于鋪設有較高聲能透射率的傳輸通路；

(3)根據實際環(huán)境設計的探頭外形及晶片角度設計，用于提供多種方向、不同角度、不同波型的超聲波。

2 功能與技術

圖1 切割工藝

國產化探頭是根據動車組車軸內部中空、要求檢測靈敏度較高、要求檢測范圍廣、目標缺陷類型多樣、檢測環(huán)境復雜等特點而設計的。

首先針對檢測靈敏度高、檢測范圍廣的需求，采用含有壓電復合材料的換能器[1](見圖1)和聲阻抗匹配層(見圖2)，其中換能器晶片用于發(fā)射和接收超聲波，并將之轉化為相應的電脈沖信號。由于具有與普通陶瓷晶片不同的振動模式，此晶片具有高靈敏度、高機電耦合系數、窄脈沖寬度等特點，如圖3所示。同一條件下普通PZT晶片探頭的回波電壓和頻帶寬度分別為4.91Vss和1.55MHz～2.62MHz，復合探頭為18.25Vss和1.12MHz～2.9MHz。在此基礎上，為壓電晶片和超聲楔塊之間設計了具有特定厚度和聲阻抗的聲匹配層，使聲能傳播更加高效，進一步提高了系統的靈敏度。

圖2 芯片成品

圖3 PZT-換能器(左側)和復合材料換能器(右側) 探頭的回波信號和頻譜比較

圖4 R15 mm圓弧面設計示意圖

其次，傳統實心車軸超聲波探傷檢測在車軸端面實施，檢測范圍覆蓋面積小，整體靈敏度非常低，可檢測缺陷的類型少。而動車組車軸內孔是中空的，可以將探頭伸入車軸內孔進行檢測，利用此特點對探頭的外形、尺寸、聲束方向進行了改進，設計了具有不同圓弧面的有機玻璃楔塊，并對探頭晶片的安放位置作了調整。用于CRH3型動車組空心車軸檢測的探頭采用R15mm圓弧面的有機玻璃楔塊(見圖4)，一套有3個，分別是正軸向、負軸向45°橫波探頭、0°雙晶縱波直探頭，其中2個軸向橫波探頭用于檢測外表面的橫向缺陷(方向垂直于車軸的中心線)，0°雙晶縱波直探頭用于檢測空心車軸內部的體積型缺陷；而用于CRH1、CRH2、CRH5型動車組空心車軸超聲波探傷的探頭圓弧面半徑是R29.5mm(見圖5)，一套有7個，除了擁有R15mm圓弧面探頭的功能外，還有2組4個探頭用于檢測過渡圓弧處、近表面橫向性缺陷、車軸外表面縱向缺陷(平行于車軸的中心軸)。

圖5 R29.5 mm圓弧面設計示意圖

與車軸內孔孔徑相對應的楔塊圓弧面設計可以使探頭與車軸內孔表面緊密貼合，再輔以S32或S68號抗磨液壓油作為耦合劑，可以使探頭與車軸內孔表面的耦合聲能損失降到最低水平，提升系統整體的靈敏度。經過上海鐵路局南翔動車段運用，通過在對比試樣軸上進行探傷掃查，可以有效檢測到1mm表面線性缺陷和?2mm平底孔缺陷(8～80mm聲程范圍內)，并能發(fā)現0.5mm表面線性缺陷，檢測能力達到現有進口探頭的水平。

晶片不同的安放位置可以使探頭具有不同方向的聲束，以達到檢測缺陷類型多樣化的目的，如圖6～圖8所示。另外0°探頭采用雙晶片、面聚焦設計[2]，近場盲區(qū)縮小到7mm以內，可以有效檢測到近表面的體積、面積型缺陷。

圖6 45°向前探頭的晶片安放位置示意圖

圖7 70°(63°)正徑向探頭的晶片安放位置示意圖

圖8 0°雙晶探頭的晶片安放位置示意圖

3 功能指標要求

本探頭用于進行壓電轉換，連接超聲波探傷儀后可掃查動車組、地鐵車輛空心車軸的外表面的橫向缺陷和縱向缺陷及材質內部的體積、面積型缺陷。檢測深度如下：縱向斜探頭為400mm，橫向斜探頭為200mm、直探頭為150mm(R29.5mm)。探傷靈敏度及分辨力如表1所示。

表1 探傷靈敏度及分辨力

說明：

R代表半徑，指探頭聲發(fā)射面為圓弧面，緊跟其后的數字表示該圓弧面的半徑值;A代表探頭角度；DA代表雙晶片探頭 ；J代表橫向聲束探頭；其他字符符合ZBJ04001—87和JB/T10062—1999標準。

折射角誤差：所有斜探頭的折射角誤差不大于1.5°(20 ℃)；

斜探頭探傷靈敏度一致性：誤差不大于4dB。

4 測試記錄

前期試制了約10套100個探頭，將其中10個探頭抽樣送檢，由中國鐵道科學研究院金屬及化學研究所提供的檢測報告顯示，按照JB10062—1999—T《超聲探傷用探頭性能測試方法》的要求進行了檢測和對比，所送檢的探頭狀態(tài)正常，各項性能均符合標準要求，如表2所示。

將探頭安裝于現有動車組空心車軸超聲波探傷設備上，經過在對比試樣軸上的檢測發(fā)現，可以良好匹配現有設備，檢測結果符合動車組探傷工藝規(guī)程[3]對定位精度、靈敏度的要求。

5 結束語

該探頭采用具有特殊振動模式的壓電晶片，配合良好的聲、電阻抗匹配，以及專門設計的超聲楔塊，具有靈敏度高、寬帶寬、指向性好、高機電耦合系數、易聲阻抗匹配等優(yōu)異性能，適用于CRH1、CRH2、CRH3、CRH5型動車組的內孔孔徑在29～90mm內空心車軸的自動和手動超聲波探傷。探頭連接到超聲波探傷儀后，利用壓電效應可以實現電聲轉換，應用于空心車軸超聲波探傷，可有效地檢測車軸缺陷，防止因為車軸材質問題和疲勞裂紋引起的斷軸事故。

表2 探頭檢測報告

序號探頭型號編號前沿/mmK值β角/(°)分辨率/dB靈敏度余量/dB頻率/MHz評定14C9×9A45R29.5+No.BGA84318.31.0245.631.563.54.28合格24C9×9A45R29.5+No.BGA83018.51.0245.635.565.54.21合格34C9×9A70R29.5+No.BGA81517.92.5768.732.064.54.1合格44C9×9A70R29.5+No.BGA80817.32.5968.935.066.54.1合格54C9×9A70R29.5J+No.BGA795———30.069.54.3合格64C9×9A70R29.5J+No.BGA786———29.565.54.4合格7DA4C5×10F30R29.5No.BGA779見下頁雙晶探頭深度曲線84C9×9A45R15+No.BGA85618.51.0245.637.562.54.2合格94C9×9A45R15+No.BGA84818.51.0245.635.565.54.1合格7DA4C5×10R15No.BGA871見下頁雙晶探頭深度曲線

目前國內還沒有專門用于空心車軸超聲波探傷的同類產品，現有的空心車軸探傷設備使用的探頭全部由國外進口，該國產化探頭不僅可替代進口探頭，滿足動車組空心車軸的探傷需要，而且在價格上有較大的優(yōu)勢，現已在國內北京、上海、廣州、濟南等各大鐵路局推廣應用，2013-2014年已銷售550套，獲得了使用單位的好評。

本產品于2014年4月通過了上海鐵路局組織的科技成果驗收評審會的專家評審；2015年申報并通過了2項“實用新型”專利；2015年2月申報了“上海鐵路局科學技術進步獎”，經審核獲得了該獎項的一等獎。目前已申報中國鐵道學會科學技術獎和上海市優(yōu)秀發(fā)明獎。

[1] 李鄧化.壓電復合材料制作工藝[M].北京：科學出版社，2010.

[2] 祁 欣,于國良.超聲波TR探頭的設計及應用[J].傳感器與微系統,1999,18(1):26-28.

[3] 中國鐵路總公司.和諧系列動車組空心車軸超聲波探傷規(guī)程[M].北京：中國鐵道出版社，2013.□

(編輯:林素珍)

2095-5251(2016)02-0012-03

2014-05-18

張 偉(1970-)，男，本科學歷，高級工程師，從事鐵路車輛管理工作。

實用新型專利申請：1.一種能夠改善探頭耦合性能的探頭支架裝置”(實用新型專利，授權號：201520173657.8)；2.超聲波探傷探頭(實用新型專利，授權號：201520589322.4)。

TG115.28+

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