宋文濤, 王汝海， 劉 軍

(1.石家莊鐵道大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,河北 石家莊 050043;2.石家莊鐵道大學(xué)后勤管理服務(wù)中心,河北 石家莊 050043)

殘余應(yīng)力的影響貫穿輪對(duì)的全壽命周期。在輪對(duì)服役期間，殘余應(yīng)力分布是影響輪對(duì)服役狀態(tài)的重要因素。當(dāng)殘余應(yīng)力具有良好的分布時(shí)，車(chē)輪的疲勞壽命、尺寸穩(wěn)定性以及抗腐蝕能力都有所提高[1-3]。殘余應(yīng)力分布不均會(huì)導(dǎo)致應(yīng)力集中，車(chē)軸、輪箍處容易發(fā)生彎曲變形，甚至在服役期間發(fā)生斷裂，導(dǎo)致重大事故發(fā)生[4,5]。車(chē)輪踏面通常需要做滾壓強(qiáng)化處理以形成表層殘余壓應(yīng)力，然而服役中車(chē)輪頻繁制動(dòng)會(huì)使得踏面表層壓應(yīng)力向拉應(yīng)力轉(zhuǎn)變，由此導(dǎo)致疲勞裂紋萌生，產(chǎn)生剝離掉塊和多邊形磨耗等傷損問(wèn)題[6]。因此，實(shí)現(xiàn)車(chē)輪踏面和車(chē)軸殘余應(yīng)力的無(wú)損檢測(cè)，對(duì)準(zhǔn)確評(píng)估輪對(duì)的強(qiáng)度、韌性和抗疲勞性以及改善其性能具有重要意義。

國(guó)內(nèi)外對(duì)殘余應(yīng)力的檢測(cè)主要分為有損檢測(cè)與無(wú)損檢測(cè)兩種方法[7,8]。有損檢測(cè)主要有盲孔法，即在被測(cè)件上打上盲孔，以應(yīng)變片為敏感器件來(lái)測(cè)量。但是應(yīng)變片只能實(shí)現(xiàn)輪對(duì)表面殘余應(yīng)力的測(cè)量，對(duì)于輪對(duì)亞表面以下的殘余應(yīng)力層狀態(tài)無(wú)法獲得，而且這種方法對(duì)輪對(duì)造成破壞，檢測(cè)之后的輪對(duì)無(wú)法再次投入使用。無(wú)損檢測(cè)法主要包括：X射線衍射法、磁性法、中子衍射法及超聲法等[9]。X射線法受測(cè)頭尺寸的限制，且需要對(duì)車(chē)輪表面化學(xué)清洗露出晶格。磁性法受到外界磁場(chǎng)的干擾較大。中子衍射法穿透能力比X射線強(qiáng)得多，理論上可以用來(lái)測(cè)量輪對(duì)踏面深層殘余應(yīng)力值，然而設(shè)備操作復(fù)雜且昂貴，在實(shí)際應(yīng)用中存在許多困難。

超聲波法無(wú)損檢測(cè)殘余應(yīng)力，精度高，穿透能力較強(qiáng)，從實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的可行性而言，設(shè)備體積小，重量輕，超聲波法測(cè)量輪對(duì)殘余應(yīng)力無(wú)疑是最優(yōu)的。本文依據(jù)聲彈性理論，選用有機(jī)玻璃作為超聲波入射前介質(zhì)，建立超聲應(yīng)力檢測(cè)試驗(yàn)系統(tǒng)，利用該試驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)車(chē)輪踏面周向、車(chē)軸軸向的殘余應(yīng)力進(jìn)行檢測(cè)，從而實(shí)現(xiàn)超聲波法對(duì)輪對(duì)殘余應(yīng)力分布的快速、準(zhǔn)確檢測(cè)。

1 殘余應(yīng)力超聲檢測(cè)原理

臨界折射縱波(Lcr波)是縱波以第一臨界角從聲速較慢介質(zhì)入射到較快介質(zhì)時(shí)產(chǎn)生的特殊模式縱波，該縱波沿被測(cè)件的次表面?zhèn)鞑ィ梢詼y(cè)量表層下方一定深度的殘余應(yīng)力值[10,11]。Lcr波近些年主要應(yīng)用于應(yīng)力測(cè)量，因其在應(yīng)力測(cè)量方面表現(xiàn)出的優(yōu)越性，已經(jīng)在國(guó)內(nèi)外受到了廣泛重視。

超聲波法應(yīng)力測(cè)試的基本原理為超聲波(通過(guò)定制的楔塊)斜入射到界面時(shí)，采用一發(fā)一收模式，利用第一臨界角加工出有機(jī)玻璃透聲楔塊，激勵(lì)出的超聲Lcr波可檢測(cè)工件表面以下寬為W、長(zhǎng)為L(zhǎng)的三維區(qū)域應(yīng)力值，如圖1所示。

圖1 Lcr波的激勵(lì)與被測(cè)殘余應(yīng)力區(qū)域

經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，縱波沿應(yīng)力方向傳播速度與應(yīng)力之間的關(guān)系[12]：

ρ0v2=λ+2μ+

(1)

式中：v為有應(yīng)力情況下Lcr波的傳播速度；ρ0為被測(cè)材料的密度；λ和μ為材料的二階彈性常數(shù)；l和m為三階彈性常數(shù)；σ為應(yīng)力值，正值表示拉應(yīng)力，負(fù)值表示壓應(yīng)力。

對(duì)式(1)兩邊分別求導(dǎo)得出聲速變化量與應(yīng)力變化量之間的關(guān)系，通過(guò)轉(zhuǎn)化可得，在固定傳播距離內(nèi)，應(yīng)力與聲時(shí)的關(guān)系為[12]：

(2)

式中：K為應(yīng)力系數(shù)；t0為零應(yīng)力條件下Lcr波傳播固定距離所需要的時(shí)間。

由式(2)可知，通過(guò)精確測(cè)量Lcr波傳播的聲時(shí)參數(shù)，就可以計(jì)算得到對(duì)應(yīng)的應(yīng)力值。

利用臨界折射縱波檢測(cè)車(chē)輪應(yīng)力，只有超聲波從聲速較低的介質(zhì)傳入聲速較高的介質(zhì)中才能產(chǎn)生臨界折射縱波，縱波在鋼材中的速度為5 929 m/s，需要選用聲速慢的材料作為入射前的介質(zhì)，因超聲波在空氣中傳播的干擾和損耗較大，不能直接從空氣中射入，選擇聲速較小的有機(jī)玻璃作為入射前的介質(zhì)，有機(jī)玻璃聲速為2 730 m/s。根據(jù)Snell定理[13]：

v1sinθ2=v2sinθ1

(3)

式中：v1為有機(jī)玻璃聲速；v2為鋼材聲速；θ1為超聲波入射角；θ2為超聲波折射角，此時(shí)為產(chǎn)生Lcr波，取θ2=90°。計(jì)算可得：θ1≈27°，即以有機(jī)玻璃作為入射前的介質(zhì)時(shí)超聲波入射角為27°。

此外超聲波收發(fā)換能器間距數(shù)值L需要合理選取，間距太小會(huì)增加聲時(shí)精確測(cè)量的難度，降低檢測(cè)分辨率，間距太大又會(huì)降低接收到的Lcr波信噪比，使測(cè)量結(jié)果不穩(wěn)定。本文綜合考慮車(chē)輪踏面、車(chē)軸的尺寸與曲率半徑，選擇35 mm作為間距，該數(shù)值反映了應(yīng)力測(cè)試平均值的范圍。

2 超聲應(yīng)力檢測(cè)系統(tǒng)與原理

超聲應(yīng)力檢測(cè)系統(tǒng)由軟件系統(tǒng)和硬件系統(tǒng)組成，硬件系統(tǒng)包括工控機(jī)、超聲收發(fā)卡、超聲換能器、有機(jī)玻璃楔塊；軟件系統(tǒng)是基于C++編譯的數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)，包括波形采集與顯示、參數(shù)設(shè)置、K值標(biāo)定、應(yīng)力值顯示與云圖生成等功能。

整個(gè)系統(tǒng)集成到工業(yè)控制機(jī)中，超聲收發(fā)卡發(fā)出特定電壓信號(hào)到發(fā)射換能器，使其發(fā)射2.5 MHz超聲波，通過(guò)特定角度的有機(jī)玻璃楔塊，超聲波以Lcr波形式傳播到接收端換能器。接收換能器將超聲信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)由工控機(jī)采集，進(jìn)而交由軟件系統(tǒng)進(jìn)行信號(hào)處理，即對(duì)殘余應(yīng)力檢測(cè)波形與零應(yīng)力波形進(jìn)行互相關(guān)分析，計(jì)算兩波形的聲時(shí)差。在相同的檢測(cè)距離內(nèi)，聲時(shí)差即反映超聲波的傳播速度，而不同應(yīng)力鋼材下的超聲波傳播速度不同，不同的傳播速度即代表不同的應(yīng)力。

3 材料應(yīng)力系數(shù)標(biāo)定

試驗(yàn)獲取車(chē)輪車(chē)軸材質(zhì)的應(yīng)力系數(shù)K值，它反映了該材質(zhì)所受應(yīng)力與聲速的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

3.1 試驗(yàn)設(shè)備和參數(shù)說(shuō)明

電子拉伸機(jī)能夠拉伸的最大噸位為16 t，拉伸試件的材質(zhì)分別取自機(jī)車(chē)車(chē)輪、車(chē)軸，試件尺寸與加工要求滿(mǎn)足《無(wú)損檢測(cè) 殘余應(yīng)力超聲臨界折射縱波檢測(cè)方法》(GB/T 32073-2015)。

3.2 試驗(yàn)過(guò)程

將試件放到電子拉伸機(jī)上進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，如圖2所示。拉伸時(shí)以1 t為梯度，最大加載到9 t，每整噸拉伸時(shí)用超聲應(yīng)力檢測(cè)系統(tǒng)的K值標(biāo)定模塊進(jìn)行聲時(shí)差測(cè)量。

圖2 應(yīng)力系數(shù)標(biāo)定試驗(yàn)

3.3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)及處理

每種試件重復(fù)加載5次，分別得到5組車(chē)輪與車(chē)軸材質(zhì)應(yīng)力系數(shù)標(biāo)定數(shù)據(jù)，如表1所示。以拉伸力與試樣橫截面積的比值為施加應(yīng)力，線性擬合聲時(shí)差與施加應(yīng)力數(shù)據(jù)，得到方程的斜率倒數(shù)即為應(yīng)力系數(shù)K值，數(shù)據(jù)擬合結(jié)果如圖3所示。

圖3 車(chē)輪與車(chē)軸材質(zhì)應(yīng)力系數(shù)標(biāo)定試驗(yàn)數(shù)據(jù)

表1 車(chē)輪與車(chē)軸材質(zhì)應(yīng)力系數(shù)標(biāo)定重復(fù)加載試驗(yàn)數(shù)據(jù)

由試驗(yàn)數(shù)據(jù)可得，車(chē)輪應(yīng)力系數(shù)為10.95，車(chē)軸的應(yīng)力系數(shù)為10.26。從圖3可看出，車(chē)輪材質(zhì)試件的擬合直線較之車(chē)軸材質(zhì)偏離零點(diǎn)較多，這可能與試件殘余應(yīng)力消除不徹底有關(guān)，但不影響應(yīng)力系數(shù)K值的標(biāo)定。

4 輪對(duì)殘余應(yīng)力超聲檢測(cè)

4.1 車(chē)軸軸向殘余應(yīng)力檢測(cè)

對(duì)和諧D3型電力機(jī)車(chē)車(chē)軸進(jìn)行殘余應(yīng)力檢測(cè)試驗(yàn)，選取車(chē)軸與車(chē)輪配合的區(qū)域，用砂紙打磨干凈。將檢測(cè)區(qū)域分為兩個(gè)圓周面，每個(gè)圓周面上等間距選取10個(gè)點(diǎn)為一組，探頭沿軸向放置。對(duì)零應(yīng)力基準(zhǔn)點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)定后進(jìn)行各點(diǎn)殘余應(yīng)力檢測(cè)，其中兩圓周面的第5點(diǎn)位置都有損傷劃痕，如圖4所示，記錄位置及檢測(cè)結(jié)果。

圖4 車(chē)軸殘余應(yīng)力檢測(cè)試驗(yàn)

車(chē)軸軸向殘余應(yīng)力的檢測(cè)數(shù)據(jù)如表2所示，表中將第1圓周面的殘余應(yīng)力表示為殘余應(yīng)力1，第2圓周面的殘余應(yīng)力表示為殘余應(yīng)力2。用Matlab軟件進(jìn)行繪圖分析，應(yīng)力分布云圖表征如圖5所示。

表2 車(chē)軸軸向殘余應(yīng)力檢測(cè)數(shù)據(jù) MPa

圖5 車(chē)軸軸向殘余應(yīng)力分布

通過(guò)分析檢測(cè)結(jié)果可得：①車(chē)軸軸向的殘余應(yīng)力基本為壓應(yīng)力，且均勻分布，壓應(yīng)力值在160 MPa以?xún)?nèi)，這主要是因?yàn)檐?chē)軸加工采取了滾壓方式預(yù)置壓應(yīng)力，實(shí)現(xiàn)表面強(qiáng)化，提高表面抗疲勞強(qiáng)度和尺寸穩(wěn)定性。②車(chē)軸有劃痕位置的殘余應(yīng)力為拉應(yīng)力，這是因?yàn)槌暦y(cè)試的是表層殘余應(yīng)力，其深度約為一個(gè)波長(zhǎng)，當(dāng)劃痕較大時(shí)候，一方面會(huì)引起表面壓應(yīng)力釋放，另一方面會(huì)影響超聲波在車(chē)軸內(nèi)的傳播路徑。

4.2 車(chē)輪踏面周向殘余應(yīng)力檢測(cè)

選一踏面未經(jīng)涂油刷漆的車(chē)輪，先用砂紙對(duì)踏面進(jìn)行打磨以去除銹蝕，露出光潔面。同樣在踏面圓周上選取兩個(gè)圓周面，每個(gè)圓周面上等間距選取25個(gè)點(diǎn)為一組，探頭沿周向放置，如圖6所示。

圖6 輪對(duì)踏面周向殘余應(yīng)力檢測(cè)

車(chē)輪踏面殘余應(yīng)力的檢測(cè)數(shù)據(jù)如表3所示，針對(duì)各個(gè)檢測(cè)位置的應(yīng)力值，采用計(jì)算機(jī)線性插值得到踏面應(yīng)力分布云圖表征如圖7所示。

表3 車(chē)輪踏面周向殘余應(yīng)力檢測(cè)數(shù)據(jù) MPa

圖7 車(chē)輪踏面周向殘余應(yīng)力分布

通過(guò)分析檢測(cè)結(jié)果可得：①車(chē)輪踏面周向的殘余應(yīng)力為壓應(yīng)力，壓應(yīng)力值在50～320 MPa之間，最大壓應(yīng)力為317.55 MPa，最小壓應(yīng)力為54.75 MPa，該檢測(cè)結(jié)果與文獻(xiàn)[14]中研究的輪軌循環(huán)滾動(dòng)接觸下，鋼軌縱向殘余應(yīng)力分布較為吻合。②從殘余應(yīng)力云圖可看出，車(chē)輪踏面殘余應(yīng)力分布顯示出一定的間隔性，應(yīng)力大的區(qū)域和應(yīng)力較小的區(qū)域交替出現(xiàn)。

5 結(jié)束語(yǔ)

(1)依據(jù)聲彈性原理，采用臨界折射縱波對(duì)機(jī)車(chē)輪對(duì)關(guān)鍵部位進(jìn)行殘余應(yīng)力檢測(cè)?？紤]檢測(cè)分辨率與信噪比，設(shè)計(jì)的超聲換能器收發(fā)角度為27°，間距為35 mm。

(2)編制K值標(biāo)定模塊對(duì)車(chē)輪、車(chē)軸材質(zhì)試樣進(jìn)行應(yīng)力系數(shù)獲取試驗(yàn)，分別得到車(chē)輪應(yīng)力系數(shù)為10.95，車(chē)軸的應(yīng)力系數(shù)為10.26。從試驗(yàn)數(shù)據(jù)可得，聲時(shí)差檢測(cè)精度在0.5 ns，則殘余應(yīng)力的理論檢測(cè)誤差約±5 MPa。

(3)從檢測(cè)到的車(chē)輪踏面周向、車(chē)軸軸向殘余應(yīng)力數(shù)據(jù)可得，超聲法檢測(cè)值符合輪對(duì)制造與運(yùn)行過(guò)程中殘余應(yīng)力變化的一般規(guī)律。通過(guò)應(yīng)力云圖可更直觀反映應(yīng)力集中和分布不規(guī)則的區(qū)域，從而為評(píng)估輪對(duì)的可靠性提供一定依據(jù)，且超聲波法簡(jiǎn)單易行，方便推廣使用。