引言：在检修作业开展过程中，需要严格划分机车车轴检测范围，建立数字化机车车轴超声波探伤系统，通过声波发送的方式，工作人员实时观测回波信号在控制电压变动下形成的动态趋势，根据最终的波型显示结果，有针对性的进行数据参数计算。对机车车轴缺陷进行精确定位，为了保证波型数据材料的精准性，通过滤波器的有效应用做好信号降噪处理，结合时域特征进行缺陷分析工作，凭借多年的工作经验，对机车车轴检修过程进行实验，发挥出数字化超声波探伤技术在机车车轴探伤过程中的应用成果。

一、超声波探伤的基本原理

（一）超声波传播特性

在进行超声波特性分析的过程中，主要从反射和透射、散射和衍射两个进行分别探讨。

反射和透射：机车车轴检修作业过程中，通常会在不同介质的连接区域进行超声波垂直入射，在整个过程中一部分超声波直接穿透界面进入到下一层介质，这个过程被称为透射声波。需要注意透射声波的应用特点在于，传播方向不会发生改变，但在垂直入射期间，另一部分声波会在界面反射的作用下传播方向与原定方向相反，这个过程被称为反射声波。想要保证超声波探伤作业的精确性，需要认识到超声波的物理特性，声波回波信号采集过程中，在信号幅度分析期间要参考透射、反射与入射不同之间能量配比关系。在此基础上从反射和透射两方面分别计算出声压和声强的相关参数，不同介质存在的声阻抗差异会影响到最终计算结果。

散射和衍射：超声波的平面波在相同的介质中是直线传播，声波传播期间遇到障碍物时，将会发生散射和衍射现象，散射是在遇到障碍物后分散向不同的方向发射声波。衍射是经过障碍物的边缘继续向后传播，但在声波传播期间都不符合直线传播的进行要求，在计算分析的过程中，发现障碍物的尺寸会对超声波的传播产生不同影响。当障碍物尺寸小于超声波的波长，影响忽略不计；障碍物尺寸约等于超声波波长，将在中途发生散射或衍射；障碍物尺寸高于超声波波长，障碍物形成的声阻抗与介质声阻抗之间出现较大差异，将会发生反射。^【1】

（二）超声波的波型

超声波的传播方式具有多样性的特点，在进行传播方式划分期间需要参考超声波波型，而超声波的波型变化与介质振动方式和声波发射方式密切相关，通常情况下超声波的波型分为纵波、横波、表面波、板波多种形式。

纵波：超声波的传播方向与传播介质中质点振动形成的方向保持一致时，工作人员通纵波示意图中的各项信息可以得出结论，金属介质的纵向体积出现了交替变化，在这一期间形成的纵波主要被应用在机车车轴金属区域的探伤过程中，纵波的发射与接收十分简便。

横波：在金属材受到剪切力交替作用的过程中，材料将会发生变形，在这一期间观察金属介质内部，发现形成了横波波型，横波波型的振动特点在于，质点振动方向与超声波传播方向处于相互垂直的状态。横波的波型又可以划分为垂直波型和水平波型等两大类，这一认定过程会受到质点振动方向与入射界面之间的关系影响。

表面波：表面波通常是沿着金属表面进行传播形成的波型，通过对质点振动情况的观察，表面波也可以划分为纵波和横波两个方向，工作人员要详细观察质点的振动轨迹，通常被应用在机车车轴金属表面探伤检测。在检测过程中，主要的检测内容局限在距金属介质表面波长深度范围内的损伤情况，但优势在于缺陷的分辨率较高，能够真实的反馈出表面裂纹和遭到腐蚀的洞孔。

板波：超声波在薄板材料入射过程中，以倾斜的角度沿着薄板进行持续延伸的波型，与表面波之间的最大差别在于，在传播过程中薄板的一切质点都会发生振动。虽然质点的振动方式与表面波几乎相同，但处于横向、纵向组合振动的形势下，振动方向几乎不发生改变，板波的呈现方式以中间对称和中间反对称两种对称型为主。^【2】

二、超声波探伤检测方法

机车车轴超声波探伤在检修作业中的有效应用，常用的探伤检测方法可以分为脉冲反射、穿透和共振三种形式。

（一）脉冲反射法

脉冲反射法：脉冲反射法应用范围十分广泛，在使用过程中不是连续的进行超声波发射，而是按照工作人员设定好的频率进行脉冲式超声波发射，精准的探查机车车轴内部的使用情况。有经验的工作人员能够迅速确定出现缺陷的主要位置以及缺陷涉及到的区域和范围，脉冲反射法的应用主要采用接触式的单探头。例如：在检测过程中发现机车车轴的内部不存在缺陷问题，但观察得到的反射波显示当前的工件存在细小缺陷，需要观察缺陷波的具体区间，判断工件缺陷的深度，计算分析缺陷波与首波之间的相对距离。

（二）穿透法

穿透法：穿透法是早期常见的超声波探伤方法，通常安装发射与接收超声波探头，在安装期间需要用夹具进行固定，将超声波从车轴表面透射到另一个表面，观测工件是否存在缺陷。当超声波在穿透工件后，射透声波产生较强能量，可以判定不存在缺陷，当传播期间超声波出现部分反射，可以根据超声波的衰减程度计算缺陷的大小。车轴内部的缺陷尺寸过大时，声波将完全被反射，探头无法收到回波，不排除在声波发射期间出现散射和衍射的问题，也可以将其作为判断缺陷的重要依据。穿透法在应用期间无法明确的标注缺陷产生的具体位置，最终判定的缺陷大小不准确，在机车车轴检修中的应用次数较少。

（三）共振法

共振法：超声波在物体的相对上将会发生反射，与物体固有频率进行结合，同相位叠加的物理现象被称为共振，在机车车轴检修作业过程中可以根据共振现象得到探伤结果。共振法主要关注驻波的变化形式，两个存在密切联系的声波，按照同一直线相反的方向完成传播，在出现叠加现象时形成驻波，工作人员借助高频发生器通过探头的压电晶片获取高频振荡电压，探头在与车轴发生接触时，超声波会直接进入到被测的车轴工件内。根据工作人员下达的指令连续进行发射频率调整，已经进入到车轴工件内部的超声波波长持续改变，共振法的应用优势在于操作简单，超声波的测量结果十分精确，通常被应用在裂纹检测。^【3】

三、机车车轴超声波探伤在检修作业中的关键技术

（一）探伤区域的选择

机车车轴超声波探伤区域选择的过程中，需要分析机车车轴的常见缺陷问题，一是车轴锻造材料本身存在的缺陷，主要以缩孔、裂纹、白点等形式存在；二是在机车运行期间，车轴受到外部冲击，出现疲劳损伤缺陷。第一种缺陷是随机出现的，工作人员无法凭借以往的工作经验精准判断缺陷产生的具体位置，而且缺陷出现的次数要远远低于损伤。在探伤区域选择的过程中，工作人员通常会选择在容易发生疲劳损伤的位置，机车车轴部件连接区域经常发生摩擦，在复杂环境的影响下，经常出现车轴裂纹和表面腐蚀，根据这一现象将探伤区域确定在轴颈、轮座、轴身等区域。^【4】

（二）探测频率的确定

通常情况下根据超声波探伤系统自带的检测能力，确定合适的探测频率，为了保障缺陷定位的精准性，需要了解机车车轴的主要材质，例如：确定机车车轴为碳素钢锻造，碳素钢被归属到细晶粒材料范围内，在探伤系统检测方法选择过程中要应用接触法探伤，严格参考相关标准选择合适的超声波探伤频率。工作人员要了解超声波探伤能够获取到的最小缺陷检测结果，高频的超声波在传播过程中经过较大的衰减，无法保障穿透力，当设置的频率过低时，超声波的能量十分分散，无法精准探测一些细小缺陷，但是检测范围较大。低频超声波在一定介质内进行传输时穿透性能较好，不容易发生衰减，只需要满足机车车陷分辨率的最低标准，就能够保证最终的检测结果。

（三）超声波探头的选择

探头是完成超声波检测的重要工具，无论是发射与接受都需要探头作为主要的媒介。现阶段，探头性能丰富、类别众多，在实际的使用过程中，必须确保选择的探头的合理性，主要从尺寸、角度以及频率等方面进行选择。

1. 探头晶片的尺寸越大，其近场覆盖的范围也越大，尺寸越小，覆盖的范围也就越小。因此，在选择的时候一定要根据使用需求进行选择。在远场时，因为具备一定的指向性，因此晶片尺寸大时，但是其覆盖的范围可能要小于小尺寸的晶片。另外，探头型式的选择上也需要根据实际情况合理选择，一般来说，无论是直探头还是斜探头的选择都以欲发现的缺陷部位息息相关。比如在进行锻件探测时，因为锻件的缺陷基本上都呈现在垂直锻压方向，因此选择直探头相对较多。而在焊缝检查时，主要以斜探头为主。

2. 超声波对缺陷探测能力主要体现在超声波频率上，处在高频率时，波长相对较短、声束相对狭窄、扩张的角度较小、能量也更为集中，能够很好的提高超声波探测缺陷的能力，能够精准定位缺陷部位。在车机车轴的缺陷检测中，一定要根据需要检测的部位，合理选择超声波探讨，提高超声波检测缺陷的能力与精准度。

四、机车车轴超声波探伤在检修作业中的系统实验

在役车轴无损检测即对组装成轮对或轮轴后的车轴进行探伤，主要检测车轴在使用过程中产生的疲劳缺陷，即疲劳裂纹。^【5】

（一）探伤部位和要求

探测伤部位：车轴探伤部位即疲劳裂纹易产生的部位，主要在应力较大的区域，如车轴轴颈根部、轮座镶入部外侧(10~30)mm和内侧(5~30)mm范围内，如图1所示。另外，传动齿轮镶入部内外侧也是易产生疲劳裂纹的区域。

探伤频率：横波探头2.5MHz，小角度纵波探头为2.5MHz或4~5MHz。

探伤灵敏度：一般为2mm深人工裂纹。

                   图1疲劳裂纹产生部位（阴影部分）

 以DF4B型内燃机车车轴实物对比试块为例，如图2所示，人工缺陷深度误差±0.1mm，在齿端车轴镶入部内侧，距轴端面640mm加工深度为2mm人工缺陷，在齿端车轴镶入部外侧距轴端面380mm加工深度为2mm人工缺陷；在非齿端车轴镶入部内侧距轴端面530mm加工深度为2mm人工缺陷。                                                                                              单位为毫米  

图2型内燃机车车轴实物对比试块

（二）探伤方法

主要有直探头纵波探伤、小角度纵波探伤和横波探伤三种方法。机车车轴结构相对复杂，需要探测的部位相对较多，而能够直接进行探测的探面相对较少，这就需要工作人员采用多种探头与方式进行精准探测，在实际的探测过程中要根据具体的结构选择合理的方式，现阶段主要有两种最为典型的探伤方式，如图3所示。

图3纵波小角度探头、横波探头示意图

1. 纵波探伤方法

主要是利用超声纵波的方式对车轴的端面进行探伤检测，该方法能够很好地对车轴全长进行检测，也是超声探伤检测中最早的方法。

该探伤方法的工作原理，主要是对疲劳大裂纹进行检测，纵波探伤方法能够很好地弥补小角度以及横波探伤检测方法，提高探伤效率。此外，因为受车轴台阶与侧壁效应的影响，纵波检测的灵敏度相对较低，检测范围也基本上以4到5毫米深度的裂纹为主。

2. 小角度纵波探伤方法

该方法属于纵波探伤检测方法的延伸或细化，主要是对车轴的轴颈或镶入局部进行探伤，虽然也是利用超声纵波，但是却斜入进行检查，因此具备纵波与横波检测的特点。该方法主要是探测轴颈及镶入部疲劳裂纹，速度快、效率高，但是该方法易受外部信号干扰，导致在实际的探测时存在着一定的盲区。

3. 超声横波探伤方法

在以超声横波为主要检测方法时，虽然也是对镶入部进行探伤，但是在轴内圈的基础上，可以通过轴身扫描，进而得出较为精准的结论。该方法同样有着极高的灵敏度，基本上没有检测盲区，是现阶段最为先进的探伤方法。

总结：超声波探伤作为无损探伤方式，能够降低检修作业期间对机车车轴稳定性的产生影响，综合探讨超声波探伤技术的传播特性，以及常见的超声波探伤波型。工作人员根据实际机车车轴检测情况，选择合适的超声波检测法，分别论述垂直探伤、斜角探伤、局部探伤的具体应用，选择合适的机车车轴超声波探伤区域，确定超声波探伤的探测频率。选择合适的超声波探头，从接收到的超声波信号提取出重要探伤信息，实时观测工件内部和表面存在的缺陷与问题。

参考文献：

[1] 韩建荣. 机车车辆轮的车轴超声波探伤改进方案[J]. 车时代,2022(10):14-16.

[2] 毕超,胡祺昆,黄永巍,等. 动车组空心车轴内部材质缺陷超声波探伤灵敏度量值传递体系研究[J]. 铁道机车车辆,2022,42(3):99-103.

[3] 刘舒宁,王庆超,刘宪,等. 机车车轴轴颈非相关磁痕案例分析[J]. 电力机车与城轨车辆,2022,45(4):93-95,114.

[4] 毕超. 动车组空心车轴外表面裂纹超声波探伤横波探头最佳折射角度研究及其试验验证[J]. 铁道技术监督,2022,50(6):25-29.

[5]刘宪.内燃、电力机车在役车轴超声波探伤[J]. 无损检测，2006（12）：662-

667.

作者简介：高亚玲（1990.5-）女，山西，本科，助理工程师，研究方向：无损检测机务探伤。