針對(duì)HXD1C機(jī)車電機(jī)小齒輪軸在役運(yùn)行缺陷產(chǎn)生部位，結(jié)合電機(jī)小齒輪軸形狀特點(diǎn)及與電機(jī)轉(zhuǎn)軸裝配情況，通過(guò)理論分析和實(shí)物試塊缺陷模擬檢測(cè)結(jié)果研究，提出HXD1C機(jī)車電機(jī)小齒輪軸超聲波檢測(cè)方案，并應(yīng)用于機(jī)車在役檢測(cè)，對(duì)在役檢測(cè)過(guò)程和波形特點(diǎn)進(jìn)行了詳細(xì)闡述，方便現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)人員快速的辨別各種反射波形從而做出比較準(zhǔn)確的判斷。

　　一、序言

　　電力機(jī)車主要是由安裝在轉(zhuǎn)向架上的牽引電機(jī)提供動(dòng)力，牽引電機(jī)通過(guò)電機(jī)小齒輪連接轉(zhuǎn)向架輪驅(qū)大齒輪進(jìn)行轉(zhuǎn)矩動(dòng)力傳輸從而驅(qū)動(dòng)機(jī)車運(yùn)行。目前，公司生產(chǎn)的重載HXD1C型電力機(jī)車就是采用這種傳動(dòng)方式。近期配屬該車型的多個(gè)鐵路局機(jī)務(wù)段陸續(xù)反饋電機(jī)小齒輪軸裂損，嚴(yán)重影響機(jī)車運(yùn)行質(zhì)量，給公司質(zhì)量信譽(yù)和形象造成了較大負(fù)面影響，對(duì)在役HXD1C機(jī)車電機(jī)小齒輪軸實(shí)時(shí)運(yùn)行狀況進(jìn)行有效監(jiān)控管理至關(guān)重要。

　　二、電機(jī)小齒輪軸結(jié)構(gòu)及裂損部位

　　電機(jī)小齒輪軸一端通過(guò)與電機(jī)轉(zhuǎn)軸內(nèi)錐孔進(jìn)行壓裝過(guò)盈配合連接(見(jiàn)圖1)，一端與輪對(duì)驅(qū)動(dòng)大齒輪進(jìn)行嚙合。在運(yùn)行過(guò)程中小齒輪軸作為傳動(dòng)件受扭轉(zhuǎn)剪切應(yīng)力、彎曲應(yīng)力及壓裝應(yīng)力等多種復(fù)雜交變應(yīng)力共同作用容易產(chǎn)生疲勞情況，特別是在小齒輪軸環(huán)形油槽油孔附近，因各種應(yīng)力集中容易產(chǎn)生早期疲勞裂紋，拆解后磁粉檢測(cè)結(jié)果和金相檢測(cè)結(jié)果驗(yàn)證了此處為早期裂紋源(見(jiàn)圖2)。

　　三、電機(jī)小齒輪軸超聲波檢測(cè)方案及在役檢測(cè)

　　1)根據(jù)電機(jī)小齒輪軸結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及疲勞裂紋產(chǎn)生區(qū)域，經(jīng)過(guò)理論計(jì)算和超聲波聲束仿真模擬演示，在不拆除小齒輪軸的狀態(tài)下采用縱波小角度探頭從小齒輪軸端面對(duì)254. 5mm環(huán)形油槽油孔及卸荷槽附近區(qū)域進(jìn)行超聲波檢測(cè)方案可行(見(jiàn)圖3)。通過(guò)制作實(shí)物模擬裂紋試塊進(jìn)行超聲波檢測(cè)試驗(yàn)，綜合考慮在役電機(jī)裝配結(jié)構(gòu)和小齒輪軸自身形狀特點(diǎn)，確定了超聲波檢測(cè)的探頭頻率4 MHz、入射角度3.5°(鋼中折射角約為7.6°)、晶片尺寸Φ20mm等關(guān)鍵工藝參數(shù)。

　　2)儀器探頭參數(shù)校準(zhǔn)及靈敏度確定，探傷儀器以KW-4C為例進(jìn)行介紹。

　　第一，探頭零偏和聲速校準(zhǔn)。將4P20 • 3.5°探頭置于TZS-R試塊的側(cè)面位置上，移動(dòng)探頭使175mm處1mm深的人工槽反射體的最高反射波和試塊深度200mm的上棱角的最高反射波顯示在儀器屏幕上(見(jiàn)圖4)，用閘門(mén)1套住175mm閘門(mén)2套住200 mm，進(jìn)入手動(dòng)調(diào)校模式后利用“零偏”鍵將175mm 處1mm深的人工槽最高反射波數(shù)據(jù)顯示深度調(diào)整為 175(見(jiàn)圖5)，此時(shí)探頭零偏和聲速即校準(zhǔn)完畢。

　　第二，檢測(cè)靈敏度確定。將TZS-R試塊175mm 處1mm深的人工槽反射體的最高反射波調(diào)為熒光屏滿幅的80%高度，然后探頭置于人工實(shí)物試塊軸齒端面探測(cè)254. 5mm油孔處的人工模擬裂紋反射體(見(jiàn)圖6)，將該反射體的最高反射回波調(diào)至設(shè)定的基準(zhǔn)波高(50%~80%)，為保證實(shí)物檢測(cè)精度，此時(shí)需按1)使用的零偏調(diào)校方法對(duì)254. 5mm反射波數(shù)值進(jìn)行實(shí)物聲速和零偏值修正，考慮檢測(cè)范圍和波形觀察效果，可將屏幕觀察范圍調(diào)整至5mm/格， 利用儀器“平移”功能鍵將波形適當(dāng)展寬并使之出現(xiàn)在儀器水平刻度5 ~6格(見(jiàn)圖7)，根據(jù)耦合和檢測(cè)面光潔度情況補(bǔ)償2~4dB，現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)時(shí)可再增益6dB作為掃查靈敏度。

　　3)電機(jī)小齒輪軸在役超聲波檢測(cè)。牽引電機(jī)安裝在機(jī)車轉(zhuǎn)向架下部通過(guò)電機(jī)小齒輪軸與輪驅(qū)大齒輪嚙合，機(jī)務(wù)段現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)時(shí)先將機(jī)車調(diào)入檢修地溝，拆除下齒輪箱，使小齒輪軸端面部分露出(見(jiàn)圖 8)。超聲波檢測(cè)時(shí)將探頭前端朝向小齒輪軸端面外圓方向，探頭后端緊靠軸端面中心孔，以垂直外圓方向做周向鋸齒形掃查(見(jiàn)圖9)，掃查速度控制在 50mm/s 以內(nèi)，并保證每次掃查覆蓋率≧15%，掃查時(shí)，可將探頭適當(dāng)左右偏轉(zhuǎn)一定角度以檢測(cè)取向不同的疲勞缺陷。大量返修電機(jī)拆解探傷結(jié)果表明，小齒輪軸疲勞裂紋均始于油孔，因此油孔附近區(qū)域?yàn)橹攸c(diǎn)檢測(cè)部位。檢測(cè)時(shí)先從端面確定油孔部位 (用鐵絲或鐵棍伸入端面兩個(gè)螺紋孔，油孔位于近端螺紋孔)，沿端面對(duì)應(yīng)油孔部位的螺紋孔周邊做鋸齒形掃查，受螺紋孔(直徑約為13mm)影響正常掃查時(shí)超聲波束無(wú)法覆蓋油孔附近區(qū)域，此時(shí)可將探頭朝螺紋孔方向偏轉(zhuǎn)20° - 30°進(jìn)行前后左右環(huán)繞轉(zhuǎn)角掃查，根據(jù)回波特征及位置進(jìn)行波形辨別，發(fā)現(xiàn)缺陷回波后可采用絕對(duì)靈敏度法或半波高度法進(jìn)行測(cè)長(zhǎng)。

　　四、超聲波檢測(cè)波形辨別分析

　　固定回波波形及位置分析

　　1)從軸端面中心孔以垂直外圓方向做鋸齒形掃查時(shí)在距端面258 ~ 259mm部位發(fā)現(xiàn)一處反射回波，回波幅度為基準(zhǔn)靈敏度-6dB左右(見(jiàn)圖10)，周向掃查整圈反射波均存在，該反射波波幅高度較穩(wěn)定，探頭左右偏轉(zhuǎn)回波下降較快，探頭靠近中心孔時(shí)波幅較高，隨著探頭向外圓方向移動(dòng)波幅逐漸下降。從反射波產(chǎn)生部位分析，該區(qū)域非油槽部位且油槽圓弧前后肩均圓滑過(guò)渡，可以排除油槽壓裝反射波，推測(cè)該反射波應(yīng)該是由結(jié)構(gòu)反射引起的變形波，拆 解后的磁粉探傷結(jié)果也證實(shí)此反射波為固定回波。

　　2)探頭周向掃查時(shí)，部分電機(jī)小齒輪軸油槽區(qū)域外發(fā)現(xiàn)有波幅較大的異常波出現(xiàn)(見(jiàn)圖11)，回波幅度為基準(zhǔn)靈敏度-11.8dB，回波位置為249 ~ 250mm。周向掃査時(shí)，回波位置固定、波幅變化較大，前后、轉(zhuǎn)角掃查時(shí)回波位置、波幅均變化較大，探頭在油孔附近時(shí)波幅略有增高。查閱返修流程了解，部分電機(jī)小齒輪軸在返廠修理過(guò)程中對(duì)油槽部位進(jìn)行了挫修加工，油槽部位尺寸和加工精度發(fā)生改變，對(duì)出現(xiàn)此種異常反射波的小齒輪軸進(jìn)行拆解，磁粉探傷未發(fā)現(xiàn)裂紋磁痕(見(jiàn)圖12)，分析判定該異常波為結(jié)構(gòu)反射回波。

　　3)探頭在油孔附近偏轉(zhuǎn)檢測(cè)疲勞源時(shí)發(fā)現(xiàn)有波幅較小的異常波(見(jiàn)圖13)出現(xiàn)，回波幅度為：基準(zhǔn)靈敏度+ 5. 8dB，回波位置顯示為252. 8mm位于油槽區(qū)域，該反射波僅出現(xiàn)在油孔周圍，探頭周向移動(dòng)時(shí)回波消失;探頭垂直油孔放置平行油孔掃查時(shí)，異常波波幅最大且回波位置基本不變;探頭前后、轉(zhuǎn)動(dòng)掃查時(shí)，波幅減小、回波位置變化較大。將小齒輪退出后采用熒光磁粉檢測(cè)未發(fā)現(xiàn)油槽處疲勞裂紋，根據(jù)此異常波特征分析與油孔回波特征相似，判斷該異常波為油孔固定回波。

　　裂紋回波波形分析及辨別

　　(1)裂紋回波位置及波形特征 裂紋一般位于環(huán)形油槽處的最底部，探頭徑向放置周向掃查時(shí)缺陷回波位置一般位于檢測(cè)區(qū)域中間，深度顯示值為254.5mm左右(見(jiàn)圖14)。裂紋起始處聲束反射面為裂紋面與油槽面、油孔面相連構(gòu)成的復(fù)合面，此時(shí)探頭偏轉(zhuǎn)放置檢測(cè)裂紋源時(shí)聲程會(huì)稍增大，深度顯示值為255mm左右(見(jiàn)圖15)。找到裂紋起始處最高回波，往兩側(cè)偏轉(zhuǎn)或前后移動(dòng)時(shí)波幅減小，周向移動(dòng)時(shí)波幅有變化、回波位置基本不變。

　　(2)裂紋回波辨別 電機(jī)小齒輪軸疲勞裂紋一般起始于注油孔，由于檢測(cè)面螺紋孔和裂紋起始處注油孔的影響，常規(guī)掃查方法無(wú)法檢測(cè)注油孔處初期發(fā)展的小裂紋，此時(shí)需要將探頭前端朝向螺紋孔偏轉(zhuǎn)20° ~30°，通過(guò)前、后、左、右、轉(zhuǎn)角、環(huán)繞掃查仔細(xì)辨別油孔附近反射波的位置和波形特征，特別是要準(zhǔn)確區(qū)分油孔反射波和裂紋反射波的位置和波形特征。油孔反射波位置一般固定在252 ~254mm，隨著探頭移動(dòng)波束延伸位置會(huì)略有變化，反射波幅一般低于于基準(zhǔn)靈敏度4 ~6dB;裂紋反射波位置一般在254. 5 ~ 256mm之間，部分裂紋延伸反 射波會(huì)出現(xiàn)在257mm左右，反射波波幅一般高于基準(zhǔn)靈敏度6dB以上，隨著裂紋深度、長(zhǎng)度的發(fā)展，反射波幅變化較快。

　　五、結(jié)束語(yǔ)

　　1) 采用超聲波小角度探頭對(duì)電機(jī)小齒輪軸進(jìn)行在役檢測(cè)具有較高的可靠性，對(duì)小齒輪軸早期和發(fā)展中的疲勞裂紋檢測(cè)效果好。

　　2) 熟練掌握檢測(cè)中的各種固定回波和裂紋回波位置及波形特征能有效提高檢測(cè)效率和檢測(cè)準(zhǔn)確性。

　　3) 小齒輪軸疲勞裂紋源為注油孔附近區(qū)域，檢測(cè)時(shí)需采用不同掃查手法區(qū)分油孔反射波和裂紋反射波，檢測(cè)人員經(jīng)驗(yàn)積累和儀器校準(zhǔn)精度是關(guān)鍵因素。