张 伟 夏剑敏

(1.上海铁路局车辆处 上海 200071；2.上海铁路局上海动车段 上海 201812)

国产化动车组空心车轴超声波探伤专用探头的开发

张 伟1夏剑敏2

(1.上海铁路局车辆处 上海 200071；2.上海铁路局上海动车段 上海 201812)

目前国内动车组空心车轴探伤设备使用的探头全部由国外进口，价格高昂、供货周期长，为了保障动车组的正常安全运营，对探头进行了国产化研究，产品经过2年的实际运用，结果表明，自主研制的空心轴探伤用探头可以替代进口产品，满足动车组空心车轴的探伤需要。

探头；动车组；空心车轴；超声波探伤

1 背景与难点

随着我国高速铁路动车组大量上线运营，相应的动车组空心车轴探伤设备也随之配套运行。目前空心车轴探伤设备上使用的超声波探伤探头全部都是进口产品，价格高昂、供货周期长，无法大量配置，而且其主要技术掌握在国外供应商手中，一旦出现缺货、停产、技术限制或其他因素引起的无探头可用的情况，将无法保障动车组安全、正常、持续地运行。为此，须立即开展动车组空心车轴超声波探伤用探头的国产化研究。

动车组空心车轴超声波探伤是动车组运用检修体系的重要组成部分，其探头的质量与性能直接关系到车轴探伤结果的准确性。探头的设计不仅要考虑到被检测对象可能发生的缺陷类型、取向、大小，同时还要考虑被检测对象的表面特征。动车组空心车轴超声波探伤除了要求探头具备较好的性能外，还要满足通过车轴中孔进行探伤的要求。另外，和谐系列动车组多种车型不同的车轴内孔直径也给设计和开发带来一定的难度。

国产化探头的主要技术难点如下：

(1)高性能压电复合材料的制备，用于产生具有高灵敏度和宽带宽声波的振动晶片(振子)；

(2)超声探头的声匹配层设计，用于铺设有较高声能透射率的传输通路；

(3)根据实际环境设计的探头外形及晶片角度设计，用于提供多种方向、不同角度、不同波型的超声波。

2 功能与技术

图1 切割工艺

国产化探头是根据动车组车轴内部中空、要求检测灵敏度较高、要求检测范围广、目标缺陷类型多样、检测环境复杂等特点而设计的。

首先针对检测灵敏度高、检测范围广的需求，采用含有压电复合材料的换能器[1](见图1)和声阻抗匹配层(见图2)，其中换能器晶片用于发射和接收超声波，并将之转化为相应的电脉冲信号。由于具有与普通陶瓷晶片不同的振动模式，此晶片具有高灵敏度、高机电耦合系数、窄脉冲宽度等特点，如图3所示。同一条件下普通PZT晶片探头的回波电压和频带宽度分别为4.91Vss和1.55MHz～2.62MHz，复合探头为18.25Vss和1.12MHz～2.9MHz。在此基础上，为压电晶片和超声楔块之间设计了具有特定厚度和声阻抗的声匹配层，使声能传播更加高效，进一步提高了系统的灵敏度。

图2 芯片成品

图3 PZT-换能器(左侧)和复合材料换能器(右侧) 探头的回波信号和频谱比较

图4 R15 mm圆弧面设计示意图

其次，传统实心车轴超声波探伤检测在车轴端面实施，检测范围覆盖面积小，整体灵敏度非常低，可检测缺陷的类型少。而动车组车轴内孔是中空的，可以将探头伸入车轴内孔进行检测，利用此特点对探头的外形、尺寸、声束方向进行了改进，设计了具有不同圆弧面的有机玻璃楔块，并对探头晶片的安放位置作了调整。用于CRH3型动车组空心车轴检测的探头采用R15mm圆弧面的有机玻璃楔块(见图4)，一套有3个，分别是正轴向、负轴向45°横波探头、0°双晶纵波直探头，其中2个轴向横波探头用于检测外表面的横向缺陷(方向垂直于车轴的中心线)，0°双晶纵波直探头用于检测空心车轴内部的体积型缺陷；而用于CRH1、CRH2、CRH5型动车组空心车轴超声波探伤的探头圆弧面半径是R29.5mm(见图5)，一套有7个，除了拥有R15mm圆弧面探头的功能外，还有2组4个探头用于检测过渡圆弧处、近表面横向性缺陷、车轴外表面纵向缺陷(平行于车轴的中心轴)。

图5 R29.5 mm圆弧面设计示意图

与车轴内孔孔径相对应的楔块圆弧面设计可以使探头与车轴内孔表面紧密贴合，再辅以S32或S68号抗磨液压油作为耦合剂，可以使探头与车轴内孔表面的耦合声能损失降到最低水平，提升系统整体的灵敏度。经过上海铁路局南翔动车段运用，通过在对比试样轴上进行探伤扫查，可以有效检测到1mm表面线性缺陷和ø2mm平底孔缺陷(8～80mm声程范围内)，并能发现0.5mm表面线性缺陷，检测能力达到现有进口探头的水平。

晶片不同的安放位置可以使探头具有不同方向的声束，以达到检测缺陷类型多样化的目的，如图6～图8所示。另外0°探头采用双晶片、面聚焦设计[2]，近场盲区缩小到7mm以内，可以有效检测到近表面的体积、面积型缺陷。

图6 45°向前探头的晶片安放位置示意图

图7 70°(63°)正径向探头的晶片安放位置示意图

图8 0°双晶探头的晶片安放位置示意图

3 功能指标要求

本探头用于进行压电转换，连接超声波探伤仪后可扫查动车组、地铁车辆空心车轴的外表面的横向缺陷和纵向缺陷及材质内部的体积、面积型缺陷。检测深度如下：纵向斜探头为400mm，横向斜探头为200mm、直探头为150mm(R29.5mm)。探伤灵敏度及分辨力如表1所示。

表1 探伤灵敏度及分辨力

说明：

R代表半径，指探头声发射面为圆弧面，紧跟其后的数字表示该圆弧面的半径值;A代表探头角度；DA代表双晶片探头 ；J代表横向声束探头；其他字符符合ZBJ04001—87和JB/T10062—1999标准。

折射角误差：所有斜探头的折射角误差不大于1.5°(20 ℃)；

斜探头探伤灵敏度一致性：误差不大于4dB。

4 测试记录

前期试制了约10套100个探头，将其中10个探头抽样送检，由中国铁道科学研究院金属及化学研究所提供的检测报告显示，按照JB10062—1999—T《超声探伤用探头性能测试方法》的要求进行了检测和对比，所送检的探头状态正常，各项性能均符合标准要求，如表2所示。

将探头安装于现有动车组空心车轴超声波探伤设备上，经过在对比试样轴上的检测发现，可以良好匹配现有设备，检测结果符合动车组探伤工艺规程[3]对定位精度、灵敏度的要求。

5 结束语

该探头采用具有特殊振动模式的压电晶片，配合良好的声、电阻抗匹配，以及专门设计的超声楔块，具有灵敏度高、宽带宽、指向性好、高机电耦合系数、易声阻抗匹配等优异性能，适用于CRH1、CRH2、CRH3、CRH5型动车组的内孔孔径在29～90mm内空心车轴的自动和手动超声波探伤。探头连接到超声波探伤仪后，利用压电效应可以实现电声转换，应用于空心车轴超声波探伤，可有效地检测车轴缺陷，防止因为车轴材质问题和疲劳裂纹引起的断轴事故。

表2 探头检测报告

序号探头型号编号前沿/mmK值β角/(°)分辨率/dB灵敏度余量/dB频率/MHz评定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见下页双晶探头深度曲线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见下页双晶探头深度曲线

目前国内还没有专门用于空心车轴超声波探伤的同类产品，现有的空心车轴探伤设备使用的探头全部由国外进口，该国产化探头不仅可替代进口探头，满足动车组空心车轴的探伤需要，而且在价格上有较大的优势，现已在国内北京、上海、广州、济南等各大铁路局推广应用，2013-2014年已销售550套，获得了使用单位的好评。

本产品于2014年4月通过了上海铁路局组织的科技成果验收评审会的专家评审；2015年申报并通过了2项“实用新型”专利；2015年2月申报了“上海铁路局科学技术进步奖”，经审核获得了该奖项的一等奖。目前已申报中国铁道学会科学技术奖和上海市优秀发明奖。

[1] 李邓化.压电复合材料制作工艺[M].北京：科学出版社，2010.

[2] 祁 欣,于国良.超声波TR探头的设计及应用[J].传感器与微系统,1999,18(1):26-28.

[3] 中国铁路总公司.和谐系列动车组空心车轴超声波探伤规程[M].北京：中国铁道出版社，2013.□

(编辑:林素珍)

2095-5251(2016)02-0012-03

2014-05-18

张 伟(1970-)，男，本科学历，高级工程师，从事铁路车辆管理工作。

实用新型专利申请：1.一种能够改善探头耦合性能的探头支架装置”(实用新型专利，授权号：201520173657.8)；2.超声波探伤探头(实用新型专利，授权号：201520589322.4)。

TG115.28+

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