车轴在役使用过程中，易产生疲劳裂纹，疲劳裂纹具有延展性，会危害到列车的行驶安全。超声波探伤仪是检测机车车轴疲劳裂纹的主要手段。
1、疲劳裂纹产生的原因
从以往其它机型车轴断裂原因分析 多数是材质疲劳所致。车轴产生疲劳裂纹的原因是多方面的 既受车轴材质、结构、制造工艺、牵引电动机和轮对参数选配等因素的影响 同时又受到机车运用线路状况、运行速度、牵引吨位、以及司乘人员操作等客观因素的影响。由于受力特点、受力状态、工作环境不同 机车车轴的疲劳寿命也不相同 同时车轴在运用过程中受到弯曲应力、扭转剪切应力及组装应力共同作用 且均为复杂的交变应力。由此可见车轴产生疲劳裂纹不是单纯的某种因素造成 而是在多种因素共同作用下产生的。以往机型车轴疲劳裂纹经常产生在轮座两侧 有时也出现在轮座两侧附近 这是由于边缘应力作用的结果。但大部分是由于发生了摩擦腐蚀 使轮毂孔从轮毂内端面开始弹性扩大而造成的 尤其是设计不合理 轮毂过短 壁过厚或抗弯强度过大等原因。根据以上因素分析 提速客运机车车轴疲劳裂纹产生位置为轮心压装部压痕线附近 需要根据机车车轴结构、几何尺寸、疲劳裂纹的特点确定探伤条件。
2、机车车轴疲劳断裂过程
车轴使用寿命由裂纹萌生寿命和裂纹扩展寿命组成。裂纹萌生是由上述多种因素造成 其寿命是不相同的; 裂纹扩展寿命在同样条件下（ 如受力条件、裂纹深度相同） 车轴的机械疲劳剩余寿命应该是一致的。实际运用中由于受力情况差距很大 车轴整个机械疲劳寿命各不相同 但车轴疲劳断裂始终由以下4 个过程组成:
（1）裂纹源形成。由深度较浅的一个或几个腐蚀坑在长期集中应力的作用下 逐渐在腐蚀坑的底部产生轻微疲劳裂纹 形成裂纹源。
（2）疲劳核形成。车轴在循环弯曲应力作用下 首先在裂纹源处使金属纤维交替伸长和缩短并逐渐扩大 形成疲劳核 其表面光滑。当应力振幅达到大值 裂纹就向前推进一级 也称慢速发展期 在此期间裂纹发展缓慢、稳定扩展。
（3） 快速发展期。当裂纹发展到一定程度时 应力不断作用在裂纹处车轴上 使疲劳裂纹不断发展。随着应力在使用条件下时大时小 疲劳裂纹的发展断面为海滩波浪状 俗称贝壳状。当应力达到大时疲劳裂纹就向下发展一级 当应力达到小时疲劳裂纹就停止发展 形成疲劳裂纹中止线。在此期间裂纹发展非常快。
（4） 脆断。任何金属材料不裂是不会断的 当车轴裂纹深度发展很深 其有效承载面积逐渐缩小 不能承担大应力时 发生一次性断裂。
3、超声波探伤条件的确定
由于车轴疲劳裂纹在开始形成时并不和车轴轴向中心线垂直 而是偏离一定角度 一般在10°～25°之间。且车轴压装部内侧裂纹向外倾斜 外侧裂纹向内倾斜 当达到一定深度后才垂直下裂。为使疲劳裂纹获得更大的反射能量 采用纵波小角度探头。用一定角度的纵波小角度探头在车轴端面上对压装部内外侧压痕线附近扫查。但车轴压装部内侧由于靠近传动齿轮 受力相对比较复杂力矩也较大 因此产生疲劳裂纹的概率要大得多 在探伤中将内侧作为重点。当扫查外侧时理论上可以在外侧压痕线附近扫查 但由于超声波的直线传播特性 在防尘座向压装部过渡时有一段声束扫查不到的死区 不能使声波到达该区。如果此处发生深度较浅的疲劳裂纹易发生漏检 只有裂纹达到一定深度时才能被发现。事实上外侧产生这样深度的疲劳裂纹时 不仅用纵波直探头也能探测到了 而且远比外侧受力复杂的内侧早已产生裂纹 并深度限更换。所以提速客运机车车轴探伤中 应把车轴镶入部内侧作为重点 采用纵波小角度探头探伤 整个车轴采用纵波直探头进行穿透大裂纹检查。
（1）探头的选择
根据超声波探伤基本原则: 超声波声束尽可能覆盖疲劳裂纹发生区 且声束尽可能和裂纹垂直 以获得大的裂纹反射量 形成较高的探伤灵敏度。由于提速机车车轴采用空心轴传动 限制了探伤条件 探头只能放置在车轴端面对车轴压装部进行检测。通过理论计算和实际测试 车轴压装部选取频率为2.5 MHz 晶片直径为20 mm的9°纵波小角度探头 如图1 所示。车轴内部缺陷和大裂纹的检查采用频率为2.5 MHz 直径20 mm 的直探头。
（2）实物试块的制作
根据车轴压装部受力情况 在车轴压装部内侧压痕线附近加工人工锯口 为和轴肩反射波分开 在距离轴端面470 mm 处分别加工两个宽度为0.5 mm 长度分别为50 mm 100 mm 深度分别为2 mm 10 mm 的人工锯口 。
4、超声波探伤灵敏度校准
（1）纵波小角度探头灵敏度校准
将9°探头置于车轴实物对比试块端面上 探测车轴镶入部内侧（ 距轴端470 mm） 2 mm 深人工锯口 移动探头 使人工锯口反射波达到高并将波高调节到仪器荧光屏满幅度80% 作为车轴小角度探头探伤灵敏度。
（2）直探头灵敏度校准
将2.5P20 直探头放置在车轴实物对比试块端面上探测车轴10 mm 深人工锯口 移动探头 使人工锯口反射波达到高 并调整到仪器荧光屏满幅度80% 作为内部缺陷及大裂纹查找灵敏度
5、超声波探伤仪操作
（1）车轴压装部探伤
将纵波9°小角度探头放置在车轴端面上 如图2 所示 在探伤灵敏度基础上再增益6dB 对车轴轮心压装部处进行扫查。探头中心对准车轴顶针孔 作周向移动 探头晶片相互覆盖10% 探头移动轨迹为锯齿形 当发现疲劳裂纹后恢复探伤灵敏度进行定量。
（2）车轴内部缺陷和大裂纹查找
将纵波直探头放置在车轴端面上 在校对好的探伤灵敏度基础上再增益6dB 对车轴内部进行扫查。探头中心对准车轴顶针孔 作周向移动 探头晶片相互覆盖10% 探头移动轨迹为锯齿形 当发现疲劳裂纹后恢复探伤灵敏度进行定量。
6、提速机车车轴疲劳裂纹波形特点
在车轴超声波探伤中 重要的是反射波的识别。探伤人员须有扎实的理论知识和丰富的实践经验 才能正确地对波形进行判断 避免将疲劳裂纹反射波误判为固定波给运输生产埋下安全隐患 或将固定波误判为疲劳裂纹反射波造成材料浪费。根据以往SS 系列机车车轴疲劳裂纹波形特点和规律 以9°纵波探头为例 对SS8 型机车在役车轴探伤波形作一简单分析: 疲劳裂纹的位置一般产生在车轴压装部范围内 波形单一、波峰尖锐、笔直。但由于裂纹有裂纹源 深度有一定变化 探头周向移动时波形高度变化不大 位置也不变 不会出6 dB。探头转动一定角度时波形位置不变 而高度变化较大 探头向顶针孔靠近时波形略有增长 靠近轴端边缘时波形下降。因为是空心轴传动 车轴受力较均匀 一般情况是一周均有 深度变化不大 周向移动探头时波形高度稍有变化这和疲劳裂纹的深度差有关。但也有不是一周的疲劳裂纹 波形显示有一定的周向长度 周向移动探头时波形高度变化较大 探头向两侧移动时波形高度逐渐下降。另外探头上下移动时疲劳裂纹波在时基线上有一定的游动距离 裂纹深度愈大 游动距离愈大 这是疲劳裂纹反射波和固定波的主要区别。
7、影响疲劳裂纹定量的因素
在车轴超声波探伤检测中采用实物对比试块法 疲劳裂纹的反射声压和实物试块上的人工锯口相比较 由于人工锯口为单一的形状 而疲劳裂纹则是千变万化的因此定量中出现误差在所难免。况且影响疲劳裂纹定量因素很多 如何避免或缩小定量误差 是探伤人员多年来研究的课题。笔者认为车轴疲劳裂纹定量应从以下几方面考虑 并加以修正以保证定量准确性。
（1）疲劳裂纹取向对定量的影响
由于所选探测面很难使超声波声束和疲劳裂纹相垂直 疲劳裂纹反射声压得不到全反射 所以疲劳裂纹定量结果一般比实际偏小 且疲劳裂纹深度越大误差越大。当疲劳裂纹面和探头声束夹角为2.5°时 疲劳裂纹反射声压下降到10% 当倾斜12°时 反射声压急剧下降到1‰ 回波幅度同样变小 定量误差就越来越大。因此判断疲劳裂纹深度比实际疲劳裂纹深度要小一些的现象时在实际探伤中应进行适当的补偿 一般情况下补偿几个dB。
（2）疲劳裂纹性质对定量的影响
当疲劳裂纹的内含物不同 其声阻抗不同。内含物和车轴钢的声阻抗差别越大 回波幅度越大 定量误差越小。疲劳裂纹内充满空气时 疲劳裂纹反射声压和实物试块上的人工锯口相接近 回波幅度变大 定量误差较小。一般情况下车轴疲劳裂纹内充满油脂 所以疲劳裂纹反射声压相应变小 部分声能出现透射 回波幅度变低 定量时和实际疲劳裂纹深度误差较大。经验表明声能损耗约为10%左右 所以裂纹定量时也应该考虑补偿。
（3）疲劳裂纹面对定量的影响
疲劳裂纹反射声压和疲劳裂纹面的状态有很大关系: 当疲劳裂纹反射面粗糙时 会引起严重的散射及干涉 探头接受的回波幅度变小 在定量中会出现误差。
（4）探测面对定量的影响
当被检车轴探测面和实物试块粗糙度不同时 声波由探头进入车轴时会产生一定声能损耗 定量过程出现误差 疲劳裂纹判断深度较实际要小。尤其当车轴端面上有钢印字头 超声波能量损失更严重 这时疲劳裂纹定量应补偿2～4 dB。
（5）探头对定量的影响
由图3 的人工锯口深度- 波幅曲线可以看出 任何一种探头在裂纹定量中都具有饱和性 即随着裂纹深度的增加 反射波逐渐增高 具有一定的反射规律 达到探头饱和点以后 反射波不会随裂纹深度增加而增加。
2.5 MHz Φ20 mm 的9°小角度纵波探头起点较早 饱和点大约在3 mm; Φ20 mm 直探头饱和点大约在6 mm; 而K1 横波斜探头饱和点小 探伤灵敏度高 发现小裂纹能力强 但定量中误差大 这就是以往机型车轴探伤不用横波斜探头定量的原因。在裂纹定量中应考虑使用探头的饱和点 在饱和点后不能简单地利用6 dB 法 应采用多探头综合判断 同时探头的晶片尺寸影响近场区长度和波束指向性 对定量也有影响。
（6）实物试块对定量的影响
机务段在制作实物试块时不规范 加工人工锯口断面不平整 出现台阶 在校对灵敏度时人工锯口反射声压偏高 均会导致定量中容易将小裂纹判断为大裂纹。另外人工锯口长度、深度不标准 尤其灵敏度深度只是一点 和实际疲劳裂纹的反射声压不同 从而引起定量上的误差。
（7）车轴压装应力影响
在车轴实物试块上校对好探伤灵敏度后 实际探伤检测中 由于轮对组装使车轴齿轮压装部边缘产生较大的内应力 超声波质点振动轨迹受应力干扰 声波传播速度和方向发生变化 引起定量中产生误差。另外探伤仪器、探头、试块的性能及探伤人员的操作方法、技能、实践经验等主观因素均对疲劳裂纹定量有直接的影响。
以上全面的分析了超声波探伤在车轴疲劳裂纹检测过程中的条件及方法，对于车轴在运行过程中的质量安全提供了有效保证。探伤人员可依据以上方法去解决车轴检测中所遇到的问题。
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