CN107490446A - 高铁轮对踏面应力超声无损检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种用于测量高铁轮对踏面应力超声无损检测方法，该方法适用于轮对踏面残余应力无损测量。通过超声应力测量系统、超声换能器、楔块的结合，激发出对应力最敏感的L_CR波。通过L_CR波在踏面附近有无应力时的声时差来精确计算该区域残余应力的大小。该方法可以准确、快速、无损的检测出残余应力值。

Description

高铁轮对踏面应力超声无损检测方法

一、技术领域

本发明提出了一种用于测量高铁轮对踏面应力超声无损检测方法，该方法适用于轮对踏面残余应力的 无损测量。

二、背景技术

随着铁路运输在国民经济发展中的作用日益显著，人们对铁路运输安全的要求也越来越高，列车轮对 是承载列车运行的重要部分，在运行过程中易产生磨损、裂纹和剥离等伤损，严重影响列车运行安全。因 此，无论是在轮对制造过程中产生的应力，还是在轮对工作中产生的应力，都是人们进行研究的重要课题。

文献检索发现，机械工程与自动化第4期(邸荣，连晋华《火车轮残余应力测试》)提到了用切割法 和贴应变片来测量轮对踏面的残余应力，但是这种方法需要破坏在役轮对的结构，很大程度上将导致轮对 报废，而且需要将轮对从机车上拆解下来，对于本来就很紧张的时间窗口增加了难度。欧洲标准EN 13262:2004—“确定轮缘内残余应力的超声波方法”一文中提到根据声波反弹效应，利用双衍射指数来评 估车轮轮缘的残余应力分布，由于其所使用的超声波是横波，鉴于横波对残余应力不够敏感因此会导致得 到的检测数据准确度不高。

本文提出的是一种利用超声波技术实现高铁轮对踏面应力超声无损检测方法，该方法对残余应力敏感 度高，测量操作方便、速度快，完全可以测量轮对踏面周向残余应力，非常适合现场使用。

三、发明内容

本发明的目的是提供一种用于高铁轮对踏面应力超声无损检测方法，用来准确快速的进行轮对踏面残 余应力的检测。实现准确、无损、快速检测的目的。

本发明的具体技术方案如下：

(1)根据轮对的尺寸和结构设计了可以在轮对侧面检测踏面残余应力的声楔块，该特殊设计的声楔块材 料声速低于被测轮对材料的声速。

(2)根据Snell定律，当超声纵波从波速较慢的介质传播到波速较快的介质当中时(如，从该声楔块入射 到轮对)会发生折射现象，当纵波折射角度等于90°时对应的入射角度称为第一临界角，折射纵波将沿轮 对踏面周向的表面传播，即临界折射纵波(英文：Longitudinal critically refracted wave—英文简称L_CR波)。 根据L_CR波的理论特点，通过实验验证了L_CR在轮对踏面这种特殊曲面的传播规律。

四、附图说明

图1轮对踏面应力测量示意图；

图2临界折射声束在空间的三维传播；

图3有机玻璃楔块图。

五、具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行详细说明：

1、L_CR波的激发

根据Snell定律，当超声纵波从波速较慢的声楔块传播到波速较快的轮对中时会发生折射现象，当纵波 折射角度等于90°时对应的入射角度称为第一临界角，计算公式如下所示。

θ_cr＝sin^-1(V₁/V₂)

式中：

V₁—波速较慢的介质中超声纵波传播速度(m/s)；

V₂—波速较快的介质中超声纵波传播速度(m/s)。

θ_cr—第一临界角(°)；

折射纵波将沿轮对踏面的周向表层传播。

根据Snell定律和在声楔块材料和轮对材料中的声速计算出第一临界角。

2、超声波测应力原理

根据声弹性基本原理，超声波在各向同性弹性介质中传播时，当波动质点的偏振方向与残余应力方向 一致或相反(即，为0度或180度)时，超声波波速改变量与残余应力变化量成线性关系。因此，可以利用 超声临界折射纵波检测该方向的残余应力。当临界折射纵波速度增加时，表示材料中存在压缩残余应力， 反之，存在拉伸残余应力，在材料特性确定条件下，临界折射纵波波速变化量dV与残余应力变化量dσ之 间的关系如下：

式中：

dσ—残余应力的改变量(MPa)；

dV—临界折射纵波传播速度的改变量(m/s)；

V₀—零应力条件下临界折射纵波的传播速度(m/s)；

k—声弹性系数(ns/m²)；

当临界折射纵波传播距离L确定之后，被测介质内的声速变化可以用声时变化等效代替，如下式：

式中：

dt—临界折射纵波传播声时的变化量(s)；

T₀—零应力条件下临界折射纵波传播固定距离L所需要的时间(s)；

令应力常数K＝-2/kT₀，其中T₀是零应力条件下纵波传播过，这时应力变化与超声波传播声时变化 成近似线性关系，即Δσ＝KΔt。

3、应力常数K值的计算

制作与轮对材料相同的拉伸和压缩试样，使用电子拉压试验机、超声脉冲收发仪、示波器进行K值的 标定。具体步骤如下：

在轮对材料的屈服极限内，使用拉伸试验机对拉压试件进行拉压，每隔一定的应力值(本方法采用每 隔30MPa)，记录示波器中显示的时间差t_i和拉伸试验机显示的应力值σ_i。通过最小二乘法来进行曲线拟 合，计算应力常数K值。

4、轮对踏面应力的测量

首先测出两楔块间的声程记为S，则在零应力状态下，超声纵波在两楔块间的传播时间为记应力状态下超声纵波在轮对中的声速为V_i，则轮对中的应力大小为

Claims (9)

1.本发明提出了一种高铁轮对踏面应力超声无损检测方法，其特征在于它包括：轮对、超声应力测量系统、残余应力超声检测换能器、声楔块。

2.根据权利要求1所述的高铁轮对踏面应力超声无损检测方法，本发明创新性的在轮对侧面实现应力无损检测，以应对由于轮对踏面曲率变化和璇轮引起的检测不便，简化检测流程。

3.根据权利要求1所述的高铁轮对踏面应力超声无损检测方法，进行特殊声楔块设计，使超声检测换能器通过楔块激发和接收临界折射纵波。

4.根据权利要求1所述的高铁轮对踏面应力超声无损检测方法，选择在轮对靠近踏面的侧面放置声楔块，楔块倾斜角度为探头的第一临界角，保证超声波声束能够传播到轮对踏面。

5.根据权利要求1所述的高铁轮对踏面应力超声无损检测方法，使用频率为1M～2.5M的探头，以保证超声波入射足够深度，满足轮对踏面的应力检测。

6.根据权利要求1所述的高铁轮对踏面应力超声无损检测方法，选取两探头间距为100mm～120mm。

7.根据权利要求1所述的高铁轮对踏面应力超声无损检测方法，在楔块设计时需要与轮对侧面有较好的耦合，故楔块底面要做成与轮对侧面相吻合的平面。

8.根据权利要求1所述的高铁轮对踏面应力超声无损检测方法，根据轮对特殊的结构尺寸，选择声速比齿轮材料声速慢的材料为声楔块材料。

9.根据权利要求1所述的高铁轮对踏面应力超声无损检测方法，在测量应力时先进行零应力标定，记录零应力波形。