針對HXD1C機車電機小齒輪軸在役運行缺陷產(chǎn)生部位，結合電機小齒輪軸形狀特點及與電機轉(zhuǎn)軸裝配情況，通過理論分析和實物試塊缺陷模擬檢測結果研究，提出HXD1C機車電機小齒輪軸超聲波檢測方案，并應用于機車在役檢測，對在役檢測過程和波形特點進行了詳細闡述，方便現(xiàn)場檢測人員快速的辨別各種反射波形從而做出比較準確的判斷。

　　一、序言

　　電力機車主要是由安裝在轉(zhuǎn)向架上的牽引電機提供動力，牽引電機通過電機小齒輪連接轉(zhuǎn)向架輪驅(qū)大齒輪進行轉(zhuǎn)矩動力傳輸從而驅(qū)動機車運行。目前，公司生產(chǎn)的重載HXD1C型電力機車就是采用這種傳動方式。近期配屬該車型的多個鐵路局機務段陸續(xù)反饋電機小齒輪軸裂損，嚴重影響機車運行質(zhì)量，給公司質(zhì)量信譽和形象造成了較大負面影響，對在役HXD1C機車電機小齒輪軸實時運行狀況進行有效監(jiān)控管理至關重要。

　　二、電機小齒輪軸結構及裂損部位

　　電機小齒輪軸一端通過與電機轉(zhuǎn)軸內(nèi)錐孔進行壓裝過盈配合連接(見圖1)，一端與輪對驅(qū)動大齒輪進行嚙合。在運行過程中小齒輪軸作為傳動件受扭轉(zhuǎn)剪切應力、彎曲應力及壓裝應力等多種復雜交變應力共同作用容易產(chǎn)生疲勞情況，特別是在小齒輪軸環(huán)形油槽油孔附近，因各種應力集中容易產(chǎn)生早期疲勞裂紋，拆解后磁粉檢測結果和金相檢測結果驗證了此處為早期裂紋源(見圖2)。

　　三、電機小齒輪軸超聲波檢測方案及在役檢測

　　1)根據(jù)電機小齒輪軸結構特點及疲勞裂紋產(chǎn)生區(qū)域，經(jīng)過理論計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254. 5mm環(huán)形油槽油孔及卸荷槽附近區(qū)域進行超聲波檢測方案可行(見圖3)。通過制作實物模擬裂紋試塊進行超聲波檢測試驗，綜合考慮在役電機裝配結構和小齒輪軸自身形狀特點，確定了超聲波檢測的探頭頻率4 MHz、入射角度3.5°(鋼中折射角約為7.6°)、晶片尺寸Φ20mm等關鍵工藝參數(shù)。

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

　　第一，探頭零偏和聲速校準。將4P20 • 3.5°探頭置于TZS-R試塊的側(cè)面位置上，移動探頭使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(見圖4)，用閘門1套住175mm閘門2套住200 mm，進入手動調(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(見圖5)，此時探頭零偏和聲速即校準完畢。

　　第二，檢測靈敏度確定。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物試塊軸齒端面探測254. 5mm油孔處的人工模擬裂紋反射體(見圖6)，將該反射體的最高反射回波調(diào)至設定的基準波高(50%~80%)，為保證實物檢測精度，此時需按1)使用的零偏調(diào)校方法對254. 5mm反射波數(shù)值進行實物聲速和零偏值修正，考慮檢測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”功能鍵將波形適當展寬并使之出現(xiàn)在儀器水平刻度5 ~6格(見圖7)，根據(jù)耦合和檢測面光潔度情況補償2~4dB，現(xiàn)場檢測時可再增益6dB作為掃查靈敏度。

　　3)電機小齒輪軸在役超聲波檢測。牽引電機安裝在機車轉(zhuǎn)向架下部通過電機小齒輪軸與輪驅(qū)大齒輪嚙合，機務段現(xiàn)場檢測時先將機車調(diào)入檢修地溝，拆除下齒輪箱，使小齒輪軸端面部分露出(見圖 8)。超聲波檢測時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，可將探頭適當左右偏轉(zhuǎn)一定角度以檢測取向不同的疲勞缺陷。大量返修電機拆解探傷結果表明，小齒輪軸疲勞裂紋均始于油孔，因此油孔附近區(qū)域為重點檢測部位。檢測時先從端面確定油孔部位 (用鐵絲或鐵棍伸入端面兩個螺紋孔，油孔位于近端螺紋孔)，沿端面對應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)影響正常掃查時超聲波束無法覆蓋油孔附近區(qū)域，此時可將探頭朝螺紋孔方向偏轉(zhuǎn)20° - 30°進行前后左右環(huán)繞轉(zhuǎn)角掃查，根據(jù)回波特征及位置進行波形辨別，發(fā)現(xiàn)缺陷回波后可采用絕對靈敏度法或半波高度法進行測長。

　　四、超聲波檢測波形辨別分析

　　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，回波幅度為基準靈敏度-6dB左右(見圖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，探頭靠近中心孔時波幅較高，隨著探頭向外圓方向移動波幅逐漸下降。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渡，可以排除油槽壓裝反射波，推測該反射波應該是由結構反射引起的變形波，拆 解后的磁粉探傷結果也證實此反射波為固定回波。

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

　　3)探頭在油孔附近偏轉(zhuǎn)檢測疲勞源時發(fā)現(xiàn)有波幅較小的異常波(見圖13)出現(xiàn)，回波幅度為：基準靈敏度+ 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，探頭周向移動時回波消失;探頭垂直油孔放置平行油孔掃查時，異常波波幅最大且回波位置基本不變;探頭前后、轉(zhuǎn)動掃查時，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缺陷回波位置一般位于檢測區(qū)域中間，深度顯示值為254.5mm左右(見圖14)。裂紋起始處聲束反射面為裂紋面與油槽面、油孔面相連構成的復合面，此時探頭偏轉(zhuǎn)放置檢測裂紋源時聲程會稍增大，深度顯示值為255mm左右(見圖15)。找到裂紋起始處最高回波，往兩側(cè)偏轉(zhuǎn)或前后移動時波幅減小，周向移動時波幅有變化、回波位置基本不變。

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

　　五、結束語

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

　　2) 熟練掌握檢測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效率和檢測準確性。

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