动车制动盘摩擦面裂纹深度超声检测

陈士华 刘仕远 徐 云 朱 元 金志延

(中车戚墅堰机车车辆工艺研究所有限公司 江苏 常州 213011)

0 引言

制动盘是动车组制动部件，分为锻钢制动盘和铸钢制动盘两种，其运行速度达到200～300 km/h。随着列车制动与缓解，制动盘周期性地加热和冷却，摩擦面温度忽而升高忽而降低，在长期交变热应力作用下，制动盘摩擦面会产生深度和长度不等的线状疲劳裂纹[1]。此种疲劳裂纹属于从制动盘摩擦面产生的、走向与摩擦面基本垂直的开口性疲劳裂纹。疲劳裂纹达到一定限度就属于危害性缺陷，应对疲劳裂纹长度和深度进行跟踪测量和记录，并按照标准对其危害性进行判断[2]。疲劳裂纹长度可以采用目视加尺子测量，疲劳裂纹深度测量则需要借助仪器。最常用的是疲劳裂纹测深仪，具有测量精度高、结果可靠的特点。如果现场检测时没有疲劳裂纹测深仪，可以在单晶斜探头端点衍射法、表面波双探头测量法基础上进行改良并形成超声检测技术方案，对摩擦面疲劳裂纹深度进行测量。

1 单晶斜探头端点衍射法测量缺陷自身高度

1.1 端点衍射法测量缺陷自身高度基本原理

超声波在介质中传播时，如果遇到某一缺陷，根据惠更斯-菲涅尔原理，缺陷边缘可以看作发射子波的波源，使波的传播方向改变，图1所示为衍射波产生示意图，入射波源入射到缺陷面后，缺陷两个端点作为新的波源向外发超声波(即衍射波)。衍射波被探头接收后，可以对缺陷端点深度进行测量。

图1 端点衍射波产生示意图

1.2 单晶探头端点衍射法示意图

制动盘摩擦面疲劳裂纹深度超声测量的一个特殊情况是：由于两片摩擦面之间散热筋的存在，从摩擦面入射的超声波有时可以正常反射到摩擦面，有时候也会通过散热筋反射到别的区域，摩擦面接收不到反射波。因此，制动盘摩擦面疲劳裂纹深度测量时只能采用一次波(直射波)测量疲劳裂纹下端点的衍射波。

端点衍射法测量裂纹深度经典做法是采用45°单晶斜探头，单晶斜探头端点衍射法测量缺陷自身高度示意图如图2所示，裂纹深度为ΔDW。

图2 单晶探头端点衍射法测量缺陷自身高度示意图

1.3 单晶斜探头端点衍射波法在单体试块上测试结果

仪器型号：KW-4C数字式超声波探伤仪；探头规格：2.5P10×12K1、5P8×8K1；标准试块：CSK-IA；对比试块：壁厚22 mm的单体试块，试块尺寸150 mm×40 mm×22 mm，线切割槽长度均为40 mm，线切割槽深度为1 mm、3 mm、5 mm、7 mm、10 mm、13 mm、17 mm、21 mm；探头入射点、前沿长度、折射角测试：在CSK-IA上测试；时基线设置：按深度设置，满量程50 mm；测试方法：一次波端点衍射法；测试灵敏度：噪声波高度5%～10%。

测试结果如表1所示。

表1 单晶斜探头在壁厚22 mm单体试块上端点衍射法测试结果 /mm

2 表面波双探头法测量裂纹自身高度

2.1 表面波测量裂纹深度基本性质

表面波只在物体表面下几个波长的范围内传播，当其沿表面传播的过程中遇到表面裂纹时，表面波的传播如图3所示[3]:(1)一部分声波在裂纹开口处仍以表面波(图3中的R)的形式被反射，并沿物体表面返回；(2)一部分声波仍以表面波的形式沿裂纹表面继续向前传播，传播到裂纹下端点时，部分声波被反射而返回(图3中的R)，部分声波继续以表面波的形式沿裂纹表面继续向前传播；(3)一部分声波在表面转折处或裂纹顶端转变为变形纵波(图3中的L)和变形横波(图3中的T)，在物体内部传播。

图3 表面波传播到表面裂纹的情况图

在表面波检测中，主要利用表面波的上述特点来检测表面和近表面裂纹。由于该方法测试浅表面裂纹深度需要较高的灵敏度，而较高的灵敏度会导致杂波的出现，使得检测可靠性受到极大影响，测量效果不好。

2.2 表面波双探头法示意图

制动盘摩擦面疲劳裂纹深度表面波双探头法示意图如图4所示，将2个相同的表面波探头垂直于疲劳裂纹相对放置在疲劳裂纹两侧，T为发射探头，R为接收探头。τ1为部分声波跨过疲劳裂纹直达接收探头形成的直通波(试验中把两表面波探头紧密对接在一起，在无疲劳裂纹部位有很强的直通波，但是遇到疲劳裂纹时直通波被疲劳裂纹开口阻断，此时仪器屏幕上不会出现直通波)，τ2为部分声波沿着疲劳裂纹下端点传播到接收探头形成的回波，τ3为声波在疲劳裂纹下端点产生变形横波，垂直传播到工件背面再返回疲劳裂纹下端点，再转变为表面波传播到接收探头形成的波。疲劳裂纹深度h为(τ1τ2—τ1)/2。

图4 表面波双探头测量裂纹深度示意图

对于制动盘疲劳裂纹深度测量，实际应用时最好把2个相同规格的表面波探头紧密对接在一起，这样疲劳裂纹深度可以直接从仪器屏幕上显示的“L”数据读取。另外，由于制动盘摩擦面疲劳裂纹基本垂直于摩擦面，表面波在疲劳裂纹面上传播的长度与疲劳裂纹深度相等。

2.3 表面波双探头法在单体试块上的测试结果

仪器和单体试块与1.3节相同。探头规格、数量：5P8×8BM表面波探头2只；2.5P8×8BM表面波探头2只；2个表面波探头前端间距：紧密接触放置；测试方法：将两探头放在疲劳裂纹两侧并垂直于疲劳裂纹放置，两探头连接处与疲劳裂纹位置重合；仪器时基线设置：按水平设置；测试灵敏度：以可探测最大深度线切割槽下端点回波80%作为测试灵敏度；测试结果如表2所示。

表2 表面波双探头法在壁厚22 mm单体试块上的测试结果 /mm

线切割槽深度为仪器屏幕上“L”显示的数值，即为表面波从线切割槽开口处向下端点传播路程，也就是线切割槽深度。

3 数据分析

从表1可以看出，无论是5 MHz还是2.5 MHz的45°单晶斜探头，在刻槽深度1 mm～5 mm范围内，测试结果准确度都不能令人满意，最大误差达到了2 mm，该区域这种方式基本不可用；在7 mm～21 mm深度范围内，2.5 MHz的45°单晶斜探头测试结果误差明显小于5 MHz的45°单晶斜探头，在该区域可用2.5 MHz的45°单晶斜探头进行制动盘摩擦面疲劳裂纹深度测量。

从表2可以看出，对于5P8×8BM表面波探头，在刻槽深度1 mm～10 mm范围内，最大测试误差仅为0.1 mm，在该区域可用于摩擦面疲劳裂纹深度测量；在刻槽深度13 mm～21 mm范围内，如果不提高灵敏度，屏幕上看不到线切割槽下端点回波，也就无法测试出刻槽深度，因此在该区域不可用于摩擦面疲劳裂纹深度测量；对于2.5P8×8BM表面波探头，在刻槽深度1 mm～7 mm范围内，1 mm线切割槽无法测出结果，其余三处线切割槽最大误差达到0.4 mm，在该区域不可用于摩擦面疲劳裂纹深度测量；在刻槽深度10 mm～21 mm范围内，最大测试误差为0.1 mm，因此在该区域可用于摩擦面疲劳裂纹深度测量。

上述看似不完美的两种方法，如果取长补短，将不同频率的表面波双探头法组合(构成方案A)，或者把表面波双探头法和单晶斜探头端点衍射法组合(构成方案B)，则可以完美覆盖制动盘摩擦面疲劳裂纹深度，两种组合超探技术方案如表3所示。

表3 制动盘摩擦面疲劳裂纹深度测量组合超探方案

4 结论

(1)方案A(不同频率的表面波双探头法组合)和方案B(把表面波双探头法和单晶斜探头端点衍射法组合)两种超声检测方案，均可对深度不小于1 mm的动车制动盘摩擦面的疲劳裂纹深度进行有效检测。

(2)组合后的制动盘摩擦面疲劳裂纹测深技术，测试结果绝对误差值较小。其中方案A操作更简单，精度更高，重复性更好。