无损检测技术在高铁车辆缺陷检测方向的应用分析

无损检测技术在高铁车辆缺陷检测方向的应用分析

彭大伟 王宇 王建 陈晓龙 李硕

中车青岛四方机车车辆股份有限公司 山东 青岛 266000

摘 要：高铁车辆铁磁性零件往往存在着不同类型的缺陷。无损检测技术可以在不损伤铁磁性零件的前提下完成对缺陷的有效检测。本文介绍了在高铁车辆零件检测中常用的几种无损检测方法, 并比较了它们各自的优缺点和适用范围，为该领域的研究提供一定的参考，且具有较高的实际应用价值。

关键词：无损检测；高铁；铁磁性零件；缺陷

1、引言

高速铁路列车，是指能以高速度持续运行的铁路列车，最高行驶速度一般要达到200km/h及以上。其具有快捷舒适、平稳安全、节能环保等优点，可满足日益增长的出行需求，深受当代人们的欢迎。

我国所产的高铁类型可分为和谐号CRH系列和复兴号CR400AF等，这类车辆大体可以认为由车辆车体和车辆转向架两部分组成。其中车体包括车顶、侧墙、边梁、横梁和骨架等均采用大面积铝合金挤压型材经加工后制成，起着保护车身强度，防腐蚀和防火的作用。转向架分为动车转向架和拖车转向架，它们的主要结构基本一致，均采用H型构架、无摇枕、空心轴轮对、铸钢轴箱体、铝合金前盖和铸铝整体齿轮箱结构。转向架一方面支撑着车体的重量，另一方面也连接着车轮和电机，负责整个车辆的牵引和制动，且在运行过程中承载着巨大的震动和应力。同时，转向架由轮对和转向架骨架构成，一旦这些关键部位的零件在运行中出现破损，会立刻引起较大的交通事故，造成巨大的人身和财产损失。因此，为了保障高铁车辆能够安全运行，需要定期开展高铁车辆缺陷的检测和预警。这也是高铁车辆隐患整治的基础和必需的工作，并且对于轨道车辆安全隐患整治以及防止车辆运行事故等都具有重要的指导意义。

在我国高铁制造检修过程中，无损检测技术为产品质量和使用安全做出了重要贡献。随着中国铁路事业的发展，列车速度和载重量的不断提高，相应地对货车质量和可靠性要求也越来越高，各种车型关键零部件的无损检测范围也逐步扩大。但是目前现行的无损检测方法众多，当前对于车体、转向架、轮对等高铁车辆关键部位对应的无损检测方法也缺少具体的分析和综述，因此本文全面对比和分析了不同无损检测方法在高铁车辆缺陷检测领域的应用，对车辆关键部位缺陷的无损检测方法给出了具体建议。

2、常用无损检测方法的原理介绍

无损检测方法是缺陷检测技术的一个重要组成部分，是在不破坏受检对象的前提下,测定和评价物体内部或表层物理和机械性能及各类缺陷的综合性应用检测科学[1]。无损检测技术是在不损伤被测物体的结构性能和使用性能的基础上，利用声、光、电、热、磁和射线等物理现象与检测物质相互作用的特点，对重要的机器零部件进行检测。检测内容包括对零件等进行的表面缺陷检测和内部缺陷检测, 并以此判断缺陷的位置、大小、形状和种类，对材料性能进行评价，从而保证零件的质量, 提高产品的使用性能。无损检测的应用范围随科学和生产的发展日趋广泛, 几乎涉及到国民经济各部门[2]。

无损检测主要分为六大类: 超声波检测、射线检测、电磁涡流检测、磁粉检测、渗透检测和无损检测新技术。除此之外，还包括最简单的目视检测。下面具体介绍一下各无损检测方法的原理及优缺点。

2.1、目视检测

目视检测就是通过肉眼直接观察零件的表面，判断零件是否存在缺陷。这种检测方法虽然简单，快速，经济，但是存在明显的缺点，即需要检测人员视力好且只能检测零件表面。目视检测常常用于目视检查大型零件的焊缝，在民航快速评估中应用较多。

2.2、超声波检测

超声波检测利用超声波遇到缺陷形成反射或者衍射的原理来判断是否存在缺陷。它的优点就是方向性好，穿透力强，对操作人员无害，缺点是不适用于面积大，形状复杂和表面粗糙的零部件。超声波检测适合于应用在铝合金表面的缺陷探伤检测。

2.3、射线检测

射线检测是利用各种射线对材料的渗透性能及不同材料对射线的吸收、衰减程度的不同，是底片感光成黑度不同的图像来进行检测的。它作为一种行之有效的材料内部缺陷检测手段在工业中有广泛的应用。它的优点包括适用性广，对零件的形状及其表面的粗糙程度无严格要求，且能直观地显示缺陷的影像，便于对缺陷进行定位。其缺点是具有放射性，危害大，成本高，对平面缺陷的检测灵敏度较低，因此射线检测更适用于对零件气孔、夹渣等体积型缺陷进行检测，目前其主要应用于对铸件和焊件的检测。

2.4、电磁涡流检测

电磁涡流检测是利用电磁感应原理，通过测定被检工件内感生涡流的变化来无损地判断导电材料及其零件的性能，或发现材料缺陷的无损检测方法，其优点包括灵敏度高，应用范围广，更容易实现自动化，特别是对管、棒等型材有着较好的检测效率，缺点就是在检测形状较复杂的零件时，涡流检测的效率相对较低。因此，电磁涡流检测在导电的管、棒型材及非磁性导电材的缺陷检测领域有较好的应用。

2.5、磁粉检测

磁粉检测是利用磁粉的聚集显示铁磁性材料及其工件表面与近表面缺陷的无损检测方法，其优点是可以直观地显示出缺陷的形状、位置与大小，灵敏度高，应用范围广，检测速度快且工艺简单，缺点是该方法即适合于板材、型材、管材等原材料及半成品表面及近表面缺陷的检测，也可用于机械设备及压力容器的定期缺陷检查。

2.6、渗透检测

渗透检测是一种利用毛细作用将带有颜色的渗透液喷涂在材料焊缝表面，让渗透液渗入材料内，清洗后施加显像剂显示缺陷颜色的无损检测方法。它具有操作简单，缺陷显示直观，灵敏度高，检测费用低等优点，但它也具有不适合多孔材料缺陷检测的缺点。因此该方法适合于表面细腻，加工精巧的零部件。

2.7、无损检测新技术

无损检测新技术包括磁记忆检测技术，激光全息技术，微波检测技术和红外检测技术等。这些新技术在高铁车辆的缺陷检测领域的应用效果有待进一步分析和研究。

3、常用无损检测方法在高铁车辆缺陷检测领域的应用与比较

3.1、车体缺陷检测

对于高铁车辆的车体，以铝合金钢板的应用最为广泛。车体采用薄壁筒形的整体承载式轻量化结构，主要构成部分如车顶、侧墙、边梁、横梁和骨架等均采用大面积铝合金挤压型材经加工后制成，型材与型材间通过纵向焊缝形成相应的机械结构。由此可见，铝合金钢板车体在制造过程中存在大量焊缝，且在车辆运行过程中受自身张力和如雨水、冰雹、沙尘等外界环境的影响，极易对车身结构产生损伤。

对于车体缺陷的检测，常使用的无损检测方法为目视检测法和超声波检测法。目视检测法即通过目视或者借助强光手电筒进行整个车体目视检查，观察焊缝气孔等缺陷。目视检测操作简便，无需借助复杂的辅助器具，适用于较明显、可用肉眼直接观察到的车体焊接缺陷。但是车体铝合金焊缝连接处缺陷经过底漆、中涂、腻子、面漆等工序后容易被掩盖，大部分内部分层缺陷极难通过目视检测直接发现，这时需要使用超声波检测法对内部分层缺陷进行检测。超声波检测法需要使用超声波探伤仪，选择合适的探头，并将车体表面进行清洁，同时还需要注意的是，车体铝合金材质的晶粒较大，仪器不宜选择过高的发射频率。超声波检测法非常适合铝合金板材内部一出现的分层缺陷的检测和诊断，具有效率高，速度快，检测准确的特点^[3]。

3.2、转向架缺陷检测

车辆转向架一方面支撑着车体的重量，另一方面也连接着车轮和电机，负责整个车辆的牵引和制动，且在运行过程中承载着巨大的震动和应力，一旦这些关键部位的铁磁性构件在运行中出现破损，会立刻引起较大的交通事故，造成巨大的人身和财产损失。以中车青岛四方股份有限公司生产的时速250公里速度级动车组和谐号高速列车CRH2A车型CRH2A车型为例，车辆转向架包括动车转向架和拖车转向架，其主要结构基本一致，主要由H型构架、无摇枕、空心轴轮对、铸钢轴箱体、铝合金前盖和铸铝整体齿轮箱结构构成，其中构架作为转向架的主体组成部分，其主要构成为钢板、铸钢和无缝钢管等材料的焊接结构，因此在转向架构架中存在铁磁性构件，如钢板，铸钢等。

对于车辆转向架构架的缺陷检测，可以采用超声波检测方法和磁粉检测方法，其中超声波检测方法与车体检测相似，而磁粉检测方法是使用便携式磁粉探伤仪对转向架刚性结构的表面缺陷进行有效定位和检测。值得注意的是，若转向架构架表面存在油漆层，需将油漆层剥离以避免干扰^[4]。同时新兴的磁记忆检测技术可以在不损害构件的前提下检测转向架构架的早期应力集中^[5]，从而起到缺陷定位和预警的效果，也不失为一种好的方法。

3.3、轮轴缺陷检测

高铁车辆的轮轴由车轮和车轴两部分组成，其中车轮作为车辆走行部的重要部件，极易产生各种类型的缺陷，包括车轮断裂、踏面擦伤、硌伤、滚动解除疲劳和剥离等。对于相对明显的车轮断裂等缺陷，直接进行目视检测。而对于其他类型的车轮缺陷，主要采用磁粉检测和超声波检测，其中磁粉检测可以有效检测车轮表面细小的缺陷，而超声波检测可以对车轮和制动盘等压装部位的内部进行缺陷检测。高铁车辆的车轴一般会喷涂防锈剂，虽然仍然可以使用磁粉检测但并不方便，因此车轴的无损检测方法通常是目视检测和超声波检测^[6]。车轴目视检测需要先观察车轴外表面涂装没有破损（斑点，切口）。若为小的破损，没有外露金属，则可以利用超声波检测对内部进行缺陷检测。若车轴表面出现较宽范围的涂装破损或明显的腐蚀，必须马上更换轮对，且须进行必要的维修措施。

3.4、车钩缺陷检测

车钩是连挂机车和车辆或车辆和车辆之间的关键零部件，其主要作用是传递牵引力及冲击力，并使车辆之间保持一定距离。磁粉检测、超声波检测和射线检测是车钩检修中常用的无损检测方法。其中磁粉检测可以对车钩缓冲器各零部件的表面及近表面缺陷进行诊断，无法对内部缺陷进行检测，有一定的局限性；采用射线检测可以直观显示车钩内部缺陷形貌，且灵敏度较高，且研究表明射线检测能检测出的最小缺陷尺寸要小于超声波检测，因此射线检测适合较小尺寸缺陷的检测；采用超声波检测则可以得到缺陷的深度信息，它适合于车钩材质较厚位置的检测

^[7]。

4、总结

本文介绍并分析了现有无损检测技术在高铁车辆缺陷检测领域的应用，并具体分析了高铁车辆关键部位的无损检测方法，包括车体缺陷检测，转向架缺陷检测，轮轴缺陷检测和车钩缺陷检测，解释了各无损检测方法在高铁车辆关键部位缺陷检测应用中的可行性和合理性，对无损检测在高铁车辆缺陷检测领域的应用和研究奠定了基础。

参考文献

[1] 赵静. 机械零件缺陷的无损检测方法发展趋势[J]. 农业装备与车辆工程, 2010, 1:40-42.

[2] 李喜孟. 无损检测[M]. 北京: 机械工业出版社, 2001.

[3] 陈三喜, 周炎, 杨卫林. 轨道交通车辆铝合金板材分层缺陷无损检测方法浅析[J]. 技术与市场, 2014, 21(3):81-82.

[4] 牧野一成. 无损检测在机车车辆上的应用[J]. 国外机车车辆工艺, 2010, 2:41-45.

[5] 毕贞法, 孔乐. 基于金属磁记忆的高铁轮对早期故障检测研究[J]. 河北科技大学学报, 2018, 39(4):306-312.

[6] 唐鲁楠, 冯文慧. 无损检测技术在地铁检修中的应用[J]. 无损检测, 2016, 38(3):82-84.

[7] 祁三军, 郑小康, 卢东磊. 车钩两种无损检测方法的对比分析[J]. 轨道交通装备与技术, 2014, 4:50-51.

作者简介：彭大伟，出生于1993年，男，电气工艺师，本科，现就职于中车青岛四方机车车辆股份有限公司，从事关于地铁车辆调试相关工艺工作 。