轨道交通车轮及轮箍的无损检测技术深度解析

轨道交通的安全运行，根植于每一个部件的可靠性。其中，车轮作为承载和导向的关键构件，其结构完整性至关重要。任何微小的制造缺陷或服役期间产生的疲劳损伤，都可能演变为严重的安全隐患。因此，在车轮的全生命周期中，从出厂到运用维护，实施严格的无损检测（NDT）是保障行车安全不可或缺的一环。本文将系统梳理新制车轮与在役车轮的无损检测技术、标准与方法。

一、 新制车轮的质量控制探伤

新制车轮（及轮箍）的探伤，其核心目标是识别并剔除在材料冶炼和加工制造过程中产生的各类原始缺陷。这些缺陷主要包括内部的夹杂、疏松、缩孔，以及表面的折叠与裂纹。针对不同位置和类型的缺陷，通常采用超声波与磁粉两种技术互为补充，构建起“由内而外”的质量防线。

1. 超声波探伤：洞察内部结构

超声波检测（UT）凭借其对体积型缺陷的高灵敏度和强大的穿透能力，成为探测车轮内部宏观缺陷的首选技术。

（1）质量要求与验收标准

车轮的不同部位（轮辋、辐板、轮毂）因其受力状态和结构功能各异，其质量允收标准也有所区别。

• 轮辋（或轮箍）
  • 内部缺陷： 不允许存在尺寸大于或等于下表1所规定当量平底孔的缺陷。这确保了与钢轨接触的关键区域具有最高的材料纯净度。
  • 透声性能： 在轴向检测时，底面回波的衰减不应超过4dB，这反映了材料组织结构的均匀性。

表1 轮辋标准缺陷直径

• 辐板

  • 内部缺陷： 不应存在超过10个当量直径大于等于Φ3mm的平底孔缺陷，或任何大于等于Φ5mm的平底孔当量缺陷。同时，任意两个允许存在的缺陷之间，其距离必须至少为50mm，以防止缺陷聚集形成应力集中区。

• 轮毂

  • 内部缺陷： 相比辐板，轮毂的要求更为严格。不应有超过3个当量直径大于等于Φ3mm的平底孔缺陷，或任何大于等于Φ5mm的当量平底孔缺陷。缺陷间距要求同样不小于50mm。
  • 透声性能： 从端面扫查时，回波衰减不应高于6dB。

（2）探伤校准：试块的制备与应用

为了确保检测系统的准确性和缺陷定量的可靠性，必须使用标准试块进行校准。车轮探伤所用的试块，通常由与被检车轮同规格、同工艺、且自身无缺陷的实体车轮或其一部分加工而成。

• 轮辋检测试块： 分为轴向检测试块（图1）、轴向透声检测试块（图2）和径向检测试块（图3），分别用于校准不同方向探测时的灵敏度和距离。

图1 轮辋轴向检测试块

图2 轮辋轴向透声检测试块（注：孔径Φd由试验确定，一般可取Φ7mm）

图3 轮辋径向检测试块

• 轮毂检测试块： 用于校准轮毂区域的探伤系统（图4）。

• 辐板检测试块： 辐板的厚度是变化的，其人工缺陷的位置设计为一个与辐板平均厚度“e”相关的函数。平均厚度e的定义为： e = (m + n) / 2 其中，m和n分别是辐板在轮毂侧和轮辋侧的厚度。根据e值的不同，在辐板不同深度加工Φ3mm和Φ5mm的平底孔，以模拟不同位置的缺陷。

图4 轮毂检测试块

（3）探伤方法与扫查策略

车轮超声探伤普遍采用纵波法，声波频率通常在2~5MHz范围内，我国长期沿用2.5MHz这一经典频率。

• 扫查范围与方式：

  • 轮辋： 需进行轴向和径向双重扫查。轴向扫查从轮辋内侧面进行；径向扫查则从踏面进行，通常推荐使用双晶探头以改善近场区的探测效果。
  • 辐板： 从内外两个侧面进行垂直扫查。
  • 轮毂： 从轮毂的两个端面进行垂直扫查。
  • 为确保全覆盖，各部位的探伤盲区均有严格限制，例如轮辋轴向盲区不大于20mm，径向不大于10mm。

• 缺陷判定与处理： 缺陷大小的判定主要依据距离波幅曲线（DAC）法或对比试块法。当确认缺陷尺寸超出规定或材料透声性不合格时，该车轮即被判为不合格品。

2. 磁粉探伤：捕捉表面裂纹

磁粉检测（MT）专用于探查车轮表面及近表面的开口或埋藏较浅的裂纹类缺陷，这些是超声波纵波垂直入射难以发现的。

（1）探伤要求与时机

车轮磁粉探伤通常采用灵敏度更高的复合磁化荧光磁粉法。检测时机选择在最终机加工之后、抛丸和防腐处理之前，以避免后续工序遮蔽或产生伪缺陷。探伤范围覆盖除轮毂孔外的整个车轮表面。

（2）关键技术参数

• 环境条件： 使用荧光法时，要求在暗室中进行，紫外灯中心波长为365nm，探测面辐照度不低于1500μW/cm²，而环境白光照度不大于20lx。
• 磁化方法： 必须采用能够有效检测径向、周向等所有方向缺陷的磁化方式，如复合磁化法（穿棒法+磁轭法/线圈法）、线圈法（图5）或磁轭法（图6）。严禁使用可能导致电弧烧伤的支杆磁化法。

图5 线圈磁化法示意

图6 磁轭磁化法示意

• 磁粉与磁悬液： 对磁粉的粒度、悬浮性和磁性，以及磁悬液的浓度都有明确规定，以保证检测灵敏度和可靠性。
• 磁化规范： 核心要求是确保被检区域的磁场强度至少达到2000A/m，或表面磁感应强度大于4mT，足以清晰显示标准试片上的刻槽磁痕。

（3）后处理与质量评判

检测完成后，车轮必须进行有效退磁，要求剩磁不大于0.7mT。最终的质量要求是，车轮表面不允许有任何裂纹，非裂纹性缺陷的尺寸通常不应超过2mm（铸钢车轮放宽至6mm）。

要精确执行如此复杂的检测流程，并对结果做出准确判断，不仅需要先进的设备，更依赖于深厚的专业知识和实践经验。这正是专业检测实验室的核心价值所在。 精工博研测试技术（河南）有限公司（原郑州三磨所国家磨料磨具质量检验检测中心），央企，国字头检测机构，专业的权威第三方检测机构，专业检测车轮无损检测，可靠准确。欢迎沟通交流，电话19939716636

二、 在役车轮的健康监测

与新制车轮不同，在役车轮的探伤重点从制造缺陷转向了服役过程中产生的疲劳损伤，尤其是疲劳裂纹。

1. 疲劳裂纹：潜伏的危机

车轮在长期滚动接触和复杂载荷作用下，疲劳裂纹通常在踏面下10~30mm的应力集中区域萌生。裂纹首先沿周向扩展，随后可能转向斜向或径向，最终导致车轮大面积剥离掉块甚至直接崩裂，构成极为严重的安全威胁。

• 周向裂纹： 也称水平裂纹，沿圆周方向发展，是较为常见的疲劳形式。
• 径向裂纹： 沿车轮半径方向扩展，是危险等级最高的缺陷，可直接导致车轮失效。
• 斜裂纹： 介于前两者之间，与半径方向呈一定角度。

2. 多样化的探伤策略

针对在役车轮的特点和检测场景，发展出了多种探伤方法。

（1）常规超声波探伤

• 纵波法： 使用双晶探头从踏面扫查，主要用于检测周向疲劳裂纹，但对危害性极大的径向裂纹几乎没有探测能力。
• 横波法： 是检测斜裂纹和径向裂纹的主要手段。
• 表面波法： 主要应用于行进中列车的在线自动检测系统。

（2）在线自动探伤技术

为实现高效普查，在线自动探伤系统应运而生。主流技术采用0.4MHz的瑞利表面波，探测深度约10mm，探测器集成在一段特制钢轨上，列车通过时即可完成对轮辋的快速筛查。

一个更前沿的技术是电磁超声（EMAT）。例如德国采用的技术，通过在钢轨上嵌入蛇形线圈并施加偏磁场，利用洛伦兹力原理在车轮踏面非接触地激发出超声波。EMAT的最大优势在于无需耦合介质，实现了真正的非接触检测，但其能量转换效率远低于传统压电换能器（约低30~40dB），导致设备和探头较为庞大。

（3）不动车探伤：大角度横波法的精妙之处

在车辆停留或段修时，可采用大角度超声横波对轮箍或轮辋进行精细探伤。该方法利用折射角大于60°的横波，声波在轮辋内缘和踏面之间发生多次反射，沿折线路径传播（图7）。

图7 轮箍横波探测原理

扫查时，声波束如同围绕车轮中心旋转，能够覆盖踏面下一层连续的壳层区域。其探测深度（一次声程的弦高h₀）可以通过以下公式调整： h₀ = R(1 - sinβ) 式中，R为车轮半径，β为探头折射角。

这种方法的巧妙之处在于，声波主要与具有聚焦作用的踏面凹面相互作用，而内圆凸面几乎不起作用，避免了声波发散损失，使传播距离大大增加。其优点显著：

• 探测深度大且可调： 可实现对轮辋或轮箍的全厚度探测。
• 声场均匀稳定： 利用声场自然扩散和踏面聚焦效应，形成均匀的检测场。
• 灵敏度高： 即使是四次声程，依然能探出Φ3mm×25mm横孔当量的缺陷。
• 适用性广： 扫查过程中声波入射角度自然变化，对不同取向的裂纹都有良好的检出率。

（4）磁粉与涡流探伤

在段修期间，同样会对轮对进行磁粉探伤，此时多采用车轴通电法与线圈法结合的复合磁化。对于机车轮芯等特定部位的裂纹，涡流检测也是一种有效的补充手段。其技术要求与新制车轮基本一致。

从出厂前的严格品控到服役中的状态监测，车轮无损检测技术构筑了轨道交通安全的关键屏障。技术的不断进步，正推动着检测手段向着更高效、更精准、更智能化的方向发展。