2007年，香港某电气化火车公司要求我们为他们的火车轮轴全面做一次超声检测，根据火车公司的一个不成文的要求，在投标前首先要在他们公司对一条已有多个人工缺陷的火车轮轴进行测试，能够全部准确地检测出来者才给予投标资格。

这条含有人工缺陷的火车轮轴，是他们公司之前向日本一家专门做超声波检测仪器的公司订购的一套全自动化超声波火车轮轴检测仪配来的，这条轴的两端同时也装上了滚轮，与真实使用的滚轮一样，模拟真实的轮轴情况下进行检测。

每次检测之前都要用它来校验一次。但是它只能安放在车间固定的位置，大修时将轮轴送到检测台上检测，不能在现场检测。

然而，我们这次是被要求在现场检测，只能从轴的两个端面检测，要求检测时间安排在半夜12点至早上4点，配合负责拆装的公司工人在拆除轴轮两端盖板后才能进行检测，还要预留时间给工人装回盖板，不能影响火车第二天的正常运行，所以，时间是相当紧张的。

我们根据他们提供的图纸，按1:1比例作图和针对常出现裂纹位置计算出不同角度的纵波直探头和斜探头，我们特别向制造探头的厂家订购了一批特殊角度的纵波斜探头。

有3.5°、6°、16°、19°、21°，晶片直径尺寸是20mm，频率是2.5MHz和4.0MHz等。

如图1和图2所示需要用不同角度的纵波直探头和斜探头。

在火车公司的模拟人工缺陷的火车轮轴上，我们成功地通过测试把所有的人工缺陷都准确无误地检测出来，获得了投标资格并且承接了检测任务。

（图 1 轮轴常出现裂纹的位置）

（图 2 先用 0°直探头从两端检测）

晚上4个小时内要将整列12卡(24个轴端面)火车轮轴全部检测(见图 8、9)，要全面检测就需要不停地转换不同度的探头，为了加快检测速度，我们准备分成两组，从火车轴的两端同时进行检测，每组两个人，各用指定的角度探测指定的位置，这样可以减少换探头的时间，对于晚上只有4个小时连拆带装的工作，时间也真是太紧迫了。

（图 8 火车轮轴盖板未拆除前）

（图 9 轴盖板拆除后(探伤面)）

有什么方法可以少换探头从而加快检测进度呢？有什么方法呢？

我想到了相控阵的扇形扫描方法。

在香港，如果您提出新的方法必须要得到业主认可才能使用的，我们就把仪器带到那条含有人工缺陷轮轴现场，当着火车公司的工程师面前演试。

我只需要用一个16单元的相控阵探头和一个普通直探头，就能把所有的人工缺陷快速地扫查出来，还真没想到效果很好(见图 3、4、5、6)。

（图 3 典型的人工缺陷信号）

（图 4 用相控阵仪器测试）

（图 5 典型的弓形线切割槽（1mm 深））

（图 6 典型的人工缺陷信号和滚轮台阶信号）

工程师是很满意我们的检测结果的，他们说：“我们的这项工程要求是用传统的超声波方法检测，我们不会另付相控阵检测费用的，但是，我们也不反对您们用相控阵技术。”

不给钱没问题，我们照做，我们即使用了传统的超声检测方法，又使用了相控阵技术，紧张而有序地完成了所有的检测，最后未见任何裂纹。

我向香港火车公司的工程师查询轮轴的数据时，他们告诉我香港火车轮轴设计的安全系数是很大很大的，所以找不到裂纹是正常的。

这么多年又过去了，从未听说香港火车轴出现断裂问题。

通过实际应用，我们觉得利用相控阵检测这类长轴型的工件是很适合的，它的扇形扫查覆盖范围大，可以任意设置在一个角度范围，同一时间将几个相关的位置全部扫描，然后再详细聚焦分析，真是快而准。

但是，相控阵也有它的不足之处，长度超过 1000mm时，其灵敏就显得不足够了，500mm以内效果很好，就只需配合传统的直探头了，好在现在的相控阵仪器都具备这两种功能，只需转换下程序换个探头就可以了。

相控阵与普通超声波检测的结果可以作个对比，能更准确地帮助分析判断检测结果。

还有一点要提醒各位的是，相控阵在检测轴类零件时与超声波是一样，也会有波型转换，必须小心分辨。

车轴在超声波检测中所存在的问题与一些加工有台阶或过渡圆弧的轴类相似，而且还和用热压配合(过盈配合)组装的齿轮、轴承、车轮的长轴相类似。

在火车轮轴其对称的两边有热套装的滚珠轴承和车轮。

特别是滚珠轴承套的回波与真实裂纹出现位置几乎是一样的，必须小心分辨，操作探头时要慢慢地前后左右旋转环绕探头来看回波是否有分叉，最好用波形展开法来看。

正常的过盈配合产生的回波是不会开叉的(详细资料参看我另一篇文章“超声波检测轴类零件过盈配合的回波分析”)。

另一方面，作为车轴探伤时的干扰回波，包括由车轴的复杂形状所形成的固有波(包含由于波型变换所形成的迟到回波)、车轮等压装部位所产生的压入波、车轴的涂层部位所形成的涂层波、腐蚀波、轮心反射波等，都是需要注意区分的。

（图7在另家公司一个已拆除滚轮轴上真实裂纹的相控阵信号）

最后值得补充的建议是：

针对这类火车轮轴的检测工作应该由火车公司自己内部指定经过专门培训的人员进行检测，不要轻易地交给一个从未做过轴类检测的公司去检测，因为外单位不熟悉轮轴的结构和特点，容易引起误判和错失。

为公众利益着想，千万不要以“价低者中标的方式”交给一个从未做过轴类检测工作经验的公司和人员进行检测。

超声波检测的分门别类有很多种，不是所有持有一张II和III级资格证书的人就什么都懂的。这方面我们从事NDT的也应该多加宣传。

参考资料可见《关于火车轴的超声波探伤》(郑中兴)。

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