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[摘 要]轮轴作为高铁动车组最重要的部件之一，在实际的线路运行过程中，除要承受车辆的全部重量外，还要受到撞击，循环应力，线路不平顺等复杂作用力，极易发生结构性的损伤，给铁路交通安全带来严重隐患。轮轴的主要失效形式为疲劳损伤。因此，能否对机车的轮轴疲劳裂纹进行实时在线检测，第一时间发现轮轴的疲劳裂纹，对高铁动车组行车安全显得至关重要。本文通过对比传统的探伤检测技术缺陷，重点介绍了声发射技术在轮轴疲劳检测方面的优势及应用。
[关键词]轮轴；失效；疲劳裂纹；声发射检测技术
中图分类号：TG44 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）20-0062-02
近几年，我国高铁事业快速兴起极大促进和经济和社会发展，现有运行的列车轮轴就数以万计，任何一根轮轴发生断裂都产生严重的后果，造成不可挽回的人员和经济的巨大损失。高铁速度的提高缩短了城市间的距离，但同样缩短了动车组日常检修周期，这对动车组运行安全来说是致命的威胁。因此，能否及时方便的对高铁车辆轮轴的疲劳裂纹进行检测，是当今高铁行业安全的关键。
1 传统的轮轴探伤检测技术
无损检测是指在不损伤和破坏材料性能及结构特性的前提下，对它们的物理性质、机械性能以及内部结构等进行检测的一种方法[1]。目前，国内外用于轮轴无损检测技术主要有：电磁探伤和超声波探伤。
1.1 电磁探伤
电磁探伤，顾名思义是利用电磁的原理来发现金属内部缺陷的一种检测方法。这种检测方法是将金属材料的部件磁化，如果部件内部存在缺陷，那么该缺陷位置处的磁阻力较其他位置就会增大，就可通过这种磁阻力来发现材料内部的缺陷。如果有金属铁磁部件内部均匀无缺陷，那么其磁化后磁力线的分布也将是均匀的。如果金属铁磁部件中存在缺陷，则磁力线通过缺陷位置时将遇到较大的磁阻，磁力线的分布会发生变化。在缺陷部分的磁力线会穿出部件表面产生泄露，形成漏散磁场。没有缺陷的轮轴表面，则没有漏散磁场。
轮轴电磁探伤试验过程是通过磁粉在表面的分布来判断轮轴内部缺陷的大小：通常将磁粉均匀散布于轮轴外表面，假设轮轴内补存在缺陷，那么漏散磁场的磁通量会使原本均匀散布的磁粉产生堆积变化。由于轮轴内部缺陷长度与深度不同，磁粉聚集时各处的形状就不一样。因此，试验人员可通过磁粉分布的变化大致判断出轮轴缺陷的大小。
1.2 超声波探伤
超声波探伤技术，主要利用超声波发生器向轮轴或其他部件内发射超声波，超声波会沿着轮轴内部表面进行直线传播。由于超声波会被两种介质的界面反射（金属零件内的缺陷，如裂纹、气泡等常存在金属与空气的界面）根据反射波的情况可确定有无缺陷。当轮轴内部存在缺陷时，超声波折回后的能量就会有一定衰减量。超声波检测装置通过对比衰减量就可判断出轮轴内部缺陷大；根据超声波反射回来所用的时间来确定缺陷与探头之间的距离。
传统的超声波探伤法主要垂直探伤、斜角探伤和局部探伤三种方法，将超声波检测探头与轮轴端面接触，通过发射的超声波有无反射判断轮轴的缺陷。
上述两种探伤检测技术都有其无法解决的缺陷：1.用磁粉进行轮轴探伤时，必须对其表面进行磁化操作，这就导致检测速度相对较慢；且其仅能通过磁粉分布进行粗略估计，检测结果不准确[2]；试验后磁粉的清除工作也相对比较繁琐；磁化不均匀会导致细小裂纹缺陷无法发现；2.超声波探伤检测技术只适用于整备好的轮轴，即完全组装后部件有无裂纹、接触不良以及透声不良等缺陷的存在。这两种方法只能检查出轮轴在某一状态下的裂纹等缺陷，无法检测轮轴在承载与运动状态下的裂纹萌生和扩展以及断裂的演变过程，亦即无法检测轮轴和材料的断裂特性。
2 声发射检测技术
声发射（Acoustic Emission）也称应力波发射，是指材料局部因能量的快速释放而发出的瞬态弹性波的现象[3]。借助声发射检测系统采集、记录、分析声发射信号并对声发射源的性质进行评定的技术称为声发射技术[4]。
声发射技术的检测原理，主要为声发射弹性波从声源发出，经材料内部传播至表面，并且在表面产生能够被传感器检测到的微小位移，如图2所示。声发射传感器将这些位移变化转换为与其对应的电信号变化，然后经前置放大器对这些电信号进行放大，最后由声发射测试系统对这些信号进行记录和处理。人们根据观察到的声发射信号进行分析与推断，了解材料内部产生声发射信号的机理。
疲劳、磨损和腐蚀是工程机械构件中最常出现的三种损伤破坏形式，由于疲劳破坏的出现一般都不会有明显的征兆，所以会造成灾难性事故和重大損失。疲劳失效是材料表面或次表面在交变应力作用下产生的损伤累积的过程，是轮轴、转向架和轴承等高铁车辆的关键结构件的主要失效形式。疲劳失效过程，实际上就是疲劳裂纹在交变应力作用下的萌生和扩展过程。材料的弹、塑性变形，疲劳裂纹的萌生、扩展以及材料的疲劳断裂等损伤过程所产生的声发射信号，都能实时反映其疲劳失效过程。因此，采用声发射技术来检测疲劳失效过程，可以通过对声发射信号的分析揭示疲劳失效机理，是一种科学有效的检测方法。
我国于20世纪70年代逐渐开展声发射技术的研究工作，经过40多年的发展，声发射技术已在我国石油、交通运输、航空、航天等领域得到了广泛的研究和应用[5]。
3 声发射应用于轮轴疲劳裂纹检测的可行性
在机车车辆的运行过程中，轮轴承受着车辆的全部重量，会受到振动与冲击、循环应力以及轮轴压装过程中的过盈力，这些复杂的受力情况，决定了动车组轮轴复杂的工作工况，使得其主要失效形式为疲劳断裂失效，表现形式为疲劳裂纹，并且在疲劳失效过程中伴随着声发射信号的产生。
声发射信号在金属材料内部传播的速度只与材料本身的密度、弹性模量以及泊松比有关。因此，在同一材料中，声发射信号的传播速度恒定不变，可以采用时差定位原理来进行声发射源的定位。 动车组轮轴在应力集中开始一段时间后，一定会在产生内部缺陷的地方，以变形或屈服的形式将不稳定的能量释放出来。
而这些变形或屈服长时间会导致轮轴疲劳裂纹的产生。在疲劳裂纹的萌生扩展过程中，会产生不同类型的周期性声发射信号[6]。所以，在形成可见的宏观裂纹之前的初始微观裂纹阶段，就可以检测到声发射信号，这样一来就可以提前预防轮轴疲劳的进一步发展，避免更严重事故的发生。Balerston HL[7]等人第一次在疲劳失效的研究中提出采用声发射技术，并指出疲劳失效的本质就是疲劳裂纹的萌生和扩展过程，会伴随能量的释放，因为声发射产生的微观机理是能量的快速释放过程，所以疲劳损伤失效过程完全可以用声发射信号来表示。布鲁尼等人[8]采用声发射和振动法两种轮轴检测方法对轮轴裂纹缺陷进行了探究，试验结果表明声发射检测相较振动法可以更好的预测裂纹初始萌生状态，对裂纹位置及大小的灵敏度更高。
4 结论
声发射技术是近几年迅速发展起来的新技术、新方法，能够进行实时、在线的动态无损检测，且具有较高的灵敏度。它可以利用来自缺陷本身的声发射信号，判断缺陷的严重程度和缺陷的位置。利用声发射技术，可以长期、连续监测缺陷的活动性和安全性，可以对被检测件的疲劳裂纹的存在状态进行连续的实时反馈，通过声发射信号的参数分析法对信号的时域特征参数进行分析，精确表示出裂纹的整个萌生和扩展过程，便于对被检测件的疲劳剩余寿命的评估预测。同时，利用阵列传感器组，可以监测大型测试对象，并可根据信号时差或强度来确定动态缺陷（声源）的位置。
采用声发射检测技术，可以对轮轴结构的疲劳裂纹进行连续的实时监测，通过对实验数据的分析，提取反映裂纹特征状态的声发射信号参数，可以分析疲劳裂纹萌生的时间及裂纹随时间扩展的变化历程，为高铁车辆结构关键部件的寿命评估与分析提供实验技术支持。
参考文献
[1] 王雪梅.无损检测技术及其在轨道交通中的应用[M].成都：西南交通大学出版社，2010： 35-39.
[2] 丁浩，欧阳敏.表面裂纹检测的现状及发展趋势[J].科技风，2012：62.
[3] Lindley T C，Palmer I G，Richards C E.Acoustic emission monitoring of fatigue crack growth[J].Materials Science and Engineering，1978，32（2）.
[4] Carpinteri A，Lacidogna G，Pugno N.Structural damage diagnosis and life-time assessment by acoustic emission monitoring[J].Engineering Fracture Mechanics，2007，74（1/2）.
[5] 王云鹤，郭小联，刘富君.常压储罐声发射及漏磁检测技术[J].无损探伤，2009，33（1）.
[6] 耿荣生，景鹏，雷洪等.飞机主梁疲劳裂纹萌生声发射信号的识别方法[J].航空学报， 1996（5）.
[7] Tan C K，Mba D.Identification of the acoustic emission source during a comparative study on diagnosis of a spur gearbox[J].Tribology International，2005，38.
[8] Stefano Bruni， Michele Carboni， Daniele Crivelli， et al. A Preliminary Analysis about the Application of Acoustic Emission and low Frequency Vibration Methods to the Structural Health Monitoring of Railway Axles[C]// Chemical Engineering Transactions. 2013.
作者簡介
臧家普（1988.11—），男，汉，山东临沂，初级工程师，硕士，中车青岛四方机车车辆股份有限公司，转向架轮轴。
[关键词]轮轴；失效；疲劳裂纹；声发射检测技术
中图分类号：TG44 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）20-0062-02
近几年，我国高铁事业快速兴起极大促进和经济和社会发展，现有运行的列车轮轴就数以万计，任何一根轮轴发生断裂都产生严重的后果，造成不可挽回的人员和经济的巨大损失。高铁速度的提高缩短了城市间的距离，但同样缩短了动车组日常检修周期，这对动车组运行安全来说是致命的威胁。因此，能否及时方便的对高铁车辆轮轴的疲劳裂纹进行检测，是当今高铁行业安全的关键。
1 传统的轮轴探伤检测技术
无损检测是指在不损伤和破坏材料性能及结构特性的前提下，对它们的物理性质、机械性能以及内部结构等进行检测的一种方法[1]。目前，国内外用于轮轴无损检测技术主要有：电磁探伤和超声波探伤。
1.1 电磁探伤
电磁探伤，顾名思义是利用电磁的原理来发现金属内部缺陷的一种检测方法。这种检测方法是将金属材料的部件磁化，如果部件内部存在缺陷，那么该缺陷位置处的磁阻力较其他位置就会增大，就可通过这种磁阻力来发现材料内部的缺陷。如果有金属铁磁部件内部均匀无缺陷，那么其磁化后磁力线的分布也将是均匀的。如果金属铁磁部件中存在缺陷，则磁力线通过缺陷位置时将遇到较大的磁阻，磁力线的分布会发生变化。在缺陷部分的磁力线会穿出部件表面产生泄露，形成漏散磁场。没有缺陷的轮轴表面，则没有漏散磁场。
轮轴电磁探伤试验过程是通过磁粉在表面的分布来判断轮轴内部缺陷的大小：通常将磁粉均匀散布于轮轴外表面，假设轮轴内补存在缺陷，那么漏散磁场的磁通量会使原本均匀散布的磁粉产生堆积变化。由于轮轴内部缺陷长度与深度不同，磁粉聚集时各处的形状就不一样。因此，试验人员可通过磁粉分布的变化大致判断出轮轴缺陷的大小。
1.2 超声波探伤
超声波探伤技术，主要利用超声波发生器向轮轴或其他部件内发射超声波，超声波会沿着轮轴内部表面进行直线传播。由于超声波会被两种介质的界面反射（金属零件内的缺陷，如裂纹、气泡等常存在金属与空气的界面）根据反射波的情况可确定有无缺陷。当轮轴内部存在缺陷时，超声波折回后的能量就会有一定衰减量。超声波检测装置通过对比衰减量就可判断出轮轴内部缺陷大；根据超声波反射回来所用的时间来确定缺陷与探头之间的距离。
传统的超声波探伤法主要垂直探伤、斜角探伤和局部探伤三种方法，将超声波检测探头与轮轴端面接触，通过发射的超声波有无反射判断轮轴的缺陷。
上述两种探伤检测技术都有其无法解决的缺陷：1.用磁粉进行轮轴探伤时，必须对其表面进行磁化操作，这就导致检测速度相对较慢；且其仅能通过磁粉分布进行粗略估计，检测结果不准确[2]；试验后磁粉的清除工作也相对比较繁琐；磁化不均匀会导致细小裂纹缺陷无法发现；2.超声波探伤检测技术只适用于整备好的轮轴，即完全组装后部件有无裂纹、接触不良以及透声不良等缺陷的存在。这两种方法只能检查出轮轴在某一状态下的裂纹等缺陷，无法检测轮轴在承载与运动状态下的裂纹萌生和扩展以及断裂的演变过程，亦即无法检测轮轴和材料的断裂特性。
2 声发射检测技术
声发射（Acoustic Emission）也称应力波发射，是指材料局部因能量的快速释放而发出的瞬态弹性波的现象[3]。借助声发射检测系统采集、记录、分析声发射信号并对声发射源的性质进行评定的技术称为声发射技术[4]。
声发射技术的检测原理，主要为声发射弹性波从声源发出，经材料内部传播至表面，并且在表面产生能够被传感器检测到的微小位移，如图2所示。声发射传感器将这些位移变化转换为与其对应的电信号变化，然后经前置放大器对这些电信号进行放大，最后由声发射测试系统对这些信号进行记录和处理。人们根据观察到的声发射信号进行分析与推断，了解材料内部产生声发射信号的机理。
疲劳、磨损和腐蚀是工程机械构件中最常出现的三种损伤破坏形式，由于疲劳破坏的出现一般都不会有明显的征兆，所以会造成灾难性事故和重大損失。疲劳失效是材料表面或次表面在交变应力作用下产生的损伤累积的过程，是轮轴、转向架和轴承等高铁车辆的关键结构件的主要失效形式。疲劳失效过程，实际上就是疲劳裂纹在交变应力作用下的萌生和扩展过程。材料的弹、塑性变形，疲劳裂纹的萌生、扩展以及材料的疲劳断裂等损伤过程所产生的声发射信号，都能实时反映其疲劳失效过程。因此，采用声发射技术来检测疲劳失效过程，可以通过对声发射信号的分析揭示疲劳失效机理，是一种科学有效的检测方法。
我国于20世纪70年代逐渐开展声发射技术的研究工作，经过40多年的发展，声发射技术已在我国石油、交通运输、航空、航天等领域得到了广泛的研究和应用[5]。
3 声发射应用于轮轴疲劳裂纹检测的可行性
在机车车辆的运行过程中，轮轴承受着车辆的全部重量，会受到振动与冲击、循环应力以及轮轴压装过程中的过盈力，这些复杂的受力情况，决定了动车组轮轴复杂的工作工况，使得其主要失效形式为疲劳断裂失效，表现形式为疲劳裂纹，并且在疲劳失效过程中伴随着声发射信号的产生。
声发射信号在金属材料内部传播的速度只与材料本身的密度、弹性模量以及泊松比有关。因此，在同一材料中，声发射信号的传播速度恒定不变，可以采用时差定位原理来进行声发射源的定位。 动车组轮轴在应力集中开始一段时间后，一定会在产生内部缺陷的地方，以变形或屈服的形式将不稳定的能量释放出来。
而这些变形或屈服长时间会导致轮轴疲劳裂纹的产生。在疲劳裂纹的萌生扩展过程中，会产生不同类型的周期性声发射信号[6]。所以，在形成可见的宏观裂纹之前的初始微观裂纹阶段，就可以检测到声发射信号，这样一来就可以提前预防轮轴疲劳的进一步发展，避免更严重事故的发生。Balerston HL[7]等人第一次在疲劳失效的研究中提出采用声发射技术，并指出疲劳失效的本质就是疲劳裂纹的萌生和扩展过程，会伴随能量的释放，因为声发射产生的微观机理是能量的快速释放过程，所以疲劳损伤失效过程完全可以用声发射信号来表示。布鲁尼等人[8]采用声发射和振动法两种轮轴检测方法对轮轴裂纹缺陷进行了探究，试验结果表明声发射检测相较振动法可以更好的预测裂纹初始萌生状态，对裂纹位置及大小的灵敏度更高。
4 结论
声发射技术是近几年迅速发展起来的新技术、新方法，能够进行实时、在线的动态无损检测，且具有较高的灵敏度。它可以利用来自缺陷本身的声发射信号，判断缺陷的严重程度和缺陷的位置。利用声发射技术，可以长期、连续监测缺陷的活动性和安全性，可以对被检测件的疲劳裂纹的存在状态进行连续的实时反馈，通过声发射信号的参数分析法对信号的时域特征参数进行分析，精确表示出裂纹的整个萌生和扩展过程，便于对被检测件的疲劳剩余寿命的评估预测。同时，利用阵列传感器组，可以监测大型测试对象，并可根据信号时差或强度来确定动态缺陷（声源）的位置。
采用声发射检测技术，可以对轮轴结构的疲劳裂纹进行连续的实时监测，通过对实验数据的分析，提取反映裂纹特征状态的声发射信号参数，可以分析疲劳裂纹萌生的时间及裂纹随时间扩展的变化历程，为高铁车辆结构关键部件的寿命评估与分析提供实验技术支持。
参考文献
[1] 王雪梅.无损检测技术及其在轨道交通中的应用[M].成都：西南交通大学出版社，2010： 35-39.
[2] 丁浩，欧阳敏.表面裂纹检测的现状及发展趋势[J].科技风，2012：62.
[3] Lindley T C，Palmer I G，Richards C E.Acoustic emission monitoring of fatigue crack growth[J].Materials Science and Engineering，1978，32（2）.
[4] Carpinteri A，Lacidogna G，Pugno N.Structural damage diagnosis and life-time assessment by acoustic emission monitoring[J].Engineering Fracture Mechanics，2007，74（1/2）.
[5] 王云鹤，郭小联，刘富君.常压储罐声发射及漏磁检测技术[J].无损探伤，2009，33（1）.
[6] 耿荣生，景鹏，雷洪等.飞机主梁疲劳裂纹萌生声发射信号的识别方法[J].航空学报， 1996（5）.
[7] Tan C K，Mba D.Identification of the acoustic emission source during a comparative study on diagnosis of a spur gearbox[J].Tribology International，2005，38.
[8] Stefano Bruni， Michele Carboni， Daniele Crivelli， et al. A Preliminary Analysis about the Application of Acoustic Emission and low Frequency Vibration Methods to the Structural Health Monitoring of Railway Axles[C]// Chemical Engineering Transactions. 2013.
作者簡介
臧家普（1988.11—），男，汉，山东临沂，初级工程师，硕士，中车青岛四方机车车辆股份有限公司，转向架轮轴。