朱荣华，占小红

（1.南京铁道职业技术学院，江苏 南京 210031；2.南京航空航天大学，江苏 南京 210031）

1 车钩构造及现有缺陷检测方法分析

随着货车运行速度的提高及列车载重、编组数量和牵引吨位的增加，铁路货运已进入重载快速运输时代。货车运行过程中，车辆之间产生的纵向冲击力也随之加大，对车钩的性能提出了更高要求。

车钩作为列车的重要连接部件，用于车辆之间、机车或动车相互连挂，传递牵引力和制动力并缓和纵向冲击力。其由钩体、缓冲器、钩尾框、从板等部件组成一个整体，安装于车底架构端的牵引梁内，如图1所示。货车车钩以13型和17型为主，其中13型车钩主要用在载重60t级货车上，17型车钩多用在载重70t级及以上货车。车钩的制造主要采用铸造工艺方法，由于铸造过程中易产生缩孔、缩松等内部缺陷，且钩体、钩舌在运用过程中受交变载荷作用，这些缺陷容易成为裂纹源，造成钩体、钩舌的裂损和牵引接触面严重磨耗。从国内外货车主型车钩的运用情况看，钩体和钩舌的损伤主要表现为裂纹和断裂。造成裂纹损伤的主要原因是车钩制造过程中的缺陷（气孔、夹杂、缩孔、缩松等铸造缺陷）和材料的机械性能指标不符合标准要求，特别是在材料的抗拉强度提高后，塑性和韧性指标偏低，造成疲劳强度降低。此外，车钩钩体和钩舌上、下牵引台载荷的不均匀性较大，造成钩舌上、下牵引台根部因偏载，强度严重不足，易导致钩舌断裂。钩舌结构图见图2。

图1 车钩结构图

目前，车钩运用过程的健康状态主要通过列检TFDS来检查宏观的折断，磁粉检测来检查车钩表面裂纹。赵耀等针对铁路货车故障轨边图像检测系统采集的车钩缓冲区域影像，提出一种基于DTW区域划分的影像校正方法，从而实现车钩缓冲部图像的整体校正[1]。赵彩虹等应用感应电流法磁化原理，利用专用磁化装置，实现车钩钩颈内腔表面横向缺陷的磁粉检测[2-3]。祁三军等采用射线和超声波检测对车钩检测进行了比较，结果表明射线检测可直观反映车钩内部缺陷的形貌，且射线检测能检测出的最小缺陷尺寸要小于超声波检测。检测区域比较厚，射线无法穿透，只能采用超声波检测[4-5]。万升云等采用磁记忆检测技术和磁粉探伤对钩体、钩舌、钩尾框进行了无损检测对比，结果表明磁记忆检测铸钢件时不需对其进行表面处理。磁记忆检测技术能够检测出钩体、钩舌、钩尾框受力构件已经出现的缺陷，还能发现这些构件上濒临损伤的区域[6-7]。澳大利亚BHP公司采用超声波相控阵技术对钩尾框后弯角部位进行了检测研究，探头在扫描尾框后弯角时采用Z字形扫描，并采用在尾框实物切取的样块预制缺陷的办法，对设备进行校准。与传统扫描技术相比，超声波相控阵检测成像及缺陷识别更加直观、准确[8]。

超声探伤是利用超声波与工件相互作用，研究反射、透射和散射的波，并对工件进行宏观缺陷检测、几何特性测量、组织结构和力学性能变化的检测和表征，进而对其特定应用性进行评价的技术，如图3所示。声源产生的脉冲波进入到工件中，超声波在工件中以一定方向和速度向前传播，遇到两侧声阻抗有差异的界面时部分声波被反射，超声检测设备接收和显示、分析声波幅度和位置等信息，评估缺陷是否存在或存在缺陷的大小、位置等。两侧声阻抗有差异的界面可能是材料中某种缺陷（不连续），如裂纹、气孔、夹渣等，也可能是工件的外表面。声波反射的程度取决于界面两侧声阻抗差异的大小、入射角以及界面的面积等。通过测量入射声波和接收声波之间声传播的时间，可以得知反射点距入射点的距离。

通过分析可以看出，磁粉检测和渗透检测等方法只能检测车钩表面缺陷，这些检测方法都无法对车钩内部缺陷进行检测，对控制车钩的质量状态具有较大的局限性。此外射线检测具有辐射污染、检测效率低等缺点。超声检测技术具有穿透能力强，对面积型缺陷如裂纹、夹层等检测灵敏度高，检测成本低，易于实现自动化等优点，因此本研究基于超声检测技术，设计了一套车钩内部缺陷自动检测装置。

2 车钩超声自动检测装置

车钩超声自动检测装置包括钩舌定位装置、钩舌超声曲线运动机构、钩舌超声z轴运动机构、钩舌超声y轴运动机构四大部分，如图4所示。

图4 钩舌超声检测装置图

钩舌定位装置主要由底板、钩舌定位支块组成。钩舌定位支块安装于底板上，钩舌检测时，钩舌圆弧面与钩舌定位支块的两个垂直面相接触，钩舌斜面与钩舌定位支块的前端斜面相接触，钩舌端面与钩舌定位支块的左顶块相接触，从而完成超声检测前钩舌的定位。

钩舌超声y轴运动机构主要由左右支撑板、滚珠丝杠、上下支撑杆、联轴器和电机组成。电机通过联轴器、滚珠丝杠，带动钩舌超声z轴运动机构，做水平y轴方向的超声扫查运动。钩舌超声y轴运动机构安装于钩舌超声曲线运动机构中左右支撑柱上，随钩舌超声曲线运动机构一起做曲线运动。

钩舌超声z轴运动机构主要由固定板、滚珠丝杠、左右支撑杆、联轴器和电机组成。电机通过联轴器、滚珠丝杠，带动超声探头杆，做z轴方向水层厚度的调节。钩舌超声z轴运动机构安装于钩舌超声y轴运动机构中滚珠丝杠的螺母上，随钩舌超声y轴运动机构一起做直线运动。

钩舌超声曲线运动机构主要由左右竖板、左右支撑柱、左右滚动轴承和曲柄摇杆机构组成。左右竖板上有与车钩钩舌弧面一样曲面的沟槽，左支撑柱上安装有轴承转轴、轴承。曲柄摇杆机构由曲柄、摇杆、轴承和支座组成。曲柄在外部动力的带动下做旋转运动，带动连杆运动，连杆通过铰链带动左支撑柱运动，使得左支撑柱上的轴承沿左竖板上曲面沟槽运动。

钩舌超声检测装置在检测过程中，首先由钩舌超声曲线运动机构带动检测系统做一次曲线运动，然后钩舌超声y轴运动机构步进一个检测扫查间距，再由钩舌超声曲线运动机构带动检测系统做一次曲线运动，这样循环，从而完成钩舌损伤曲面的超声检测。由于两个轴承的连接杆为沟槽曲面的法向线，且连接杆与超声探头杆相平行，所以超声探头的声场轴线始终垂直于钩舌的检测曲面。

3 结束语

由于我国经济迅猛发展的需要，铁路运输不断向着高速和重载的方向发展。车钩装置作为铁路车辆的关键部件，在运行过程中保障车辆的连挂与作用的传递。但是货车车钩高速重载运行时受交变载荷的作用，断钩事故经常发生，严重影响了铁路的运行安全。为提高重载铁路货车的运行安全，本研究基于超声检测技术设计了车钩损伤区域超声自动检测装置，结果表明，该装置可自动检测车钩内部的缺陷，保障列车运行安全。