數字超聲波探傷儀的特性及在機車上的應用

摘要：介紹了數字超聲波探傷儀的組成、特性及主要功能，說明了其工作原理和在SS7型電車機車上的使用情況。
關鍵詞：數字超聲波探傷 機車 裂紋 應用

1 前言

隨著電力機車在鐵路運輸中起著越來越重要的作用，而車軸狀態的好壞則直接影響著機車運行的安全，在長期運行中，車軸輪箍不斷承受各種剪切、拉壓、彎曲、扭轉等復雜應力的作用，在輪座的內側，尤其是齒輪座壓裝部容易產生疲勞裂紋。因此，加強對機車輪對的超聲波探傷勢在必行。以往，鐵路各廠、段對車軸及輪箍的探傷，除了穿透探傷檢查重大疲勞裂紋較準確外，橫波探傷和縱波小角度探傷結果均與實際情況有較明顯的誤差，在這里除了探測條件的影響外，人為因素的影響也很大，因此，對輪對疲勞裂紋采用計算機控制，施行自動化檢測，逐漸與國際鐵路超聲波檢測技術接軌，將使我國現有的探傷技術更加成熟。

2 數字超聲波探傷儀的結構、原理及特點

目前，運用數字式數據處理比模擬電子技術顯示了極大的優越性，隨著探傷技術的發展，數字信號處理與分析已不再僅僅是輔助技術，而是一種基本技術。高性能的A/D轉換器和高效率的微處理器的問世，將不斷地取代模擬電子的技術，尤其在高頻領域應用模擬電子技術明顯受到限制。數字化超聲波探傷使測試系統開拓了新的檢測能力。

數字化超聲波探傷儀的整個系統由計算機（工控機IPC）作為主機（上位機），以單片機芯片為主構成的四塊專用板卡及系統構成及通用的開關量I/O板卡組成下位機，統一控制管理超聲系統（見下圖）。

工控機管理的數字式超聲探傷系統結構

系統程序流程：系統上電運行探傷操作程序→IPC機送下位機初始數據→中斷響應進入缺陷判斷報警程序→IPC機讀取底波峰值電壓VB，缺陷波峰值電壓VF，底波距發射的時間TF信號及一組高速采樣數據→分析計算處理數據→符合缺陷判斷條件報警→顯示屏上畫出高速采樣波形→調整后的閘門和衰減量等參數存儲，待下一循環送出→返回探傷操作程序，并等待響應下一次中斷。

由此，可見計算機與傳統的超聲檢測系統相結合時，是超聲檢測技術向數字化、智能化方向發展的一個突破，因為它具有了以下的特點：

（1）、計算機控制的超聲檢測系統可自動選擇檢測參數；
（2）、相互校正自動選擇操作工藝；
（3）、自動記錄數據；
（4）、進行換能器的自動補償和檢測結果的自動判斷。

從而實現自動判傷，自動讀出和顯示缺陷位置與當量值，并存儲和打印輸出探傷報告，大大地提高了探傷結果的可信度。

3 數字探傷儀在測量裂紋自身高度的應用

3.1 測量裂紋自身高度的數字處理方法

常規超聲波檢測對回波聲程的測量是通過熒光屏上所處位置的水平量值來換算的，由于波型的跳動，波形峰值的判斷誤差以及線性調節精度等原因，測定的聲程值誤差很大。數字處理端點回波聲程ω是通過計算機A/D轉換，將回波的模擬信號轉換為數字信號，根據聲速和樣點進行精確計算。

現在研制了超聲信號分析儀和分析軟件，能將常規探傷儀的模擬信號轉換為數字信號，建立了計算不同狀態下裂紋自身高度的數學模型，實現了數字化處理，得到了裂紋自身高度的精確測量結果。

3.2 不同狀態裂紋自身高度的計算方法

3.2.1垂直于工件表面的開口裂紋

對于垂直表面的開口裂紋，其自身（垂直）高度為h，端點回波與根部回波聲程分別為ω1和ω2，探頭射角為β，工件厚度為T，如下圖：

表面開口裂紋自身高度測定示意圖

則

h=（ω2-ω1）cosβ=(ω2-ω1)T/ω2=（1-ω1/ω2）·T （1）

不用β值，而用式（1）計算表面開口裂紋自身高度可得到較高的精度。

3.2.2 垂直于工件表面的內部裂紋。

對于垂直于表面的內部裂紋，如果上端點和下端點都是由一次波探測到（左圖），一次聲程分別為ω1和ω2，則其自身高度h為

h=（ω2-ω1）cosβ （2）

內部垂直裂紋自身高度測定示意圖

如果上端點由一次波探測到，而下端點由二次波探測到（右圖），設一、二次波的總聲程為L2。如果工件厚度為T，那么 L2中一次波聲程為T/cosβ；二次波聲程為（L2-T/cosβ），則

ω2 =L2-2×（L2-T/cosβ） （3）

3.2.3 傾斜的內部裂紋。

對于有傾角的裂紋，如下圖，若上端點和下端點由一次波探測到（左圖），一次波聲程分別為ω1和ω2，則其垂直高度h為

h=（ω2-ω1）cosβ （4）

內部傾斜裂紋自身高度測定示意圖

如果上端點由一次波探測到，而下端點由二次波探測到（右圖），且工件厚度為T，那么總聲程L2中一次波聲程為T/cosβ；二次波聲程為（L2-T/cosβ），則

ω2 =L2-2×（L2-T/cosβ） （5）

h=（ω2-ω1）cosβ

用式（1）～（5）進行聲程的數字化處理，實際上是一臺帶有采樣裝置（頻率為30MHZ）和超聲信號接入裝置的工控計算機，具有計算機的全部功能。分析軟件采用可視界面技術，軟件設計以JB4730—1994標準為依據。采用聲程數字處理技術的端點反射回波法。采用此法對提高裂紋自身（垂直）高度測量精度非常有效。具有原理簡單，測量重復性好，操作方便快捷和實用性高。

4 結論

數字超聲波探傷儀是目前研究的熱點，主要集中在研究其適應性強，靈敏性高。我段自2000年引進數字式超聲波探傷儀后，使我段在SS7型電力機車檢修中車軸及輪箍的缺陷檢測得率大有提高，尤其是同型機車且均運營在南昆線上，昆明機務段已有幾起崩箍事故發生，而我段還無一類似事故。這是因為我段在事故發生前將缺陷檢出，從而避免了事故的發生，如我段在2000年檢測出12個輪箍有超限缺陷，2001年檢測出13個輪箍有缺陷，3條車軸有裂紋。由此可見，數字式超聲波探傷儀的缺陷檢出可信度是模擬超聲波探傷儀所無法比擬的，因此，發展數字式超聲波檢測技術在機車檢測領域的應用是極其重要的。
參考文獻
1 中國機械工程學會無損檢測分會.超聲波檢測.機械工業出版社,2000.
2 遼寧省機械工程學會.無損探傷.機械工業出版社,2001.
3 中國科學技術協會.無損檢測.機械工業出版社,2001.