數(shù)字超聲波探傷儀的特性及在機(jī)車(chē)上的應(yīng)用
摘要：介紹了數(shù)字超聲波探傷儀的組成、特性及主要功能，說(shuō)明了其工作原理和在SS7型電車(chē)機(jī)車(chē)上的使用情況。
關(guān)鍵詞：數(shù)字超聲波探傷 機(jī)車(chē) 裂紋 應(yīng)用

1 前言

隨著電力機(jī)車(chē)在鐵路運(yùn)輸中起著越來(lái)越重要的作用，而車(chē)軸狀態(tài)的好壞則直接影響著機(jī)車(chē)運(yùn)行的**，在長(zhǎng)期運(yùn)行中，車(chē)軸輪箍不斷承受各種剪切、拉壓、彎曲、扭轉(zhuǎn)等復(fù)雜應(yīng)力的作用，在輪座的內(nèi)側(cè)，尤其是齒輪座壓裝部容易產(chǎn)生疲勞裂紋。因此，加強(qiáng)對(duì)機(jī)車(chē)輪對(duì)的超聲波探傷勢(shì)在必行。以往，鐵路各廠、段對(duì)車(chē)軸及輪箍的探傷，除了穿透探傷檢查重大疲勞裂紋較準(zhǔn)確外，橫波探傷和縱波小角度探傷結(jié)果均與實(shí)際情況有較明顯的誤差，在這里除了探測(cè)條件的影響外，人為因素的影響也很大，因此，對(duì)輪對(duì)疲勞裂紋采用計(jì)算機(jī)控制，施行自動(dòng)化檢測(cè)，逐漸與國(guó)際鐵路超聲波檢測(cè)技術(shù)接軌，將使我國(guó)現(xiàn)有的探傷技術(shù)更加成熟。

2 數(shù)字超聲波探傷儀的結(jié)構(gòu)、原理及特點(diǎn)

目前，運(yùn)用數(shù)字式數(shù)據(jù)處理比模擬電子技術(shù)顯示了極大的優(yōu)越性，隨著探傷技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字信號(hào)處理與分析已不再僅僅是輔助技術(shù)，而是一種基本技術(shù)。高性能的A/D轉(zhuǎn)換器和高效率的微處理器的問(wèn)世，將不斷地取代模擬電子的技術(shù)，尤其在高頻領(lǐng)域應(yīng)用模擬電子技術(shù)明顯受到限制。數(shù)字化超聲波探傷使測(cè)試系統(tǒng)開(kāi)拓了新的檢測(cè)能力。

數(shù)字化超聲波探傷儀的整個(gè)系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)（工控機(jī)IPC）作為主機(jī)（上位機(jī)），以單片機(jī)芯片為主構(gòu)成的四塊專(zhuān)用板卡及系統(tǒng)構(gòu)成及通用的開(kāi)關(guān)量I/O板卡組成下位機(jī)，統(tǒng)一控制管理超聲系統(tǒng)（見(jiàn)下圖）。

工控機(jī)管理的數(shù)字式超聲探傷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)程序流程：系統(tǒng)上電運(yùn)行探傷操作程序→IPC機(jī)送下位機(jī)初始數(shù)據(jù)→中斷響應(yīng)進(jìn)入缺陷判斷報(bào)警程序→IPC機(jī)讀取底波峰值電壓VB，缺陷波峰值電壓VF，底波距發(fā)射的時(shí)間TF信號(hào)及一組高速采樣數(shù)據(jù)→分析計(jì)算處理數(shù)據(jù)→符合缺陷判斷條件報(bào)警→顯示屏上畫(huà)出高速采樣波形→調(diào)整后的閘門(mén)和衰減量等參數(shù)存儲(chǔ)，待下一循環(huán)送出→返回探傷操作程序，并等待響應(yīng)下一次中斷。

由此，可見(jiàn)計(jì)算機(jī)與傳統(tǒng)的超聲檢測(cè)系統(tǒng)相結(jié)合時(shí)，是超聲檢測(cè)技術(shù)向數(shù)字化、智能化方向發(fā)展的一個(gè)突破，因?yàn)樗哂辛艘韵碌奶攸c(diǎn)：

（1）、計(jì)算機(jī)控制的超聲檢測(cè)系統(tǒng)可自動(dòng)選擇檢測(cè)參數(shù)；
（2）、相互校正自動(dòng)選擇操作工藝；
（3）、自動(dòng)記錄數(shù)據(jù)；
（4）、進(jìn)行換能器的自動(dòng)補(bǔ)償和檢測(cè)結(jié)果的自動(dòng)判斷。

從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)判傷，自動(dòng)讀出和顯示缺陷位置與當(dāng)量值，并存儲(chǔ)和打印輸出探傷報(bào)告，大大地提高了探傷結(jié)果的可信度。

3 數(shù)字探傷儀在測(cè)量裂紋自身高度的應(yīng)用

3.1 測(cè)量裂紋自身高度的數(shù)字處理方法

常規(guī)超聲波檢測(cè)對(duì)回波聲程的測(cè)量是通過(guò)熒光屏上所處位置的水平量值來(lái)?yè)Q算的，由于波型的跳動(dòng)，波形峰值的判斷誤差以及線性調(diào)節(jié)精度等原因，測(cè)定的聲程值誤差很大。數(shù)字處理端點(diǎn)回波聲程ω是通過(guò)計(jì)算機(jī)A/D轉(zhuǎn)換，將回波的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，根據(jù)聲速和樣點(diǎn)進(jìn)行**計(jì)算。

現(xiàn)在研制了超聲信號(hào)分析儀和分析軟件，能將常規(guī)探傷儀的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，建立了計(jì)算不同狀態(tài)下裂紋自身高度的數(shù)學(xué)模型，實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化處理，得到了裂紋自身高度的**測(cè)量結(jié)果。

3.2 不同狀態(tài)裂紋自身高度的計(jì)算方法

3.2.1垂直于工件表面的開(kāi)口裂紋

對(duì)于垂直表面的開(kāi)口裂紋，其自身（垂直）高度為h，端點(diǎn)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(mén)，如下圖：

表面開(kāi)口裂紋自身高度測(cè)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(jì)算表面開(kāi)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(nèi)部裂紋。

對(duì)于垂直于表面的內(nèi)部裂紋，如果上端點(diǎn)和下端點(diǎn)都是由一次波探測(cè)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(nèi)部垂直裂紋自身高度測(cè)定示意圖

如果上端點(diǎn)由一次波探測(cè)到，而下端點(diǎn)由二次波探測(cè)到（右圖），設(shè)一、二次波的總聲程為L(zhǎng)2。如果工件厚度為T(mén)，那么L2中一次波聲程為T(mén)/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(nèi)部裂紋。

對(duì)于有傾角的裂紋，如下圖，若上端點(diǎn)和下端點(diǎn)由一次波探測(cè)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(nèi)部?jī)A斜裂紋自身高度測(cè)定示意圖

如果上端點(diǎn)由一次波探測(cè)到，而下端點(diǎn)由二次波探測(cè)到（右圖），且工件厚度為T(mén)，那么總聲程L2中一次波聲程為T(mén)/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(jìn)行聲程的數(shù)字化處理，實(shí)際上是一臺(tái)帶有采樣裝置（頻率為30MHZ）和超聲信號(hào)接入裝置的工控計(jì)算機(jī)，具有計(jì)算機(jī)的全部功能。分析軟件采用可視界面技術(shù)，軟件設(shè)計(jì)以JB4730—1994標(biāo)準(zhǔn)為依據(jù)。采用聲程數(shù)字處理技術(shù)的端點(diǎn)反射回波法。采用此法對(duì)提高裂紋自身（垂直）高度測(cè)量精度非常有效。具有原理簡(jiǎn)單，測(cè)量重復(fù)性好，操作方便快捷和實(shí)用性高。

4 結(jié)論

數(shù)字超聲波探傷儀是目前研究的熱點(diǎn)，主要集中在研究其適應(yīng)性強(qiáng)，靈敏性高。我段自2000年引進(jìn)數(shù)字式超聲波探傷儀后，使我段在SS7型電力機(jī)車(chē)檢修中車(chē)軸及輪箍的缺陷檢測(cè)得率大有提高，尤其是同型機(jī)車(chē)且均運(yùn)營(yíng)在南昆線上，昆明機(jī)務(wù)段已有幾起崩箍事故發(fā)生，而我段還無(wú)一類(lèi)似事故。這是因?yàn)槲叶卧谑鹿拾l(fā)生前將缺陷檢出，從而避免了事故的發(fā)生，如我段在2000年檢測(cè)出12個(gè)輪箍有超限缺陷，2001年檢測(cè)出13個(gè)輪箍有缺陷，3條車(chē)軸有裂紋。由此可見(jiàn)，數(shù)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(wú)法比擬的，因此，發(fā)展數(shù)字式超聲波檢測(cè)技術(shù)在機(jī)車(chē)檢測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用是極其重要的。