数字超声波探伤仪的特性及在机车上的应用

1 前言

随着电力机车在铁路运输中起着越来越重要的作用，而车轴状态的好坏则直接影响着机车运行的安全，在长期运行中，车轴轮箍不断承受各种剪切、拉压、弯曲、扭转等复杂应力的作用，在轮座的内侧，尤其是齿轮座压装部容易产生疲劳裂纹。因此，加强对机车轮对的超声波探伤势在必行。以往，铁路各厂、段对车轴及轮箍的探伤，除了穿透探伤检查重大疲劳裂纹较准确外，横波探伤和纵波小角度探伤结果均与实际情况有较明显的误差，在这里除了探测条件的影响外，人为因素的影响也很大，因此，对轮对疲劳裂纹采用计算机控制，施行 自动化 检测，逐渐与国际铁路超声波检测技术接轨，将使我国现有的探伤技术更加成熟。

2 数字超声波探伤仪的结构、原理及特点

目前，运用数字式数据处理比模拟电子技术显示了极大的优越性，随着探伤技术的发展，数字信号处理与分析已不再仅仅是辅助技术，而是一种基本技术。高性能的A/D转换器和高效率的微处理器的问世，将不断地取代模拟电子的技术，尤其在高频领域应用模拟电子技术明显受到限制。数字化超声波探伤使测试系统开拓了新的检测能力。

数字化超声波探伤仪的整个系统由计算机（工控机IPC）作为主机（上位机），以单片机芯片为主构成的四块专用板卡及系统构成及通用的开关量I/O板卡组成下位机，统一控制管理超声系统（见下图）。

工控机管理的数字式超声探伤系统结构

系统程序流程：系统上电运行探伤操作程序→IPC机送下位机初始数据→中断响应进入缺陷判断报警程序→IPC机读取底波峰值电压VB，缺陷波峰值电压VF，底波距发射的时间TF信号及一组高速采样数据→分析计算处理数据→符合缺陷判断条件报警→显示屏上画出高速采样波形→调整后的闸门和衰减量等参数存储，待下一循环送出→返回探伤操作程序，并等待响应下一次中断。

由此，可见计算机与传统的超声检测系统相结合时，是超声检测技术向数字化、智能化方向发展的一个突破，因为它具有了以下的特点：

（1）、计算机控制的超声检测系统可自动选择检测参数；
（2）、相互校正自动选择操作工艺；
（3）、自动记录数据；
（4）、进行换能器的自动补偿和检测结果的自动判断。

从而实现自动判伤，自动读出和显示缺陷位置与当量值，并存储和打印输出探伤报告，大大地提高了探伤结果的可信度。

3 数字探伤仪在测量裂纹自身高度的应用

3.1 测量裂纹自身高度的数字处理方法

常规超声波检测对回波声程的测量是通过荧光屏上所处位置的水平量值来换算的，由于波型的跳动，波形峰值的判断误差以及线性调节精度等原因，测定的声程值误差很大。数字处理端点回波声程ω是通过计算机A/D转换，将回波的模拟信号转换为数字信号，根据声速和样点进行精确计算。

现在研制了超声信号分析仪和分析软件，能将常规探伤仪的模拟信号转换为数字信号，建立了计算不同状态下裂纹自身高度的数学模型，实现了数字化处理，得到了裂纹自身高度的精确测量结果。 [p]

3.2 不同状态裂纹自身高度的计算方法

3.2.1垂直于工件表面的开口裂纹

对于垂直表面的开口裂纹，其自身（垂直）高度为h，端点回波与根部回波声程分别为ω1和ω2，探头射角为β，工件厚度为T，如下图：

表面开口裂纹自身高度测定示意图

则

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

不用β值，而用式（1）计算表面开口裂纹自身高度可得到较高的精度。

3.2.2 垂直于工件表面的内部裂纹。

对于垂直于表面的内部裂纹，如果上端点和下端点都是由一次波探测到（左图），一次声程分别为ω1和ω2，则其自身高度h为

h=（ω2-ω1）cosβ （2）

内部垂直裂纹自身高度测定示意图

如果上端点由一次波探测到，而下端点由二次波探测到（右图），设一、二次波的总声程为L2。如果工件厚度为T，那么 L2中一次波声程为T/cosβ；二次波声程为（L2-T/cosβ），则

ω2 =L2-2×（L2-T/cosβ） （3）

3.2.3 倾斜的内部裂纹。

对于有倾角的裂纹，如下图，若上端点和下端点由一次波探测到（左图），一次波声程分别为ω1和ω2，则其垂直高度h为

h=（ω2-ω1）cosβ （4）

内部倾斜裂纹自身高度测定示意图

如果上端点由一次波探测到，而下端点由二次波探测到（右图），且工件厚度为T，那么总声程L2中一次波声程为T/cosβ；二次波声程为（L2-T/cosβ），则

ω2 =L2-2×（L2-T/cosβ） （5）

h=（ω2-ω1）cosβ

用式（1）～（5）进行声程的数字化处理，实际上是一台带有采样装置（频率为30MHZ）和超声信号接入装置的工控计算机，具有计算机的全部功能。分析软件采用可视界面技术，软件设计以JB4730—1994标准为依据。采用声程数字处理技术的端点反射回波法。采用此法对提高裂纹自身（垂直）高度测量精度非常有效。具有原理简单，测量重复性好，操作方便快捷和实用性高。

4 结论

数字超声波探伤仪是目前研究的热点，主要集中在研究其适应性强，灵敏性高。我段自2000年引进数字式超声波探伤仪后，使我段在SS7型电力机车检修中车轴及轮箍的缺陷检测得率大有提高，尤其是同型机车且均运营在南昆线上，昆明机务段已有几起崩箍事故发生，而我段还无一类似事故。这是因为我段在事故发生前将缺陷检出，从而避免了事故的发生，如我段在2000年检测出12个轮箍有超限缺陷，2001年检测出13个轮箍有缺陷，3条车轴有裂纹。由此可见，数字式超声波探伤仪的缺陷检出可信度是模拟超声波探伤仪所无法比拟的，因此，发展数字式超声波检测技术在机车检测领域的应用是极其重要的。

参考文献
1 中国机械工程学会无损检测分会.超声波检测.机械工业出版社,2000.
2 辽宁省机械工程学会.无损探伤.机械工业出版社,2001.
3 中国科学技术协会.无损检测.机械工业出版社,2001.