相控陣超聲在機(jī)車輪輞探傷中的優(yōu)勢分析

陳科林

(蘭州鐵路局機(jī)務(wù)部，甘肅 蘭州 730000)

0 引言

隨著中國鐵路向高速化、重載化方向不斷發(fā)展，列車檢修技術(shù)的進(jìn)步和設(shè)備的更新迭代變得尤為重要。車輪是列車的承載部件，受制造水平的制約以及交變應(yīng)力、棘輪效應(yīng)等因素的影響，容易產(chǎn)生缺陷。在動車領(lǐng)域，通過借鑒國外檢修模式和不斷摸索總結(jié)，已經(jīng)形成了“日常動態(tài)探傷、定期在線探傷、定期落輪探傷”的三層次輪對探傷體系，并充分利用了相控陣超聲、機(jī)器臂柔性探傷等先進(jìn)技術(shù)保障車輪運(yùn)行安全[1]。

在機(jī)務(wù)領(lǐng)域，車輪探傷仍以手工探傷為主，且只是對輪輞部位進(jìn)行超聲探傷。由于超聲探傷中須使聲束盡可能與缺陷垂直以取得最大的缺陷聲壓發(fā)射量[2]，因此，在現(xiàn)行工藝中，根據(jù)機(jī)車車輪冶金缺陷和疲勞缺陷的發(fā)展特點(diǎn)[3]，設(shè)置了雙晶探頭掃查及大角度多次波掃查2種探傷方式，并結(jié)合檢修修程的相關(guān)要求開展。輪輞多次波掃查過程中，除入射角度少外，也存在聲程長、衰減嚴(yán)重、信噪比偏低等問題。

為提高機(jī)車車輪探傷質(zhì)量，提升探傷效率，蘭州、上海、西安等機(jī)務(wù)段已經(jīng)配置移動式機(jī)車輪輞輪輻探傷設(shè)備。設(shè)備集相控陣超聲、機(jī)器人等先進(jìn)技術(shù)為一體，較現(xiàn)有手工探傷在聲束覆蓋性、缺陷分辨力、探頭貼合穩(wěn)定性以及信息化方面都有明顯優(yōu)勢。但當(dāng)前手工探傷工藝在掃查方式規(guī)定上不能很好地指導(dǎo)自動探傷設(shè)備的使用。本文著重對相控陣超聲探傷技術(shù)在輪輞探傷中的優(yōu)勢進(jìn)行分析，并提出工藝改進(jìn)建議，為優(yōu)化機(jī)車輪輞探傷工藝提供參考。

1 技術(shù)現(xiàn)狀

在役機(jī)車輪箍、整體碾鋼輪輪輞超聲波探傷工藝規(guī)定，探傷前應(yīng)按照輪輞厚度(或箍厚)選擇組合斜探頭的入射角度。當(dāng)前不動車探傷工藝多采用2.5 MHz橫波斜探頭，采用四次波聲程探測缺陷，如圖1所示。

圖1 UT四次波檢測

移動式機(jī)車輪輞輪輻探傷設(shè)備采用頂轉(zhuǎn)輪方式，采用5 MHz相控陣探頭橫波電子偏轉(zhuǎn)角度進(jìn)行檢測，采用一次波探傷。

利用相控陣的聚焦或動態(tài)聚焦特性，能使發(fā)射聲束的寬度更窄，使用多角度聚焦聲束替代傳統(tǒng)的單角度擴(kuò)散聲束，在保障覆蓋性的同時，有利于提升檢測過程中的分辨力和信噪比。同時，采用相控陣檢測可通過聚焦法則配置范圍更廣的掃查角度，對輪徑范圍適應(yīng)性更優(yōu)，進(jìn)而無須在探傷前再測量輪輞厚度，實現(xiàn)對工藝流程的簡化。

2 電子聚焦對檢測能力的提升

相控陣探頭不僅可以通過電子偏轉(zhuǎn)的方式實現(xiàn)多角度掃查，而且可以通過電子聚焦的方式，改變聲場結(jié)構(gòu)，提升缺陷檢測能力。

通過CIVA仿真模擬了PA探頭45°聚焦到輪輞以下深度15 mm與不聚焦2種模式下的超聲聲場結(jié)構(gòu)(見圖2)。PA探頭不設(shè)置聚焦時，-3 dB焦點(diǎn)尺寸約為64.6 mm×3.9 mm，焦點(diǎn)中心位于聲程50 mm位置；設(shè)置了聚焦后，聲場-3 dB焦點(diǎn)尺寸約為52.4 mm×2.9 mm，焦點(diǎn)中心移動至聲程為35 mm位置。PA探頭設(shè)置電子聚焦能夠改變焦點(diǎn)中心位置，減小焦點(diǎn)-3 dB聲束尺寸。

注:左:聚焦15 mm深；右:不聚焦。

利用上述聲束對距離輪輞表面以下15 mm深，直徑為φ2 mm的平底孔進(jìn)行模擬檢測(見圖3)，結(jié)果顯示，聚焦后聲束更窄，分辨力更高，對該缺陷的檢測靈敏度可提升約4.5 dB。PA探頭電子聚焦改善了近表面缺陷檢測靈敏度，減小了焦點(diǎn)尺寸，對小缺陷的檢測能力得到提升。

3 徑向掃查的覆蓋性提升

本章節(jié)采用CIVA仿真軟件模擬了2種檢測方式的聲場結(jié)構(gòu)，采用基爾霍夫近似模型(Kirchhoff)、變量分離法(SOV)[5-6]對2種檢測方式缺陷的檢測效果進(jìn)行了仿真對比，以此說明自動探傷設(shè)備在聲束覆蓋性及一次波檢測的優(yōu)勢。

注:左:聚焦15 mm深；右:不聚焦。

3.1 相控陣多角度掃查覆蓋性

相控陣聲場覆蓋和手工UT探傷聲場覆蓋仿真如圖4所示?？梢钥闯?，手工UT探傷超聲波聲場采用大角度(典型角度70°)，僅能夠?qū)嚯x輪輞表面較淺的區(qū)域進(jìn)行覆蓋；而PA能夠采用電子聲束偏轉(zhuǎn)(典型角度35°～70°)，實現(xiàn)更大范圍的超聲波覆蓋。

(a)相控陣掃查覆蓋

(b)大角度UT掃查覆蓋

假設(shè)超聲波探頭與輪輞接觸截面半徑為R，超聲波探頭橫波折射角度為θ，則理論檢測深度D可通過如下公式計算:

D=R-Rsinθ

進(jìn)一步在模型上設(shè)置距離輪輞表面不同深度橫通孔用于覆蓋性測試，如圖5所示，可以看出，UT70°僅能檢測到距離輪輞表面較淺的缺陷，而PA探頭采用電子多角度偏轉(zhuǎn)，能夠檢測輪輞，甚至檢測到輻板區(qū)域更深范圍的缺陷。

3.2 PA一次波檢測優(yōu)勢分析

結(jié)合自動探傷頂轉(zhuǎn)輪的方式，相控陣探傷能更加充分發(fā)揮其優(yōu)勢，如圖6所示，在車輪踏面上設(shè)置2 mm深刻槽，并分別用PA一次波和UT多次波進(jìn)行模擬測試。

(a)不同深度橫孔PA掃查結(jié)果

(b)不同深度橫孔UT掃查結(jié)果

由于UT探傷采用2.5 MHz探頭，PA采用5 MHz探頭，受探頭頻率越低，能量越高因素影響，在其他條件相同情況下，PA一次波比UT一次波檢測2 mm表面刻槽靈敏度低約18.3 dB，與UT探頭二次波檢測靈敏度接近。但UT探頭三次波和四次波檢測靈敏度比一次波低30 dB以上，須采用更高的檢測增益，對儀器和探頭的檢測靈敏度余量有很高的要求，否則缺陷檢出信噪比會受到較大影響。

表1 UT多次波和PA一次波檢測2 mm刻槽對比

另一方面，車輪輪輞表面為曲面，超聲波在輪輞表面會呈現(xiàn)不規(guī)則的反射。采用2～4次波檢測表面缺陷，須將探頭扭轉(zhuǎn)1.4°～2.3°才能夠檢出，如表1所示。在四次波的檢測中，雖然探頭扭轉(zhuǎn)了一定角度，超聲波在入射過程中能夠覆蓋到表面刻槽，但是在反射過程中，超聲波主聲束依然偏離了探頭位置。在多次波的檢測中，超聲波與輪輞表面產(chǎn)生多次的不規(guī)則反射，不僅會造成檢測靈敏度的損失，也會對缺陷的準(zhǔn)確定位將造成很大的誤差，如圖6所示。

圖6 多次反射對回波接收影響示意

若采用PA一次波探傷，旋轉(zhuǎn)車輪360°進(jìn)行超聲波全覆蓋，能夠有效避免輪輞對超聲波的不規(guī)則反射造成的缺陷定位不準(zhǔn)確的問題。

4 結(jié)語

本文通過模擬仿真，較為深入地分析了相控陣超聲較常規(guī)超聲在機(jī)車輪輞探傷中的優(yōu)勢。從仿真結(jié)果可以看出，其聚焦及偏轉(zhuǎn)特性能夠有效改善輪輞探傷覆蓋性及靈敏度，輪徑范圍適應(yīng)性更優(yōu)，結(jié)合自動化探傷設(shè)備所集成的頂轉(zhuǎn)輪機(jī)構(gòu)，可有效實現(xiàn)一次波掃查對現(xiàn)有多次波掃查的替代。

目前，蘭州機(jī)務(wù)段購置了2臺LU移動式機(jī)車輪輞輪輻探傷系統(tǒng)，在自動探傷工藝的指導(dǎo)下，共檢測輪對1 404條，檢出超限缺陷14例，其探傷能力已得到充分驗證，機(jī)車車輪安全得到有效保障。