超聲相控陣技術(shù)在轉(zhuǎn)轍機(jī)部件檢測(cè)中的應(yīng)用

超聲相控陣技術(shù)在轉(zhuǎn)轍機(jī)部件檢測(cè)中的應(yīng)用

報(bào)告內(nèi)容課題意義及國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀綜述課題研究目標(biāo)、研究?jī)?nèi)容和擬解決的關(guān)鍵問題擬采取的研究方法、技術(shù)路線、試驗(yàn)方案及其可行性分析課題的創(chuàng)新性計(jì)劃進(jìn)度、預(yù)期進(jìn)展和預(yù)期成果一、課題意義及國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀綜述1.1課題意義轉(zhuǎn)轍機(jī)是道岔控制系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，對(duì)提高鐵路運(yùn)輸效率和保證行車安全起著至關(guān)重要的作用。從歷年來的電務(wù)故障統(tǒng)計(jì)資料來看，道岔轉(zhuǎn)轍機(jī)發(fā)生故障的機(jī)率占據(jù)首位，據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計(jì)，我國(guó)建國(guó)以來鐵路系統(tǒng)中重大事故有50％以上是發(fā)生在道岔轉(zhuǎn)換設(shè)備上。因此對(duì)轉(zhuǎn)轍機(jī)的檢測(cè)與維護(hù)已成為鐵路系統(tǒng)一項(xiàng)日常重要的工作。

影響轉(zhuǎn)轍機(jī)工作性能的主要因素有電氣和機(jī)械兩個(gè)方面。在機(jī)械方面，因鎖閉機(jī)件和動(dòng)作桿強(qiáng)度弱而發(fā)生故障較多。轉(zhuǎn)轍機(jī)的機(jī)械部件，如主軸、動(dòng)作桿、鎖閉塊和鎖閉軸等，工作環(huán)境非常惡劣，常受到撞擊、摩擦等作用，在使用中受力情況較為復(fù)雜，轉(zhuǎn)轍機(jī)各個(gè)零件的鍛造裂紋，易在使用過程中不斷發(fā)展與擴(kuò)大。而國(guó)產(chǎn)鎖閉機(jī)件強(qiáng)度差，轉(zhuǎn)轍機(jī)動(dòng)作桿的強(qiáng)度僅為美國(guó)GRS52電動(dòng)轉(zhuǎn)轍機(jī)的1/3～l/4。究其原因，人工檢測(cè)轉(zhuǎn)轍機(jī)部件內(nèi)部裂紋的檢測(cè)手段落后是其中的主要影響因素。因此，有關(guān)轉(zhuǎn)轍機(jī)械部件的無損檢測(cè)的研究是十分必要的。本課題將把具有動(dòng)態(tài)聚焦、自動(dòng)成像檢測(cè)、檢測(cè)復(fù)雜形狀物體、高檢測(cè)靈敏度、分辨率和信噪比等多項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)的相控陣超聲波探傷技術(shù)應(yīng)用于轉(zhuǎn)轍機(jī)部件探傷，從而簡(jiǎn)化現(xiàn)有的探傷步驟，提高探傷精度，并能更準(zhǔn)確及時(shí)地檢測(cè)出轉(zhuǎn)轍機(jī)部件內(nèi)部的裂紋。1.2.1國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有的探傷技術(shù)國(guó)內(nèi)外常應(yīng)用的無損檢測(cè)方法有：液體滲透法、磁粉檢驗(yàn)法、射線檢測(cè)法、超聲波檢測(cè)法和渦流檢測(cè)法等。其中，超聲波檢測(cè)是工業(yè)無損檢測(cè)中應(yīng)用最為廣泛的一種方法。目前國(guó)內(nèi)對(duì)火車輪軸等構(gòu)件的檢測(cè)主要放在生產(chǎn)環(huán)節(jié)和進(jìn)行定期檢修上，以超聲波檢測(cè)為主。平時(shí)只是進(jìn)行粗略的以耳聽、眼看、手摸為主的檢測(cè)。1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀但是，目前國(guó)內(nèi)廣泛使用的一些常規(guī)超聲無損檢測(cè)方法都集中于手工探傷，其操作過程比較復(fù)雜，檢測(cè)周期也比較長(zhǎng)，相對(duì)來說檢測(cè)效率比較低。還要根據(jù)不同材料，不同種類的缺陷來選擇不同的探頭，檢測(cè)時(shí)，還要不斷移動(dòng)探頭的位置，以保證超聲束的入射角和位置，然后根據(jù)回波信號(hào)的波形來判斷缺陷的性質(zhì)。其勞動(dòng)強(qiáng)度大，檢測(cè)效率低，結(jié)果不直觀，很多情況都要依賴于操作者的實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)，容易造成漏判和誤判。1.2.2國(guó)內(nèi)外超聲相控陣技術(shù)研究現(xiàn)狀近年來國(guó)外對(duì)相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)的研究日趨活躍，例如在核工業(yè)、航空和航天等質(zhì)量要求高的行業(yè)，開始引入相控陣超聲技術(shù)進(jìn)行缺陷檢測(cè)；對(duì)傳統(tǒng)超聲檢測(cè)效果不太理想的奧氏體鋼焊縫、混凝土和復(fù)合材料，也進(jìn)行了相控陣超聲檢測(cè)的嘗試，在相控陣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)與測(cè)試方面取得了一系列進(jìn)展，如新型換能器材料、相控陣換能器、動(dòng)態(tài)聚集系統(tǒng)等。很多公司都推出了商品化的相控陣超聲檢測(cè)系統(tǒng)。在法國(guó)核電站的壓水型反應(yīng)堆的管路系統(tǒng)檢測(cè)中，研究了一種“柔性”相控陣探頭，其各陣元是分立的，且?guī)缀挝恢靡部伸`活改變，耦合效率大大提高，通過相控陣技術(shù)控制聲束的掃查，能使聲束遍布曲面下的各個(gè)區(qū)域。瑞典Uppsala大學(xué)采用相控陣超聲技術(shù)檢測(cè)核廢料密封銅罐的電子束焊缺陷，并且進(jìn)行了成像顯示。德國(guó)鐵路早在2000年就與弗朗霍菲研究所IZFP、德國(guó)聯(lián)邦材料檢測(cè)委員會(huì)合作，致力于高速列車ICE車輪超聲相控陣檢測(cè)系統(tǒng)的研制工作，在6年多的時(shí)間里逐步完善了適用于高速列車的車輪探傷體系。與國(guó)外相比，國(guó)內(nèi)在相控陣超聲無損檢測(cè)方面沿處于起步階段，主要集中于醫(yī)療領(lǐng)域。近年來，國(guó)內(nèi)許多學(xué)者和企業(yè)都致力于超聲相控陣技術(shù)的理論研究和應(yīng)用。南京航天大學(xué)的王海濤，史振等利用仿真相控陣合成聚焦技術(shù)的方法,搭建了一個(gè)16陣元、超聲信號(hào)發(fā)射、接收和處理試驗(yàn)系統(tǒng)。利用該系統(tǒng)對(duì)缺陷試塊進(jìn)行了檢測(cè)試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果與實(shí)際試塊缺陷情況吻合。通過對(duì)試塊缺陷的檢測(cè)試驗(yàn),對(duì)比聚焦與不聚焦的檢測(cè)效果,證明了相控陣合成聚焦技術(shù)可以極大地提高檢測(cè)的信噪比和靈敏度,驗(yàn)證了相控陣聚焦可以提高檢測(cè)能力。但是王海濤他們只是采用了一種簡(jiǎn)單的相控陣檢測(cè)方法，利用的僅是回波信號(hào)合成聚焦技術(shù)和單個(gè)通道實(shí)現(xiàn)超聲相控陣聚焦功能的方法，而且該試驗(yàn)系統(tǒng)的聲束合成是采用模擬合成的方法，這種控制聲束的方法難以保證控制精度。

西南交通大學(xué)汪春曉同學(xué)分析采用將超聲相控陣技術(shù)應(yīng)用于車輪缺陷探傷的方法，針對(duì)車輪中的輪輞、輪輻缺陷性質(zhì)和缺陷分布特點(diǎn)，利用超聲相控陣技術(shù)中靈活的聲束控制和聚焦兩大突出優(yōu)勢(shì)來簡(jiǎn)化步驟，解決輪對(duì)的實(shí)時(shí)探傷，提高輪對(duì)探傷精度等一系列的問題。并根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)試塊、實(shí)物試塊、車輪缺陷樣板輪、現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)車在線探傷等一系列的實(shí)驗(yàn)，參考鐵道部有關(guān)車輪探傷標(biāo)準(zhǔn)文件，完成了車輪在線相控陣超聲波探傷的成套解決方案。文中盡管運(yùn)用了聲場(chǎng)的仿真模型，給出了大致的聲束場(chǎng)外形用以指導(dǎo)控制聲束在車輪中的可達(dá)性，但分析方法過于原始、簡(jiǎn)單化，需要大量的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證該探傷方案的可行性，若能配合專業(yè)化的聲場(chǎng)仿真軟件系統(tǒng)，使仿真的結(jié)果更加具體和直觀化會(huì)更好一些。

二、課題研究目標(biāo)、研究?jī)?nèi)容和擬解決的關(guān)鍵問題2.1研究目標(biāo)

將超聲相控陣技術(shù)和聲場(chǎng)仿真覆蓋分析有機(jī)結(jié)合,針對(duì)轉(zhuǎn)轍機(jī)部件中缺陷的性質(zhì)和分布特點(diǎn)，通過一系列的實(shí)驗(yàn)，提出一套高探傷精度和高判傷效率的轉(zhuǎn)轍機(jī)部件無損探傷解決方案。

2.2研究?jī)?nèi)容(1)研究常規(guī)超聲波的反射、折射以及超聲探頭的聲場(chǎng)特性。為常規(guī)超聲波檢測(cè)和系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。(2)分析超聲脈沖法對(duì)缺陷的檢測(cè)原理、缺陷深度及大小的專用超聲評(píng)定方法及其原理。(3)研究相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)的基本原理，比較常規(guī)超聲探傷方法和新型相控陣超聲探傷方法(4)用聲場(chǎng)仿真覆蓋分析的方式仿真相控陣成像系統(tǒng)的基本性質(zhì)和工作情況，并用來指導(dǎo)相控陣超聲聲束控制、檢查聲束在零件中的可達(dá)性等。(5)在選用標(biāo)準(zhǔn)試塊、轉(zhuǎn)轍機(jī)部件樣件上人工設(shè)計(jì)缺陷，并進(jìn)行模擬探傷。(6)進(jìn)行相控陣超聲缺陷探傷定位、探傷分辨率和超聲成像等方面的討論和實(shí)驗(yàn)分析，并提出基于相控陣聚焦方式的探傷改進(jìn)方案來進(jìn)一步提高缺陷探傷精確度，同時(shí)保證較高的檢測(cè)效率。

2.3擬解決的關(guān)鍵性問題（1）對(duì)各陣元的發(fā)射相位延時(shí)的精確控制。超聲相控陣技術(shù)的核心是對(duì)換能器各陣元發(fā)射,接收相位進(jìn)行精確控制。以得到指向性良好、焦點(diǎn)尺寸細(xì)小的聚焦聲束，從而獲得被檢物體的清晰成像。（2）儀器各項(xiàng)參數(shù)對(duì)探傷儀定位精度的影響。（3）聲場(chǎng)仿真覆蓋分析結(jié)果的具體化和直觀化。（4）超聲圖像質(zhì)量的提高。如何提高相控陣超聲成像的分辨率也是超聲相控陣檢測(cè)和成像的重要問題。三、擬采取的研究方法、技術(shù)、實(shí)驗(yàn)方案、及其可行性分析3.1擬采取的研究方法

提出用聲場(chǎng)仿真覆蓋分析的方式來指導(dǎo)超聲相控陣聲束控制以及檢驗(yàn)聲束在轉(zhuǎn)轍機(jī)部件中的可達(dá)性等，并根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)試塊、實(shí)物試件的一系列實(shí)驗(yàn)，以超聲檢測(cè)原理為理論基礎(chǔ)，采用理論分析、軟件仿真實(shí)驗(yàn)與實(shí)體實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的研究方法。3.2技術(shù)路線

（1）理論分析：以常規(guī)超聲檢測(cè)原理中的超聲脈沖法檢測(cè)缺陷的原理為理論依據(jù)，進(jìn)一步了解相控陣超聲原理及系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)。（2）軟件實(shí)驗(yàn)：用聲場(chǎng)仿真覆蓋分析軟件，如CIVA，來仿真相控陣成像系統(tǒng)的基本性質(zhì)和工作情況（3）實(shí)體仿真實(shí)驗(yàn)：參照鐵道部超聲波探傷的相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和缺陷的特點(diǎn)，在標(biāo)準(zhǔn)試塊、轉(zhuǎn)轍機(jī)機(jī)械部件標(biāo)準(zhǔn)樣板上人工設(shè)計(jì)缺陷，搭建一個(gè)陣元超聲信號(hào)發(fā)射、接收和處理試驗(yàn)系統(tǒng)，利用該系統(tǒng)進(jìn)行探傷實(shí)驗(yàn)。

3.3實(shí)驗(yàn)方案（1）在實(shí)驗(yàn)(校驗(yàn))用標(biāo)準(zhǔn)試塊、轉(zhuǎn)轍機(jī)機(jī)械部件標(biāo)準(zhǔn)樣件上人工設(shè)計(jì)缺陷。（2）搭建超聲相控陣檢測(cè)仿真系統(tǒng)，校準(zhǔn)探傷儀，對(duì)零件進(jìn)行探傷。（3）分析試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)比實(shí)際情況，總結(jié)影響探傷儀定位定量精度的各方面因素，改進(jìn)試驗(yàn)平臺(tái)或調(diào)整試驗(yàn)方法。

3.4可行性分析（1）常規(guī)超聲波檢測(cè)已經(jīng)是一種應(yīng)用十分廣泛的無損檢測(cè)方法，有關(guān)常規(guī)超聲波檢測(cè)的特點(diǎn)，基本原理，定位定量定性分析等方面已經(jīng)比較完善。（2）近年來國(guó)內(nèi)外對(duì)相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)的研究日趨活躍，相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)發(fā)展迅速，理論和技術(shù)越來越完善。（3）近年來國(guó)內(nèi)許多大型企業(yè)如核電站、石油化工企業(yè)、航空航天領(lǐng)域和鐵道部等引進(jìn)了大量國(guó)外先進(jìn)的成套設(shè)備和檢測(cè)技術(shù)，包括相控陣超聲檢測(cè)設(shè)備與技術(shù)。四、課題的創(chuàng)新性（1）利用超聲相控陣技術(shù)優(yōu)勢(shì)能簡(jiǎn)化探傷的方法，有效地提高探傷的信噪比、微小缺陷的分辨能力，