超聲波在列車車輪檢測中的應(yīng)用

超聲波在列車車輪檢測中的應(yīng)用

人工超聲波探傷系統(tǒng)高安全標(biāo)準(zhǔn)適用于鐵路線路管理。為了檢測列車的正常運(yùn)行時整體崩潰可能會導(dǎo)致災(zāi)難事故的變形，因此應(yīng)確認(rèn)列車可能會繼續(xù)運(yùn)行。以往的經(jīng)驗(yàn)表明,對裝有制動盤的車輪來說,此類裂紋往往產(chǎn)生在車輪上用于安裝制動盤的鉆孔周圍,這是應(yīng)該重點(diǎn)進(jìn)行探傷的區(qū)域。然而,當(dāng)安裝在列車上時,車輪區(qū)域已被制動和懸掛組件塞滿,它們妨礙了對鉆孔區(qū)域的直接探傷,因此需要采用專用超聲波探頭裝置,以便探傷能夠從車輪輪廓上進(jìn)行。目前,探傷是使用標(biāo)準(zhǔn)的通用型超聲波裝置,采用單探頭和接觸耦合法,這種方法的主要困難在于不能完全覆蓋鉆孔區(qū)域,并且裂紋的檢出主要取決于操作者的技能。為此,由INTERLAB集團(tuán)和ALSTOM公司研發(fā)了一種專用超聲波探傷系統(tǒng),其主要目的是為在超聲波探傷方面具有專門知識的操作者對制動盤安裝孔周圍裂紋的系統(tǒng)化探傷提供一種可靠而又極簡單的方法。這種裝置有2種不同型式,目前由ALSTOM公司用于西班牙巴塞羅那的維修部門對市郊旅客列車車輪作日常檢查。第一種型式是便攜式的手工操作裝置,它能夠根據(jù)需要在設(shè)備之間移動,而第二種裝置則是一種固定系統(tǒng),設(shè)計為半自動操作方式,由此減少探傷時間75%。1探傷區(qū)域的選擇探頭裝置的設(shè)計必須滿足完全覆蓋每只制動盤與車輪安裝鉆孔周圍區(qū)域的要求,另外還要有簡單、安全的裂紋識別機(jī)制。車輪規(guī)定的外徑尺寸范圍從890mm(新制,零磨損)至810mm(最大磨損),6個《32mm的制動盤安裝鉆孔均勻分布在《416mm的圓周上(見圖1)。由于實(shí)際原因,車輪在安裝至列車上的同時必須進(jìn)行檢測,當(dāng)對鉆孔周圍區(qū)域直接探傷時,會受到制動盤和各種懸掛組件的妨礙,實(shí)際上,能進(jìn)行探傷作業(yè)的唯一自由區(qū)域是車輪的滾動輪廓。這就意味著單探頭裝置不能檢測鉆孔的整個圓周區(qū)域,因?yàn)檫h(yuǎn)離探頭一側(cè)的鉆孔部分始終被鉆孔本身所阻擋,如圖1所示。為了實(shí)現(xiàn)覆蓋整個鉆孔區(qū)域,采用了一種3探頭組合裝置,其中間探頭的軸線與車輪半徑在一直線上,而其他2只探頭是圍繞它對稱設(shè)置的,探頭軸線與車輪半徑成14°。對于這種角度探頭,超聲波射束折射入車輪(橫波)時偏離車輪半徑方向29°,因此,3只探頭的組合能夠完全覆蓋鉆孔區(qū)域,如圖2所示。由于車輪外緣周圍的可用區(qū)域是有限的,因此,超聲波探頭裝置的尺寸必須縮減到實(shí)用尺寸。這樣,通過對圖2中所示的理論布置進(jìn)行改進(jìn),使3個探頭裝置盡可能相互靠近。當(dāng)使用徑向(或中心)探頭探測鉆孔區(qū)時,斜角探頭正在探測前1個和下1個鉆孔區(qū),如圖3所示。所選擇的探頭應(yīng)保證射束能覆蓋其所探測孔孔徑約2倍的區(qū)域,因此,需要稍大角度的探頭,以便減少射束擴(kuò)展,補(bǔ)償較長的聲程距離,如圖2和圖3所示(圖1～圖3是考慮到車輪和探頭尺寸按比例繪制的)。中心探頭直徑設(shè)定為12.5mm,斜角探頭直徑為19mm,采用部分浸液耦合,在探頭和車輪表面之間的水層厚度為5mm～10mm。2探傷方式的確定在保證鉆孔區(qū)域得到完全覆蓋以后(見第2節(jié)),我們就能夠把焦點(diǎn)集中在探傷系統(tǒng)的主要問題上,即確定1種適合于從完好的鉆孔(那些沒有裂紋的鉆孔)中分辨出有損傷的鉆孔(那些有裂紋的鉆孔)的探傷方式。要做到這樣,我們必須分析出在這2種情況中(有損傷的鉆孔或完好的鉆孔)探頭所發(fā)射的超聲波脈沖是如何反射的。2.1接頭聲場區(qū)域?qū)τ谥行奶筋^來說(見圖4),如果考慮在探頭本身保持靜態(tài)時車輪是順時針方向轉(zhuǎn)動的,當(dāng)它的上部進(jìn)入探頭所發(fā)射的超聲波射束范圍時,鉆孔將形成很大的回波(見圖4中的位置1),隨著車輪轉(zhuǎn)動,當(dāng)孔的上部與探頭軸線完全在一直線上時,鉆孔區(qū)域的反射回波波幅將達(dá)到最大(見圖4中的位置2)。該位置也對應(yīng)于探頭和孔之間的最短距離或超聲波脈沖的最小聲程時間。基于該點(diǎn)位置來說,反射回波的特性是對稱的,其兩側(cè)波幅變小,聲程時間變大,直到車輪轉(zhuǎn)動至鉆孔區(qū)域脫離探頭聲場區(qū)域(見圖4中的位置3)。對于斜角探頭來說(見圖5),有關(guān)波幅的結(jié)果與用中心探頭所探測的預(yù)期波幅相似。隨著車輪轉(zhuǎn)動,回波波幅在鉆孔與探頭軸線成一直線時最大(圖5中從位置1向位置2轉(zhuǎn)變),并且當(dāng)車輪繼續(xù)轉(zhuǎn)動時,隨著鉆孔偏離探頭聲場軸線而下降(圖5中的位置2～3)。斜角探頭和中心探頭回波之間的主要差異在于它們的聲程時間上。斜角探頭的聲程時間較長,這是由于鉆孔距探頭間距離較遠(yuǎn)(見圖3)以及橫波的傳播速度較低的綜合影響(橫波聲速約為3200m/s,縱波聲速約為5900m/s),然而,最主要的是隨著車輪的轉(zhuǎn)動,鉆孔與探頭間的聲程時間特性不同,就中心探頭而言,我們已經(jīng)提到聲程時間僅有微小的變化,達(dá)到最小值時對應(yīng)回波波幅達(dá)到最大值。而在另一方面,斜角探頭的聲程時間呈現(xiàn)出較大的變化,隨著車輪轉(zhuǎn)動,鉆孔至探頭的距離將持續(xù)減小(見圖5中的位置1～3)。在圖5中我們僅清晰地標(biāo)出了2號斜角探頭的工作狀況,但是,從圖3來看,其對稱性能(隨著車輪的轉(zhuǎn)動距離或聲程時間增大)對于1號斜角探頭是能夠預(yù)計得到的。總之,如果我們針對每個探頭根據(jù)車輪的角位置標(biāo)繪A-掃描顯示最大回波波幅與相應(yīng)的聲程時間,結(jié)果應(yīng)看上去與圖6中的那些非常相似,每個探頭的回波波幅增大直至達(dá)到最大值時,鉆孔與探頭軸線成一直線,接著又下降直到鉆孔區(qū)脫離探頭聲場覆蓋區(qū)。就中心探頭而言,當(dāng)回波波幅為最大時,聲程時間達(dá)到最小值,但是總的聲程時間變化相對比較小。就斜角探頭而言,隨著車輪轉(zhuǎn)動,聲程時間變化很大,1號探頭變化增大,2號探頭變化減小。2.2聲程時間掃描識別法在有損傷的鉆孔區(qū)的裂紋可以用中心探頭或至少1只斜角探頭檢測到,即使一些裂紋能夠同時采用2種不同的探頭檢測到(見第5節(jié)中的結(jié)果),這里,我們將僅考慮易于檢測出該種裂紋的探頭。當(dāng)裂紋方向近乎與車輪半徑成直角時,如圖7所示,中間探頭在接收來自鉆孔本身的回波之前已開始接收裂紋的回波,并且隨著車輪轉(zhuǎn)動,鉆孔回波將隨著裂紋回波下降而增大,直至鉆孔回波變得大于裂紋回波的程度(見圖7,裂紋顯示在鉆孔的右側(cè))。關(guān)鍵在于2種回波都是通過裂紋和鉆孔端部之間的徑向距離以聲程時間來區(qū)分的。當(dāng)裂紋幾乎與車輪半徑成一直線時,情況是相類似的,但是檢測它們最適用的探頭是斜角探頭。此時,我們能夠依據(jù)車輪的角位置標(biāo)繪出有損傷的鉆孔區(qū)的A-掃描顯示最大回波波幅與相應(yīng)的聲程時間。按聲程時間能標(biāo)繪出裂紋信號的階梯,并能觀察到裂紋回波的波幅超越鉆孔回波的波幅(或是被鉆孔回波的波幅所超越)的那一點(diǎn),如圖8所示。這樣,圍繞鉆孔周邊的裂紋將顯示在聲程時間掃描上,成為我們的裝置對裂紋探測的基本手段。此外,裂紋回波超越鉆孔回波時所對應(yīng)的車輪轉(zhuǎn)動角度位置將取決于裂紋尺寸,因此,對已探測出的裂紋的檢驗(yàn)評定可以通過比較掃描狀況來加以分析。如果A-掃描的裂紋區(qū)變大,則裂紋尺寸增大,而如果A-掃描的裂紋區(qū)保持不變,則裂紋沒有增大。必須注意的是,這種裂紋尺寸分析僅僅是相對的,也就是能夠斷定已知的裂紋是否正在增大,但不是指它的絕對尺寸,這是由于事實(shí)上在A-掃描中裂紋可見度受到除了尺寸以外的因素的影響,例如取向角度。2.3使用理想試件的專理論材料進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計根據(jù)在前面章節(jié)中確定的要求(見3.1和3.2),設(shè)計了1種專用的軟件工具用于把完好鉆孔從有損傷鉆孔中區(qū)分出來。這是通過將A-掃描標(biāo)繪(見圖6和圖8)而與一套樣板相比較得出的,它們是依據(jù)系統(tǒng)校準(zhǔn)確定的,并且經(jīng)調(diào)整以檢出專門設(shè)計用于測試系統(tǒng)性能的專用校準(zhǔn)車輪上的人工裂紋。這種理想的試件如圖9所示,它表明了如何設(shè)置樣板及將其應(yīng)用于徑向探頭的聲程時間掃描,并能夠把完好鉆孔從帶有垂直于車輪半徑的裂紋的鉆孔中分辨出來。當(dāng)把圖9與圖6和圖8相比較時,應(yīng)該注意的是可視化軟件(見4.3節(jié))在標(biāo)繪聲程時間掃描時進(jìn)行倒置,以便達(dá)到最有效的屏幕分辨率。3多通道超聲波系統(tǒng)完整的檢驗(yàn)系統(tǒng)是基于ULTRASEN╋系統(tǒng)建立的,ULTRASEN╋是由INTERLAB集團(tuán)開發(fā)的一種先進(jìn)的多通道超聲波系統(tǒng),用于全自動和半自動檢驗(yàn)。該系統(tǒng)功能是由1臺PC機(jī)完成的,它具有人-機(jī)接口(MMI)和在上一節(jié)中已描述過的超聲波探頭組件,并且還有通過探傷系統(tǒng)控制的1套液壓千斤頂裝置,用于提升車軸以脫離鋼軌進(jìn)行探傷。3.1轉(zhuǎn)動和接頭觸發(fā)的同步該系統(tǒng)的特點(diǎn)是有2個探頭組件,因此能夠?qū)υ谕卉囕S上的2只車輪同時進(jìn)行探傷,從而縮短了探傷時間,提高了生產(chǎn)率。車輪轉(zhuǎn)動和探頭觸發(fā)之間的同步是通過安裝在其中1個組件上的1只編碼器實(shí)現(xiàn)的,對其正確地定位以測定車輪運(yùn)行輪廓上的縱向位移。每只超聲波探頭是以1次脈沖/mm的速率觸發(fā)的,與角脈沖速率θ相對應(yīng),θ取決于車輪直徑D,根據(jù)公式θ=D×K×1/2式中:K=1次脈沖/mm,并且D范圍為810mm～890mm,角脈沖速率θ在410和445脈沖/弧度之間發(fā)生變化。3.2維數(shù)字濾波接收系統(tǒng)的特點(diǎn)ULTRASEN╋系統(tǒng)執(zhí)行與超聲波信號處理有關(guān)的所有任務(wù)。首先,它采用編碼器信號同步觸發(fā)探頭,接著接收回波被放大、濾波和數(shù)字化。在數(shù)字化以后,信號經(jīng)合適的二維數(shù)字濾波處理,它們能夠以最大通用性編制程序。最后,濾波后的信號經(jīng)數(shù)字峰值檢波器處理,計算在用戶定義窗口范圍內(nèi)的最大回波值的坐標(biāo)(波幅和聲程時間),這些坐標(biāo)被提供給計算機(jī)主機(jī)的人-機(jī)接口設(shè)備(MMI),由它儲存數(shù)據(jù)和標(biāo)繪A-掃描。3.3異常鉆孔檢測人-機(jī)接口(MMI)截獲來自于ULTRASEN╋系統(tǒng)的波幅和聲程時間數(shù)據(jù),并將其傳遞至適合的相關(guān)性和閾值濾波器,因此,鉆孔之間的噪聲尖峰信號被消除掉了,使A-掃描標(biāo)繪易于閱讀,并降低虛假報警的可能性。人-機(jī)接口設(shè)備(MMI)提供用戶3種不同的操作模式:a.校準(zhǔn):在這種操作模式中,用戶能夠擬定自動裂紋探傷樣板程序(見3.3節(jié))。這些樣板能夠?qū)π?zhǔn)車輪的日常檢驗(yàn)或?qū)σ郧皟Υ娴臋z驗(yàn)數(shù)據(jù)擬定程序。b.探傷:在此操作模式中,對車輪進(jìn)行探傷,并將結(jié)果記錄在文件中,同時還儲存了與用戶有關(guān)的參數(shù),例如,列車編組、車軸號等。該系統(tǒng)經(jīng)配置后使車輪探傷由一組3幅A-掃描(每個探頭1幅)所組成,覆蓋范圍大于2個完整車輪轉(zhuǎn)數(shù)。這就給每個不同的鉆孔至少有2組掃描,因此,在有懷疑的情況下,操作人員能夠?qū)ν环N鉆孔的2組掃描進(jìn)行比較,以避免亂真噪聲尖峰信號引起錯誤操作。在超聲波數(shù)據(jù)被截獲以后,把每只探頭和鉆孔的波幅和聲程時間掃描與相對應(yīng)的樣板作比較,由操作人員檢出異常鉆孔,于是操作人員能夠以可視化方式檢測出異常的鉆孔。c.可視化:在這種操作模式中,檢查人員能夠載入和重新檢查已儲存的車輪探傷數(shù)據(jù)以及選擇車輪和探頭以顯示相對應(yīng)的波幅和聲程時間掃描。在這種顯示中,聲程時間掃描是倒置標(biāo)繪的,以便使有效屏幕分辨率達(dá)到最佳化。該可視化模式配備有功能強(qiáng)大的細(xì)節(jié)檢查工具,對于同一鉆孔,它可以將在探傷模式中獲得的視圖與由對應(yīng)樣本所獲得的視圖同時顯示。因此,操作人員能夠方便地檢測鉆孔,分辨出在探傷期間作為異常的鉆孔是真有損傷還是(假)沒有損傷。盡管其中建有可視化工具,檢測文件仍以文本格式儲存,并能由通用工具例如EXCEL直接導(dǎo)入。4探傷前移動到被檢車軸該系統(tǒng)設(shè)計成能對同一車軸上的2個車輪同時進(jìn)行探傷,在每個車輪上使用1個探頭組件(見圖10)。在車輪探傷之前,列車向前移動直到被檢車軸位于探傷工位(見圖11)。此位置信號由系統(tǒng)自動檢測,此時車輪由液壓千斤頂提升并且與鋼軌脫離,這樣車軸就能夠自由地轉(zhuǎn)動。在這項(xiàng)工作做好以后,正常探傷開始,車輪轉(zhuǎn)動2圈,系統(tǒng)自動儲存和處理探傷數(shù)據(jù),如果有鉆孔區(qū)掃描數(shù)據(jù)超出預(yù)置樣板,就會自動告知操作人員。在1根車軸完成探傷以后,列車前進(jìn)直至下1根車軸被系統(tǒng)定位,并重復(fù)此探傷過程。5人工裂紋掃描的出現(xiàn)在補(bǔ)為了分析探傷系統(tǒng)的性能,所使用的標(biāo)準(zhǔn)車輪除了有1個鉆孔被用作完好鉆孔的對比參考之外,其余制動盤安裝鉆孔周圍均加工了不同方向的人工裂紋,該車輪被用于系統(tǒng)初始測試。在正常系統(tǒng)操作期間,它被操作人員用于校驗(yàn)正常的系統(tǒng)性能,并通過校定樣板的波幅和聲程時間來校準(zhǔn)系統(tǒng)。在這一節(jié)里將闡述通過校準(zhǔn)車輪獲得的試驗(yàn)結(jié)果,以及在正常維護(hù)作業(yè)期間從車輪上檢測到的自然裂紋的數(shù)據(jù)。圖12展示了校準(zhǔn)車輪上完好鉆孔區(qū)的細(xì)節(jié),從圖上顯而易見,在3.1節(jié)中(見圖6)介紹的理論掃描形狀和實(shí)際掃描(必須注意的是,在對圖6和圖12進(jìn)行比較時,可視化工具中的聲程時間掃描是倒置標(biāo)繪的,正如4.3節(jié)中所述)之間有良好的總體吻合。正如4.3節(jié)所述,由于每個鉆孔被探傷2次,因此有2組掃描(一組在左側(cè),另一組在右側(cè))。通過對這2組掃描的比較,能夠容易地分辨出雜亂噪聲尖峰信號,它們是在一組掃描上顯示,而在另一組掃描上沒有顯示。在2號探頭掃描中,鉆孔上出現(xiàn)大量尖峰信號的地方是在離探頭最遠(yuǎn)處(最大聲程時間)。這種情況是正常的,因?yàn)榉瓷浠夭ǖ牟ǚ窍喈?dāng)小的,雜亂噪聲能夠偏移它,即高于或低于閾值,在下面所示試?yán)?能直接得知真實(shí)裂紋所產(chǎn)生的尖峰信號。圖13和圖14展示了與某些鉆孔人工裂紋特征相對應(yīng)的掃描圖。為了節(jié)省篇幅,我們僅顯示了每個鉆孔的1組掃描。圖13的左側(cè)掃描圖與起源于鉆孔并且向車輪外部擴(kuò)展的1條5mm長徑向裂紋相一致。而右側(cè)視圖的掃描與從源于鉆孔并垂直車輪半徑擴(kuò)展的1條3mm長裂紋相一致。從這些裂紋獲得的結(jié)果與圖8中預(yù)期的那些結(jié)果對比后發(fā)現(xiàn),它們相當(dāng)接近,中心探頭掃描獲得的徑向裂紋結(jié)果除外(見圖13左側(cè)中間的標(biāo)繪),回波波幅非常低,在中間下落與聲程時間掃描中類似的下落相一致。波幅低是由于裂紋散射超聲波射束的結(jié)果,并且因此降低了反射鉆孔回波中的能量。在波幅和聲程時間掃描中下落與裂紋和超聲波射束成一直線的狀況相一致,并且由于它具有2mm深,故能夠比鉆孔表面反射更多的能量。必須注意的是,對于自然裂紋(預(yù)期深度為幾十微米)而言,這種影響幾乎很難觀察到,甚至根本無法察覺。圖14左側(cè)所示掃描與起源于鉆孔并且向車輪中心擴(kuò)展的1條5mm長徑向裂紋相一致,而右側(cè)所示掃描則與起源于鉆孔并與車輪半徑成60°角擴(kuò)展的1條10mm長裂紋相一致。再次把這些裂紋所獲得的第一次結(jié)果(圖14的左側(cè))與預(yù)期理論結(jié)果對比,其結(jié)果相當(dāng)?shù)慕咏?由于裂紋不是真正徑向的,只有2號斜角探頭接收到其明顯的回波(見左側(cè)頂部視圖),并且這僅僅是在一個較短的掃描區(qū)域。對于60°角裂紋來說(見圖14中左側(cè)頂部標(biāo)繪),情況是完全不同的。在此,由于裂紋的尺寸和特殊取向使其反射回波(在大部分掃描持續(xù)時間內(nèi))大于鉆孔回波。因此,當(dāng)鉆孔與探頭最接近時,其回波僅能在短時間內(nèi)被檢測到。最后,圖15展示了鉆孔處帶有與車輪半徑約成100°的角