超聲相控陣技術(shù)在轉(zhuǎn)轍機部件檢測中的應(yīng)用

超聲相控陣技術(shù)在轉(zhuǎn)轍機部件檢測中的應(yīng)用

報告內(nèi)容課題意義及國內(nèi)外研究現(xiàn)狀綜述課題研究目標、研究內(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、試驗方案及其可行性分析課題的創(chuàng)新性計劃進度、預期進展和預期成果一、課題意義及國內(nèi)外研究現(xiàn)狀綜述1.1課題意義轉(zhuǎn)轍機是道岔控制系統(tǒng)的執(zhí)行機構(gòu)，對提高鐵路運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)計資料來看，道岔轉(zhuǎn)轍機發(fā)生故障的機率占據(jù)首位，據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計，我國建國以來鐵路系統(tǒng)中重大事故有50％以上是發(fā)生在道岔轉(zhuǎn)換設(shè)備上。因此對轉(zhuǎn)轍機的檢測與維護已成為鐵路系統(tǒng)一項日常重要的工作。

影響轉(zhuǎn)轍機工作性能的主要因素有電氣和機械兩個方面。在機械方面，因鎖閉機件和動作桿強度弱而發(fā)生故障較多。轉(zhuǎn)轍機的機械部件，如主軸、動作桿、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雜，轉(zhuǎn)轍機各個零件的鍛造裂紋，易在使用過程中不斷發(fā)展與擴大。而國產(chǎn)鎖閉機件強度差，轉(zhuǎn)轍機動作桿的強度僅為美國GRS52電動轉(zhuǎn)轍機的1/3～l/4。究其原因，人工檢測轉(zhuǎn)轍機部件內(nèi)部裂紋的檢測手段落后是其中的主要影響因素。因此，有關(guān)轉(zhuǎn)轍機械部件的無損檢測的研究是十分必要的。本課題將把具有動態(tài)聚焦、自動成像檢測、檢測復雜形狀物體、高檢測靈敏度、分辨率和信噪比等多項優(yōu)點的相控陣超聲波探傷技術(shù)應(yīng)用于轉(zhuǎn)轍機部件探傷，從而簡化現(xiàn)有的探傷步驟，提高探傷精度，并能更準確及時地檢測出轉(zhuǎn)轍機部件內(nèi)部的裂紋。1.2.1國內(nèi)外現(xiàn)有的探傷技術(shù)國內(nèi)外常應(yīng)用的無損檢測方法有：液體滲透法、磁粉檢驗法、射線檢測法、超聲波檢測法和渦流檢測法等。其中，超聲波檢測是工業(yè)無損檢測中應(yīng)用最為廣泛的一種方法。目前國內(nèi)對火車輪軸等構(gòu)件的檢測主要放在生產(chǎn)環(huán)節(jié)和進行定期檢修上，以超聲波檢測為主。平時只是進行粗略的以耳聽、眼看、手摸為主的檢測。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀但是，目前國內(nèi)廣泛使用的一些常規(guī)超聲無損檢測方法都集中于手工探傷，其操作過程比較復雜，檢測周期也比較長，相對來說檢測效率比較低。還要根據(jù)不同材料，不同種類的缺陷來選擇不同的探頭，檢測時，還要不斷移動探頭的位置，以保證超聲束的入射角和位置，然后根據(jù)回波信號的波形來判斷缺陷的性質(zhì)。其勞動強度大，檢測效率低，結(jié)果不直觀，很多情況都要依賴于操作者的實際工程經(jīng)驗，容易造成漏判和誤判。1.2.2國內(nèi)外超聲相控陣技術(shù)研究現(xiàn)狀近年來國外對相控陣超聲檢測技術(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)進行缺陷檢測；對傳統(tǒng)超聲檢測效果不太理想的奧氏體鋼焊縫、混凝土和復合材料，也進行了相控陣超聲檢測的嘗試，在相控陣系統(tǒng)的設(shè)計、生產(chǎn)與測試方面取得了一系列進展，如新型換能器材料、相控陣換能器、動態(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系統(tǒng)。在法國核電站的壓水型反應(yīng)堆的管路系統(tǒng)檢測中，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區(qū)域。瑞典Uppsala大學采用相控陣超聲技術(shù)檢測核廢料密封銅罐的電子束焊缺陷，并且進行了成像顯示。德國鐵路早在2000年就與弗朗霍菲研究所IZFP、德國聯(lián)邦材料檢測委員會合作，致力于高速列車ICE車輪超聲相控陣檢測系統(tǒng)的研制工作，在6年多的時間里逐步完善了適用于高速列車的車輪探傷體系。與國外相比，國內(nèi)在相控陣超聲無損檢測方面沿處于起步階段，主要集中于醫(yī)療領(lǐng)域。近年來，國內(nèi)許多學者和企業(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16陣元、超聲信號發(fā)射、接收和處理試驗系統(tǒng)。利用該系統(tǒng)對缺陷試塊進行了檢測試驗,試驗結(jié)果與實際試塊缺陷情況吻合。通過對試塊缺陷的檢測試驗,對比聚焦與不聚焦的檢測效果,證明了相控陣合成聚焦技術(shù)可以極大地提高檢測的信噪比和靈敏度,驗證了相控陣聚焦可以提高檢測能力。但是王海濤他們只是采用了一種簡單的相控陣檢測方法，利用的僅是回波信號合成聚焦技術(shù)和單個通道實現(xiàn)超聲相控陣聚焦功能的方法，而且該試驗系統(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。

西南交通大學汪春曉同學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，針對車輪中的輪輞、輪輻缺陷性質(zhì)和缺陷分布特點，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)勢來簡化步驟，解決輪對的實時探傷，提高輪對探傷精度等一系列的問題。并根據(jù)標準試塊、實物試塊、車輪缺陷樣板輪、現(xiàn)場動車在線探傷等一系列的實驗，參考鐵道部有關(guān)車輪探傷標準文件，完成了車輪在線相控陣超聲波探傷的成套解決方案。文中盡管運用了聲場的仿真模型，給出了大致的聲束場外形用以指導控制聲束在車輪中的可達性，但分析方法過于原始、簡單化，需要大量的實驗驗證該探傷方案的可行性，若能配合專業(yè)化的聲場仿真軟件系統(tǒng)，使仿真的結(jié)果更加具體和直觀化會更好一些。

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

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

2.2研究內(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特性。為常規(guī)超聲波檢測和系統(tǒng)設(shè)計提供理論依據(jù)。(2)分析超聲脈沖法對缺陷的檢測原理、缺陷深度及大小的專用超聲評定方法及其原理。(3)研究相控陣超聲檢測技術(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，并用來指導相控陣超聲聲束控制、檢查聲束在零件中的可達性等。(5)在選用標準試塊、轉(zhuǎn)轍機部件樣件上人工設(shè)計缺陷，并進行模擬探傷。(6)進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驗分析，并提出基于相控陣聚焦方式的探傷改進方案來進一步提高缺陷探傷精確度，同時保證較高的檢測效率。

2.3擬解決的關(guān)鍵性問題（1）對各陣元的發(fā)射相位延時的精確控制。超聲相控陣技術(shù)的核心是對換能器各陣元發(fā)射,接收相位進行精確控制。以得到指向性良好、焦點尺寸細小的聚焦聲束，從而獲得被檢物體的清晰成像。（2）儀器各項參數(shù)對探傷儀定位精度的影響。（3）聲場仿真覆蓋分析結(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和成像的重要問題。三、擬采取的研究方法、技術(shù)、實驗方案、及其可行性分析3.1擬采取的研究方法

提出用聲場仿真覆蓋分析的方式來指導超聲相控陣聲束控制以及檢驗聲束在轉(zhuǎn)轍機部件中的可達性等，并根據(jù)標準試塊、實物試件的一系列實驗，以超聲檢測原理為理論基礎(chǔ)，采用理論分析、軟件仿真實驗與實體實驗相結(jié)合的研究方法。3.2技術(shù)路線

（1）理論分析：以常規(guī)超聲檢測原理中的超聲脈沖法檢測缺陷的原理為理論依據(jù)，進一步了解相控陣超聲原理及系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)。（2）軟件實驗：用聲場仿真覆蓋分析軟件，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）實體仿真實驗：參照鐵道部超聲波探傷的相關(guān)技術(shù)標準和缺陷的特點，在標準試塊、轉(zhuǎn)轍機機械部件標準樣板上人工設(shè)計缺陷，搭建一個陣元超聲信號發(fā)射、接收和處理試驗系統(tǒng)，利用該系統(tǒng)進行探傷實驗。

3.3實驗方案（1）在實驗(校驗)用標準試塊、轉(zhuǎn)轍機機械部件標準樣件上人工設(shè)計缺陷。（2）搭建超聲相控陣檢測仿真系統(tǒng)，校準探傷儀，對零件進行探傷。（3）分析試驗結(jié)果，對比實際情況，總結(jié)影響探傷儀定位定量精度的各方面因素，改進試驗平臺或調(diào)整試驗方法。

3.4可行性分析（1）常規(guī)超聲波檢測已經(jīng)是一種應(yīng)用十分廣泛的無損檢測方法，有關(guān)常規(guī)超聲波檢測的特點，基本原理，定位定量定性分析等方面已經(jīng)比較完善。（2）近年來國內(nèi)外對相控陣超聲檢測技術(shù)的研究日趨活躍，相控陣超聲檢測技術(shù)發(fā)展迅速，理論和技術(shù)越來越完善。（3）近年來國內(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)域和鐵道部等引進了大量國外先進的成套設(shè)備和檢測技術(shù)，包括相控陣超聲檢測設(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)勢能簡化探傷的方法，有效地提高探傷的信噪比、微小缺陷的分辨能力，