數(shù)字超聲波探傷儀的特性及在機(jī)車上的應(yīng)用
摘要：介紹了數(shù)字超聲波探傷儀的組成、特性及主要功能，說明了其工作原理和在SS7型電車機(jī)車上的使用情況。
關(guān)鍵詞：數(shù)字超聲波探傷 機(jī)車 裂紋 應(yīng)用
1 前言
隨著電力機(jī)車在鐵路運(yùn)輸中起著越來越重要的作用，而車軸狀態(tài)的好壞則直接影響著機(jī)車運(yùn)行的**，在長期運(yùn)行中，車軸輪箍不斷承受各種剪切、拉壓、彎曲、扭轉(zhuǎn)等復(fù)雜應(yīng)力的作用，在輪座的內(nèi)側(cè)，尤其是齒輪座壓裝部容易產(chǎn)生疲勞裂紋。因此，加強(qiáng)對機(jī)車輪對的超聲波探傷勢在必行。以往，鐵路各廠、段對車軸及輪箍的探傷，除了穿透探傷檢查重大疲勞裂紋較準(zhǔn)確外，橫波探傷和縱波小角度探傷結(jié)果均與實(shí)際情況有較明顯的誤差，在這里除了探測條件的影響外，人為因素的影響也很大，因此，對輪對疲勞裂紋采用計(jì)算機(jī)控制，施行自動化檢測，逐漸與國際鐵路超聲波檢測技術(shù)接軌，將使我國現(xiàn)有的探傷技術(shù)更加成熟。
2 數(shù)字超聲波探傷儀的結(jié)構(gòu)、原理及特點(diǎn)
目前，運(yùn)用數(shù)字式數(shù)據(jù)處理比模擬電子技術(shù)顯示了極大的優(yōu)越性，隨著探傷技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字信號處理與分析已不再僅僅是輔助技術(shù)，而是一種基本技術(shù)。高性能的A/D轉(zhuǎn)換器和高效率的微處理器的問世，將不斷地取代模擬電子的技術(shù)，尤其在高頻領(lǐng)域應(yīng)用模擬電子技術(shù)明顯受到限制。數(shù)字化超聲波探傷使測試系統(tǒng)開拓了新的檢測能力。
數(shù)字化超聲波探傷儀的整個(gè)系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)（工控機(jī)IPC）作為主機(jī)（上位機(jī)），以單片機(jī)芯片為主構(gòu)成的四塊專用板卡及系統(tǒng)構(gòu)成及通用的開關(guān)量I/O板卡組成下位機(jī)，統(tǒng)一控制管理超聲系統(tǒng)（見下圖）。
工控機(jī)管理的數(shù)字式超聲探傷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
系統(tǒng)程序流程：系統(tǒng)上電運(yùn)行探傷操作程序→IPC機(jī)送下位機(jī)初始數(shù)據(jù)→中斷響應(yīng)進(jìn)入缺陷判斷報(bào)警程序→IPC機(jī)讀取底波峰值電壓VB，缺陷波峰值電壓VF，底波距發(fā)射的時(shí)間TF信號及一組高速采樣數(shù)據(jù)→分析計(jì)算處理數(shù)據(jù)→符合缺陷判斷條件報(bào)警→顯示屏上畫出高速采樣波形→調(diào)整后的閘門和衰減量等參數(shù)存儲，待下一循環(huán)送出→返回探傷操作程序，并等待響應(yīng)下一次中斷。
由此，可見計(jì)算機(jī)與傳統(tǒng)的超聲檢測系統(tǒng)相結(jié)合時(shí)，是超聲檢測技術(shù)向數(shù)字化、智能化方向發(fā)展的一個(gè)突破，因?yàn)樗哂辛艘韵碌奶攸c(diǎn)：
（1）、計(jì)算機(jī)控制的超聲檢測系統(tǒng)可自動選擇檢測參數(shù)；
（2）、相互校正自動選擇操作工藝；
（3）、自動記錄數(shù)據(jù)；
（4）、進(jìn)行換能器的自動補(bǔ)償和檢測結(jié)果的自動判斷。
從而實(shí)現(xiàn)自動判傷，自動讀出和顯示缺陷位置與當(dāng)量值，并存儲和打印輸出探傷報(bào)告，大大地提高了探傷結(jié)果的可信度。
3 數(shù)字探傷儀在測量裂紋自身高度的應(yīng)用
3.1 測量裂紋自身高度的數(shù)字處理方法
常規(guī)超聲波檢測對回波聲程的測量是通過熒光屏上所處位置的水平量值來換算的，由于波型的跳動，波形峰值的判斷誤差以及線性調(diào)節(jié)精度等原因，測定的聲程值誤差很大。數(shù)字處理端點(diǎn)回波聲程ω是通過計(jì)算機(jī)A/D轉(zhuǎn)換，將回波的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，根據(jù)聲速和樣點(diǎn)進(jìn)行**計(jì)算。
現(xiàn)在研制了超聲信號分析儀和分析軟件，能將常規(guī)探傷儀的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，建立了計(jì)算不同狀態(tài)下裂紋自身高度的數(shù)學(xué)模型，實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化處理，得到了裂紋自身高度的**測量結(jié)果。
3.2 不同狀態(tài)裂紋自身高度的計(jì)算方法
3.2.1垂直于工件表面的開口裂紋
對于垂直表面的開口裂紋，其自身（垂直）高度為h，端點(diǎn)回波與根部回波聲程分別為ω1和ω2，探頭射角為β，工件厚度為T，如下圖：
表面開口裂紋自身高度測定示意圖
則
h=（ω2-ω1）cosβ=(ω2-ω1)T/ω2=（1-ω1/ω2）·T （1）
不用β值，而用式（1）計(jì)算表面開口裂紋自身高度可得到較高的精度。
3.2.2 垂直于工件表面的內(nèi)部裂紋。
對于垂直于表面的內(nèi)部裂紋，如果上端點(diǎn)和下端點(diǎn)都是由一次波探測到（左圖），一次聲程分別為ω1和ω2，則其自身高度h為
h=（ω2-ω1）cosβ （2）
內(nèi)部垂直裂紋自身高度測定示意圖
如果上端點(diǎn)由一次波探測到，而下端點(diǎn)由二次波探測到（右圖），設(shè)一、二次波的總聲程為L2。如果工件厚度為T，那么L2中一次波聲程為T/cosβ；二次波聲程為（L2-T/cosβ），則
ω2 =L2-2×（L2-T/cosβ） （3）
3.2.3 傾斜的內(nèi)部裂紋。
對于有傾角的裂紋，如下圖，若上端點(diǎn)和下端點(diǎn)由一次波探測到（左圖），一次波聲程分別為ω1和ω2，則其垂直高度h為
h=（ω2-ω1）cosβ （4）
內(nèi)部傾斜裂紋自身高度測定示意圖
如果上端點(diǎn)由一次波探測到，而下端點(diǎn)由二次波探測到（右圖），且工件厚度為T，那么總聲程L2中一次波聲程為T/cosβ；二次波聲程為（L2-T/cosβ），則
ω2 =L2-2×（L2-T/cosβ） （5）
h=（ω2-ω1）cosβ
用式（1）～（5）進(jìn)行聲程的數(shù)字化處理，實(shí)際上是一臺帶有采樣裝置（頻率為30MHZ）和超聲信號接入裝置的工控計(jì)算機(jī)，具有計(jì)算機(jī)的全部功能。分析軟件采用可視界面技術(shù)，軟件設(shè)計(jì)以JB4730—1994標(biāo)準(zhǔn)為依據(jù)。采用聲程數(shù)字處理技術(shù)的端點(diǎn)反射回波法。采用此法對提高裂紋自身（垂直）高度測量精度非常有效。具有原理簡單，測量重復(fù)性好，操作方便快捷和實(shí)用性高。
4 結(jié)論
數(shù)字超聲波探傷儀是目前研究的熱點(diǎn)，主要集中在研究其適應(yīng)性強(qiáng)，靈敏性高。我段自2000年引進(jìn)數(shù)字式超聲波探傷儀后，使我段在SS7型電力機(jī)車檢修中車軸及輪箍的缺陷檢測得率大有提高，尤其是同型機(jī)車且均運(yùn)營在南昆線上，昆明機(jī)務(wù)段已有幾起崩箍事故發(fā)生，而我段還無一類似事故。這是因?yàn)槲叶卧谑鹿拾l(fā)生前將缺陷檢出，從而避免了事故的發(fā)生，如我段在2000年檢測出12個(gè)輪箍有超限缺陷，2001年檢測出13個(gè)輪箍有缺陷，3條車軸有裂紋。由此可見，數(shù)字式超聲波探傷儀的缺陷檢出可信度是模擬超聲波探傷儀所無法比擬的，因此，發(fā)展數(shù)字式超聲波檢測技術(shù)在機(jī)車檢測領(lǐng)域的應(yīng)用是極其重要的。