張國華

（沈陽鐵路局 機(jī)務(wù)處，遼寧沈陽110001）

機(jī)車輪軸定期超聲波探傷檢測是保證行車安全的重要手段，探頭的性能指標(biāo)測試是超聲波探傷的一個(gè)重要組成部分，其指標(biāo)優(yōu)劣直接影響探傷結(jié)果的準(zhǔn)確性。而測試試塊一般由標(biāo)準(zhǔn)指定且具有強(qiáng)制性規(guī)定的用以評價(jià)探傷系統(tǒng)重要性能的反射體，具有特定材質(zhì)、形狀、尺寸及聲學(xué)性能，在超聲波檢測時(shí)占有很重要的地位。目前鐵路機(jī)車換型頻繁、車型復(fù)雜、所用的探頭種類和試塊較多、測試步驟繁瑣、測試指標(biāo)和工藝不完善，有些特定探頭還存在測試方法的空白。為此，我們對機(jī)車輪軸超聲波探傷系統(tǒng)進(jìn)行了充分的調(diào)研與分析，研發(fā)了TZ-2T型超聲波探頭測試軟件裝置，整合各測試方法和工藝并進(jìn)行優(yōu)化和完善，填補(bǔ)部分超聲波探頭性能指標(biāo)、測試方法和測試工藝的空白，目的就是解決現(xiàn)場實(shí)際只重視儀器而忽略探頭的弊端，以期提高機(jī)車輪軸部件探傷的可靠性。

1 現(xiàn)有超聲波探頭指標(biāo)測試方法及試塊分析

1.1 現(xiàn)有測試方法分析

鐵道機(jī)車輪軸超聲波探傷目前執(zhí)行的標(biāo)準(zhǔn)有：

（1）JB／T 10062-1999《超聲探傷用探頭性能測試方法》中規(guī)定了直探頭、平面斜探頭、雙晶探頭的靈敏度余量、回波頻率、回波長度、空載始波寬度、分辨力、聲軸偏斜角、雙峰等測試指標(biāo)和方法。此外，小角度和橫波斜探頭需測試折射角度、聲軸偏斜角；雙晶探頭需測試距離特性曲線、楔內(nèi)回波幅度、盲區(qū)；組合探頭需測試組合晶片測試、組合角度、分辨力。

（2）《輪箍不動(dòng)車超聲波探傷技術(shù)條件》中僅規(guī)定了組合探頭的相對靈敏度、回波頻率、回波寬度、遠(yuǎn)場靈敏度、折射角誤差的測試方法和要求。

（3）《機(jī)車無損檢測設(shè)備、器材主要性能指標(biāo)及其測試方法》中規(guī)定了直探頭、斜探頭與小角度探頭的相對靈敏度、分辨力、空載始波寬度、探頭頻率和誤差的測量以及折射角誤差測量；而輪箍不動(dòng)車探傷用探頭測試時(shí)僅提及相對靈敏度≥75dB。

以DF4C型機(jī)車輪軸實(shí)際探傷為例，所用的探頭有縱波直探頭與小角度探頭、橫波軸用與輪用斜探頭、輪用雙晶探頭、多晶片組合探頭及核查探頭等7類，涉及到不同規(guī)格角度達(dá)12只，每只探頭有特定的檢測部位，各不通用。為了保證探傷質(zhì)量必須定期對主要指標(biāo)項(xiàng)目測試，由于探頭規(guī)格較多，對現(xiàn)場測試也帶來諸多不便。

1.2 試塊分析

探頭測試時(shí)根據(jù)現(xiàn)行文件標(biāo)準(zhǔn)所涉及的試塊有DB-PZ20-2（或 CS-1-5）、CSK-IA、TZS-100J、DB-D1、DB-H1、LG-R和TZS-R系列試塊等，以上標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定僅僅是針對新制探頭，且使用試塊種類較多、測試程序繁瑣。為了提高探傷耦合系數(shù)，軸用與輪用橫波斜探頭、雙晶探頭分別磨成圓弧度，在CSK-IA試塊測試時(shí)誤差較大，勢必造成漏檢漏探的發(fā)生。同時(shí)，由于車型增加、工藝日趨完善，目前所用的試塊沒有完全涵蓋機(jī)車探傷所用探頭測試項(xiàng)目，所以研發(fā)新的試塊以滿足探傷檢測的需要。

2 檢測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)思路

依據(jù)《機(jī)車零部件探傷工作檢查評定條件》，超聲波探傷測試系統(tǒng)要納入“機(jī)車檢修探傷標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)管理系統(tǒng)”，保證機(jī)車輪軸探傷作業(yè)過程標(biāo)準(zhǔn)化、程控化、微機(jī)化管理。力爭使儀器探頭測試達(dá)到規(guī)范化、常態(tài)化，杜絕人為因素的簡化測試，實(shí)時(shí)存儲測試結(jié)果，獲得探頭指標(biāo)的準(zhǔn)確信息，形成人控變?yōu)闄C(jī)控的標(biāo)準(zhǔn)化管理。

根據(jù)機(jī)務(wù)系統(tǒng)超聲波探傷的現(xiàn)狀，研發(fā)具有智能化專用探頭的測試系統(tǒng)裝置，是實(shí)現(xiàn)測試數(shù)據(jù)可追溯的前提。系統(tǒng)必須具有規(guī)范性的操作程序，所以要解決以下問題：①根據(jù)現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)、文件的規(guī)定，整合探頭測試步驟、儀器試塊、操作方法、驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)形成一套完整的測試工藝，完善測試工藝指導(dǎo)書；②設(shè)計(jì)專用探頭測試儀器的功能，綜合標(biāo)準(zhǔn)試塊功能，研發(fā)滿足帶弧度探頭的測試專用試塊，解決測試誤差的問題；③開發(fā)回波頻率測試功能解決前期需要專門配備獨(dú)立示波器且操作復(fù)雜的問題。④組合測試系統(tǒng)，統(tǒng)一各試塊和測試條件，配套實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)管理，使探頭質(zhì)量信息由系統(tǒng)直接判定，自動(dòng)形成報(bào)表形式并能夠打印存儲，改變?nèi)藶榕卸ǖ碾S意性；⑤測試系統(tǒng)裝置力爭操作簡單、使用方便、測試準(zhǔn)確，有關(guān)指標(biāo)必須符合現(xiàn)行的文件標(biāo)準(zhǔn)；⑥探頭、試塊按類型統(tǒng)一編號，以便采集探傷數(shù)據(jù)形成數(shù)字化管理。

2.2 探頭性能測試系統(tǒng)裝置的硬件設(shè)計(jì)

探頭測試裝置硬件結(jié)構(gòu)主要由發(fā)射電路、接收電路、前置模擬信號放大處理電路、增益控制電路、A／D轉(zhuǎn)換電路、微處理器單元、數(shù)據(jù)存儲電路、顯示控制電路及其接口電路、報(bào)警及其他接口電路（打印、通信）等部分組成。采用臺柜結(jié)構(gòu)，內(nèi)置活動(dòng)式試塊翻轉(zhuǎn)支架，配備264.16mm大屏幕高亮液晶顯示屏，觸摸開關(guān)薄膜鍵盤。具備探頭及儀器測試功能及數(shù)據(jù)管理功能，可分別存儲160條探頭指標(biāo)測試記錄和儀器指標(biāo)測試記錄；設(shè)有USB接口，可實(shí)現(xiàn)USB接口打印機(jī)的外部輸出及U盤轉(zhuǎn)存或通訊；配合一套PC機(jī)管理軟件，實(shí)現(xiàn)測試數(shù)據(jù)的微機(jī)化管理，最終完成機(jī)務(wù)系統(tǒng)全工藝探頭的測試任務(wù)（見圖1）。

圖1 測試裝置的硬件設(shè)計(jì)流程圖

2.3 探頭性能測試系統(tǒng)裝置的軟件設(shè)計(jì)

整個(gè)軟件系統(tǒng)采用了C語言對MPU進(jìn)行編程，模塊化設(shè)計(jì)，整個(gè)軟件系統(tǒng)包括主功能工作界面、顯示界面。其中主功能工作界面主要包括測試功能（包括探頭測試與儀器自設(shè)測試）、時(shí)間設(shè)置兩項(xiàng)功能選擇；顯示界面主要包括探頭選擇和測試項(xiàng)選單。測試數(shù)據(jù)管理功能，包括測試數(shù)據(jù)的查詢、打印和通訊功能，利用USB接口可實(shí)現(xiàn)USB口打印和轉(zhuǎn)存，并預(yù)留通訊接口以便與探傷管理系統(tǒng)整合。

2.4 TZH-R專用標(biāo)準(zhǔn)試塊的設(shè)計(jì)

（1）試塊的幾何結(jié)構(gòu)

基于現(xiàn)場檢測的需要，我們在審視現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上重新整合各試塊以滿足不同規(guī)格探頭的測試要求，在遵循各標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了TZH-R專用試塊（見圖2）。

圖2 TZH－R520試塊幾何尺寸圖

試塊按GB／T 11259-1999《超聲波檢驗(yàn)用鋼制對比試塊的制作與校驗(yàn)方法》的要求制作，材質(zhì)為車軸鋼、晶粒度5級以上，聲學(xué)性能：縱波聲速5 945m／s、橫波聲速3 254m／s。幾何尺寸為長200mm、兩側(cè)端面高110mm、厚度30mm，試塊表面粗糙度≤0.63μm，人工槽深度≤1.0mm、寬度≤0.1mm。軸向圓弧半徑為110mm，對應(yīng)機(jī)車車軸半徑尺寸；周向圓弧面有半徑520mm、600mm兩種，分別對應(yīng)內(nèi)燃與電力機(jī)車車輪，配合刻度線可測試軸向、周向磨弧斜探頭的折射角等設(shè)計(jì)指標(biāo)。

（2）與其他試塊的對比

TZH-R專用標(biāo)準(zhǔn)試塊適用于橫波探傷、垂直入射縱波探傷和斜入射縱波探傷等3種不同車軸探傷方法的探傷靈敏度校準(zhǔn)、聲程標(biāo)定、測定斜探頭的入射點(diǎn)和K值以及儀器的水平線性、垂直線性等。除了具備LG-R試塊的功能，又增加了輪用探頭分辨力、雙晶探頭盲區(qū)的測試及AVG曲線制作功能；而TZS-R型試塊是一組4塊半徑分別為R60～90的車軸探傷標(biāo)準(zhǔn)試塊，由于TZS-R試塊的靈敏度測試及校準(zhǔn)時(shí)均采用二次以上聲程測試，最佳回波位置不易掌握，并且聲波經(jīng)多次折射后產(chǎn)生波形轉(zhuǎn)換的影響，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)存在測試結(jié)果誤差較大的問題。經(jīng)周密的測算和驗(yàn)證，TZH-R試塊均采用一次聲程測試和校準(zhǔn)，克服上述諸多弊端的問題。

3 探頭性能測試系統(tǒng)裝置功能的應(yīng)用

3.1 主要技術(shù)功能特點(diǎn)

（1）具有探頭測試標(biāo)準(zhǔn)試塊功能，利用如圖3所示基本原理，可測試小角度探頭入射角3°～13°的范圍、自動(dòng)測試小角度探頭折射角度、自動(dòng)測試軸向磨弧橫波探頭前沿、折射角38°～68°的范圍、軸向與周向磨弧橫波探頭分辨力測試高度3mm、雙晶探頭盲區(qū)測試高度3.5mm和距離特性曲線制作。測試基本原理如下。

設(shè)兩個(gè)缺陷F1和F2，深度分別為h1和h2，且h2=2h1，探頭前沿距離為a，折射角為β，tanβ=K。當(dāng)用同一探頭探測上述兩個(gè)缺陷時(shí)，設(shè)探頭上的某一點(diǎn)，例如探頭的前沿，所在位置距試塊端頭距離分別為L1和L2，它們應(yīng)具有下列關(guān)系：

從式（1）、（2）得：

從式（4）中可知，探測F2時(shí)探頭前沿到試塊端頭的距離減去兩倍的探測距離F1時(shí)探頭前沿到試塊端頭距離，即為該探頭的前沿距離a，a求出后，就能很容易地標(biāo)出探頭的入射點(diǎn)。

圖3 測試的原理圖

（2）形成直探頭、小角度探頭、車軸磨弧斜探頭、車輪磨弧斜探頭、平面斜探頭、雙晶探頭、組合探頭測試工藝智能化，具有直觀的模擬提示功能，可方便初級探傷人員盡快掌握復(fù)雜的測試技術(shù)，發(fā)現(xiàn)操作失誤及時(shí)糾正解決測試偏差。

（3）具備新品探頭、在用探頭各項(xiàng)指標(biāo)及回波頻率的測試功能，以確保探傷檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性；運(yùn)用高速A／D采集的相關(guān)數(shù)據(jù)經(jīng)微處理器單元運(yùn)算后直接顯示測試指標(biāo)值以及探頭質(zhì)量合格與否，用科技手段達(dá)到了對現(xiàn)場作業(yè)的控制。

（4）對測試數(shù)據(jù)能夠?qū)崟r(shí)存儲、現(xiàn)場打印傳輸，保證測試結(jié)果的真實(shí)性，對探頭性能指標(biāo)全面控制，實(shí)現(xiàn)了微機(jī)管理可追溯性。

3.2 TZH-R專用標(biāo)準(zhǔn)試塊使用方法

（1）軸用斜探頭靈敏度的測試：

將探頭置于試塊的a點(diǎn)處測試面上，利用側(cè)面高度40mm處、深1mm人工槽測試軸用斜探頭的靈敏度（見圖4，下同）。

圖4 各探頭測試示意圖

（2）軸用斜探頭折射角的測試

將探頭置于試塊的a點(diǎn)處測試面上，找到側(cè)面高度40mm處、深1mm人工槽的最高反射回波，測量探頭前端距試塊端面距離L0，然后向后移動(dòng)探頭至b點(diǎn)處，找到并用閘門套住圓心高度75mm、R18圓弧面的最高反射回波，測量探頭前端距試塊端面距離L1，按下式運(yùn)算關(guān)系即可確定軸用斜探頭折射角度。

根據(jù)對應(yīng)關(guān)系：

則：

（3）軸用斜探頭分辨力的測試

將被測探頭置于試塊的b點(diǎn)處測試面上，探測R18、R15同心圓弧，利用兩同心圓弧的3mm距離測試軸用斜探頭分辨力。例如某一折射角的橫波探頭，探測R18、R15兩同心圓弧時(shí)，移動(dòng)探頭使兩同心圓弧反射波等高，改變儀器靈敏度使兩回波幅度同時(shí)達(dá)到滿幅度的100%，若所測量波谷高度h=10，則儀器自動(dòng)利用公式R=20lg（100／h）計(jì)算出探頭的分辨力R=20dB，判定顯示該探頭分辨力指標(biāo)合格；若h=0或兩波能完全分開，則儀器自動(dòng)取R＞30dB。

（4）輪用斜探頭分辨力的測試

將輪用斜探頭置于試塊c點(diǎn)處測試面上，探測R18、R15同心圓弧，利用兩同心圓弧的3mm距離測試輪用斜探頭分辨力（原理同上）。

（5）小角度探頭靈敏度的測試

將小角度探頭置于試塊側(cè)面d點(diǎn)處測試面上，利用25mm處、深1mm人工槽測試小角度探頭的靈敏度。

（6）小角度探頭折射角的測試

將小角度探頭置于試塊側(cè)面e點(diǎn)處測試面上，找到水平刻度為50mm處、深1mm人工槽的最高反射回波，測量探頭前端距試塊端面距離L0，然后向后移動(dòng)探頭到d點(diǎn)處，找到水平刻度為25mm、深1mm人工槽的最高反射回波，測量探頭前端距試塊端面距離L1，按式（5）運(yùn)算關(guān)系即可確定小角度探頭折射角度。

根據(jù)對應(yīng)關(guān)系：

則：

（7）雙晶探頭盲區(qū)測試

將雙晶探頭放在TZH-R試塊的輪用斜探頭f點(diǎn)處測試面上，利用此處3.5mm深的φ3橫通孔測試雙晶探頭的盲區(qū)。

（8）其他

該試塊還具備探傷儀的水平線性、垂直線性和探測系統(tǒng)的靈敏度余量等測試功能。

3.3 測量結(jié)果與誤差分析

本測試裝置對已標(biāo)定的幾種成品探頭進(jìn)行隨機(jī)采樣檢驗(yàn)測試，測試結(jié)果見表1。

表1 某批次探頭隨機(jī)采樣共計(jì)10次檢驗(yàn)測試折射角的測量值

通過表1的數(shù)據(jù)可知：每組最大偏差值分別為：0.29，0.23，0.31，0.25，0.36，即相對偏差值分別為：2.1%，1.3%，1.5%，0.5%，0.1%；根據(jù)鐵路機(jī)務(wù)系統(tǒng)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求：小角度折射角偏差＜5%、斜探頭＜1.5°，以上結(jié)果表明該測試裝置完全滿足實(shí)際檢測的需要。

測試誤差包括系統(tǒng)誤差和操作誤差兩部分：本系統(tǒng)采用高速采集和高精度程控放大器，使用標(biāo)準(zhǔn)衰減器和標(biāo)準(zhǔn)石英試塊對儀器進(jìn)行校對標(biāo)定，系統(tǒng)誤差可以忽略不計(jì)；操作測量誤差是主要誤差，一般由于操作者的熟練程度、手法和偏向所引起的隨機(jī)誤差，可通過強(qiáng)化培訓(xùn)，熟練地掌握操作技巧來降低。

4 現(xiàn)場應(yīng)用

經(jīng)沈陽鐵路局錦州機(jī)務(wù)段和北京鐵路局北京機(jī)務(wù)段為期8個(gè)月的現(xiàn)場應(yīng)用，效果良好，先后檢測了各型探頭273只，其中新品探頭4只、在用探頭23只不合格。實(shí)現(xiàn)了機(jī)務(wù)系統(tǒng)探頭數(shù)控化、智能化測試檢驗(yàn)，保證了機(jī)車探傷檢測的可靠性和準(zhǔn)確性，對提高探傷人員標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)的能力和控制，具有較強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值和意義。

5 結(jié)束語

TZ-2T型超聲波探頭性能測試裝置課題的研究，完善和統(tǒng)一鐵路機(jī)務(wù)系統(tǒng)探頭測試工藝標(biāo)準(zhǔn)、測試方法，形成探頭測試工藝程控化管理，以真實(shí)的檢測結(jié)果最大限度的減少探傷檢測盲目性，促進(jìn)探傷作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)微機(jī)化管理的提升，達(dá)到了保證機(jī)車輪軸探傷質(zhì)量與行車安全的目的。

［1］JB／T10062-1999.超聲探傷用探頭性能測試方法［S］.北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，1999.

［2］GB／T 11259-1999.超聲波檢驗(yàn)用鋼制對比試塊的制作與校驗(yàn)方法［S］.北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，1999.

［3］TB／T 2049-1989.機(jī)車車輛車軸廠、段修超聲波探傷標(biāo)準(zhǔn)試塊［S］.北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，1989.

［4］中國機(jī)械工程學(xué)會無損檢測分會.超聲波檢測［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000.

［5］遼寧省機(jī)械工程學(xué)會.無損探傷［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2001.

［6］鐵道部運(yùn)裝機(jī)檢［2000］335號.輪箍不動(dòng)車超聲波探傷技術(shù)條件［S］.鐵道部運(yùn)輸局.

［7］機(jī)車無損檢測設(shè)備、器材主要性能指標(biāo)及其測試方法（金所［2010］2號）［R］.中國鐵道科學(xué)研究院金屬化學(xué)研究所.

［8］鐵道部運(yùn)裝機(jī)檢［2009］721號.機(jī)車零部件探傷工作檢查評定條件［S］.鐵道部運(yùn)輸局.