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        曲軸R角缺陷的超聲相控陣快速檢測

        2017-06-05 14:15:42付汝龍陳建華林丹源林齊梅曾慶勛
        無損檢測 2017年5期
        關(guān)鍵詞:設(shè)置檢測模型

        付汝龍,陳建華,林丹源,林齊梅,曾慶勛

        (廣東汕頭超聲電子股份有限公司 超聲儀器分公司,汕頭 515041)

        曲軸R角缺陷的超聲相控陣快速檢測

        付汝龍,陳建華,林丹源,林齊梅,曾慶勛

        (廣東汕頭超聲電子股份有限公司 超聲儀器分公司,汕頭 515041)

        為了實現(xiàn)發(fā)動機曲軸R角部位的快速掃查檢測,在CTS-PA22A型超聲相控陣檢測儀上,開發(fā)了具有曲軸R角部位3D聲束仿真模型的曲軸檢測專用模塊,并在曲軸R角部位設(shè)置了切槽和通孔人工缺陷。超聲相控陣檢測結(jié)果表明,采用具有專用曲軸模塊的相控陣扇形掃描檢測方式,可以實現(xiàn)對曲軸R角缺陷的快速有效檢測,同時結(jié)合曲軸R角部位3D仿真模型,可實現(xiàn)曲軸R角缺陷的精確定位。

        曲軸R角;超聲相控陣;3D聲束仿真模型;扇形掃描

        曲軸R角部位缺陷的常規(guī)超聲檢測,是在普通斜探頭的基礎(chǔ)上增加了一個側(cè)向傾角,使得超聲波同時向前方和側(cè)方發(fā)射,便于實現(xiàn)對曲軸R角處的檢測[1]。

        曲軸R角缺陷的超聲相控陣檢測不同于常規(guī)的超聲檢測,其采用多聲束掃描的方式。并且,為了驗證檢測工藝是否滿足要求,其需要對受檢件建模并進行聲束覆蓋仿真;為了實現(xiàn)曲軸連桿軸頸R角處缺陷的檢測,需要通過超聲檢測仿真軟件,獲得最佳的檢測參數(shù);而且,通過軟件仿真,可以正確指導(dǎo)檢測工作合理進行[2-4]。

        雖然,仿真軟件可以實現(xiàn)檢測參數(shù)的優(yōu)化,但是對于檢測結(jié)果的分析,需要采用輔助軟件對缺陷進行定位,使缺陷位置顯示更直觀,這樣也有利于缺陷的判別[5]。

        筆者將曲軸R角部位3D聲束仿真模型內(nèi)置到CTS-PA22A型超聲相控陣檢測儀上,以實現(xiàn)對曲軸R角缺陷的快速、有效檢測。

        1 超聲相控陣檢測原理

        超聲相控陣檢測使用的相控陣探頭由多個晶片按一定的規(guī)律分布排列,通過軟件可以單獨控制每個晶片的激發(fā)時間,從而控制發(fā)射超聲波束(波陣面)的形狀和方向,實現(xiàn)超聲波的波束掃描、偏轉(zhuǎn)和聚焦;因此,超聲相控陣可以檢測出不同方位及取向的缺陷,這些缺陷可能隨機分布在遠離聲束軸線的位置上。

        筆者采用的扇形掃描又稱方位掃描或角掃描,該掃描是使陣列中相同晶片組發(fā)射的聲束對某一聚焦深度在掃描范圍內(nèi)移動,聚焦點的軌跡為圓弧曲線,扇形掃描原理如圖1(a)所示(圖中d為陣元間距,A為激勵孔徑;N為陣元數(shù)目;f為聚焦深度;α為角度范圍;θ為角度步進)。扇形掃描可以實現(xiàn)工件整個斷面的顯示掃查,不同角度和不同深度位置的缺陷均可檢測出來,典型的扇形掃描圖像如圖1(b)所示。

        圖1 相控陣扇形掃描原理及掃描圖像

        扇形掃查具有良好的聲束可達性,不需要復(fù)雜的掃查裝置或更換探頭,不移動探頭或盡量少移動探頭就可實現(xiàn)厚大工件和形狀復(fù)雜工件的整個體積或所關(guān)心區(qū)域的多角度多方向掃查,是解決可達性差、空間受限及結(jié)構(gòu)復(fù)雜工件檢測的有效手段,因而是檢測曲軸R角部位缺陷的理想掃查方式。

        2 曲軸3D仿真模型設(shè)計

        圖2 曲軸工件實物及簡化結(jié)構(gòu)示意

        2.1 曲軸工件 采用的某型曲軸實物及簡化結(jié)構(gòu)如圖2所示。根據(jù)曲軸R角缺陷部位實現(xiàn)檢測的對比要求,在曲軸的R角部位設(shè)置4個人工缺陷,缺陷位置如圖2(b)所示,曲軸有8個R角部位,在位置2與位置8分別設(shè)置了深度10 mm和5 mm,傾斜角度均為45°的線切割槽來模擬表面裂紋,在位置4和位置6各設(shè)置了一個直徑為2 mm的通孔來模擬內(nèi)部缺陷。

        2.2 計算機軟件仿真

        采用某計算機仿真軟件對曲軸8個R角部位進行聲束仿真,扇形掃描角度范圍均為0°~45°。根據(jù)人工缺陷的設(shè)置,位置1和8配對,位置2和7配對,位置3和6配對,位置4和5配對。其中對位置1,8,3,6分別進行檢測時,相控陣探頭放在主軸頸位置的聲束仿真圖像如圖3所示,從位置1和8的聲束仿真結(jié)果可知,位置8的線切割槽阻擋了部分聲束;從位置3和6的聲束仿真可知,位置6的通孔阻擋了部分聲束。

        圖3 相控陣探頭放置在主軸頸位置的聲束仿真圖像

        當(dāng)對位置2,7,4,5進行檢測時,相控陣探頭放置在連桿軸頸位置的聲束仿真圖像如圖4所示,從位置2和7的聲束仿真可知,位置2的線切割槽阻擋了部分聲束;從位置4和5的聲束仿真可知,位置4的通孔阻擋了部分聲束。

        圖4 相控陣探頭放置在連桿軸頸位置的聲束仿真圖像

        2.3 曲軸3D仿真軟件設(shè)計

        通過計算機仿真軟件的仿真,相控陣探頭放置的位置有兩個,一個是主軸頸位置,另一個是連桿軸頸位置。將探頭放置在主軸頸位置進行檢測時,可采用與連桿軸頸位置相同的檢測工藝仿真參數(shù);同樣將探頭放置在連桿軸頸位置進行檢測時,也可采用與主軸頸位置相同的檢測工藝仿真參數(shù)。因此可以簡化曲軸仿真工藝,將曲軸簡化為3個部分:主軸、曲壁、連桿軸。通過分別設(shè)置主軸、曲壁和連桿軸的參數(shù)即可實現(xiàn)各類曲軸工件的3D建模。

        目前我國有比較多的獨生子女家庭,因為各種因素獨生子女的吃苦耐勞特性較差,獨立性低,所以臨床護理難度比較高。而且,兒科患者的病情比較復(fù)雜,患兒年齡小,依從性差,導(dǎo)致了護理工作的開展非常困難。護理人員除了要做好本職工作,還需要對細節(jié)進行觀察,積極主動的和患兒家屬溝通。

        完成工件的建模后,可以在工件模型上設(shè)置探頭、楔塊的參數(shù),選擇探頭放置位置,設(shè)置扇形掃描參數(shù),完成超聲聲束的覆蓋仿真。仿真時,相控陣探頭可以在軸頸上實現(xiàn)軸向移動和周向移動,以實現(xiàn)檢測位置的精確定位;同時工件模型可分別沿x軸、y軸、z軸三個方向旋轉(zhuǎn),可進行放大和縮小,可以在屏幕任意位置平移,可切換查看三視圖,所有的參數(shù)調(diào)節(jié)均實現(xiàn)觸屏操作。因此,設(shè)計的曲軸檢測工藝仿真軟件提供了探頭、楔塊、工件、掃查等菜單的設(shè)置;其中探頭菜單可以選擇內(nèi)置在儀器里的相控陣探頭型號,楔塊菜單可以選擇內(nèi)置在儀器里的相控陣楔塊型號,工件菜單可以分別設(shè)置連桿軸、曲壁、主軸的具體參數(shù),掃查菜單可以設(shè)置扇形掃查參數(shù)及探頭位置參數(shù);同時,通過觸控儀器屏幕右側(cè)的快捷圖標(biāo)(包括x/y/z軸旋轉(zhuǎn)、放大/縮小、平移、三視圖切換、還原等)可在屏幕上左右滑動,從各個方向查看仿真模型和具體細節(jié)。

        探頭位于連桿軸頸位置的曲軸3D模型仿真圖像如圖5所示。

        圖5 探頭位于連桿軸頸位置的曲軸3D模型仿真圖像

        探頭放置在主軸頸位置的曲軸3D模型仿真圖像如圖6所示。

        圖6 探頭位于主軸頸位置的曲軸3D模型仿真

        3 檢測方法及結(jié)果

        3.1 檢測方法

        采用具有曲軸R角部位3D聲束仿真模型的曲軸檢測專用模塊的CTS-PA22A型超聲相控陣檢測儀,對加工有人工切槽和通孔的曲軸試塊進行檢測。采用的相控陣探頭參數(shù)為:頻率2.5 MHz,陣元數(shù)16個,陣元間距1 mm,R26.5 mm弧度延時塊,R35 mm 弧度延時塊;采用的曲軸試塊參數(shù)為:連桿軸直徑53 mm,主軸直徑70 mm,曲臂厚度20 mm,連桿軸和主軸重合部位8 mm;采用的扇形掃描參數(shù)為:扇形掃描角度范圍為0°~45°。由于在曲軸試塊上制作人工缺陷的時候已經(jīng)考慮到對比的要求,即,同類型部位的檢測兩兩配對,一個設(shè)置有人工缺陷,一個不設(shè)置人工缺陷;這樣在檢測時可以對比有無缺陷的檢測圖像,驗證采用超聲相控陣檢測方法來檢測曲軸R角缺陷的可靠性。

        圖7 檢測設(shè)備外觀

        檢測設(shè)備外觀如圖7所示,儀器視圖顯示包括A掃描窗口、扇形掃描窗口、曲軸3D模型窗口等。A掃描窗口顯示扇形掃描中某個角度聲束位置的A掃描波形,扇形掃描窗口顯示曲軸檢測的扇形掃描圖像,曲軸3D模型窗口顯示曲軸的模型仿真。同時,根據(jù)當(dāng)前聲束角度的波形實時顯示缺陷在模型中的位置,位置的指示采用紅色指示點標(biāo)識。

        3.2 檢測結(jié)果

        圖8 主軸位置上的超聲相控陣檢測圖像

        3.2.1 在主軸位置上檢測結(jié)果

        在主軸位置上進行檢測時,探頭放置方法如圖3所示,分別針對位置1,8,3,6進行檢測。其中,位置1和8配對,位置8設(shè)置有人工切槽缺陷;位置3和6配對,位置6設(shè)置有通孔缺陷。

        主軸位置上超聲相控陣檢測圖像如圖8所示,圖8(a)為位置6的檢測圖像,由于位置6設(shè)置有通孔缺陷,因此檢測圖像中可以看到明顯的通孔回波圖像,且通孔回波圖像在3D模型的指示正好位于R角,與實際情況符合;圖8(b)為位置3的檢測圖像,由于位置3沒有設(shè)置人工缺陷,因此檢測圖像中沒有看到可疑回波顯示;圖8(c)為位置8的檢測圖像,位置8設(shè)置了切槽人工缺陷,檢測圖像中可以明顯看到切槽的端角回波;圖8(d)為位置1的檢測圖像,由于位置1沒有設(shè)置人工缺陷,因此檢測圖像中沒有看到可疑回波顯示。

        從圖8的檢測圖像可知,當(dāng)相控陣探頭放置在主軸位置上進行檢測時,曲軸R角部位是否存在缺陷可從檢測圖像中一目了然,且缺陷的位置在模型中能夠定位顯示,定位位置與實際位置符合。

        圖9 連桿軸位置上的超聲相控陣檢測圖像

        3.2.2 在連桿軸位置上檢測結(jié)果

        在連桿軸位置上進行檢測,探頭放置如圖4所示,分別針對位置2,7,4,5進行檢測。檢測圖像如圖9所示,位置2和7配對,位置2設(shè)置有人工切槽缺陷;位置4和5配對,位置4設(shè)置有通孔缺陷。圖9(a)為位置4的檢測圖像,由于位置4設(shè)置有通孔缺陷,因此檢測圖像中可以看到明顯的通孔回波圖像,且通孔回波圖像在3D模型的指示正好位于R角部位,與實際情況符合;圖9(b)為位置5的檢測圖像,由于位置5沒有設(shè)置人工缺陷,因此檢測圖像中沒有看到可疑回波顯示;圖9(c)為位置2的檢測圖像,位置2設(shè)置了切槽人工缺陷,檢測圖像中可以明顯看到切槽的端角回波;圖9(d)為位置7的檢測圖像,由于位置7沒有設(shè)置人工缺陷,因此檢測圖像中沒有看到可疑回波顯示。

        從圖9的檢測圖像可知,當(dāng)相控陣探頭放置在連桿軸位置上進行檢測時,曲軸R角部位是否存在缺陷,從檢測圖像中便可看出,且缺陷的位置在模型中能夠定位顯示,定位的位置與實際位置符合。

        圖9(c)圖像中除了切槽端角回波外,在端角回波的右上角仍然有一個疑似缺陷回波。對其進行測量,切槽端角回波參數(shù)為深度54.5 mm,水平16.1 mm,疑似缺陷回波參數(shù)為深度45.1 mm,水平25.8 mm,這兩個缺陷之間的深度差為9.4 mm,水平差為9.7 mm,從測量結(jié)果看這個疑似缺陷回波可能是切槽尖端部位的反射回波,但需要進一步確定。

        4 結(jié)論

        (1) 儀器內(nèi)置曲軸R角3D仿真模型,在檢測之前需要進行工件建模和聲束仿真,以保障檢測工藝的可靠性。

        (2) 通過曲軸R角3D仿真模型與扇形掃描檢測圖像的同屏顯示,用戶可實時定位曲軸R角缺陷位置,輔助缺陷判斷。

        (3) 相控陣扇形掃描的多聲束角度特點,能實現(xiàn)曲軸R角部位的全方位覆蓋檢測。檢測時探頭移動可沿主軸頸和連桿軸頸周向旋轉(zhuǎn),實現(xiàn)曲軸R角缺陷的快速掃查檢測。

        (4) 通過采用具有曲軸3D仿真模型的儀器,可大大降低檢測人員檢測曲軸R角缺陷的難度。

        [1] 石常亮,董世運,唐維學(xué),等.廢舊曲軸R角處缺陷的超聲波檢測[J].無損檢測, 2015,37(10):20-23.

        [2] 董世運,劉彬,徐濱士,等.舊曲軸缺陷超聲相控陣檢測仿真設(shè)計與驗證[C]//無損檢測高等教育發(fā)展論壇暨電磁超聲無損檢測技術(shù)交流會.[S.l.]:[s.n], 2011.

        [3] 董世運,潘亮,徐濱士,等.基于CIVA的曲軸R角缺陷相控陣超聲檢測方法[J].裝甲兵工程學(xué)院學(xué)報, 2013,27(3):70-74.

        [4] 閆曉玲,董曉云,王新月,等.基于超聲相控陣的再制造曲軸缺陷檢測方法研究[J].現(xiàn)代制造工程,2013(10):20-24.

        [5] 陸銘慧,鄧勇,劉勛豐.曲軸區(qū)域超聲相控陣檢測方法研究[J].中國測試,2016,42(7):97-102.

        The Rapid Ultrasonic Phased Array Testing of Crankshaft R-angle Defects

        FU Rulong, CHEN Jianhua, LIN Danyuan, LIN Qimei,ZENG Qingxun

        (Ultrasonic Instrument Branch, Guangdong Goworld Co., Ltd., Shantou 515041, China)

        To achieve the rapid testing of engine crankshaft R-angle defects, the 3D beam simulation model of crankshaft R-angle parts is developed in the CTS-PA22A phased array ultrasonic testing instrument, and crankshaft R-angle parts are made with cutting groove and hole-type artificial defects. The phased array ultrasonic testing experimental results show that the phased array S-scan, which is with crankshaft R-angle parts 3D beam simulation model, can rapidly and effectively test the R-angle defects of the crankshaft, and also can accurately locate the defects.

        crankshaft R-angle; ultrasonic phased array; 3D beam simulation model; S-scan

        2016-09-12

        付汝龍(1982-),男,碩士,電子工程師(中級),主要從事超聲無損檢測技術(shù)研究工作

        付汝龍,rlfu@st-ndt.com

        10.11973/wsjc201705009

        TG115.28

        A

        1000-6656(2017)05-0037-05

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