吳天萍 中國(guó)鐵路上海局集團(tuán)有限公司上海機(jī)輛段

1 研究背景

LU 設(shè)備是機(jī)務(wù)段為實(shí)現(xiàn)機(jī)車車輪自動(dòng)化檢修所配置關(guān)鍵設(shè)備，在探傷檢測(cè)精確度、覆蓋面及數(shù)據(jù)分析上傳方面較傳統(tǒng)手工探傷具有明顯優(yōu)勢(shì)。設(shè)備采用常規(guī)雙晶探頭、橫波探頭和相控陣探頭實(shí)現(xiàn)對(duì)輪輞、輪緣及輻板區(qū)域的超聲波探傷，較現(xiàn)有手工探傷新增覆蓋了輪緣及輻板區(qū)域掃查。在靈敏度設(shè)定方式上，相控陣探頭和橫波探頭分別采用輻板內(nèi)、外表面刻槽和輪緣頂部刻槽進(jìn)行探傷靈敏度標(biāo)定。由于在輪輞底部加工平底孔會(huì)對(duì)輻板檢測(cè)造成影響，且需要兼顧多個(gè)雙晶探頭的靈敏度調(diào)節(jié)，LU設(shè)備所用對(duì)比試塊在缺陷設(shè)計(jì)上不宜加工平底孔缺陷，因而在輪輞檢測(cè)時(shí)靈敏度設(shè)定方法與手工探傷存在差異：手工探傷采用Φ2 mm平底孔作為基準(zhǔn)進(jìn)行靈敏度標(biāo)定，而LU 設(shè)備用Φ3 mm 橫孔作為基準(zhǔn)進(jìn)行靈敏度標(biāo)定，因此，有必要研究LU 設(shè)備在輪輞區(qū)域的靈敏度標(biāo)定方法，明確與手工探傷時(shí)的差異，并加以論證。

以電力機(jī)車車輪探傷為例，手工探傷要求用LG-3"試塊上65 mm 深的Φ2 mm 平底孔作為基準(zhǔn)進(jìn)行靈敏度標(biāo)定，且要求反射波幅達(dá)到50%，而LU 設(shè)備用Φ3 mm 橫孔作為基準(zhǔn)進(jìn)行靈敏度標(biāo)定，要求波幅達(dá)到80%，具體對(duì)比情況如表1 所示。本文從以下兩個(gè)方面進(jìn)行了分析：

（1）LU設(shè)備標(biāo)定后的探傷靈敏度與手工探傷所需靈敏度是否存在差異？若存在差異，差異值為多少？

（2）LU 設(shè)備在靈敏度標(biāo)定完成后，能否有效檢出LG-3"試塊上65mm深的Φ2mm平底孔？

表1 手工探傷與LU設(shè)備輪輞區(qū)域探傷靈敏度標(biāo)定方法對(duì)比

2 理論計(jì)算

平底孔及橫孔的聲壓可以通過公式計(jì)算得出。根據(jù)公式可以計(jì)算出特定頻率的探頭在特定深度時(shí)二者聲壓的差異。

其中：P0——聲源起始聲壓；

A——聲源面積；

s——平底孔面積；

λ——波長(zhǎng)；

ɑ——聲程。

其中：P0——聲源起始聲壓；

A——聲源面積；

ɑ——聲程；

λ——波長(zhǎng)；

d——橫孔直徑。

因?yàn)樽罱K要考察缺陷差異對(duì)LU設(shè)備靈敏度帶來的影響，故選用LU設(shè)備所用探頭頻率4 MHz，則波長(zhǎng)λ=1.5 mm。此時(shí)I為深度x的一元函數(shù)。據(jù)MATLAB分析，該函數(shù)呈現(xiàn)如圖1所示的變化趨勢(shì)，其中，縱坐標(biāo)為I（dB），橫坐標(biāo)為聲程（mm）：

圖1 Φ2 mm平底孔較Φ3 mm橫孔回波聲壓差異隨深度變化函數(shù)圖像

結(jié)合函數(shù)特性可以看出，Φ2 mm平底孔較Φ3 mm橫孔反射聲壓更小，因而用Φ2 mm 平底孔進(jìn)行標(biāo)定設(shè)備會(huì)更加靈敏，且隨深度增加，該差異逐漸變大。

當(dāng)深度達(dá)到65 mm 時(shí)，I=7.5 dB。由于手工探傷調(diào)節(jié)靈敏度時(shí)最多用到65 mm 深平底孔，因而我們重點(diǎn)關(guān)注x=65 mm時(shí)的I值。

如圖2所示，30 mm深的Φ3橫孔與65 mm深的Φ2平底孔的回波差異，I1=18.7 dB 可以看做是由I2=10.1 dB 和I=8.6 dB 兩部分構(gòu)成。其中I2=10.1 dB是設(shè)備通過TCG進(jìn)行了深度補(bǔ)償。

圖2 30 mm深的Φ3橫孔、65 mm深的Φ3橫孔與65 mm深的Φ2平底孔回波差異

另外，雖然手工探傷使用了Φ2 mm 平底孔，但要求反射波高為50%，而自動(dòng)探傷用Φ3 mm 橫孔標(biāo)定，要求反射波高為80%，此差異將LU 設(shè)備探傷靈敏度提升了Ⅰ"=20lg(80/50)=4.08 dB。

因此根據(jù)理論計(jì)算，LU設(shè)備在靈敏度標(biāo)定后增加4.52dB的靈敏度補(bǔ)償即可和手工探傷靈敏度相同。需要說明的是，由于上述公式適用于三倍近場(chǎng)外，故計(jì)算值會(huì)存在一定誤差，還需要結(jié)合實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步明確。

3 實(shí)驗(yàn)對(duì)比

我們通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果，驗(yàn)證理論分析結(jié)果的正確性。

測(cè)試設(shè)備：設(shè)備主機(jī)、雙晶直探頭、PC、耦合劑。

測(cè)試方法：利用LG-3"試塊上30 mm 深的Φ3 橫孔和65 mm 深的Φ2 平底孔進(jìn)行測(cè)試，使波高均達(dá)到80%，對(duì)比所用增益。實(shí)驗(yàn)按是否加TCG曲線分為兩組。

第一組：不加TCG 曲線，驗(yàn)證二者差異是否為理論值18.7dB。

測(cè)試結(jié)論1：不加TCG 曲線，則30 mm 深的Φ3 橫孔與65 mm 深的Φ2 平底孔帶來的靈敏度偏差為42.8-24.5=18.3（dB），與理論計(jì)算值18.7 dB基本相同。

第二組：加入TCG 補(bǔ)償，驗(yàn)證二者靈敏度差異是否為理論值8.6dB。

測(cè)試結(jié)論2：加TCG 曲線，則30 mm 深的Φ3 橫孔與65 mm 深的Φ2平底孔帶來的靈敏度偏差為25.3-17.2=8.1 dB，與理論計(jì)算值8.6 dB基本相同。

測(cè)試結(jié)論3：若采用“65 mm 深Φ2FBH/ 50%，則所用增益為20.6 dB，30 mm 深Φ3SDH/80%所用增益17.2 dB，二者相差3.4 dB，與理論值4.6 dB 相差約1.2 dB，經(jīng)分析與TCG 曲線設(shè)定誤差有一定關(guān)系。

從上述實(shí)驗(yàn)可以得出：實(shí)驗(yàn)結(jié)果和理論分析結(jié)果基本一致。理論分析結(jié)果可靠，即采用“30 mm深Φ3SDH/80%”的方式標(biāo)定完成后增益約4dB 即可達(dá)到與“65 mm 深Φ2FBH/50%”相同效果。

4 結(jié)論驗(yàn)證

（1）仿真分析

利用CIVA 軟件建立探傷模型，探頭參數(shù)設(shè)備為與LU 設(shè)備一致，并在模型中加載距踏面不同深度的Φ3 mm 橫孔和Φ 2 mm平底孔模型，仿真結(jié)果記錄如表2所示。

表2 仿真結(jié)果記錄表

從仿真結(jié)果可以看出，65 mm/FBH2/80% 與30 mm/SDH3/80%的靈敏度差異約18.3 dB，與理論計(jì)算值18.7 dB基本一致，且隨著深度增加，平底孔和橫孔的靈敏度差異逐漸增大。

（2）實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

驗(yàn)證LU 超聲系統(tǒng)在樣板輪或扇形試塊上“30 mm 深/Φ 3SDH/80%”標(biāo)定后增益 4dB 能否檢出 LG-3"上“65 mm 深/Φ 2FBH”。

步驟1：將雙晶直探頭置于樣板輪上，找到距踏面深30 mm 處Φ3 橫孔反射波，移動(dòng)探頭使該反射波達(dá)到最高，調(diào)節(jié)增益使該波高度為熒光屏80%，記錄所用增益，如表3所示。

表3 樣板輪記錄表

步驟2：將雙晶探頭置于扇形試塊上，找到距踏面深30 mm 處Φ3 橫孔反射波，移動(dòng)探頭使該反射波達(dá)到最高，調(diào)節(jié)增益使該波高度為熒光屏80%，記錄所用增益，如表4所示。

表4 扇形試塊記錄表

步驟3：在標(biāo)定后的靈敏度基礎(chǔ)上增益4dB，檢測(cè)65 mm深Φ2FBH，波幅達(dá)到57%，超過40%門限值。

實(shí)驗(yàn)結(jié)論：LU超聲系統(tǒng)標(biāo)定完成后增益4dB能夠檢出規(guī)定平底孔缺陷。

（3）實(shí)車探傷驗(yàn)證

從2015年9月至2017年11月14日，LU 設(shè)備對(duì)各種機(jī)型共計(jì)778條輪對(duì)開展了探傷檢查，檢出缺陷41例，其中776次探傷結(jié)果與手工探傷結(jié)果相同，有2例缺陷LU設(shè)備判斷更為準(zhǔn)確。如 2017 年 6 月 9 日，LU 設(shè)備在對(duì) SS8-2002機(jī)車車輪的探傷過程中發(fā)現(xiàn)第4軸右輪存在輪輞內(nèi)部缺陷，距踏面下約8 mm，LU 設(shè)備3 個(gè)通道報(bào)警，波幅分別為45%、51%和65%，與手工復(fù)核波幅基本一致（見圖3、圖4），可見二者靈敏度基本相同，專用試塊的設(shè)計(jì)符合探傷要求。

圖3 手工復(fù)核照片

圖4 LU報(bào)警通道

5 結(jié)束語

自動(dòng)探傷較手工探傷在穩(wěn)定性、簡(jiǎn)便性、精細(xì)化程度及數(shù)據(jù)分析、上傳等方面具有明顯優(yōu)勢(shì)，是機(jī)車車輪檢修的發(fā)展方向。本文以理論分析和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方式，得出了LU設(shè)備靈敏度標(biāo)定與手工探傷靈敏度標(biāo)定間的差異，并結(jié)合仿真、實(shí)驗(yàn)和實(shí)車對(duì)比檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行了論證。以量值傳遞形式進(jìn)行LU 設(shè)備探傷靈敏度設(shè)定，能使自動(dòng)探傷設(shè)備能夠有效檢出Φ2 mm 平底孔，進(jìn)而滿足機(jī)車車輪探傷需求，為自動(dòng)化探傷設(shè)備的合理、合規(guī)運(yùn)用提供了思路和依據(jù)。