楊寶林 周善龍

(1．中車南京浦鎮(zhèn)車輛有限公司 江蘇 南京 210031；2．中國(guó)鐵路上海局集團(tuán)有限公司南京車輛監(jiān)造項(xiàng)目部 江蘇 南京 210031)

常規(guī)的超聲檢測(cè)帶涂層的車軸時(shí)，需將表面的涂層去除，檢測(cè)完成后再進(jìn)行噴涂，工作繁瑣，效率低且成本高。為了尋求一種帶涂層車軸檢測(cè)的可靠方法，邱國(guó)云[1]在車軸外圓面對(duì)車軸輪座鑲?cè)氩亢椭苿?dòng)盤座進(jìn)行超聲檢測(cè)試驗(yàn)，通過(guò)不同涂層厚度、不同探頭頻率以及壓裝前后對(duì)同樣的人工缺陷進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，為帶涂層車軸的超聲檢測(cè)提供了參考意見。本文采用相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)，在不同涂層類型及漆膜厚度下，在軸頸及軸身處對(duì)車輪座鑲?cè)氩亢椭苿?dòng)盤座鑲?cè)氩窟M(jìn)行檢測(cè)，分析驗(yàn)證帶涂層車軸相控陣檢測(cè)的可行性。

1 鑲?cè)氩繖z測(cè)要求

鑲?cè)氩繛辇X輪、車輪與車軸接觸位置，是車輛運(yùn)行中重要的受力位置，鑲?cè)氩繖z測(cè)要求為將探頭置于半軸實(shí)物試塊上，移動(dòng)探頭，調(diào)節(jié)儀器，使半軸實(shí)物深度為1 mm的人工缺陷最高反射波幅度達(dá)到熒光屏垂直刻度滿幅的80%，然后增益相應(yīng)的dB數(shù)值，作為鑲?cè)氩康臋z測(cè)靈敏度。

2 相控陣超聲檢測(cè)原理

相控陣超聲檢測(cè)的基本原理來(lái)源于相控陣?yán)走_(dá)技術(shù)，相控陣超聲探頭由多個(gè)晶片按一定規(guī)律分布排列，通常是線陣列，通過(guò)軟件可以單獨(dú)控制每個(gè)晶片的激發(fā)時(shí)間，從而控制發(fā)射超聲波束的形狀和方向，實(shí)現(xiàn)超聲波束的掃描、偏轉(zhuǎn)和聚焦。發(fā)射時(shí)數(shù)據(jù)采集單元觸發(fā)相控陣列單元，相控陣列單元按照設(shè)置的延時(shí)法則依次觸發(fā)發(fā)射方波脈沖激勵(lì)探頭，使探頭中的每個(gè)晶片發(fā)出的超聲導(dǎo)波在某一點(diǎn)聚焦；接收時(shí)，由缺陷反射回來(lái)的超聲導(dǎo)波到達(dá)每個(gè)接收晶片，相控陣列單元根據(jù)每個(gè)接收晶片的導(dǎo)波信號(hào)按照設(shè)置的延時(shí)法則合成為一個(gè)信號(hào)，發(fā)送數(shù)據(jù)采集單元。

相控陣的聚焦和偏轉(zhuǎn)通過(guò)聚焦法則實(shí)現(xiàn)，聚焦法則是指影響相控陣探頭脈沖反射或一發(fā)一收方式聲場(chǎng)靈敏度的整套硬件和軟件參數(shù)。在聚焦法則中有發(fā)射延時(shí)法則、接收延時(shí)法則、疊加加權(quán)法則和陣元激發(fā)法則等4種。聚焦法則的數(shù)量表示儀器所能顯示的聲束總數(shù)，即一個(gè)聚焦法則形成一條超聲聲束。通過(guò)探頭晶片的延時(shí)控制，探頭可以將波束能量聚焦在一點(diǎn)，改變晶片的延時(shí)法則，波束能聚焦在不同的深度。通過(guò)軟件控制每一個(gè)晶片激發(fā)的延時(shí)時(shí)間使超聲波沿特定角度傳播波陣面，改變探頭晶片的延時(shí)法則可以改變波束的偏轉(zhuǎn)角度，這就是相控陣偏轉(zhuǎn)。當(dāng)聚焦和偏轉(zhuǎn)的延時(shí)法則合并時(shí)，則可實(shí)現(xiàn)相控陣多角度的檢測(cè)。

3 試驗(yàn)布置

3.1 試塊設(shè)計(jì)

本文以某型車軸為研究對(duì)象，在車軸的車輪座鑲?cè)氩亢椭苿?dòng)盤座部位加工線切割槽，線切割槽深度為1 mm(弓形槽)，寬度小于0.2 mm。其中，在車軸輪座鑲?cè)氩康木€切割槽距離卸荷槽邊緣的距離為75 mm，制動(dòng)盤座部位的線切割槽距離卸荷槽邊緣的距離分別為20 mm、65 mm、120 mm，即線切割槽之間的距離分別為45 mm、55 mm。車軸試塊如圖1所示，探頭1位置噴涂油性漆，針對(duì)車軸輪座鑲?cè)氩窟M(jìn)行檢測(cè)；探頭2位置噴涂水性漆，針對(duì)制動(dòng)盤座鑲?cè)氩窟M(jìn)行檢測(cè)。車輪座鑲?cè)氩康娜斯と毕菥幪?hào)為1，制動(dòng)盤座部位的三個(gè)人工缺陷編號(hào)為2、3、4。車軸試塊缺陷如圖1所示。

圖1 車軸試塊缺陷圖示

3.2 試驗(yàn)方案

在不同漆層厚度條件下采用相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行檢測(cè)試驗(yàn)。試驗(yàn)時(shí)，先在無(wú)油漆狀態(tài)下進(jìn)行檢測(cè)，之后對(duì)探頭放置位置噴涂油漆，每次噴涂油漆晾干后再進(jìn)行檢測(cè)，共進(jìn)行5次噴涂，共獲取無(wú)油漆和5次噴涂試驗(yàn)數(shù)據(jù)，然后通過(guò)數(shù)據(jù)對(duì)比分析獲得有漆層與無(wú)漆層車軸在進(jìn)行超聲檢測(cè)時(shí)的工藝參數(shù)設(shè)置要求。

4 檢測(cè)試驗(yàn)

4.1 車輪座鑲?cè)氩繖z測(cè)

4.1.1無(wú)噴涂油漆檢測(cè)

無(wú)涂裝時(shí)檢測(cè)圖像如圖2(a)所示：檢測(cè)增益48.0 dB，回波波幅82.8%，回波深度164.3 mm，聲束角度56.1°，測(cè)得線切割槽與卸荷槽邊緣的水平距離差為74.7 mm。

圖2 車輪座檢測(cè)圖像

4.1.2噴涂油漆檢測(cè)

累計(jì)噴涂5次油漆，每次噴涂后實(shí)施相控陣超聲檢測(cè)，檢測(cè)圖像如圖2所示，數(shù)據(jù)信息如表1所示。

4.1.3數(shù)據(jù)分析

車軸輪座鑲?cè)氩康南嗫仃嚈z測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比如表1所示。

通過(guò)對(duì)表1的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析：

表1 車軸輪座鑲?cè)氩康南嗫仃嚈z測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比表

(1)檢測(cè)靈敏度：第1次噴涂后，靈敏度降低5.7 dB。油漆厚度與增益補(bǔ)償規(guī)律基本為線性關(guān)系，即漆層厚度增加1倍，增益補(bǔ)償也基本增加1倍。

(2)靈敏度異常：第4次檢測(cè)比第3次檢測(cè)的增益補(bǔ)償值小，分析原因有可能是在該漆層厚度下，探頭與車軸接觸可能更加匹配，提高了耦合效果。因?yàn)樾▔K底面是弧形界面，油漆層的變化會(huì)改變探頭與楔塊的耦合性能。

(3)檢測(cè)定位：經(jīng)過(guò)噴涂后，與無(wú)油漆的情況對(duì)比，水平定位誤差在8 mm之內(nèi)，最大回波檢測(cè)聲束角度偏大，分析原因可能是油漆層厚度的增加改變了探頭入射角度，從而影響了相控陣的聚焦和偏轉(zhuǎn)特性。

4.2 制動(dòng)盤座部位檢測(cè)

4.2.1無(wú)噴涂檢測(cè)

制動(dòng)盤座無(wú)噴涂檢測(cè)圖像如圖3(a)所示：檢測(cè)增益為43.0 dB，對(duì)2號(hào)、3號(hào)、4號(hào)人工缺陷進(jìn)行測(cè)量，波幅分別為：18.0%、26.4%、42.0%，歸一化80%對(duì)應(yīng)增益值為56.0 dB、52.8 dB、48.6 dB，增益差為3.2 dB、4.2 dB；深度分別為：189.5 mm、190.9 mm、189.4 mm；水平分別為：308.9 mm、263.9 mm、210.5 mm，水平距離差為45.0 mm、53.4 mm。

4.2.2噴涂油漆檢測(cè)

累計(jì)噴涂5次油漆，每次噴涂后實(shí)施相控陣檢測(cè)，檢測(cè)圖像如圖3所示，數(shù)據(jù)信息如表2所示。

圖3 制動(dòng)盤座檢測(cè)圖像

4.2.3數(shù)據(jù)分析

制動(dòng)盤座的相控陣檢測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比如表2所示。

通過(guò)對(duì)表2的數(shù)據(jù)進(jìn)行靈敏度分析：檢測(cè)靈敏度與漆層的厚度沒(méi)有明顯的比例關(guān)系，隨著油漆層厚度的變化呈波浪起伏的關(guān)系。首次噴涂油漆后檢測(cè)靈敏度降低比較大，與無(wú)油漆的情況對(duì)比降低了多達(dá)16.4 dB，在第二次噴涂油漆后，靈敏度比沒(méi)有噴涂油漆高出8.5 dB。

表2 制動(dòng)盤座的相控陣檢測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比表

5 試驗(yàn)結(jié)論

(1)油性漆的漆層厚度與檢測(cè)靈敏度有一定的比例關(guān)系，以250 μm厚度為基準(zhǔn)，每增加1倍厚度，增益補(bǔ)償增加6 dB左右。

(2)水性漆的漆層厚度與檢測(cè)靈敏度沒(méi)有明顯的比例關(guān)系，實(shí)際應(yīng)用時(shí)，增益補(bǔ)償值需要根據(jù)具體的漆層厚度測(cè)定后再進(jìn)行補(bǔ)償。

(3)從試驗(yàn)效果來(lái)看，涂裝車軸采用相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)是可行的，通過(guò)測(cè)定漆層厚度，并通過(guò)人工反射體確定需要增加的增益補(bǔ)償值，可在實(shí)際檢測(cè)中進(jìn)行應(yīng)用。