LU機車輪輞輪輻自動探傷設備靈敏度設定方法研究

吳天萍 中國鐵路上海局集團有限公司上海機輛段

1 研究背景

LU 設備是機務段為實現機車車輪自動化檢修所配置關鍵設備，在探傷檢測精確度、覆蓋面及數據分析上傳方面較傳統手工探傷具有明顯優勢。設備采用常規雙晶探頭、橫波探頭和相控陣探頭實現對輪輞、輪緣及輻板區域的超聲波探傷，較現有手工探傷新增覆蓋了輪緣及輻板區域掃查。在靈敏度設定方式上，相控陣探頭和橫波探頭分別采用輻板內、外表面刻槽和輪緣頂部刻槽進行探傷靈敏度標定。由于在輪輞底部加工平底孔會對輻板檢測造成影響，且需要兼顧多個雙晶探頭的靈敏度調節，LU設備所用對比試塊在缺陷設計上不宜加工平底孔缺陷，因而在輪輞檢測時靈敏度設定方法與手工探傷存在差異：手工探傷采用Φ2 mm平底孔作為基準進行靈敏度標定，而LU 設備用Φ3 mm 橫孔作為基準進行靈敏度標定，因此，有必要研究LU 設備在輪輞區域的靈敏度標定方法，明確與手工探傷時的差異，并加以論證。

以電力機車車輪探傷為例，手工探傷要求用LG-3"試塊上65 mm 深的Φ2 mm 平底孔作為基準進行靈敏度標定，且要求反射波幅達到50%，而LU 設備用Φ3 mm 橫孔作為基準進行靈敏度標定，要求波幅達到80%，具體對比情況如表1 所示。本文從以下兩個方面進行了分析：

（1）LU設備標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 設備在靈敏度標定完成后，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設備輪輞區域探傷靈敏度標定方法對比

2 理論計算

平底孔及橫孔的聲壓可以通過公式計算得出。根據公式可以計算出特定頻率的探頭在特定深度時二者聲壓的差異。

其中：P0——聲源起始聲壓；

A——聲源面積；

s——平底孔面積；

λ——波長；

ɑ——聲程。

其中：P0——聲源起始聲壓；

A——聲源面積；

ɑ——聲程；

λ——波長；

d——橫孔直徑。

因為最終要考察缺陷差異對LU設備靈敏度帶來的影響，故選用LU設備所用探頭頻率4 MHz，則波長λ=1.5 mm。此時I為深度x的一元函數。據MATLAB分析，該函數呈現如圖1所示的變化趨勢，其中，縱坐標為I（dB），橫坐標為聲程（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圖像

結合函數特性可以看出，Φ2 mm平底孔較Φ3 mm橫孔反射聲壓更小，因而用Φ2 mm 平底孔進行標定設備會更加靈敏，且隨深度增加，該差異逐漸變大。

當深度達到65 mm 時，I=7.5 dB。由于手工探傷調節靈敏度時最多用到65 mm 深平底孔，因而我們重點關注x=65 mm時的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 兩部分構成。其中I2=10.1 dB是設備通過TCG進行了深度補償。

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%，而自動探傷用Φ3 mm 橫孔標定，要求反射波高為80%，此差異將LU 設備探傷靈敏度提升了Ⅰ"=20lg(80/50)=4.08 dB。

因此根據理論計算，LU設備在靈敏度標定后增加4.52dB的靈敏度補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外，故計算值會存在一定誤差，還需要結合實驗進一步明確。

3 實驗對比

我們通過實驗結果，驗證理論分析結果的正確性。

測試設備：設備主機、雙晶直探頭、PC、耦合劑。

測試方法：利用LG-3"試塊上30 mm 深的Φ3 橫孔和65 mm 深的Φ2 平底孔進行測試，使波高均達到80%，對比所用增益。實驗按是否加TCG曲線分為兩組。

第一組：不加TCG 曲線，驗證二者差異是否為理論值18.7dB。

測試結論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），與理論計算值18.7 dB基本相同。

第二組：加入TCG 補償，驗證二者靈敏度差異是否為理論值8.6dB。

測試結論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，與理論計算值8.6 dB基本相同。

測試結論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，經分析與TCG 曲線設定誤差有一定關系。

從上述實驗可以得出：實驗結果和理論分析結果基本一致。理論分析結果可靠，即采用“30 mm深Φ3SDH/80%”的方式標定完成后增益約4dB 即可達到與“65 mm 深Φ2FBH/50%”相同效果。

4 結論驗證

（1）仿真分析

利用CIVA 軟件建立探傷模型，探頭參數設備為與LU 設備一致，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，仿真結果記錄如表2所示。

表2 仿真結果記錄表

從仿真結果可以看出，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）實驗驗證

驗證LU 超聲系統在樣板輪或扇形試塊上“30 mm 深/Φ 3SDH/80%”標定后增益 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，移動探頭使該反射波達到最高，調節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，移動探頭使該反射波達到最高，調節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：在標定后的靈敏度基礎上增益4dB，檢測65 mm深Φ2FBH，波幅達到57%，超過40%門限值。

實驗結論：LU超聲系統標定完成后增益4dB能夠檢出規定平底孔缺陷。

（3）實車探傷驗證

從2015年9月至2017年11月14日，LU 設備對各種機型共計778條輪對開展了探傷檢查，檢出缺陷41例，其中776次探傷結果與手工探傷結果相同，有2例缺陷LU設備判斷更為準確。如 2017 年 6 月 9 日，LU 設備在對 SS8-2002機車車輪的探傷過程中發現第4軸右輪存在輪輞內部缺陷，距踏面下約8 mm，LU 設備3 個通道報警，波幅分別為45%、51%和65%，與手工復核波幅基本一致（見圖3、圖4），可見二者靈敏度基本相同，專用試塊的設計符合探傷要求。

圖3 手工復核照片

圖4 LU報警通道

5 結束語

自動探傷較手工探傷在穩定性、簡便性、精細化程度及數據分析、上傳等方面具有明顯優勢，是機車車輪檢修的發展方向。本文以理論分析和實驗相結合的方式，得出了LU設備靈敏度標定與手工探傷靈敏度標定間的差異，并結合仿真、實驗和實車對比檢測結果進行了論證。以量值傳遞形式進行LU 設備探傷靈敏度設定，能使自動探傷設備能夠有效檢出Φ2 mm 平底孔，進而滿足機車車輪探傷需求，為自動化探傷設備的合理、合規運用提供了思路和依據。