超声相控阵技术在转辙机部件检测中的应用

超声相控阵技术在转辙机部件检测中的应用

报告内容课题意义及国内外研究现状综述课题研究目标、研究内容和拟解决的关键问题拟采取的研究方法、技术路线、试验方案及其可行性分析课题的创新性计划进度、预期进展和预期成果一、课题意义及国内外研究现状综述1.1课题意义转辙机是道岔控制系统的执行机构，对提高铁路运输效率和保证行车安全起着至关重要的作用。从历年来的电务故障统计资料来看，道岔转辙机发生故障的机率占据首位，据有关资料统计，我国建国以来铁路系统中重大事故有50％以上是发生在道岔转换设备上。因此对转辙机的检测与维护已成为铁路系统一项日常重要的工作。

影响转辙机工作性能的主要因素有电气和机械两个方面。在机械方面，因锁闭机件和动作杆强度弱而发生故障较多。转辙机的机械部件，如主轴、动作杆、锁闭块和锁闭轴等，工作环境非常恶劣，常受到撞击、摩擦等作用，在使用中受力情况较为复杂，转辙机各个零件的锻造裂纹，易在使用过程中不断发展与扩大。而国产锁闭机件强度差，转辙机动作杆的强度仅为美国GRS52电动转辙机的1/3～l/4。究其原因，人工检测转辙机部件内部裂纹的检测手段落后是其中的主要影响因素。因此，有关转辙机械部件的无损检测的研究是十分必要的。本课题将把具有动态聚焦、自动成像检测、检测复杂形状物体、高检测灵敏度、分辨率和信噪比等多项优点的相控阵超声波探伤技术应用于转辙机部件探伤，从而简化现有的探伤步骤，提高探伤精度，并能更准确及时地检测出转辙机部件内部的裂纹。1.2.1国内外现有的探伤技术国内外常应用的无损检测方法有：液体渗透法、磁粉检验法、射线检测法、超声波检测法和涡流检测法等。其中，超声波检测是工业无损检测中应用最为广泛的一种方法。目前国内对火车轮轴等构件的检测主要放在生产环节和进行定期检修上，以超声波检测为主。平时只是进行粗略的以耳听、眼看、手摸为主的检测。1.2国内外研究现状但是，目前国内广泛使用的一些常规超声无损检测方法都集中于手工探伤，其操作过程比较复杂，检测周期也比较长，相对来说检测效率比较低。还要根据不同材料，不同种类的缺陷来选择不同的探头，检测时，还要不断移动探头的位置，以保证超声束的入射角和位置，然后根据回波信号的波形来判断缺陷的性质。其劳动强度大，检测效率低，结果不直观，很多情况都要依赖于操作者的实际工程经验，容易造成漏判和误判。1.2.2国内外超声相控阵技术研究现状近年来国外对相控阵超声检测技术的研究日趋活跃，例如在核工业、航空和航天等质量要求高的行业，开始引入相控阵超声技术进行缺陷检测；对传统超声检测效果不太理想的奥氏体钢焊缝、混凝土和复合材料，也进行了相控阵超声检测的尝试，在相控阵系统的设计、生产与测试方面取得了一系列进展，如新型换能器材料、相控阵换能器、动态聚集系统等。很多公司都推出了商品化的相控阵超声检测系统。在法国核电站的压水型反应堆的管路系统检测中，研究了一种“柔性”相控阵探头，其各阵元是分立的，且几何位置也可灵活改变，耦合效率大大提高，通过相控阵技术控制声束的扫查，能使声束遍布曲面下的各个区域。瑞典Uppsala大学采用相控阵超声技术检测核废料密封铜罐的电子束焊缺陷，并且进行了成像显示。德国铁路早在2000年就与弗朗霍菲研究所IZFP、德国联邦材料检测委员会合作，致力于高速列车ICE车轮超声相控阵检测系统的研制工作，在6年多的时间里逐步完善了适用于高速列车的车轮探伤体系。与国外相比，国内在相控阵超声无损检测方面沿处于起步阶段，主要集中于医疗领域。近年来，国内许多学者和企业都致力于超声相控阵技术的理论研究和应用。南京航天大学的王海涛，史振等利用仿真相控阵合成聚焦技术的方法,搭建了一个16阵元、超声信号发射、接收和处理试验系统。利用该系统对缺陷试块进行了检测试验,试验结果与实际试块缺陷情况吻合。通过对试块缺陷的检测试验,对比聚焦与不聚焦的检测效果,证明了相控阵合成聚焦技术可以极大地提高检测的信噪比和灵敏度,验证了相控阵聚焦可以提高检测能力。但是王海涛他们只是采用了一种简单的相控阵检测方法，利用的仅是回波信号合成聚焦技术和单个通道实现超声相控阵聚焦功能的方法，而且该试验系统的声束合成是采用模拟合成的方法，这种控制声束的方法难以保证控制精度。

西南交通大学汪春晓同学分析采用将超声相控阵技术应用于车轮缺陷探伤的方法，针对车轮中的轮辋、轮辐缺陷性质和缺陷分布特点，利用超声相控阵技术中灵活的声束控制和聚焦两大突出优势来简化步骤，解决轮对的实时探伤，提高轮对探伤精度等一系列的问题。并根据标准试块、实物试块、车轮缺陷样板轮、现场动车在线探伤等一系列的实验，参考铁道部有关车轮探伤标准文件，完成了车轮在线相控阵超声波探伤的成套解决方案。文中尽管运用了声场的仿真模型，给出了大致的声束场外形用以指导控制声束在车轮中的可达性，但分析方法过于原始、简单化，需要大量的实验验证该探伤方案的可行性，若能配合专业化的声场仿真软件系统，使仿真的结果更加具体和直观化会更好一些。

二、课题研究目标、研究内容和拟解决的关键问题2.1研究目标

将超声相控阵技术和声场仿真覆盖分析有机结合,针对转辙机部件中缺陷的性质和分布特点，通过一系列的实验，提出一套高探伤精度和高判伤效率的转辙机部件无损探伤解决方案。

2.2研究内容(1)研究常规超声波的反射、折射以及超声探头的声场特性。为常规超声波检测和系统设计提供理论依据。(2)分析超声脉冲法对缺陷的检测原理、缺陷深度及大小的专用超声评定方法及其原理。(3)研究相控阵超声检测技术的基本原理，比较常规超声探伤方法和新型相控阵超声探伤方法(4)用声场仿真覆盖分析的方式仿真相控阵成像系统的基本性质和工作情况，并用来指导相控阵超声声束控制、检查声束在零件中的可达性等。(5)在选用标准试块、转辙机部件样件上人工设计缺陷，并进行模拟探伤。(6)进行相控阵超声缺陷探伤定位、探伤分辨率和超声成像等方面的讨论和实验分析，并提出基于相控阵聚焦方式的探伤改进方案来进一步提高缺陷探伤精确度，同时保证较高的检测效率。

2.3拟解决的关键性问题（1）对各阵元的发射相位延时的精确控制。超声相控阵技术的核心是对换能器各阵元发射,接收相位进行精确控制。以得到指向性良好、焦点尺寸细小的聚焦声束，从而获得被检物体的清晰成像。（2）仪器各项参数对探伤仪定位精度的影响。（3）声场仿真覆盖分析结果的具体化和直观化。（4）超声图像质量的提高。如何提高相控阵超声成像的分辨率也是超声相控阵检测和成像的重要问题。三、拟采取的研究方法、技术、实验方案、及其可行性分析3.1拟采取的研究方法

提出用声场仿真覆盖分析的方式来指导超声相控阵声束控制以及检验声束在转辙机部件中的可达性等，并根据标准试块、实物试件的一系列实验，以超声检测原理为理论基础，采用理论分析、软件仿真实验与实体实验相结合的研究方法。3.2技术路线

（1）理论分析：以常规超声检测原理中的超声脉冲法检测缺陷的原理为理论依据，进一步了解相控阵超声原理及系统的关键技术。（2）软件实验：用声场仿真覆盖分析软件，如CIVA，来仿真相控阵成像系统的基本性质和工作情况（3）实体仿真实验：参照铁道部超声波探伤的相关技术标准和缺陷的特点，在标准试块、转辙机机械部件标准样板上人工设计缺陷，搭建一个阵元超声信号发射、接收和处理试验系统，利用该系统进行探伤实验。

3.3实验方案（1）在实验(校验)用标准试块、转辙机机械部件标准样件上人工设计缺陷。（2）搭建超声相控阵检测仿真系统，校准探伤仪，对零件进行探伤。（3）分析试验结果，对比实际情况，总结影响探伤仪定位定量精度的各方面因素，改进试验平台或调整试验方法。

3.4可行性分析（1）常规超声波检测已经是一种应用十分广泛的无损检测方法，有关常规超声波检测的特点，基本原理，定位定量定性分析等方面已经比较完善。（2）近年来国内外对相控阵超声检测技术的研究日趋活跃，相控阵超声检测技术发展迅速，理论和技术越来越完善。（3）近年来国内许多大型企业如核电站、石油化工企业、航空航天领域和铁道部等引进了大量国外先进的成套设备和检测技术，包括相控阵超声检测设备与技术。四、课题的创新性（1）利用超声相控阵技术优势能简化探伤的方法，有效地提高探伤的信噪比、微小缺陷的分辨能力，