機車輪軸超聲波探傷用探頭性能測試裝置的研制

張國華

（沈陽鐵路局 機務處，遼寧沈陽110001）

機車輪軸定期超聲波探傷檢測是保證行車安全的重要手段，探頭的性能指標測試是超聲波探傷的一個重要組成部分，其指標優劣直接影響探傷結果的準確性。而測試試塊一般由標準指定且具有強制性規定的用以評價探傷系統重要性能的反射體，具有特定材質、形狀、尺寸及聲學性能，在超聲波檢測時占有很重要的地位。目前鐵路機車換型頻繁、車型復雜、所用的探頭種類和試塊較多、測試步驟繁瑣、測試指標和工藝不完善，有些特定探頭還存在測試方法的空白。為此，我們對機車輪軸超聲波探傷系統進行了充分的調研與分析，研發了TZ-2T型超聲波探頭測試軟件裝置，整合各測試方法和工藝并進行優化和完善，填補部分超聲波探頭性能指標、測試方法和測試工藝的空白，目的就是解決現場實際只重視儀器而忽略探頭的弊端，以期提高機車輪軸部件探傷的可靠性。

1 現有超聲波探頭指標測試方法及試塊分析

1.1 現有測試方法分析

鐵道機車輪軸超聲波探傷目前執行的標準有：

（1）JB／T 10062-1999《超聲探傷用探頭性能測試方法》中規定了直探頭、平面斜探頭、雙晶探頭的靈敏度余量、回波頻率、回波長度、空載始波寬度、分辨力、聲軸偏斜角、雙峰等測試指標和方法。此外，小角度和橫波斜探頭需測試折射角度、聲軸偏斜角；雙晶探頭需測試距離特性曲線、楔內回波幅度、盲區；組合探頭需測試組合晶片測試、組合角度、分辨力。

（2）《輪箍不動車超聲波探傷技術條件》中僅規定了組合探頭的相對靈敏度、回波頻率、回波寬度、遠場靈敏度、折射角誤差的測試方法和要求。

（3）《機車無損檢測設備、器材主要性能指標及其測試方法》中規定了直探頭、斜探頭與小角度探頭的相對靈敏度、分辨力、空載始波寬度、探頭頻率和誤差的測量以及折射角誤差測量；而輪箍不動車探傷用探頭測試時僅提及相對靈敏度≥75dB。

以DF4C型機車輪軸實際探傷為例，所用的探頭有縱波直探頭與小角度探頭、橫波軸用與輪用斜探頭、輪用雙晶探頭、多晶片組合探頭及核查探頭等7類，涉及到不同規格角度達12只，每只探頭有特定的檢測部位，各不通用。為了保證探傷質量必須定期對主要指標項目測試，由于探頭規格較多，對現場測試也帶來諸多不便。

1.2 試塊分析

探頭測試時根據現行文件標準所涉及的試塊有DB-PZ20-2（或 CS-1-5）、CSK-IA、TZS-100J、DB-D1、DB-H1、LG-R和TZS-R系列試塊等，以上標準規定僅僅是針對新制探頭，且使用試塊種類較多、測試程序繁瑣。為了提高探傷耦合系數，軸用與輪用橫波斜探頭、雙晶探頭分別磨成圓弧度，在CSK-IA試塊測試時誤差較大，勢必造成漏檢漏探的發生。同時，由于車型增加、工藝日趨完善，目前所用的試塊沒有完全涵蓋機車探傷所用探頭測試項目，所以研發新的試塊以滿足探傷檢測的需要。

2 檢測系統的設計

2.1 設計思路

依據《機車零部件探傷工作檢查評定條件》，超聲波探傷測試系統要納入“機車檢修探傷標準化作業管理系統”，保證機車輪軸探傷作業過程標準化、程控化、微機化管理。力爭使儀器探頭測試達到規范化、常態化，杜絕人為因素的簡化測試，實時存儲測試結果，獲得探頭指標的準確信息，形成人控變為機控的標準化管理。

根據機務系統超聲波探傷的現狀，研發具有智能化專用探頭的測試系統裝置，是實現測試數據可追溯的前提。系統必須具有規范性的操作程序，所以要解決以下問題：①根據現行標準、文件的規定，整合探頭測試步驟、儀器試塊、操作方法、驗收標準形成一套完整的測試工藝，完善測試工藝指導書；②設計專用探頭測試儀器的功能，綜合標準試塊功能，研發滿足帶弧度探頭的測試專用試塊，解決測試誤差的問題；③開發回波頻率測試功能解決前期需要專門配備獨立示波器且操作復雜的問題。④組合測試系統，統一各試塊和測試條件，配套實現計算機管理，使探頭質量信息由系統直接判定，自動形成報表形式并能夠打印存儲，改變人為判定的隨意性；⑤測試系統裝置力爭操作簡單、使用方便、測試準確，有關指標必須符合現行的文件標準；⑥探頭、試塊按類型統一編號，以便采集探傷數據形成數字化管理。

2.2 探頭性能測試系統裝置的硬件設計

探頭測試裝置硬件結構主要由發射電路、接收電路、前置模擬信號放大處理電路、增益控制電路、A／D轉換電路、微處理器單元、數據存儲電路、顯示控制電路及其接口電路、報警及其他接口電路（打印、通信）等部分組成。采用臺柜結構，內置活動式試塊翻轉支架，配備264.16mm大屏幕高亮液晶顯示屏，觸摸開關薄膜鍵盤。具備探頭及儀器測試功能及數據管理功能，可分別存儲160條探頭指標測試記錄和儀器指標測試記錄；設有USB接口，可實現USB接口打印機的外部輸出及U盤轉存或通訊；配合一套PC機管理軟件，實現測試數據的微機化管理，最終完成機務系統全工藝探頭的測試任務（見圖1）。

圖1 測試裝置的硬件設計流程圖

2.3 探頭性能測試系統裝置的軟件設計

整個軟件系統采用了C語言對MPU進行編程，模塊化設計，整個軟件系統包括主功能工作界面、顯示界面。其中主功能工作界面主要包括測試功能（包括探頭測試與儀器自設測試）、時間設置兩項功能選擇；顯示界面主要包括探頭選擇和測試項選單。測試數據管理功能，包括測試數據的查詢、打印和通訊功能，利用USB接口可實現USB口打印和轉存，并預留通訊接口以便與探傷管理系統整合。

2.4 TZH-R專用標準試塊的設計

（1）試塊的幾何結構

基于現場檢測的需要，我們在審視現有標準的基礎上重新整合各試塊以滿足不同規格探頭的測試要求，在遵循各標準的基礎上設計了TZH-R專用試塊（見圖2）。

圖2 TZH－R520試塊幾何尺寸圖

試塊按GB／T 11259-1999《超聲波檢驗用鋼制對比試塊的制作與校驗方法》的要求制作，材質為車軸鋼、晶粒度5級以上，聲學性能：縱波聲速5 945m／s、橫波聲速3 254m／s。幾何尺寸為長200mm、兩側端面高110mm、厚度30mm，試塊表面粗糙度≤0.63μm，人工槽深度≤1.0mm、寬度≤0.1mm。軸向圓弧半徑為110mm，對應機車車軸半徑尺寸；周向圓弧面有半徑520mm、600mm兩種，分別對應內燃與電力機車車輪，配合刻度線可測試軸向、周向磨弧斜探頭的折射角等設計指標。

（2）與其他試塊的對比

TZH-R專用標準試塊適用于橫波探傷、垂直入射縱波探傷和斜入射縱波探傷等3種不同車軸探傷方法的探傷靈敏度校準、聲程標定、測定斜探頭的入射點和K值以及儀器的水平線性、垂直線性等。除了具備LG-R試塊的功能，又增加了輪用探頭分辨力、雙晶探頭盲區的測試及AVG曲線制作功能；而TZS-R型試塊是一組4塊半徑分別為R60～90的車軸探傷標準試塊，由于TZS-R試塊的靈敏度測試及校準時均采用二次以上聲程測試，最佳回波位置不易掌握，并且聲波經多次折射后產生波形轉換的影響，在實際應用時存在測試結果誤差較大的問題。經周密的測算和驗證，TZH-R試塊均采用一次聲程測試和校準，克服上述諸多弊端的問題。

3 探頭性能測試系統裝置功能的應用

3.1 主要技術功能特點

（1）具有探頭測試標準試塊功能，利用如圖3所示基本原理，可測試小角度探頭入射角3°～13°的范圍、自動測試小角度探頭折射角度、自動測試軸向磨弧橫波探頭前沿、折射角38°～68°的范圍、軸向與周向磨弧橫波探頭分辨力測試高度3mm、雙晶探頭盲區測試高度3.5mm和距離特性曲線制作。測試基本原理如下。

設兩個缺陷F1和F2，深度分別為h1和h2，且h2=2h1，探頭前沿距離為a，折射角為β，tanβ=K。當用同一探頭探測上述兩個缺陷時，設探頭上的某一點，例如探頭的前沿，所在位置距試塊端頭距離分別為L1和L2，它們應具有下列關系：

從式（1）、（2）得：

從式（4）中可知，探測F2時探頭前沿到試塊端頭的距離減去兩倍的探測距離F1時探頭前沿到試塊端頭距離，即為該探頭的前沿距離a，a求出后，就能很容易地標出探頭的入射點。

圖3 測試的原理圖

（2）形成直探頭、小角度探頭、車軸磨弧斜探頭、車輪磨弧斜探頭、平面斜探頭、雙晶探頭、組合探頭測試工藝智能化，具有直觀的模擬提示功能，可方便初級探傷人員盡快掌握復雜的測試技術，發現操作失誤及時糾正解決測試偏差。

（3）具備新品探頭、在用探頭各項指標及回波頻率的測試功能，以確保探傷檢測結果的準確性；運用高速A／D采集的相關數據經微處理器單元運算后直接顯示測試指標值以及探頭質量合格與否，用科技手段達到了對現場作業的控制。

（4）對測試數據能夠實時存儲、現場打印傳輸，保證測試結果的真實性，對探頭性能指標全面控制，實現了微機管理可追溯性。

3.2 TZH-R專用標準試塊使用方法

（1）軸用斜探頭靈敏度的測試：

將探頭置于試塊的a點處測試面上，利用側面高度40mm處、深1mm人工槽測試軸用斜探頭的靈敏度（見圖4，下同）。

圖4 各探頭測試示意圖

（2）軸用斜探頭折射角的測試

將探頭置于試塊的a點處測試面上，找到側面高度40mm處、深1mm人工槽的最高反射回波，測量探頭前端距試塊端面距離L0，然后向后移動探頭至b點處，找到并用閘門套住圓心高度75mm、R18圓弧面的最高反射回波，測量探頭前端距試塊端面距離L1，按下式運算關系即可確定軸用斜探頭折射角度。

根據對應關系：

則：

（3）軸用斜探頭分辨力的測試

將被測探頭置于試塊的b點處測試面上，探測R18、R15同心圓弧，利用兩同心圓弧的3mm距離測試軸用斜探頭分辨力。例如某一折射角的橫波探頭，探測R18、R15兩同心圓弧時，移動探頭使兩同心圓弧反射波等高，改變儀器靈敏度使兩回波幅度同時達到滿幅度的100%，若所測量波谷高度h=10，則儀器自動利用公式R=20lg（100／h）計算出探頭的分辨力R=20dB，判定顯示該探頭分辨力指標合格；若h=0或兩波能完全分開，則儀器自動取R＞30dB。

（4）輪用斜探頭分辨力的測試

將輪用斜探頭置于試塊c點處測試面上，探測R18、R15同心圓弧，利用兩同心圓弧的3mm距離測試輪用斜探頭分辨力（原理同上）。

（5）小角度探頭靈敏度的測試

將小角度探頭置于試塊側面d點處測試面上，利用25mm處、深1mm人工槽測試小角度探頭的靈敏度。

（6）小角度探頭折射角的測試

將小角度探頭置于試塊側面e點處測試面上，找到水平刻度為50mm處、深1mm人工槽的最高反射回波，測量探頭前端距試塊端面距離L0，然后向后移動探頭到d點處，找到水平刻度為25mm、深1mm人工槽的最高反射回波，測量探頭前端距試塊端面距離L1，按式（5）運算關系即可確定小角度探頭折射角度。

根據對應關系：

則：

（7）雙晶探頭盲區測試

將雙晶探頭放在TZH-R試塊的輪用斜探頭f點處測試面上，利用此處3.5mm深的φ3橫通孔測試雙晶探頭的盲區。

（8）其他

該試塊還具備探傷儀的水平線性、垂直線性和探測系統的靈敏度余量等測試功能。

3.3 測量結果與誤差分析

本測試裝置對已標定的幾種成品探頭進行隨機采樣檢驗測試，測試結果見表1。

表1 某批次探頭隨機采樣共計10次檢驗測試折射角的測量值

通過表1的數據可知：每組最大偏差值分別為：0.29，0.23，0.31，0.25，0.36，即相對偏差值分別為：2.1%，1.3%，1.5%，0.5%，0.1%；根據鐵路機務系統相關標準的要求：小角度折射角偏差＜5%、斜探頭＜1.5°，以上結果表明該測試裝置完全滿足實際檢測的需要。

測試誤差包括系統誤差和操作誤差兩部分：本系統采用高速采集和高精度程控放大器，使用標準衰減器和標準石英試塊對儀器進行校對標定，系統誤差可以忽略不計；操作測量誤差是主要誤差，一般由于操作者的熟練程度、手法和偏向所引起的隨機誤差，可通過強化培訓，熟練地掌握操作技巧來降低。

4 現場應用

經沈陽鐵路局錦州機務段和北京鐵路局北京機務段為期8個月的現場應用，效果良好，先后檢測了各型探頭273只，其中新品探頭4只、在用探頭23只不合格。實現了機務系統探頭數控化、智能化測試檢驗，保證了機車探傷檢測的可靠性和準確性，對提高探傷人員標準化作業的能力和控制，具有較強的實用價值和意義。

5 結束語

TZ-2T型超聲波探頭性能測試裝置課題的研究，完善和統一鐵路機務系統探頭測試工藝標準、測試方法，形成探頭測試工藝程控化管理，以真實的檢測結果最大限度的減少探傷檢測盲目性，促進探傷作業標準微機化管理的提升，達到了保證機車輪軸探傷質量與行車安全的目的。

［1］JB／T10062-1999.超聲探傷用探頭性能測試方法［S］.北京：中國標準出版社，1999.

［2］GB／T 11259-1999.超聲波檢驗用鋼制對比試塊的制作與校驗方法［S］.北京：中國標準出版社，1999.

［3］TB／T 2049-1989.機車車輛車軸廠、段修超聲波探傷標準試塊［S］.北京：中國標準出版社，1989.

［4］中國機械工程學會無損檢測分會.超聲波檢測［M］.北京：機械工業出版社，2000.

［5］遼寧省機械工程學會.無損探傷［M］.北京：機械工業出版社，2001.

［6］鐵道部運裝機檢［2000］335號.輪箍不動車超聲波探傷技術條件［S］.鐵道部運輸局.

［7］機車無損檢測設備、器材主要性能指標及其測試方法（金所［2010］2號）［R］.中國鐵道科學研究院金屬化學研究所.

［8］鐵道部運裝機檢［2009］721號.機車零部件探傷工作檢查評定條件［S］.鐵道部運輸局.