基于激光散斑干涉的輪胎缺陷無損檢測

朱詩順，戴駿程，孫　燕，喻　劍

(1.軍事交通學(xué)院 軍用車輛系，天津 300161； 2.軍事交通學(xué)院 研究生管理大隊(duì)，天津 300161)

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基于激光散斑干涉的輪胎缺陷無損檢測

朱詩順1，戴駿程2，孫燕1，喻劍2

(1.軍事交通學(xué)院 軍用車輛系，天津 300161； 2.軍事交通學(xué)院 研究生管理大隊(duì)，天津 300161)

針對(duì)子午線輪胎缺陷無損檢測問題，基于激光散斑干涉無損檢測理論，采用實(shí)驗(yàn)的方法獲取了某型子午線輪胎在不同充氣壓力、放氣時(shí)間、檢測部位和載荷條件下的鋼絲斷裂缺陷相位圖，分析了這些因素對(duì)缺陷檢測效果的影響，探索了輪胎缺陷圖譜的建立方法。

激光散斑干涉；輪胎缺陷；無損檢測

輪胎作為汽車上唯一與地面直接接觸的部件，其性能直接影響汽車安全，日常生活中，因輪胎缺陷導(dǎo)致傷亡的事故時(shí)有發(fā)生[1]，因此，對(duì)輪胎進(jìn)行適時(shí)檢測尤為必要。但是，目前還沒有適用于在用輪胎缺陷檢測的設(shè)備[2]，為此，本文利用研制的輪胎缺陷激光快速無損檢測設(shè)備，進(jìn)行了在用輪胎快速檢測技術(shù)與方法的研究。結(jié)合激光散斑干涉檢測原理，分析了影響輪胎缺陷檢出效果的因素，并以某型輪胎鋼絲斷裂缺陷為樣本，研究這些因素對(duì)輪胎缺陷檢出效果的影響，為今后建立用于輪胎缺陷快速無損檢測的輪胎缺陷圖譜提供借鑒。

1　輪胎激光散斑干涉無損檢測原理

輪胎激光散斑干涉無損檢測技術(shù)是利用激光傳遞信息對(duì)輪胎進(jìn)行缺陷檢測的一種無損檢測技術(shù)，檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。激光發(fā)生器發(fā)出激光照射輪胎表面，產(chǎn)生干涉散斑場的相干條紋。通過控制箱中的充放氣系統(tǒng)對(duì)輪胎進(jìn)行短暫的放氣，如果輪胎內(nèi)部有缺陷，放氣后缺陷部位會(huì)發(fā)生與其他部位所不同的形變。由于橡膠本身所具有的特性，這些形變會(huì)引起輪胎(內(nèi)側(cè)或外側(cè))表面出現(xiàn)與其他部位之間微小的特征變形。通過檢測頭中的CCD相機(jī)拍攝這兩個(gè)不同狀態(tài)下的空間干涉圖。運(yùn)用數(shù)字圖像處理技術(shù)對(duì)這兩幅圖像進(jìn)行比較，可以得到所測部位典型蝴蝶狀的相位干涉差圖，從而推斷出所檢測部位是否存在簾線斷裂、氣泡、脫層等內(nèi)部缺陷[3-4]。檢測時(shí)，輪胎充氣壓力的大小、放氣時(shí)間的長短以及進(jìn)行缺陷檢測的部位等因素都有可能對(duì)輪胎缺陷的檢出效果產(chǎn)生影響。何種因素影響較為明顯，以及利用何種因素作為輪胎缺陷檢測的主要特征，需通過實(shí)驗(yàn)研究進(jìn)行確定。

圖1　輪胎缺陷激光快速無損檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2　實(shí)驗(yàn)材料與方法

2.1實(shí)驗(yàn)材料與儀器設(shè)備

實(shí)驗(yàn)選擇朝陽牌11.00R20 152/149 K18PR型輪胎為研究對(duì)象，其單胎最大負(fù)荷為3 550 kg，雙胎為3 250 kg，標(biāo)準(zhǔn)充氣壓力為930 kPa。

實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備為：YLB-1×1300K快速輪胎激光散斑無損檢測儀、聯(lián)想M490筆記本電腦、MK294A3-A0RC2三腳架、ZB-0.11/7直聯(lián)便攜式空氣壓縮機(jī)、MSY30油壓機(jī)。

2.2實(shí)驗(yàn)方法

(1)輪胎鋼絲斷裂缺陷的制作。按表1所列輪胎缺陷和圖2所示缺陷位置布置，分別在輪胎的胎側(cè)和胎面中央位置均勻地制作胎側(cè)斷1、2、3、4、5、6根鋼絲和胎面斷1、2、3、4根鋼絲的缺陷，并作好標(biāo)記。制作時(shí)先磨掉輪胎內(nèi)部橡膠，露出鋼絲并將其剪斷，最后用橡膠將裸露的鋼絲封住。制作的6根鋼絲斷裂缺陷如圖3所示。

表1　輪胎缺陷標(biāo)記位置表

圖2　缺陷位置布置

圖3　輪胎內(nèi)部斷裂6根鋼絲缺陷

(2)輪胎放氣時(shí)間對(duì)缺陷檢出效果的影響實(shí)驗(yàn)。按圖4所示連接好實(shí)驗(yàn)設(shè)備，保持輪胎充氣壓力0.40 MPa不變，分別設(shè)定輪胎放氣的時(shí)間為0.3 s、0.5 s、0.7 s……檢測輪胎缺陷，直至相位圖中輪胎放氣產(chǎn)生的條紋影響到檢出效果為止。對(duì)比不同放氣時(shí)間下的輪胎缺陷相位圖，分析放氣時(shí)間的長短(即輪胎形變量的大小)對(duì)輪胎缺陷檢出效果的影響。

圖4　檢測實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

(3)輪胎充氣氣壓對(duì)缺陷檢出效果的影響實(shí)驗(yàn)。輪胎充氣壓力分別調(diào)為0.40 MPa、0.45 MPa、0.50 MPa、0.55 MPa、0.60 MPa和0.65 MPa，重復(fù)步驟(2)，對(duì)比不同充氣壓力下輪胎缺陷相位圖，分析輪胎充氣壓力的大小對(duì)缺陷檢出效果的影響。

(4)檢測部位對(duì)缺陷檢出效果的影響實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)鋼絲斷裂缺陷的圖像是沿鋼絲纏繞方向的長條形蝴蝶斑，為分析檢測部位對(duì)缺陷檢出效果的影響，如圖5所示在胎面進(jìn)行實(shí)驗(yàn)檢測，比較分析胎面檢測和胎側(cè)的檢出效果。

圖5　胎面檢測

(5)輪胎負(fù)荷對(duì)缺陷檢出效果的影響實(shí)驗(yàn)。為研究車輛載重量對(duì)輪胎缺陷檢出效果的影響，進(jìn)行了輪胎負(fù)荷變化對(duì)于缺陷檢出效果的實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)使用圖6所示的油壓機(jī)對(duì)輪胎進(jìn)行加載。油壓機(jī)內(nèi)腔直徑為100 mm，忽略摩擦阻力影響，則輪胎負(fù)載的計(jì)算公式為

式中：m為輪胎負(fù)荷，t；P為油壓機(jī)壓力，MPa；S為油壓機(jī)內(nèi)腔截面積，m2；d為油壓機(jī)內(nèi)腔直徑，m；g為重力加速度，9.8 m/s2。

圖6　輪胎外加載實(shí)驗(yàn)

按表2所列油缸壓力對(duì)輪胎進(jìn)行加載，重復(fù)步驟(2)(3)。

表2　輪胎油缸壓力與輪胎負(fù)載

變換輪胎受壓位置，比較輪胎在不同受壓位置和不同載荷下的缺陷相位圖，分析外載荷對(duì)檢出效果的影響。

3　實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析及其討論

3.1輪胎內(nèi)加載條件下缺陷檢出效果分析

選取實(shí)測輪胎內(nèi)加載條件下的部分缺陷相位圖見表3。

從表中相位圖可以看出：

(1)激光散斑干涉無損檢測技術(shù)對(duì)于檢測子午線輪胎胎側(cè)鋼絲斷裂缺陷效果明顯，缺陷處有沿輪胎徑向(鋼絲布置方向)的長條狀對(duì)稱蝴蝶斑，且鋼絲斷裂數(shù)量越多蝴蝶斑越寬，圖像不均勻越明顯。因此，使用該技術(shù)對(duì)胎側(cè)鋼絲斷裂缺陷進(jìn)行定性和定量檢測具有良好的效果。而對(duì)胎面鋼絲斷裂缺陷的檢出效果不如胎側(cè)缺陷。

(2)輪胎充氣壓力對(duì)檢出效果影響較小，其他條件不變時(shí)，不同充氣壓力下的相位圖基本相同。

(3)放氣時(shí)間(輪胎充氣壓力變化)對(duì)檢出效果的影響明顯。放氣時(shí)間大于1.1 s時(shí)，相位圖中右上部位(有時(shí)左下部位)開始出現(xiàn)沿輪胎周向的弧形散斑條紋，放氣時(shí)間越長條紋越明顯，同時(shí)缺陷蝴蝶斑也越明顯，放氣時(shí)間小于1.1 s時(shí)無法檢測出的胎面鋼絲斷裂缺陷也開始顯現(xiàn)，可見放氣時(shí)間越長檢出效果越好。檢出效果在放氣時(shí)間為1.9 s時(shí)最佳，放氣時(shí)間大于1.9 s，輪胎變形產(chǎn)生的散斑條紋開始覆蓋蝴蝶斑，影響缺陷的辨別，如圖7所示為充氣壓力0.6 MPa、放氣時(shí)間2.5 s時(shí)的相位圖。

表3　內(nèi)加載條件下部分輪胎缺陷相位圖

注：①、②、③、④、⑤、⑥表示胎側(cè)斷1、2、3、4、5、6根鋼絲；a、b、c、d表示胎面斷1、2、3、4根鋼絲。

圖7　充氣壓力0.6 MPa、放氣時(shí)間2.5 s時(shí)的相位圖

(4)圖8所示為從胎面檢測的輪胎胎面鋼絲斷裂缺陷相位圖，從圖中可以看出，胎面部位缺陷在胎面難以檢測出，反而在胎側(cè)進(jìn)行檢測時(shí)取得了較好的檢出效果，這一結(jié)論通過對(duì)比表3中的圖像即可得出。

圖8　在胎面進(jìn)行檢測的相位圖

3.2外加載條件下輪胎缺陷檢出效果分析

圖9所示為輪胎缺陷⑤處承受16 kN外載荷、輪胎氣壓0.5 MPa、放氣時(shí)間1.9 s時(shí)的缺陷相位圖，對(duì)比表3中第2列第3行的圖像可知：

(1)外加載后，受外載荷壓迫產(chǎn)生的條紋噪聲的影響，受載處缺陷難以辨認(rèn)，其他部位檢出效果基本不受影響。

(2)在相同放氣時(shí)間下，散斑條紋不如內(nèi)加載時(shí)明顯。推測是由于加載后輪胎剛性加強(qiáng)、彈性降低，導(dǎo)致放氣時(shí)間相同時(shí)輪胎變形減小，散斑噪聲降低。因此對(duì)于承受外載荷的輪胎，其檢測放氣時(shí)間可以適當(dāng)延長。

(3)內(nèi)加載時(shí)難于發(fā)現(xiàn)的胎面鋼絲斷裂缺陷在本圖表現(xiàn)比較明顯。通過分析外加載實(shí)驗(yàn)過程中所獲得的大量圖像，推測這是由于輪胎經(jīng)過多次加載與卸載之后，斷裂的鋼絲受力拉伸，與橡膠之間的黏合度降低，鋼絲與橡膠脫離，這種脫離通過鋼絲傳遞到胎側(cè)部位，導(dǎo)致胎側(cè)相應(yīng)部位出現(xiàn)異常變形。對(duì)于在用輪胎而言，不可能剛好鋼絲斷裂時(shí)就立即進(jìn)行檢測，往往是進(jìn)行檢測時(shí)輪胎已經(jīng)帶缺陷行駛了一定距離，這就足以使胎面鋼絲斷裂缺陷能夠被檢測出，因此，可以斷定激光散斑干涉技術(shù)檢測胎面鋼絲斷裂缺陷也是可行的。

(4)相位圖中胎面缺陷靠近胎面部位蝴蝶斑較寬、圖像不均勻明顯，靠近胎圈部位蝴蝶斑逐漸變細(xì)，最終消失；胎側(cè)缺陷鋼絲斷裂點(diǎn)處蝴蝶斑較寬，兩側(cè)逐漸變窄并消失。由此可判斷輪胎鋼絲斷裂的具體位置。

圖9　外加載條件下輪胎缺陷相位圖

3.3實(shí)驗(yàn)結(jié)果

(1)本研究對(duì)于探索輪胎缺陷圖譜的建立方法，解決目前激光快速無損檢測設(shè)備存在的缺陷識(shí)別問題具有重要作用。

(2)實(shí)驗(yàn)在不同的時(shí)間經(jīng)過多次反復(fù)，獲得了大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，各次實(shí)驗(yàn)結(jié)果的重復(fù)性和穩(wěn)定性好。

(3)實(shí)驗(yàn)環(huán)境條件、模擬缺陷和加載方式與實(shí)際情況有所差異，但是這并不影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果在實(shí)際中的應(yīng)用。

4　結(jié)　論

(1)充氣壓力的大小對(duì)輪胎缺陷的檢出效果影響較小。

(2)放氣時(shí)間即放氣壓降對(duì)輪胎缺陷的檢出效果影響明顯，本文研究所用輪胎放氣時(shí)間為1.9 s時(shí)所取得的檢出效果最佳。

(3)對(duì)輪胎缺陷的檢測，在胎側(cè)進(jìn)行的檢出效果優(yōu)于在胎面進(jìn)行。

[1]張茂強(qiáng).子午線輪胎缺陷檢測方法與系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究[D].濟(jì)南:山東大學(xué),2014.

[2]徐馳.剪切電子散斑技術(shù)檢測輪胎缺陷中識(shí)別算法的研究[D].廣州：華南理工大學(xué),2007.

[3]肖玉霜,曾啟林,馬鐵軍,等.新型激光散斑輪胎無損檢測儀開發(fā)及應(yīng)用[J].無損探傷，2012,36(1):19.

[4]孫旭,杭柏林.錯(cuò)位散斑技術(shù)及其在輪胎檢測中的應(yīng)用[J].輪胎工業(yè),2007,27(7):441-443.

(編輯：張峰)

Nondestructive Testing of Tire Defects Based on Laser Speckle Interference

ZHU Shishun1, DAI Juncheng2, SUN Yan1, YU Jian2

(1.Military Vehicle Department, Military Transportation University, Tianjin 300161, China; 2.Postgraduate Training Brigade, Military Transportation University, Tianjin 300161, China)

The focus of this paper is on nondestructive testing of the radial tire defects. On the base of laser speckle interference nondestructive testing theory, the experiment is carried out to obtain the phase diagram of the wire fracture defect of a radical tire under different inflation pressure, within different deflating time, on different testing points and with different loads. The effects of these factors on the testing efficiency are analyzed, and the method to establish a defect map implementation is explored.

laser speckle interference; tire defects; nondestructive testing

2016-03-29；

2016-05-19.

朱詩順(1960—)，男，博士，教授，博士研究生導(dǎo)師.

10.16807/j.cnki.12-1372/e.2016.09.010

U463.341

A

1674-2192(2016)09- 0044- 05

● 車輛工程Vehicle Engineering