相控陣超聲波技術在大型養路機械車實心車軸探傷領域的應用研究

李兵祖，趙 波，王 禎，李 曦，溫嬌玲

(1.中國鐵路蘭州局集團有限公司，甘肅 蘭州 730000； 2.北京主導時代科技有限公司，北京 100070)

0 引言

隨著我國鐵路運輸向高速、重載以及軌道結構重型化方向發展，大型養路機械已經成為鐵路線路維修的重要施工設備，在改善線路質量、提速擴能和保證行車安全等方面發揮著日益重要的作用。

車軸作為大型養路機械走行部的重要配件，使用工況惡劣，長期在復雜的交變應力條件下使用，其質量好壞與鐵路運輸安全密切相關。因此要在大型養路機械車軸疲勞區域進行超聲波檢測，以便發現車軸是否產生疲勞裂紋及其發展情況，及時掌握車軸狀態并采取措施，確保鐵路行車安全。大型養路機械車車軸具有車型多、軸型雜的特點，目前主要以常規六通道超聲波探傷儀段為主要檢測手段，對大型養路機械車軸探傷，但既有檢測手段存在以下問題(見圖1)：不同車軸須頻繁更換探頭，軸型適應性低；檢測結果不直觀，探傷工難以識別缺陷；檢測結果依賴人工經驗，智能化程度低；無法滿足庫外檢測需求。

本文針對大型養路機械實心車軸檢修作業自動化探傷需求，采用相控陣超聲波、多通道數據分析、電磁吸合等技術，研發了一種自適應不同軸型、自動化檢測、智能化判傷、直觀化線上、兼容庫內及室外不同工況的相控陣大型養路機械車實心車軸探傷裝置(以下簡稱：大機車軸相控陣探傷裝置)，為大型養路機械檢修作業提供更加高效、快捷、智能的檢測手段，提高檢測作業效率，減少人力管理成本，降低安全管理壓力，實現大型養路機械車車軸探傷作業自動化、智能化及高效化，保障大型養路機械車行車安全。

1 大機實心車軸自動探傷新技術探索

1.1 相控陣超聲技術

常規超聲波檢測通常采用一個壓電晶片來產生超聲波，并通過角度楔塊實現波束的偏轉(見圖3～6)，且只能產生一個固定的波束，其波形是預先設計且不能更改的。

圖1 常規超聲探頭波束控制發射與接收

相控陣超聲波探頭是由多個小的壓電晶片按照一定規律分布排列，形成陣列探頭(見圖2)。其中每個壓電晶片可獨立工作，然后逐次按預先規定的延遲時間激發各個晶片，所有晶片發射的超聲波相互干涉疊加形成一個整體波陣面。通過改變激勵各個陣元的延遲時間可靈活有效地控制陣列主波束的偏轉方向、聚焦位置和焦點尺寸等[1]。

圖2 相控陣超聲探頭波束控制發射與接收

與傳統的超聲波檢測技術相比，相控陣超聲探傷技術具有2個技術優勢，即超聲波束的方向可控以及超聲波束的聚焦可控。除此之外，相控陣超聲檢測技術還具有檢測靈敏度高、檢測效率高、檢測結果直觀可視化、通過聲束偏轉增大聲場覆蓋性等優勢。

圖3 無時間延遲 圖4 偏轉+聚焦

圖5 聚焦 圖6 偏轉

1.2 車軸相控陣檢測原理

現有的大型養路機械實心車軸檢測在不退輪芯的情況下，多采用超聲波檢測的方法，從車軸兩端面對軸頸、防塵板座、軸身和輪座及齒輪箱座鑲入部等全軸外圓面橫向裂紋進行超聲波探傷檢查。

車軸相控陣檢測原理是在車軸端面適當的位置處放置相控陣探頭，通過設置多組不同角度的超聲波束覆蓋實心車軸關鍵部位的檢測，同時將相控陣探頭相對軸中心孔旋轉移動一周，實現對車軸360°全周向掃查。

大型養路機械實心車軸軸型種類多且軸徑變化范圍大，而查器探頭位置需要考慮2個因素：第一，探頭晶片避開軸端螺栓孔遮擋，保證最大超聲能量入射到軸內部檢測；第二，相控陣探頭超聲入射點往軸端面邊緣處靠攏，最大限度減少輪座外側檢測盲區。根據以上原則，通過大量的聲場放樣確定掃查器相控陣探頭距離軸端面中心位置分布情況，仿真放樣結果如圖7所示。

(a)DC-32 120 mm實心軸聲場放樣示意圖

(b)SPZ350 130 mm實心車軸聲場放樣示意圖

(c)CDC-16 140 mm實心車軸聲場放樣示意圖

(d)QS-650×150 mm實心車軸聲場放樣示意圖

(e)YHG-1 200×160 mm實心車軸聲場放樣示意圖

1.3 基于相控陣技術的車軸探傷仿真研究

超聲檢測工藝包括探頭參數的設計和檢測參數配置的確定，而從經濟成本和時間成本上考慮﹐使用所有探頭來實際試驗驗證是不現實的，因此采用模擬仿真軟件來進行檢測仿真、確定工藝并最終進行實際驗證[3]。本文使用CIVA聲學仿真軟件，通過模擬樣板軸上真實缺陷分布及當量大小驗證相控陣超聲探頭參數設計的合理性以及對于傷損的檢出能力；另一方面通過減小缺陷當量來驗證系統對于1 mm深刻槽的檢出能力。

1.3.1 CDC-16 1、2驅動軸仿真

在無損檢測中實物試塊用來確保檢測結果更加精確，評判缺陷更加方便，是根據相關標準的要求和現場檢測工況，而設計的試塊，是調節探傷靈敏度、評定缺陷當量大小的依據[4]。大型養路機械實心車軸半軸試塊在車軸軸徑過渡圓弧處、輪座內外側、軸身和齒輪座內外側分別設計了不同深度的環形刻槽缺陷，用以方便探傷靈敏度標定，加快檢測速度，提高檢測精度。缺陷設計原理圖及缺陷當量大小如圖8所示。

圖8 半軸試塊原理圖

CIVA仿真實心車軸傷損設計參照半軸試塊人工缺陷分布及當量設計。以CDC-16 1、2驅動軸工件為例子進行模擬仿真，缺陷設計如下：軸徑過渡圓弧處裂紋設置于軸徑，距離軸端距離176 mm，環形刻槽缺陷深度1.5 mm(見圖9)；輪座處裂紋于輪座外側和內側，距離軸端距離分別為289 mm和414 mm，環形刻槽缺陷深度分別為2.0 mm和3.0 mm(見圖10)；軸身處裂紋于輪座和齒輪座之間，距離軸端距離為530 mm，環形刻槽缺陷深度為4.0 mm；齒輪座處裂紋于輪座外側和內側，距離軸端距離分別為1 004 mm和1 074 mm，環形刻槽缺陷深度為5.0 mm(見圖12～13)。

相控陣探頭位于軸端中心孔和螺栓孔之間，頻率5 MHz，陣元數量32，陣元間距為0.6 mm。檢測的角度為0°～20°，正向旋轉移動一周。以樣板軸上距離軸端距離176 mm，環形刻槽缺陷深度1.5 mm的軸徑缺陷反射波幅計為0 dB，各位置缺陷反射波幅如圖9～13所示。

圖9 CDC-16 1、2驅動軸軸徑缺陷檢測

圖10 CDC-16 1、2驅動軸軸輪座內側缺陷檢測

圖11 CDC-16 1、2驅動軸軸身缺陷檢測

圖12 CDC-16 1、2驅動軸齒輪座外側缺陷檢測

圖13 CDC-16 1、2驅動軸齒輪座內側缺陷檢測

基于CIVA軟件仿真計算CDC-16 1、2驅動軸聲束傳播和聲束與裂紋缺陷之間的相互作用結果表明，利用相控陣探頭的方式進行實心軸軸身缺陷檢查，能有效檢出軸徑、輪座內外側、軸身和齒輪座內外側等不同距離位置、尺寸的缺陷。

1.3.2 YHG-1200X驅動軸仿真

為了驗證相控陣超聲檢測實心車軸遠距離1 mm深環形刻槽缺陷能力，以YHG-1200X軸為例(見圖14)，分別在軸身597 mm處(見圖15)和齒輪座外側1 032 mm處(見圖16)布置深度為1.0 mm和2.0 mm環形刻槽缺陷。相控陣探頭位于軸端中心孔和螺栓孔之間，頻率5 MHz，陣元數量32，陣元間距為0.6 mm。檢測的角度為0～20°，正向旋轉移動一周。

圖14 YHG-1200X軸位置缺陷反射波幅

圖15 YHG-1200X軸身裂紋檢測

圖16 YHG-1200X軸齒輪座外側裂紋檢測

仿真結果如下：相控陣超聲對于實心車軸遠距離1.0 mm深表面裂紋依舊具有很強的檢出能力。但位于車軸中心附近位置的1.0 mm環形刻槽缺陷仿真檢測靈敏度較軸徑處1.5 mm環形刻槽缺陷檢測靈敏度有9 dB左右下降。而軸身中央區域2.0 mm深表面裂紋檢出靈敏度較軸徑1.0 mm深表面裂紋檢測靈敏度只下降了1.8 dB，可以正常檢出。

1.4 實心車軸樣板軸相控陣檢測測試

利用樣板車軸具有車軸結構復雜缺陷數量多、尺寸小、聲程遠等特點，將相控陣超聲探頭放置于軸端中心孔與螺栓孔之間區域，檢測該樣板軸I端所有缺陷。通過對樣板軸的手工測試(見圖17)，樣板軸上20個缺陷全部檢出，且透聲性能良好，驗證了相控陣超聲波探頭的布局及檢測能力。

圖17 樣板軸缺陷相控陣檢測驗證

2 設備組成及功能

2.1 設備組成

大機車軸相控陣探傷裝置由移動式小車平臺、便攜式主機和掃查器(見圖18)組成，其中移動式小車(見圖19)主要由小車驅動裝置、小車運動控制器、供電電源、報警指示燈組成；便攜式主機包括超聲主機、掃擦器控制器、電源模塊、超聲航插等組成；掃查器主要由相控陣超聲波探頭和電磁自動吸合單元、掃查器吸合復位按鈕燈組成。

圖18 掃查器 圖19 移動式小車平臺

2.2 設備功能

1)在線全自動檢測實心車軸缺陷，無需拆解輪對，無需更換探頭。

2)電動檢測小車平臺，滿足庫內檢測工況。

3)相控陣超聲全覆蓋掃查、檢測效率高，兼容性好。

4)探頭載體轉動速度和方向可調。

5)具備A掃、B掃、車軸展開圖等多視圖自動關聯顯示、存儲及回放功能。

6)自動生成缺陷檢測報告，自動繪制缺陷分布圖。

7)掃查器自動貼合軸端面，探頭夾具自適應耦合。

8)檢測結果存儲、查詢、統計、對比、打印以及數據聯網管理功能。

3 大型養路機械車軸探傷應用實踐

3.1 樣板軸探傷應用效果

大機車軸相控陣探傷裝置對常見的DCL32、DWL48(見圖20)、CDC16、WD320、DCL32、WY100III(見圖21)等大型養路機械實心車軸開展了樣板軸測試，各樣板軸缺陷全部正常檢出，無漏檢，且缺陷檢測信噪比均大于12 dB，充分驗證了設備超聲探測實心軸領域內的種類覆蓋范圍、缺陷檢測能力等設備性能。

圖20 DCL32-1/2、DWL48兩種半軸試塊測試結果

圖21 WD320、WY100III兩種半軸試塊測試結果

3.2 實車車軸探傷應用效果

設備在大型養路機械段現場已累計檢測DCL-32、WD320、CDC16、WY100III、DC32(見圖22～23)等實心軸20余種996批次，設備環境適應性、超聲覆蓋范圍、缺陷檢測能力、探傷效率等得到現場充分的驗證。

圖22 現場檢測大型養路機械實心車軸案例

圖23 DC32、WD320實心車軸探傷效果

4 結語

大機車軸相控陣探傷裝置采用相控陣超聲探頭布局，設備自動化程度高、性能穩定、超聲覆蓋范圍廣，檢測能力優于鐵路既有探傷規程的要求，可避免手工探傷帶來的漏檢、漏判，設備相較于當前手工探傷具有顯著的技術優勢。