TLL-16型輪輞自動探傷機多角度B掃描成像技術研究

王吉勇,黃永華

(中國鐵路上海局集團有限公司合肥車輛段 安徽合肥 230011)

黃永華(1975-)男，中國鐵路上海局集團有限公司合肥車輛段,高級工程師，從事鐵道車輛(客車)檢修。

《鐵路客車輪軸組裝檢修及管理規(guī)則》(鐵總運〔2013〕191號)規(guī)定輪輞“不允許存在徑向裂紋缺陷”。踏面徑向裂紋是指裂紋面垂直于踏面的裂紋，一般包含有兩種：第一種是垂直于踏面且平行于車軸方向分布(簡稱軸-徑向缺陷)，第二種是垂直于踏面且沿車輪圓周方向分布(簡稱周-徑向缺陷，見圖1)。兩種特征的徑向缺陷在輪軌接觸作用力下會進一步擴展和惡化，嚴重時可能導致掉塊和輞裂，對車輪運用造成了較大風險。

圖1 輪輞周-徑向缺陷

各客車車輛段為了防止車輪“帶傷”上路，均裝備了輪對探傷設備對車輪踏面進行探傷防控。輪對探傷設備一般以踏面為檢測面進行探傷，目前常見的探頭布置有直探頭和大角度探頭兩種，這種探傷方式對缺陷面平行于踏面的缺陷和軸-徑向缺陷有相對較強的檢測靈敏度，但對周-徑向缺陷探測能力較弱，在日常檢修過程中存在漏檢的風險。

1 研究思路

目前設備上使用的雙向70°橫波探頭放在踏面上，向車輪圓周的正反兩個方向發(fā)射超聲波，在實際使用中檢測軸-徑向缺陷效果較好。但這種形式擺放的探頭不能檢出周向徑向缺陷。

針對問題現(xiàn)狀，嘗試采用縱波直探頭放在輪輞內側面進行探傷的可行性，增加采集輪輞內側探頭的超聲信號形成B掃描圖像，以踏面展開圖直觀顯示缺陷在踏面的投影，反映缺陷在輪輞圓周上的分布形式和尺寸，以及在輪輞寬度上的分布形態(tài)和位置信息。并和現(xiàn)有其他踏面探頭的圖像呈現(xiàn)在一個屏幕上，以便進行復合鑒別。對側面檢測探頭的全部A超信號進行實時存儲，以便于后期追溯，也可以結合傳統(tǒng)的A超當量法進行綜合判斷。

2 研究目標

針對問題，設計用于客車輪輞側面探傷的裝備與方法，并制作相應的探傷標樣。

設計的探頭和相應的定位耦合裝置能與現(xiàn)有的輪輞探傷機實現(xiàn)I/O信號數(shù)據(jù)相連。

3 主要研究內容

1)探頭與夾持設計

根據(jù)總體目標，結合現(xiàn)有的輪輞探傷設備的實際狀況，設計加工探頭、探頭夾持機構以及自動定位機構。在現(xiàn)場進行試驗、修改、完善，做到動作平穩(wěn)準確，探頭耦合可靠，磨損小、耐用。

2)軟件設計

設計新的軟件系統(tǒng)。在顯示方式、操作方式、判傷方法等方面和有關方密切協(xié)作，使新系統(tǒng)更加人性化、更加先進、更加可靠，該軟件系統(tǒng)設計方案如下：

(1)保留現(xiàn)有輪輞探傷機的全部功能、操作流程和探傷工藝。加入新的功能不影響原有各項功能的使用，可以選擇使用新的功能，也可以選擇不使用。不更改原有探傷相關表格文件，不影響原和改變有聯(lián)網(wǎng)功能。

(2)使用更大和分辨率更高的顯示器，以便為新添加的側面檢測圖像提供足夠的顯示空間。

(3)修改校驗程序，添加側面檢測探頭的校驗過程。

(4)修改檢測程序，在正常的檢測過程中同時采集和處理側面檢測探頭的超聲數(shù)據(jù)。

(5)增加自動監(jiān)控功能，對側面檢測探頭的狀態(tài)進行自動監(jiān)控和故障報警。

(6)增加管理功能，對側面檢測探頭的參數(shù)進行設定。增加探頭調試內容，對側面檢測探頭的超聲參數(shù)進行設定和調試。

3)試樣輪的設計

制作用于側面探傷的人工缺陷標樣輪對，進行相關試驗，最終將適合的側面探傷人工缺陷，直接做到現(xiàn)有的標樣輪對上。

4 項目實施

4.1 探頭與夾持裝置的制作

設計在輪輞的內側面放置一個縱波、零度、垂直入射(或小角度)的組合式平探頭，探頭的位置沿車輪直徑方向可調。其位置既可選擇在入射聲束剛好經(jīng)過輪輞踏面下且貼著踏面的位置，也可以選擇在其它位置。探測設計原理見圖2。

踏面向下20毫米以內的位置是最容易發(fā)生待檢缺陷的位置也是探傷重點關注的位置，通過調整探頭來實現(xiàn)對缺陷的檢測。通過反復測試，最終采用2.5MHz，Φ20mm的探頭。

探傷結果用灰度256級B超圖像顯示，相當于缺陷的踏面投影，顯示缺陷在輪輞寬度的位置和輪輞圓周的位置，以及缺陷沿輪輞圓周的分布超度和回波強度。位置精度約為1 mm。側面檢測探頭的A超數(shù)據(jù)和其它原有探頭的A超數(shù)據(jù)一起全部存儲，供日后追溯查驗。

圖2 探測設計原理圖

4.2 標樣及人工缺陷

原有的客車輪輞檢測標樣輪對上制作新的人工缺陷，這樣對現(xiàn)有標樣輪對上其它在用人工缺陷沒有影響，同時也不容易發(fā)生識別錯誤。人工缺陷是三個從踏面垂直向下的槽孔，大小一樣，長20 mm，深度5 mm，寬度0.2 mm。槽孔的位置，定在踏面寬度的50 mm、70 mm及90 mm部位。標樣及人工缺陷的位置形狀尺寸見圖3。

圖3 標樣及人工缺陷圖

4.3 機械掃查機構

為了能在現(xiàn)有的輪輞探傷設備機械結構基礎上實現(xiàn)對輪輞側面的檢測，需增加一套側面檢測機構。新加的機構通過彈簧使探頭緊貼輪輞內側面。探頭的位置可以沿車輪直徑方向調節(jié)。車輪加載落到轉輪器的過程中，會首先碰到定位斜鐵，在它的作用下探頭會向一邊退讓，不會造成損傷。當車輪加載到位后，探頭剛好貼合在輪輞內側面。探頭位于水箱的水位線以下，耦合機制相當于浸液法。機械結構見圖4。

圖4 探傷機械結構圖

4.4 軟件設計

在原有的操作界面上新增兩個側面檢測探頭的B超顯示區(qū)域以及這兩個檢測通道參數(shù)設置功能。對原有的軟件作如下更新：

1)日常檢測界面更新

在日常檢測界面內增加了兩個顯示側面探傷結果的圖像區(qū)域，一個在左輪圖像區(qū)域的下面，一個在右輪圖像區(qū)域的下面。

2)日常校驗界面更新

在日常檢測界面內增加了兩個顯示側面探傷結果的圖像區(qū)域，一個在左輪圖像區(qū)域的下面，一個在右輪圖像區(qū)域的下面。

3)探傷儀校驗菜單更新

在此菜單中有多個選項，例如“日常檢測初始設置”、“日校驗初始設置”等，用來設置在不同狀態(tài)使用的探傷儀參數(shù)。

4)系統(tǒng)參數(shù)設置界面更新

在這個界面中增加了側面檢測探頭選項，選擇是否使用側面檢測探頭。

5)標準參數(shù)設置界面更新

在界面中增加與側面檢測探頭相關的選項，使得對側面檢測探頭有可以分別設定校驗波高，補償增益等參數(shù)。

5 結論

本研究在現(xiàn)有輪輞C掃描成像設備基礎上進行局部機械改造，在原設備探傷功能基礎上增加了探傷范圍，拓展了系統(tǒng)軟件，實現(xiàn)了對輪輞內部圓周方向徑向裂紋缺陷及具有類似特征缺陷的檢測；

新設計的系統(tǒng)系統(tǒng)軟件實現(xiàn)了上述類型缺陷的探傷數(shù)據(jù)B型圖像化顯示，并具備A型數(shù)據(jù)實時存儲和回放，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)綜合管理，預留了對外輸出接口，可與其他管理軟件兼容；

研究項目實施半年，經(jīng)過多次測試，積累了大量試驗數(shù)據(jù)，證明了該方案的可行性可靠性。同時也為提高鐵路客車運用安全性，在路內各客車車輛段及客車造修工廠推廣，應用于客車廠、段修車輪輪輞探傷提供了示范引領作用。