超声波探伤仪在CRH动车组空心轴探伤中的应用
发表时间：2014-11-01 20:22 作者： 来源： 浏览：
高静涛，郑建平，张云伯，顾杰
摘要：CRH动车组列车以其运行速度快、启动时间短而著称。动车组列车最大的特点就是动力分散和使用空心车轴工艺。空心车轴最大限度的减轻了车体自身的重量，而且增强了车轴本身的强度和韧性，为提升列车速度提供了条件。由此带来的空心轴探伤检测任务就尤其显得重要，而且空心轴探伤也已成为确保动车组列车运行安全的重要保证。
关键词：超声波探伤，动车组，空心轴
中图分类号：U207.7 文献标识码：B 文章编号：
0 引言
“4.18”提速调图至今已经五年多的时间，CRH动车组已经顺利引进到我国的铁路运输中，成为我国高速铁路的代言。目前我国CRH动车组普遍采用空心车轴，这样既可减轻动车组车体的自重，又能提高动车组的速度。车轴是整个车体走行部的核心，对空心轴的探伤就不容忽视，它关系到动车组能否安全运行。
北京铁路局现有德国空心轴探伤设备5台，均应用了超声波检测技术，从空心车轴内部进行检测探伤，是探伤作业的重要保障。
1 超声波探伤原理
超声波是一种振动频率大于20KHz的机械波，它具有波的一切特性。超声波探伤主要是利用超声波在弹性介质中传播遇到异质界面时的反射效应，根据发射波的回波声压大小来进行判伤并完成相应的测量任务。动车组空心轴探伤的任务有二：一是空心车轴有无缺陷的判断；二是当判断出空心车轴有缺陷以后，就要确定其位置和大小，进而评价其是否对动车组行车安全造成威胁。
1.1 脉冲反射法
（1）一次脉冲反射法
一次脉冲反射法，就是以一次底波为依据进行探伤的方法。其原理是脉冲波发生器产生的高频电脉冲（发射波）加在探头和放大器上，激励压电晶片振动，使之产生超声波[1]。超声波以一定的速度向工件内部传播，一部分声波遇到缺陷时反射回来，另一部分声波继续传至工件底面后也反射回来，由缺陷及底面反射回来的声波被探头接收时，又变为电脉冲波。发射波、缺陷波及底波经放大器后，在显示屏上显示，显示屏上的水平亮线为扫描线（时间基线），其长度与时间成正比，由发射波、缺陷波及底波在扫描线上的位置，即可求出缺陷的位置。由缺陷波的幅度，可判断缺陷的大小（缺陷面积大时，幅度高），由缺陷波的形状（有时需移动探头，观察缺陷波的变化），可分析缺陷的性质。
当缺陷面积大于声束截面时，声波全部由缺陷处反射回来，显示屏上只有发射波及缺陷波，而无底波。当工件中无缺陷时，显示屏上只有发射波及底波。
(2)多次脉冲反射法
多次脉冲反射法是以多次底波为依据，进行探伤的方法。声波由底部反射回至探头时，一部分声波被探头接收，另一部分声波又折回底部，这样往复反射，直至声能全部衰减完为止。若空心轴上无缺陷时，则显示屏上出现呈指数曲线递减的多次反射底波。当空心轴上有吸收性缺陷（如疏松等）时，声波在缺陷处的衰减很大，底波反射的次数减少，甚至消失，以此判断有无缺陷及严重程度。
如果被探伤工件为板材时，为了观察方便，一般常用多次脉冲反射法探测，当缺陷面积甚大时（非吸收性缺陷），只有缺陷的多次反射波，而无底波。
用纵波探测时，有时也可用组合双探头，一个探头发射声波，另一个探头接收声波。使用单个探头，发射波直接加到放大器上，使放大器“阻塞”，不易发现近距离的缺陷，而使用双探头一个接收、另一个发射来探测时，可改善“阻塞”现象，减少盲区。有时，可将两个晶片装在一个探头内，作发射及接收声波之用。
1.2缺陷显示方式[2]
（1）A型显示
A型显示是一种波形显示，显示图像坐标系中的横坐标代表波的传播时间（或距离），纵坐标代表反射波的幅度。由反射波的位置可以确定缺陷的位置，有反射波的幅度可以估算缺陷的大小。
（2）B型显示
B型显示是一种图像显示，显示图像坐标系中的横坐标是靠机械扫描来代表探头的扫描轨迹，纵坐标是靠电子扫描来代表声波的传播时间（或距离），因而可以直观地显示出被探空心车轴任一纵截面上缺陷的分布及缺陷的深度。
（3）C型显示
C型显示也是一种图像显示，显示图像的纵、横坐标都是靠机械扫描来代表探头在空心轴内表面的位置。探头接收信号幅度以光点灰度表示，或者以不同的颜色表示。因而当探头在空心轴内表面移动时，显示出的图像是空心轴内部缺陷的平面图像，但是不能显示缺陷的深度。
1.3对比试样轴
对比试样轴就是指它的材质、形状、几何尺寸、性能等是由国际组织讨论通过的，或是由国家的权威机关讨论通过的，用来调节、校验超声波空心轴探伤设备的灵敏度以及测试和校验探头的准确性的带有标准缺陷的空心车轴。
CRH系列空心车轴探伤用对比试样轴是用来在实际探伤前对动车组空心车轴探伤设备进行灵敏度标定和对设备性能实施全过程监控的重要装备。图1，图2所示分别为CRH3型对比试样轴动轴和拖轴。
图1 CRH3型对比试样轴动轴
图2 CRH3型对比试样轴拖轴
2 HAT-M型超声波空心轴探伤机
2.1 系统功能
HAT-M型移动式空心轴探伤设备主要由带有探头的推进设备和可移动运行的操作箱组成。在移动运输状态下，所有的部件需要收在操作箱内。开始进行检测时，将带有平衡器的伸缩手臂拉出来，转到前方。然后将推进设备挂在升降机构上。通过插头将电线引导软管连接在推进设备上。设置好电子连接并启动操作程序之后就会自动对整个测量设备的初始状态进行检验。
检测轮轴时，需要将探头通过专用链条推进需要检测的钻孔内。同时需要旋转检测头开关。由此检测头在钻孔的表面上完成螺旋形运动，可以充分地检测轮轴材料的裂缝情况。
通过停靠位置用的传感器，可以监控探头在引导管内的初始位置。这样可以确保探头始终进去，没有油料溢出。
启动推进设备时，第二个传感器就会探测出路径测量的0位置。在该位置上可以设置0数值的确切路径。这里的零点位置还可以用来确定超声波数据的展示。因此可以实现真实情况和超声波数据展示情况之间的一致性。
油料供应在驱动装置推进轮轴的前10秒进行。这样才能确保在检测开始时油料流持续进入检测头中。油料流会根据钻孔直径通过泵机转数自动调节。
启动检测头驱动装置后，旋转检测头开关，开始进行检测工作。这样可以确保油料供应充足。油位，油温和泵机转数会受到持续监控。
路径测量可以用来精确确定探头在空心轴内的位置。为此需要使用驱动系统中的步进式旋转发送器，用于推进链条。检测头在检测进行过程中最好始终保持240毫米/分钟的推进速度。
为了满足各种不同的要求，推进速度调节在60～300毫米/分钟的范围内。为了无需检验就克服更大的距离，可以将推进和后退速度提高到900毫米/分钟（超速传动）。
探头的相应最大终端位置依据给出的空心轴数据进行设定。为了确保安全，设置了一个终端位置开关，将最大推进路径限定在2800毫米。如果探头在检测过程中遇到障碍物，例如轴端的顶盖，驱动设备中的电流极限值和驱动系统中的滑动离合器会防止由于超载造成的损害，所有驱动设备会立即中止运行。
探头到达规定的相应终端位置，油料供应会关闭，推进驱动设备的旋转方向会调转过来。探头将按照900毫米/分钟的最大速度进行回移。
如果需要具体研究单个错误和缺陷（即：精确扫描）的话，可以通过手动输入所需定点的位置数据将探头设置为超速传动状态。到达检测位置，会启动油料供应和检测头驱动设备。探头会根据操作人员的设定按照预定检测速度在空心轴内运动。检测获得的测量数值会被记录及图像化显示出来。测量进程结束之后，油料供应会关闭，探头将按照最大速度进行回移。
当推进设备的探头返回停放位置时，检测进程结束，穿过0点位置，返回速度会降低下来。额外设置的终端开关可以监控未能穿过停放位置的情况，这样可以避免功能失灵造成的损害。
检测进程结束之后，可以将推进设备从转接器上松开，而且可以将转接器从空心轴上卸下，将空心轴重新闭锁。
2.2 软件功能
在测试软件启动后出现的主程序主要包括下述功能：
（1）调取测试系统参数。
（2）调取测试模块，包括超声波查看器，以便使测试结果，以及通过手工测试和分析的操作方式评估测试数据的其它途径可视化。
（3）调取调整操作。
（4）通过IRMS数据库归档并管理测试结果。
（5）更换探头系统模块的功能。
（6）监控所有传感器的状态。
（7）事件记录器，可以将设备所发生的错误信息等重要时间按时间顺序记录在计算机中备查。
2.3 硬件系统
超声波前端模块包含16个测试通道[3]。微型结构形状使整体测试系统可以安装在微小的空间内。除了16个通道的发射和接收电子装置之外，电路板上还有一台使用QNX操作系统的完整Power-PC，从而与大容量的FPGA和存储电子装置共同组成了一部完全自我供给的超声波仪器。为了节省空间，在电路板设计中采用了BGA（Ball Grid Array）技术。该方案允许数据分析算法的快速实现及修改。Ethernet界面（通信协议为：TCP/IP）允许在工业环境条件下可靠地连接多个前端模块，并且与测试规划、测量数据获取、结果分析、结果显示以及记录归档等上一级计算机系统进行数据交换。
测试电子装置的发射和接收通道可以在任意组合下进行操做。深度平衡模块允许输入DAC曲线。
探头系统模块伸出的探头电缆通过Lemo03插接连接器与超声波电子装置前面板连接。超声波前端电子装置的参数化以及将测试数据传输到测试计算机是通过数字Ethernet实现的。
在测试空心轴时由于横截面过渡带可能会产生形状回声，所以在标注数据时采用的一种方法可以区分形状回声和缺陷回声，它们在超声波信号中可以是紧密相邻的。从而可以在早期阶段查明可能存在的缺陷。
为了达到高要求的信号分辨率，在每个测试位置上采集数据时均绘制了完整的A图像。接收的高频超声波信号在这种数据绘制方式中先进行数字化，然后再在A图像像素的可选数量中进行分配。如果在像素范围内数字化的震荡值高于第一个和最后一个震荡值，则该数值会被保存。如果达不到这些条件，则像素范围内的第一个震荡值将作为测量值予以保存。
在绘制的像素化A图像中的分辨率以及数据压缩率可以依据测试任务的要求通过可调节的像素宽度进行选择。对于任何测试通道而言，最多可以利用2个独立调节的测量范围。每个测量范围均符合A图像中的可选行程范围。
某个测试周期的分辨率是通过一台循环触发器脉冲（CTP：Cycle Trigger Pulse）根据位置进行的。它由一个串联数据流构成。它包含探头系统模块的径向位置和轴向位置，位于探头系统零点。CTP脉冲由坐标前端生成，并且通过一条CTP信号线导向推进单元内的超声波前端模块。
2.4 对比试样轴探伤
根据周期循环中测试间隔的次数，在数据采集过程中显示多达四个测试间隔的A图像，以及一个选定间隔的B图像或C图像。确定显示测量数据目标的方式以及确定测试间隔的选项可以通过基准参数化确定。
在A图扫描下方的窗口内显示探针在探头系统零点上的轴向坐标和切向坐标。
在空心轴的探伤B、C图图像中回声高度的显示通过色标进行，色标中的每一种颜色均被定义了一个振荡范围。色标中红色调标注范围的起始端表示的是寄存极限。在寄存极限以内，颜色均标为灰色调。
图3对比试样轴A、B图探伤图像
（上面为A图、中间为探伤进度、下面为B图）
在B图像中显示了简化的轴轮廓，如果选择了C图像的在线窗口，则横向截面以直线的形状进行投射。
图4对比试样轴A、B图探伤图像
（上面为B图、中间为试样轴轴界面、下面为C图）
为了测定显示的位置，在探伤图像窗口下边缘的信息栏内将显示鼠标指针在轴向和深度方向的B图像的位置（位于孔表面），以及在轴向和切向的C图像的位置。信息栏还包含其它关于显示的测试间隔以及寄存极限位置（以%为单位）的说明。
3 结论
北京铁路局配属CRH2型，3型，5型动车组112列，空心车轴的探伤作业是确保动车组安全运行的重中之重，而5台HAT-M型超声波空心轴探伤设备的投入使用，为确保空心轴探伤质量提供了不可替代的作用。
参考文献
[1] 邱晨.机车轮对超声波智能探伤系统.大连铁道学院硕士论文.
[2] 徐大专，樊迅，潘雄.虚拟超声波探伤仪关键技术研究.无损检测,2000.4(24).
[3] HAT-M型动车组超声波空心轴探伤机技术说明
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