车轮轮辋检测超声探头的研制

AbstractThe design and manufacturing processes of ultrasonic TR probes for manual and automatic inspection of the wheel rims were introduced. The TR probes are made, which has high sensitivity, small blind zone and high S/N ratio. A good result has been obtained on site testing for the wheel rims.
Key wordswheel rim crack TR probe
列车经过一段时间的运行，由于疲劳或其它原因，车轮的轮辋部分会产生裂纹或其它缺陷，而这些缺陷，尤其是裂纹还会在列车运行中不断长大，因而危害极大.目前我国对轮辋裂纹的检测还停留在锤敲、耳听、眼看上，这很难适应目前铁路运输的发展.世界各国广泛采用超声波探伤方法来检查轮辋裂纹，但由于其运营特点及探伤重点与我国不同，因此有必要研制适用于我国车轮轮辋检测的超声波探头.
经过调研，这些裂纹基本都是在距车轮踏面10～30mm范围内，且在15～20mm范围内比例最大，其方向都是沿轴向、弦向生长.

1确定探头及探测方式

根据裂纹方向性特点，选用了三种探头从车轮踏面方向进行探测，分别采用水浸聚焦直探头、一般直接接触直探头、直接接触TR(发射-接收)直探头(这不同于国外，国外主要从轮辋侧面探测).经过对几对有裂纹轮对轮辋检测试验，发现水浸聚焦直探头由于水延迟层的衰减和车轮圆弧表面声束的发散，其灵敏度很低.一般直接接触直探头灵敏度要比直接接触TR探头低了3～4dB，盲区要比双晶探头大于5～10mm，且其保护膜很硬，耦合不好，因此最终选用TR直探头直接从车轮踏面方向探测.由于车轮踏面比较光滑，用机油、皂化液均可作耦合液，耦合效果良好.另外，考虑到有些裂纹方向不完全平行于轴线，也采用TR直探头从轮辋侧面对轮辋探伤，以补充踏面探伤的不足.

2手动探伤TR探头的设计

TR探头是?嗣植蛊胀ㄖ碧酵诽讲饨?砻嫒毕莸拿で?蟆⒎直媛实偷娜钡愣?杓频模??嗟庇诹礁鎏酵返淖楹希?屑溆酶羯?愀艨?font face="Times New Roman">.为了缩短在工件中的近场区，采用了有机玻璃延迟块，将两个晶片以较小的倾角对称地粘在延迟块上，一个用于发射超声波，另一个用于接收来自工件的反射声波.若两个晶片同时发射超声波束，其交叉覆盖的区域即为双晶探头的探伤区.根据不同探测深度的要求可选择不同入射角α，工件中有效探测区域中心到耦合表面的距离δ可用下式〔1〕表示

式中α为发射晶片和接收晶片与被检工件表面的交角，即入射角；u为压电晶片中心到隔声材料的距离；L为由压电晶片中心计算的延迟块高度；c1、c3分别为延迟块材料和工件材料中的声速.

2.1轮辋参数及探测要求

轮辋宽h＝135mm，轮辋厚(D-D1)/2＝65mm，声速c3＝5 900m/s，要求探测盲区≤5mm，从车轮踏面方向探测，重点深度10～30mm.

2.2探头参数的选择

选择PZT晶片，频率2.5MHz，尺寸10mm×12mm；隔声层采用软木，厚1mm；延迟块选用有机玻璃，c1=2 700m/s，L=5mm，u=5mm.
(1)踏面探头，探测范围5～65mm，α=5°，δ=23.5mm.
(2)侧面探头，探测范围5～135mm，α=2°，δ=63mm.

2.3探头的制作及与仪器的匹配

①焊电极线，要求焊点牢固，焊点小而圆，焊接迅速，否则影响探头性能；②在有机玻璃延迟块上粘接晶片，粘接层应无气泡，薄、均匀且牢固；③粘隔声层；④浇注背衬：配方为200目钨粉∶环氧树脂∶二乙烯三胺=3∶1∶0.1(重量比).首先将前二者加热搅匀，冷却至30℃以下再加入环氧树脂的固化剂二乙烯三胺，搅匀后即可浇注在晶片背后，注意浇注温度不能超过40℃，否则晶片灵敏度将下降4dB以上.
探头与仪器的匹配浇注背衬后的探头已可以使用，但由于与仪器不匹配，还需在发射端并联一个电感.无电感时发射探头等效电路如图1(a)所示，当f=f0=1/(2πLC)时，晶片产生的电共振与机械共振一致，振幅最大，L、R、C支路电抗分量抵消呈纯阻.此时若忽略R0(一般很大)的影响，可画出等效电路见图1(b).可见，由于

图1等效电路图

C0的存在，使信号源电流I不能完全流入R支路，由于无功分量I0的存在，探头的功率因数降低，灵敏度变低.因此，若在C0支路并联一个电感L0，把电容C0影响抵消，就可以使发射能量几乎全部加在R、L、C支路上得到最大发射功率，加电感后等效电路如图1(c)所示，电感值计算公式如下〔2〕

对于压电晶片C0=εs/d.式中d为晶片厚度(mm)，ε为介电常数(F/m)，s为晶片面积(mm2).其中ε在不同条件下有不同值.在振动时由于压电效应，晶体内产生了完全不流动的电荷，减弱了介电位移，相当于减小了介电常数，且ε振动=ε静止(1-k2)(k为机电耦合系数).因此C振动小于C静止(万用电桥测量值)，计算出的电感L0则比灵敏度最高时的实测最佳电感量小，这与试验一致.
通过实测并联不同电感后?3mm平底孔回波高度变化，可以找出最佳电感值，我们所制TR探头并联电感值为10μH左右.此时不仅缺陷回波最高，而且可以消除由于信号传输过程中反射造成的杂波，从而提高了信噪比.

2.4探头测试

测试设备：测试采用CST-22型超声波探伤仪和平底孔试块，孔径?3mm，探测深度2～200mm，测量数据见表1.

表1手动TR探头测试数据(80%波高时dB值)

由表1可见，5°TR探头最大灵敏度达53dB，出现在23mm深处，这与设计完全吻合，且在5～65mm范围内灵敏度≥35dB，盲区≤2mm，完全满足探伤用探头标准要求；2°TR探头最大灵敏度达52.5dB，出现在47～50mm范围内，不在设计深度64mm处.这是由于探测深度较大，引起声衰减所造成的.尽管如此，在63mm处灵敏度也很高，大约47dB，在探测范围5～165mm内，灵敏度都在30dB以上，盲区≤2mm，也满足探伤要求.
由上可见，所研制的探头完全符合探伤要求，并且用所研制探头对现场两个有裂纹车轮轮辋进行了探伤，效果很好.

自动探伤探头与手动探伤探头的区别主要在于手动探头靠手来移动探头，可以很方便地用一个探头扫查到工件的任何部位，而自动探伤要使探头扫查到所有部位有两个解决方法：①用一个探头，通过探头和工件复杂的相对运动来实现完全扫查，针对轮辋则需要在车轮转动的同时探头作轴向移动.缺点是机械运动机构复杂，探伤速度慢.②用几个探头一次扫查全部轮辋区域，只需车轮转动.优点是机械运动机构简单，但探头较多.我们选用后一种方法，用两排六个探头从踏面方向检测，同时用两排四个探头从侧面检测.采用两排的目的是让探头交叉错开放置，使探头之间扫查区交叉，以消除漏检.
图2是踏面、侧面探头在探测轮辋时的位置，这样车轮转一圈就可以扫查轮辋的全部.
对于侧面探头，由于接触面是平面，所以每个探头的设计制作与手动探头完全相同，只将晶片改为10mm×18mm即可.而踏面探头的接触面是圆弧，且探头轴线并非接触点处之法线，如图3所示，这样接触面变成一条线，超声波无法进入轮辋进行探伤.解决办法是将探头也做成一个斜面，通过调整发射和接收角使探测中心线正好是此处轮辋的法线.

图2踏面、侧面探头探测位置图3踏面探头的调整

首先计算出斜角为2.45°，根据手动探头入射角α=5°，由c1/sinα=c3/sinβ求出折射角β

表2踏面自动探头测试数据

=11°，然后算出发射和接收晶片的折射角β发＇和β收＇及入射角α发＇和α收＇，即β发＇=β-2.45°=11°-2.45°=8.55°，
β收＇=β+2.45°=11°+2.45°=13.45°，
由c1/sinα发＇=c3/sinβ发＇，得α发＇=3.9°，
由c1/sinα收＇=c3/sinβ收＇，得α收＇=6.11°.
我们用调整角度后的设计制作了6个探头，以1号探头为例，性能测试结果见表2.
由表2可见：①探头盲区2mm，符合5mm轮辋探伤盲区的要求；②探头最大灵敏度位于23～26mm处，与设计吻合，且灵敏度可达52～54.5dB；③整个探测区5～59mm内灵敏度≥35dB，完全符合要求.

4结束语
自制的手动和自动车轮轮辋超声波检测用TR探头，灵敏度高，盲区小，信噪比高，在现场车轮轮辋探伤中取得了良好的效果.

参考文献