CN102866203A - 一种实心车轴的相控阵超声检测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种实心车轴的相控阵超声检测装置及方法，适用于各型实心车轴的检测，分别在车轴端面和轴颈部位布置相控阵超声波探头，在车轴端面的相控阵探头中心距车轴端面圆心的距离为35mm~60mm，发射和接收角度为-40°到40°；轴颈部位相控阵探头中心与车轴端面间的距离为55mm~252mm，发射和接收角度为30°到70°。与现有技术相比，本发明能够对车轴轴颈、轮座、齿轮座、抱轴颈、轴身等部位全覆盖检测，使用相控阵探头数量少，探头无需来回移动，检测效率高，适应多种不同的轴型，不需要人工干预。

Description

一种实心车轴的相控阵超声检测装置及方法

技术领域

本发明涉及车轴探测领域，确切地说是指一种实心车轴的相控阵超声检测装置及方法。

背景技术

随着铁路运输向高速、重载方向发展以及机车段维修公里的延长，对机车走行部质量提出更高的要求。车轴是机车机械走行部关键部件之一，在运行中起着向钢轨传递静载荷、牵引力和制动力的作用，另外还刚性承受来自钢轨接头、道岔、线路不平的垂直和水平作用力，是一个受力复杂、工作条件恶劣的部件，迫切需要对车轴内部和外部缺陷进行检测。因此为避免有缺陷的车轴在运行时发生事故，确保列车行驶的安全，需要对车轴轴颈、轮座、齿轮座、抱轴颈、轴身部分进行探伤。目前，国内外对车轴的缺陷进行无损检测的方法主要是电涡流检测、磁粉探伤、超声波检测。利用涡流检测变换器来实现车轴表面的非接触检测，但受工况条件制约，无法检测距离轴端面较远声程的区域。磁粉探伤也适用于车轴的检测，但是检测前需要对车轴表面进行清洁，一般情况下需要将轮对拆卸下来检测，如果不拆卸轮对进行检测，则轮座部位无法被检测到，检测效率极低。检测效率大大降低会影响正常的运营效率，且涡流检测和磁粉探伤无法满足检测车轴内部缺陷的要求。超声检测原理为：如果介质中有气孔、裂纹、分层等缺陷中有气体或夹杂，超声波传播到介质与缺陷的界面处时，就会全部或部分被反射。反射回来的超声波被探头接收，可以根据接收波形的变化特征判断工件中缺陷的深度、位置和形状。超声波探伤优点有穿透性强、灵敏度高、速度快、成本低、对人体无害等，能对缺陷进行定位和定量，适合车轴的无损探伤。

车轴轴身较长，其基本结构包括：轴端面，轴颈，轮座，齿轮座，抱轴颈，轴身，卸荷槽。实际在役检测过程中，车轴不拆卸车轮，齿轮，抱轴箱，车轴上可放置探头的空间有限。不同轴型的轴端面孔数量和分布不同，车轴轴身结构复杂，车轴轴身的缺陷较容易检测到，但最易出现缺陷的部位为轮座，齿轮座，卸荷槽等部位。既有的常规超声手工探伤方法，需要在不同位置放置多个不同角度的超声波探头检测，检测过程中，需更换多个不同角度的探头，工作量大且极易造成漏检，且在检测过程中，探头需来回移动超声结果稳定性差。

利用相控阵超声技术的自动化检测装置可以有效弥补常规超声探头数量大，声束可达性差，无法偏转和聚焦等缺点。通过少量的相控阵探头就可以覆盖车轴的绝大部分区域，且在检测过程中探头无需来回移动，保证超声检测的稳定耦合。目前，国内还没有出现对车轴整体进行超声相控阵在线自动化检测的简单有效方法。

发明内容

针对上述缺陷，本发明解决的技术问题在于提供一种实心车轴的相控阵超声检测装置及方法，采用相控阵超声检测方法，该检测方法检测范围广，检测效率高，能实现对各型实心车轴的全范围检测，缺陷检出率高；检测方法简单，图像化检测结果更可靠。

本发明提供的实心车轴的相控阵超声检测装置，包括电气控制单元、与电气控制单元相连的探头支架、相控阵探头、定转轮装置、超声电子单元及系统主控计算机；所述的车轴端面相控阵探头与轮对车轴端面相控阵探头支架相连，所述轮对车轴端面相控阵探头在车轴端面的范围平移；所述车轴轴颈相控阵探头与轴颈探头支架相连；所述的相控阵探头在检测时被置于轮对车轴轴颈和端面上，轮对的轮缘顶端置于转轮装置上；超声电子单元与系统主控计算机连接。

优选地，所述车轴端面探头与轴颈探头配合，如果待检轮对已退轴承，则该装置所述的轴端面探头和轴颈探头同时使能；如果待检轮对未退轴承，轴端面探头使能。

优选地，所述的车轴端面相控阵探头与探头支架相连，当待检轮对未退轴承检测车轴时，仅使能端面探头，所述车轴端面探头在端面距轴心的位置可移动，距离范围为35mm~60mm。

优选地，所述超声电子单元对超声信号进行放大滤波预处理，并将预处理后的数据传输给主控计算机；所述主控计算机控制装置的启动、停止、运行、分析显示超声回波信号、存储超声波数据。

另外，本发明还提供一种实心车轴的相控阵超声检测方法，包括如下步骤：

1相控阵探头的超声波发射和接收由相控阵电子单元控制；

2所述的相控阵探头各阵元依次触发产生超声波束从车轴端面或轴颈圆弧面进入车轴内部；

3所述的相控阵超声换能器发射超声波束以一次波和多次波方式检测；

4所述的相控阵探头发射波束和接收波束可以近似的表示为具有一定方向的直线，所述的车轴端面相控阵探头对称分布在车轴两端面上，其发射和接收角度从-40°到40°连续变化；所述的轴颈相控阵探头对称分布在车轴的两端轴颈上，其发射和接收角度从30°到70°连续变化；

5相控阵电子单元激发和接受并进行数据预处理。

优选地，所述的相控阵探头的频率范围为2MHz～5MHz。

优选地，所述的相控阵探头的阵列晶元数量为16～128。

优选地，所述的相控阵探头晶元顺序激发超声波，形成的波阵面具有偏转和聚焦作用。

本发明的工作原理和工作过程是：

首先使用探头支架将相控阵探头定位于车轴端面、轴颈部；通过转轮装置的转动使车轴相对于探头作圆周运动；完成车轴端面和相对应轴颈部表面的湿润后，相控阵探头通过偏转和聚焦特性一次性的完成对车轴整个区域不同深度、不同区域的缺陷检测；车轴端面的相控阵探头发射和接收角度范围为-40°到40°，车轴轴颈相控阵探头发射和接收角度范围为30°到70°，超声探头覆盖范围广，检测过程中探头无需来回移动，即可实现对车轴轴颈，轮座，齿轮座，抱轴颈，轴身等部位的全面检测。

相控阵超声检测装置可视工况，车轴轴端相控阵探头和轴颈相控阵探头配合工作。当检测轮对未退轴承可包括未退齿轮、抱轴箱时，该装置只激活轴端面探头并进行检测，使用端面探头平移装置，改变相控阵探头在轴端上的检测位置,通过相控阵探头的偏转扫查和聚焦功能，并配合一次声波和多次声波的检测方式，可以实现车轴部分的全覆盖检测。当检测轮对已退轴承可包括未退齿轮、抱轴箱时，轴端面相控阵探头和轴颈相控阵探头同时激发，轴端面和轴颈相控阵探头通过相控阵探头的偏转扫查和聚焦功能，并配合一次声波和多次声波的检测方式，可以实现车轴部分的全覆盖检测。通过使用二次波或多次波的方式不仅可以检测一次波检测时不能覆盖的区域，还可以用于检测使用常规探头或一次波的方法无法检测的车轴个别部分的难检测缺陷，如轮座镶入部外侧卸荷槽区域、轮座镶入部内侧卸荷槽区域、抱轴颈外侧卸荷槽区域。使用顶转轮机构能够自动化地完成360度范围的车轴检测，并系统软件自动生成检测结果而不需要人工干预。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：在检测轮对实心车轴时，解决了受工况限制不能在轴身布置探头而导致超声对车轴检测不全面的客观难题；只需在车轴两端的轴端面和轴颈上共布置4只相控阵超声波探头即可对车轴的缺陷进行全面检测；通过旋转轮对，自动化地完成车轴的检测，提高了检测的效率；适应各型实心车轴，为我国轮对的运行安全提供保障；使用相控阵超声技术的偏转和聚焦特性，以极少数的探头，通过一次波和多次波复合检测的模式，在较小的空间需求下完成车轴缺陷检测；通过旋转车轮一圈，自动完成车轴缺陷检测，检测覆盖率、分辨力、信噪比和灵敏度高。总之，本发明解决了大功率机车车轴手工探伤效率低下和检测覆盖范围不全的难题；可对车轴各部位进行检测，适应于带轴承套和拆卸轴承套的机车车轴，为我国列车的运行安全提供了保障。

附图说明

图1是本发明实施例中转轮机构示意图。

图2是本发明实施例中实心车轴的相控阵超声检测方法及装置的部分示意

图3a是本发明实施例中轴端上的相控阵探头分别通过多次波的检测方式进行检测时的超声声束示意图；

图3b是本发明实施例中轴颈上的相控阵探头分别通过多次波的检测方式进行检测时的超声声束示意图；

图4是本发明实施例中轴端面探头检测时的两个检测位置；

图5a是本发明实施例中相控阵超声波探头的偏转示意图；

图5b是本发明实施例中相控阵超声波探头的聚焦示意图；

图6是本发明实施例中可检测缺陷在实心车轴上得分布示意图。

具体实施方式

为了本领域的技术人员能够更好地理解本发明所提供的技术方案，下面结合具体实施例进行阐述。

图1、图2、图3a、图3b、图4示出，本发明的一种具体实施方式为：一种实心车轴的相控阵超声检测装置及方法，利用相控阵超声波的偏转和聚焦特性对实心车轴上的车轴轴颈67、68、轮座71、72、齿轮座73、抱轴颈74、75、轴身76部位进行扫描。顶转轮装置2带动轮对做周向运动1。使用该设备进行轴检测时，超声耦合剂为油，在保证车轴轴端表面和轴颈表面湿润的情况下，旋转轮对一周即可完成对整个车轴所有区域的全覆盖扫查。

图2、图3a、图3b、图4、图5a、图5b、图6示出，实心车轴相控阵检测装置的运动控制机构7、12控制与端面探头支架6、11相连的端面相控阵探头4、9运动并贴合到车轴端面65、66上，与轴颈探头支架5、10相连的轴颈相控阵探头3、8运动并贴合到轴颈67、68上。端面相控阵探头4、9和轴颈相控阵探头3、8分别在相应的轴端面65、66和轴颈67、68上的检测位置，相控阵探头3、4、8、9通过超声波一次反射13、14、15、16、17、18、19和多次反射20、21、22、23、24、25、26、27、28、29的检测方式，完成对车轴的全覆盖扫查，如可完成车轴轴颈67、68、轮座71、72、齿轮座73、抱轴颈74、75、轴身76部位的典型缺陷52、53、54、55、56、57、58、59、60、61、62、63、64的检测。如图4所示，轴端面探头PA1和PA2检测两个检测位置50、51。

图2、图3a、图3b示出，如果待检轮对未卸载轴承82、83，仅使能轴端相控阵探头4、9，实心车轴相控阵检测装置的运动控制机构7、12控制与车轴端面探头支架6、11相连的端面相控阵探头4、9运动并贴合到车轴端面65、66上。首先，端面相控阵探头4、9在车轴端面65、66上的距轴心距离为A的位置进行检测，检测完成后，端面相控阵探头4、9平移到距轴心距离为B的位置再次进行检测。端面相控阵探头4、9发射和接收一定角度范围-α、α内的超声波波束，并通过超声波一次反射13、14、15、16、17、18、19和多次反射20、21、22、23、24、25、26、27、28、29的方式进行检测，便可完成实心车轴的全面扫查。

图2、图3a、图3b示出，如果轮对已卸载轴承82、83，则同时使能轴端相控阵探头4、9和轴颈相控阵探头3、8。实心车轴相控阵检测装置的运动控制机构7、12控制与端面探头支架6、11相连的端面相控阵探头4、9运动并贴合到车轴端面65、66上。同时，与轴颈探头支架5、10相连的轴颈相控阵探头3、8运动并贴合到轴颈67、68上。这时，轴端相控阵探头4、9在轴端面的距轴心距离为A的位置发射和接收的超声波波束角度范围为-α、α，轴颈相控阵探头3、8发射和接收的超声波波束角度范围为β1、β2。

图2、图3a、图3b、图5a、图5b中示出，线性相控阵探头3、4、8、9的阵列换能器各阵元依次触发超声波以同一聚焦深度发射到车轴中，完成对车轴的全覆盖扫查。

图6中给出了普通超声波探头的超声波束难以检测的区域，，这些区域包括轮座镶入部外侧卸荷槽区域77、78、齿轮部外侧卸荷槽区域79、80、抱轴颈外侧卸荷槽区域81。相控阵探头3，4，8，9具有使超声波束偏转30、31、32、33、34、35、36、37、38、39和聚焦40、41、42、43、44、45、46、47、48、49的功能，可实现多个角度和不同聚焦深度的检测，检测范围广。同时结合使用超声波一次反射13、14、15、16、17、18、19和多次反射24、25、26、27、28、29的方式实现常规超声探头或超声波一次反射方式13、14、15、16、17、18、19无法检测的区域，从而实现车轴的全面检测。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (8)

1.一种实心车轴的相控阵超声检测装置，其特征在于，包括电气控制单元、与电气控制单元相连的探头支架、相控阵探头、定转轮装置、超声电子单元及系统主控计算机；所述的车轴端面相控阵探头与轮对车轴端面相控阵探头支架相连，所述轮对车轴端面相控阵探头在车轴端面的范围平移；所述车轴轴颈相控阵探头与轴颈探头支架相连；所述的相控阵探头在检测时被置于轮对车轴轴颈和端面上，轮对的轮缘顶端置于转轮装置上；超声电子单元与系统主控计算机连接。

2.如权利要求1所述的一种实心车轴的相控阵超声检测装置，其特征在于，所述车轴端面探头与轴颈探头配合，如果待检轮对已退轴承，则该装置所述的轴端面探头和轴颈探头同时使能；如果待检轮对未退轴承，轴端面探头使能。

3.如权利要求1所述的一种实心车轴的相控阵超声检测装置，其特征在于，所述的车轴端面相控阵探头与探头支架相连，当待检轮对未退轴承检测车轴时，仅使能端面探头，所述车轴端面探头在端面距轴心的位置可移动，距离范围为35mm~60mm。

4.如权利要求1所述的一种实心车轴的相控阵超声检测装置，其特征在于，所述超声电子单元对超声信号进行放大滤波预处理，并将预处理后的数据传输给主控计算机；所述主控计算机控制装置的启动、停止、运行、分析显示超声回波信号、存储超声波数据。

5.一种实心车轴的相控阵超声检测方法，其特征在于，包括如下步骤：

1相控阵探头的超声波发射和接收由相控阵电子单元控制；

2所述的相控阵探头各阵元依次触发产生超声波束从车轴端面或轴颈圆弧面进入车轴内部；

3所述的相控阵超声换能器发射超声波束以一次波和多次波方式检测；

4所述的相控阵探头发射波束和接收波束可以近似的表示为具有一定方向的直线，所述的车轴端面相控阵探头对称分布在车轴两端面上，其发射和接收角度从-40°到40°连续变化；所述的轴颈相控阵探头对称分布在车轴的两端轴颈上，其发射和接收角度从30°到70°连续变化；

5相控阵电子单元激发和接受并进行数据预处理。

6.如权利要求5所述的一种实心车轴的相控阵超声检测方法，其特征在于，所述的相控阵探头的频率范围为2MHz～5MHz。

7.如权利要求5所述的一种实心车轴的相控阵超声检测方法，其特征在于，所述的相控阵探头的阵列晶元数量为16～128。

8.如权利要求5所述的一种实心车轴的相控阵超声检测方法，其特征在于，所述的相控阵探头晶元顺序激发超声波，形成的波阵面具有偏转和聚焦作用。

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