CN106053612B - 用于动车组轴装制动盘盘毂安装座检测的探头及检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开的用于动车组轴装制动盘盘毂安装座检测的探头及检测方法，其金属外壳内设置有能够产生折射角为28.5°的折射纵波的楔块，楔块的斜面倾斜角为12.6°；楔块与所述金属外壳之间设置有声陷阱，楔块上从下至上依次倾斜设置有匹配层、压电晶片和背衬板,压电晶片的两侧分别连接正极引出线和负极引出线，正极引出线和负极引出线之间跨接有匹配电感。其优点在于结构简单，其根据制动盘盘毂连接座的结构特点，本探头采用折射角为28.5°纵波检测，其指向性和灵敏度高，能够有效提高检测的准确率；检测时，通过脉冲信号发生器发出探测波，经探头折射后最终在示波器上显示出波形，其检测方法简单，结果判断容易，检测效率高。

Description

用于动车组轴装制动盘盘毂安装座检测的探头及检测方法

技术领域

本发明涉及超声无损检测技术领域，尤其指用于动车组轴装制动盘盘毂安装座检测的探头及检测方法。

背景技术

高铁具有运送能力大，速度快，受气候变化影响小，正点率高，舒适方便，能源消耗低，环境影响轻，经济效益好等优点，受到了国家发展的重视。中国目前已成为世界上高速铁路系统技术最全、集成能力最强、运营里程最长、运行速度最高、在建规模最大的国家，极大的提升中国在铁路建设业界的威望，有助于中国进一步跻身全球铁路建设市场，带动中国的外向型经济升级。

随着高铁建设逐渐增加，高铁数量增多，高铁运行的安全也受到了各方面的重视，广铁集团CRH3C-3050动车组在广州南动车所维修作业时，发现TC02车1轴中间制动盘盘毂9个连接座全部断裂，各连接座的裂纹走向均从根部(定心环附近)向外扩展。部分连接座断口处存在锈蚀。制动盘盘毂连接座断裂是零件疲劳引起的，给高铁运行带来了隐患，定期对在役高铁制动盘盘毂连接座的无损检测可以及时发现裂纹等缺陷，保障高铁运行的安全。由于高铁制动盘盘毂连接座结构复杂，在役检测空间小，这对检测设备和检测方法均提出了很高的要求。

目前所使用的单晶斜探头一般都是横波探头，其是通过楔块实现波型转换，把纵波转变成横波，需要的角度都比较大。但是考虑到在役检测空间有限，因此检测方法和探头三维尺寸都受到了限制，故选用探头的前沿和晶片面积都有特殊的要求，这便造成了探头制造成本很高。横波虽波长短分辨力高，但相比纵波来说指向性差，同时探头晶片面积较小而扩散角大，再考虑到高铁制动盘盘毂连接座结构的特殊性以及裂纹相对较小，因此横波无法达到比较理想的检测效果。

纵波斜探头，相对于横波斜探头的设计来讲，指向性和灵敏度更高。检测分辨力通过提高探头的频率满足应用需求，同时超声波的指向性也随频率的升高变得更佳。探头发射的声波在楔块和检测工件的界面(声学界面)会发生反射和折射，其折射角大小和入射角以及界面两侧的声速有关，规律遵从著名的Snell定律：

其中，下标i代表入射媒质，下标t代表折射媒质，c代表媒质中的声速。因为声波在固体介质中会有横波的形式，因此纵波折射后在被捡工件内部不但有纵波而且会有横波，两种形式的超声波能量分配会随着入射纵波的角度发生变化；因此在设计探头时对折射纵波的角度有很高的要求，实际检测时还应排除横波的干扰。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的现状，提供结构简单，灵敏度高，检测准确性高的用于动车组轴装制动盘盘毂安装座检测的探头，其检测方法简单，检测效率高。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：

用于动车组轴装制动盘盘毂安装座检测的探头，包括有金属外壳，金属外壳内设置有能够产生折射角为28.5°的折射纵波的楔块，楔块的斜面倾斜角为12.6°；楔块与所述金属外壳之间设置有声陷阱，楔块上从下至上依次倾斜设置有匹配层、压电晶片和背衬板,压电晶片的两侧分别连接正极引出线和负极引出线，正极引出线和负极引出线之间跨接有匹配电感。

优化的技术措施还包括：

上述的压电晶片的频率为5MHz。

上述的压电晶片的尺寸为6mm *6mm *0.4mm。

上述的楔块、匹配层、压电晶片和背衬板之间均通过环氧胶水粘接固定。

上述的金属外壳的尺寸为35mm *11.5mm *11.5mm。

上述的压电晶片为驻极体、压电陶瓷、压电单晶片、压电复合材料片或者压电薄膜。

上述的匹配层的厚度为匹配层中超声波波长的1/4。

用于动车组轴装制动盘盘毂安装座检测的探头的检测方法，包括以下步骤：

步骤一、仪器连接：将示波器的“CH1”接线柱与脉冲信号发生器的“R”接线柱用导线连接，脉冲信号发生器的“R/T” 接线柱与探头用导线连接，导线内的两根芯线分别连接探头的正极引出线和负极引出线；

步骤二、超声检测：启动脉冲信号发生器和示波器，脉冲信号发生器发出探测波，探测波经探头折射产生折射角为28.5°的折射纵波，将探头在制动盘盘毂连接座表面移动，并观察示波器上波形变化；

步骤三、缺陷判断：当示波器显示二个波峰时，表示被测零件有缺陷；当示波器显示一个波峰时，表示被测零件没有缺陷。

步骤二前，在人工缺陷试块上对波峰的峰值进行调整，使波峰的峰值达到满屏的80%，并将脉冲信号发生器增益提高6dB。

步骤二中，在检测前，在探头抹油，然后与被测零件摩擦排除空气。

本发明的用于动车组轴装制动盘盘毂安装座检测的探头，结构简单，其根据制动盘盘毂连接座的结构特点，采用斜面倾斜角为12.6°的楔块，从而使产生折射角为28.5°的折射纵波，以满足对制动盘盘毂连接座检测的需求，本探头采用纵波检测，其指向性和灵敏度高，能够有效提高检测的准确率。

本发明探头的检测方法，通过脉冲信号发生器发出探测波，经探头折射后产生折射角为28.5°的折射纵波，并最终在示波器上显示出波形，根据波形判断是否存在缺陷，检测方法简单，结果判断容易，检测效率高。

附图说明

图1是本发明探头的结构示意图；

图2是本发明探头检测时的连接示意图。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

如图1至图2所示为本发明的结构示意图，

其中的附图标记为：探头1、金属外壳11、楔块12、声陷阱13、匹配层14、压电晶片15、背衬板16、正极引出线17a、负极引出线17b、匹配电感18、脉冲信号发生器2、示波器3、制动盘盘毂连接座4，缺陷Q、固有结构P。

如图1至图2所示，

用于动车组轴装制动盘盘毂安装座检测的探头，包括有金属外壳11，金属外壳11内设置有能够产生折射角为28.5°的折射纵波的楔块12，楔块12的斜面倾斜角为12.6°；楔块12与所述金属外壳11之间设置有声陷阱13，楔块12上从下至上依次倾斜设置有匹配层14、压电晶片15和背衬板16,压电晶片15的两侧分别连接正极引出线17a和负极引出线17b，正极引出线17a和负极引出线17b之间跨接有匹配电感18。

实施例中，压电晶片15的频率为5MHz。

实施例中，压电晶片15的尺寸为6mm *6mm *0.4mm。

实施例中，楔块12、匹配层14、压电晶片15和背衬板16之间均通过环氧胶水粘接固定。

实施例中，金属外壳11的尺寸为35mm *11.5mm *11.5mm。

实施例中，压电晶片15为驻极体、压电陶瓷、压电单晶片、压电复合材料片或者压电薄膜。

实施例中，匹配层14的厚度为匹配层中超声波波长的1/4。

匹配层14的声阻抗Z满足，其中Z₀和Z_L分别代表压电晶片15和楔块12的声阻抗。

压电晶片15的作用是实现电能和声能的相互转换，实现超声波的发射和信号波的接收；匹配层14的作用是实现声能的传输，匹配层14是通过环氧和氧化物粉末制成的；背衬板16的作用是实现杂波的吸收和晶片振荡的抑制，背衬板16是由金属粉末和环氧固化而成或者氧化物粉末和环氧固化而成。上述的氧化物粉末为金属或非金属氧化物粉末。

楔块12的作用是实现声束的偏折，由于本探头对超声波的折射方向要求较高，因此采用温度稳定性好、耐磨性好的楔块12；楔块材料可以采用聚酰亚胺材料制成。

图2所示，根据制动盘盘毂连接座4的结构特点，制动盘盘毂连接座4的缺陷Q位置(图中位置是最易发生缺陷的位置)，其与水平线的夹角为28.5°，因此为了保证检测的准确性和灵敏性，故本探头设计为采用能够产生折射角为28.5°的折射纵波的楔块12，由于入射角与折射角存在一一对应的关系，为使折射角为28.5°，其入射角应为12.6°，因此，本探头内楔块12的斜面倾斜角为12.6°。

用于动车组轴装制动盘盘毂安装座检测的探头的检测方法，包括以下步骤：

步骤一、仪器连接：将示波器3的“CH1”接线柱与脉冲信号发生器2的“R”接线柱用导线连接，脉冲信号发生器2的“R/T” 接线柱与探头1用导线连接，导线内的两根芯线分别连接探头1的正极引出线17a和负极引出线17b；

步骤二、超声检测：在检测前，在探头1抹油，然后与被测零件摩擦排除空气；启动脉冲信号发生器2和示波器3，脉冲信号发生器2发出探测波，探测波经探头1折射产生折射角为28.5°的折射纵波，将探头1在制动盘盘毂连接座4表面移动，并观察示波器3上波形变化；

步骤三、缺陷判断：当示波器3显示二个波峰时，表示被测零件有缺陷；当示波器3显示一个波峰时，表示被测零件没有缺陷。

当被检测的制动盘盘毂连接座4如果存在缺陷，便会如图2所示，示波器3的固定时域上显示两个波峰(Peak1和Peak2)，其中Peak2是固有结构P的反射回波，Peak1是裂纹产生的缺陷波，如果没有缺陷，只会显示Peak2(即只显示一个波峰)。其中peak2的回波高度可作为判断因在役检测空间狭小而导致耦合效果变差的依据，从而避免因耦合问题产生的漏检。本检测方法，是否缺陷通过示波器3上波峰的个数便能很快判断，检测方法简单，检测效率高。

为了使检测效果更好，步骤二前，在人工缺陷试块上对波峰的峰值进行调整，使波峰的峰值达到满屏的80%，从而使示波器3上波形的观察更为方便；并将脉冲信号发生器2增益提高6dB，以获得更高的检出率和准确性。

人工缺陷试块是在被检测零件上人为的线切割一缺陷，以作为缺陷试块使用。

本发明的最佳实施例已阐明，由本领域技术人员做出的各种变化或改型都不会脱离本发明的范围。

Claims (10)

1.用于动车组轴装制动盘盘毂安装座检测的探头，包括有金属外壳(11)，其特征是：所述的金属外壳(11)内设置有能够产生折射角为28.5°的折射纵波的楔块(12)，所述的楔块(12)的斜面倾斜角为12.6°；所述的楔块(12)与所述金属外壳(11)之间设置有声陷阱(13)，所述的楔块(12)上从下至上依次倾斜设置有匹配层(14)、压电晶片(15)和背衬板(16),所述的压电晶片(15)的两侧分别连接正极引出线(17a)和负极引出线(17b)，所述的正极引出线(17a)和负极引出线(17b)之间跨接有匹配电感(18)。

2.根据权利要求1所述的用于动车组轴装制动盘盘毂安装座检测的探头，其特征是：所述的压电晶片(15)的频率为5MHz。

3.根据权利要求2所述的用于动车组轴装制动盘盘毂安装座检测的探头，其特征是：所述的压电晶片(15)的尺寸为6mm *6mm *0.4mm。

4.根据权利要求3所述的用于动车组轴装制动盘盘毂安装座检测的探头，其特征是：所述的楔块(12)、匹配层(14)、压电晶片(15)和背衬板(16)之间均通过环氧胶水粘接固定。

5.根据权利要求4所述的用于动车组轴装制动盘盘毂安装座检测的探头，其特征是：所述的金属外壳(11)的尺寸为35mm *11.5mm *11.5mm。

6.根据权利要求5所述的用于动车组轴装制动盘盘毂安装座检测的探头，其特征是：所述的压电晶片(15)为驻极体、压电陶瓷、压电单晶片、压电复合材料片或者压电薄膜。

7.根据权利要求6所述的用于动车组轴装制动盘盘毂安装座检测的探头，其特征是：所述的匹配层(14)的厚度为匹配层中超声波波长的1/4。

8.根据权利要求7所述的用于动车组轴装制动盘盘毂安装座检测的探头的检测方法，其特征是：包括以下步骤：

步骤一、仪器连接：将示波器(3)的“CH1”接线柱与脉冲信号发生器(2)的“R”接线柱用导线连接，所述的脉冲信号发生器(2)的“R/T” 接线柱与探头(1)用导线连接，导线内的两根芯线分别连接探头(1)的正极引出线(17a)和负极引出线(17b)；

步骤二、超声检测：启动脉冲信号发生器(2)和示波器(3)，脉冲信号发生器(2)发出探测波，探测波经探头(1)折射产生折射角为28.5°的折射纵波，将探头(1)在制动盘盘毂连接座(4)表面移动，并观察示波器(3)上波形变化；

步骤三、缺陷判断：当示波器(3)显示二个波峰时，表示被测零件有缺陷；当示波器(3)显示一个波峰时，表示被测零件没有缺陷。

9.根据权利要求8所述的用于动车组轴装制动盘盘毂安装座检测的探头的检测方法，其特征是：所述的步骤二前，在人工缺陷试块上对波峰的峰值进行调整，使波峰的峰值达到满屏的80%，并将脉冲信号发生器(2)增益提高6dB。

10.根据权利要求9所述的用于动车组轴装制动盘盘毂安装座检测的探头的检测方法，其特征是：所述的步骤二中，在检测前，在探头(1)抹油，然后与被测零件摩擦排除空气。