CN111238425A - 一种型钢轧辊v型槽底裂纹深度的探测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及无损探伤技术领域，尤其涉及一种型钢轧辊V型槽底裂纹深度的探测方法。本发明的型钢轧辊V型槽底裂纹深度的探测方法，包括：根据待探测轧辊，确定超声波传感器的起始工位；以起始工位距待探测轧辊的轧辊轴线的距离为移动半径，沿待探测轧辊的圆周方向同步移动信号发射端和信号接收端；在信号发射端和信号接收端的移动过程中，根据信号接收端接收信号发射端发射的超声波信号的接收情况，确定待探测轧辊的裂纹深度。本发明的型钢轧辊V型槽底裂纹深度的探测方法，能够准确、高效地对待探测轧辊的V型槽底的深度较大的倾斜裂纹的裂纹深度进行探测。

Description

一种型钢轧辊V型槽底裂纹深度的探测方法

技术领域

本发明涉及无损探伤技术领域，尤其涉及一种型钢轧辊V型槽底裂纹深度的探测方法。

背景技术

型钢轧辊在轧制一定量的小方坯后，在型钢轧辊V型槽底部会出现开裂情况，如果不及时处理，在生产过程中型钢轧辊就会断裂并造成事故。型钢轧辊V型槽底部最深的裂纹大多存在于V型槽底的中心位置，且此处裂纹越深，危害越大，有些开裂处，裂纹的深度可达几十毫米。由于型钢轧辊的自重较重，因此，一般直接在生产现场原地进行裂纹深度的探测。

通常在开裂起始阶段，V型槽底裂纹一般都是环绕型钢轧辊的辊身且沿着垂直于辊身方向向内发展的开裂，该V型槽所处平面平行于型钢轧辊的侧壁表面，现有技术已经对开裂起初阶段的裂纹深度探测有了较为成熟的技术。而在裂纹经过一定程度的扩展以后，裂纹会出现扩展方向倾斜的情形，如图1和图2中的断面图所示，图1和图2中型钢轧辊1的左侧端面为探测作用面，靠近探测作用面设有V型槽2，探测作用面对应驱动侧设置。其中，图1中所示的断面图为V型槽2底的裂纹3向靠近驱动侧方向扩展(裂纹方向为第一方向)的情形，图2中所示的断面图为V型槽2底的裂纹4向远离驱动侧方向扩展(裂纹方向为第二方向)的情形。由于裂纹存在了倾斜角度，如果还是按照对开裂起初阶段的裂纹深度的探测方法对裂纹深度进行探测，会导致入射探测超声波信号的反射方向发生偏离，使接收传感器出现接收不到探测超声波信号的反射信号的情况，因此，对开裂起初阶段的裂纹深度的探测方法不适用于对倾斜裂纹的裂纹深度的探测。

目前，现有技术中没有针对于V型槽底的深度较大的倾斜裂纹的裂纹深度进行探测的有效探测方法。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供一种型钢轧辊V型槽底裂纹深度的探测方法，能够准确、高效地对待探测轧辊的V型槽底的深度较大的倾斜裂纹的裂纹深度进行探测。

为实现上述目的，本发明提供了一种型钢轧辊V型槽底裂纹深度的探测方法，包括：

根据待探测轧辊，确定超声波传感器的起始工位；其中，所述起始工位包括所述超声波传感器的信号发射端的发射起始工位和所述超声波传感器的信号接收端的接收起始工位；

以所述起始工位距所述待探测轧辊的轧辊轴线的距离为移动半径，沿所述待探测轧辊的圆周方向同步移动所述信号发射端和所述信号接收端；

在所述信号发射端和所述信号接收端的移动过程中，根据所述信号接收端接收所述信号发射端发射的超声波信号的接收情况，确定所述待探测轧辊的裂纹深度。

进一步地，根据待探测轧辊，确定超声波传感器的起始工位包括：

根据所述待探测轧辊的V型槽的槽底圆的半径，确定所述发射起始工位和所述接收起始工位之间的工位连线的连线距离、以及所述起始工位与所述轧辊轴线的垂直连线与所述工位连线之间的连线夹角；

根据所述连线距离和所述连线夹角，确定所述发射起始工位和所述接收起始工位。

进一步地，沿所述待探测轧辊的圆周方向同步移动所述信号发射端和所述信号接收端包括：

沿所述待探测轧辊的圆周方向同步且相向地移动所述信号发射端和所述信号接收端。

进一步地，沿所述待探测轧辊的圆周方向同步移动所述信号发射端和所述信号接收端包括：

沿所述待探测轧辊的圆周方向设有多个检测工位；所述检测工位包括发射检测工位和与所述发射检测工位一一对应的接收检测工位；

同步地将所述信号发射端和所述信号接收端移动至所述检测工位。

进一步地，所述起始工位和所述检测工位与所述轧辊轴线之间的距离小于57mm。

进一步地，根据所述信号接收端接收所述信号发射端发射的超声波信号的接收情况，确定所述待探测轧辊的裂纹深度包括：

获取所述信号接收端接收到的所述超声波信号的信号强度；

根据所述信号强度，确定所述裂纹深度。

进一步地，根据所述信号强度，确定所述裂纹深度包括：

根据所述信号强度，在强度与深度对应关系表中查找与所述信号强度对应的所述裂纹深度。

进一步地，还包括：

根据所述信号接收端接收所述信号发射端发射的超声波信号的接收情况，确定所述待探测轧辊的裂纹方向。

进一步地，根据所述信号接收端接收所述信号发射端发射的超声波信号的接收情况，确定所述待探测轧辊的裂纹方向包括：

获取所述信号发射端和所述信号接收端的移动方向；

根据所述接收情况和所述移动方向，确定所述裂纹方向。

进一步地，根据所述接收情况和所述移动方向，确定所述裂纹方向包括：

当所述接收情况由所述信号接收端未接收到所述超声波信号转变为所述信号接收端接收到所述超声波信号时，确定所述待探测轧辊存在裂纹；

获取所述移动方向，若所述移动方向为第三方向，则所述裂纹方向为第一方向；若所述移动方向为第四方向，则所述裂纹方向为第二方向。

本发明的型钢轧辊V型槽底裂纹深度的探测方法，首先根据待探测轧辊的情况确定超声波传感器的起始工位，然后同步地沿待探测轧辊的圆周方向移动超声波传感器的信号发射端和信号接收端，并在移动过程中，始终保持信号发射端发射超声波信号，最后，根据信号接收端接收超声波信号的接收情况，确定待探测轧辊的裂纹深度，从而准确、高效地对待探测轧辊的V型槽底的深度较大的倾斜裂纹的裂纹深度进行探测。

附图说明

图1为型钢轧辊V型槽底的裂纹的一个示例的示意图；

图2为型钢轧辊V型槽底的裂纹的另一个示例的示意图；

图3为本发明一个实施例的型钢轧辊V型槽底裂纹深度的探测方法的流程示意图；

图4为图1中步骤S110的具体方法的流程示意图；

图5为本发明实施例中型钢轧辊的辊身正视图；

图6为本发明实施例中在轧辊超声传播路径传动侧的侧视图；

图7为本发明实施例中轧辊超声传播路径俯视图；

图8为图1中步骤S120的具体方法的流程示意图；

图9为本发明实施例中初始工位和检测工位的布置结构示意图；

图10为图1中步骤S130的具体方法的流程示意图；

图11为本发明另一个实施例的型钢轧辊V型槽底裂纹深度的探测方法的流程示意图；

图12为图11中步骤S140的具体方法的流程示意图。

具体实施方式

下面，结合附图，对本发明的结构以及工作原理等作进一步的说明。

如图3所示，本发明提供了一种型钢轧辊V型槽底裂纹深度的探测方法，包括：

S110、根据待探测轧辊，确定超声波传感器的起始工位；其中，起始工位包括超声波传感器的信号发射端的发射起始工位和超声波传感器的信号接收端的接收起始工位；

S120、以起始工位距待探测轧辊的轧辊轴线的距离为移动半径，沿待探测轧辊的圆周方向同步移动信号发射端和信号接收端；

S130、在信号发射端和信号接收端的移动过程中，根据信号接收端接收信号发射端发射的超声波信号的接收情况，确定待探测轧辊的裂纹深度。

本发明实施例首先根据待探测轧辊的情况确定超声波传感器的起始工位，然后同步地沿待探测轧辊的圆周方向移动超声波传感器的信号发射端和信号接收端，并在移动过程中，始终保持信号发射端发射超声波信号，最后，根据信号接收端接收超声波信号的接收情况，确定待探测轧辊的裂纹深度，从而准确、高效地对待探测轧辊的V型槽底的深度较大的倾斜裂纹的裂纹深度进行探测。

在本发明实施例中，采用的超声波信号的频率范围在1MHz-5MHz之间，超声波信号可以采用纵波或者横波，超声传感器到达V型槽底时候的声场宽度大于实际环状开裂面的宽度。用于测量的超声波传感器的信号发射端和信号接收端可以各位一个超声波传感器。

如图4所示，在本发明实施例中，步骤S110、根据待探测轧辊，确定超声波传感器的起始工位的具体方法包括：

S111、根据待探测轧辊的V型槽的槽底圆的半径，确定发射起始工位和接收起始工位之间的工位连线的连线距离、以及起始工位与轧辊轴线的垂直连线与工位连线之间的连线夹角；

S112、根据连线距离和连线夹角，确定发射起始工位和接收起始工位。

V型槽底的裂纹深度的探测难点，在于V型槽底本身在型钢轧辊的辊身位置较深的位置，而如果采用传统单发单收超声当量法探测，型钢轧辊并没有没有合适的超声波信号的发射和接收方式。

因此，首先需要找到能够使得入射超声波信号能在一个垂直于开裂面的平面内传播，然后经过开裂面的反射，能够使得反射超声波信号被接受的方式。

而唯一能实现上述条件的超声波信号的入射和接收方式，只有如下方式。

以图5-7为例，对发射起始工位和接收起始工位进行计算。

首先从图5所示的型钢轧辊的辊身正视图，可以看到V型槽2与超声作用面上侧壁的一个基本尺存关系。V型槽2由两个工作面5形成V型槽底6，V型槽底6的槽底圆所在平面距离探测作用面的距离为255mm，V型槽底6距离型钢轧辊1的侧壁的距离为113mm。V型槽底6的张角为105°，型钢轧辊1的直径为810mm，型钢轧辊为新辊时，在探测作用面可用环带7的宽度为57mm(紧贴探测作用面的装配轴承直径700mm)。

然后从图6所示的在轧辊超声传播路径传动侧的侧视图看，V型槽底6的开裂面在探测作用面的投影如图所示，发射起始工位A、接收起始工位B的连线AB位于辊身侧壁内，AB与V型槽底圆周在侧壁上的投影相切，切点为O’，AOB构成了等腰三角形，其垂直平分线与AB的交点亦为O’，O’O连线可以表示出槽底圆在辊身中所处的深度。

型钢轧辊使用的整个生命周期，是从新辊开始，一直到辊身圆周半径经过不断磨削后，减小了45mm后，便不能再使用，成为报废轧辊。在侧视图中，也可以这样得到表示：在这个过程中，由于磨削的影响，O’O连线是在不断减小的，当减小了45mm以后，轧辊报废。而辊身侧壁圆心的位置是不变的，由此从轧辊开始使用到报废，β角是随着O’O的减小而减小的。

由上述分析，如果超声传感器直径10mm，发射起始工位A设计为OA长度为355mm处，则OB也为355mm。新辊的O’O可以设置为292mm，值得注意的是，考虑到入射超声波信号有一定扩散角的声束，而声束中心的能量最大，为了使反射能量更大些，还可以将AO’B向轧辊轴心偏移5mm，也就是新辊的O’O可以进一步设置为287mm。而报废时，O’O＝287-45mm＝242mm。

因此，可以通过计算得出，对于新辊：AO’＝BO’≈209mm，β≈54°；而对于报废辊：AO’＝BO’≈260mm，β≈43°。

在本发明实施例中，从新辊到报废辊单个型钢轧辊全周期的检测过程中，在O’O长度逐渐减小(287mm～242mm)的情况下，在辊身侧壁的发射起始工位A和接收起始工位B，都是沿着半径为355mm的圆周设置的，相距变化范围为209mm～260mm，β≈54°～43°。

另外，发射起始工位A、接收起始工位B都位于型钢轧辊的辊身的侧壁边缘57mm宽度的环带内部，经过A、B的超声波传播平面与辊身的侧壁垂直，且与V型槽底圆相切，其切点为T。

因此，根据图7所示轧辊超声传播路径俯视图，V型槽底6的开裂面的俯视图如图7所示，可以计算得出，对于新辊：AT＝BT≈330m，θ≈51°，θ’≈39°；对于报废辊：AT＝BT≈364m，θ≈44.5°，θ’≈45.5°；

在本发明实施例的步骤S120中，沿待探测轧辊的圆周方向同步移动信号发射端和信号接收端包括：

沿待探测轧辊的圆周方向同步且相向地移动信号发射端和信号接收端。

具体地，如图8所示，步骤S120、沿待探测轧辊的圆周方向同步移动信号发射端和信号接收端包括：

S121、沿待探测轧辊的圆周方向设有多个检测工位；检测工位包括发射检测工位和与发射检测工位一一对应的接收检测工位；

S122、同步地将信号发射端和信号接收端移动至检测工位。

如图9所示，沿第三方向(图9中沿待探测轧辊的圆周方向向上)分别设有发射检测工位A1、A2、A3和接收检测工位B1、B2、B3，沿第四方向(图9中沿待探测轧辊的圆周方向向下)分别设有发射检测工位A4、A5、A6和接收检测工位B4、B5、B6。

根据图9所示的多个检测工位，可以同步地将信号发射端和信号接收端沿第三方向或第四方向分别按顺序移动至不同的检测工位。

在本发明实施例中，起始工位和检测工位均位于轧辊侧壁边缘与辊肩凸起之间的一定范围的环状边缘内、且同一个与侧面圆形同心的圆弧上，具体地，起始工位和检测工位与轧辊轴线之间的距离小于57mm。

从通常的超声波探测方式来看，型钢轧辊的V型槽底的裂纹，因为深度大(最深可达113mm)，如果采用超声波信号从型钢轧辊的滚身表面或者其它较浅的圆形槽底发射用于入射到V型槽底的开裂面上的超声波信号，则难以接收由开裂面反射回来的超声波信号。并且由于辊身的侧壁存在辊肩，也会对检测的实施也造成了阻碍。

如图10所示，步骤S130、根据信号接收端接收信号发射端发射的超声波信号的接收情况，确定待探测轧辊的裂纹深度包括：

S131、获取信号接收端接收到的超声波信号的信号强度；

S132、根据信号强度，确定裂纹深度。

在本发明实施例中，利用槽底开裂面对入射到辊身内部传播的超声波信号的声能量的反射，可以根据测得经开裂面反射后的能量大小(即信号强度)，来确定相应开裂面深度的大小。如果开裂面较大，则反射能量较多，接收到的信号强度较强；如果开裂面较小，则反射能量较少，接收到的信号强度较弱。

具体地，S132、根据信号强度，确定裂纹深度的具体方法包括：根据信号强度，在强度与深度对应关系表中查找与信号强度对应的裂纹深度。

例如，可以对带有已知的、不同深度裂纹的同型号型钢轧辊进行深度测量，在同样的开裂和检测条件下，就会得到不同强度信号的超声波信号，这样就形成了强度与深度对应关系表，在探测得到一个信号强度后，既可以在强度与深度对应关系表中查找与信号强度对应的裂纹深度。

在本发明实施例中，如图11所示，还包括：

S140、根据信号接收端接收信号发射端发射的超声波信号的接收情况，确定待探测轧辊的裂纹方向。

具体地，如图12所示，步骤S140、根据信号接收端接收信号发射端发射的超声波信号的接收情况，确定待探测轧辊的裂纹方向包括：

步骤S141、获取信号发射端和信号接收端的移动方向；

步骤S142、根据接收情况和移动方向，确定裂纹方向。

在本发明实施例中，步骤S142中，根据接收情况和移动方向，确定裂纹方向的具体方法可以包括：

首先，当接收情况由信号接收端未接收到超声波信号转变为信号接收端接收到超声波信号时，确定待探测轧辊存在裂纹。

然后，获取移动方向，若移动方向为第三方向，则裂纹方向为第一方向；若移动方向为第四方向，则裂纹方向为第二方向。

当V型槽底的裂纹在扩展一段时间后，会出现倾斜扩展的情况，虽然倾斜角度不是很大(一般±10°以内)，因此，还需要确定裂纹方向。

当按照图9中的第三方向，即从A1到A3、从B1到B3的方向分别移动信号发射端和信号接收端时，可以确定裂纹是向如1中的第一方向倾斜的。当按照图9中的第四方向，即从A4到A6、从B4到B6的方向分别移动信号发射端和信号接收端时，可以确定裂纹是向如1中的第二方向倾斜的。

需要注意的是，发射检测工位和对应的接收检测工位要求保证信号发射端和信号接收端需要始终保持耦合良好；发射检测工位和对应的接收检测工位距离轧辊轴线的距离(AO与BO)相同，处于辊身的侧壁距离边缘57mm范围内、同一个与侧面圆形同心的圆弧上；发射检测工位和对应的接收检测工位超声波的入射方向与入射点与起始切点T的连线在同一个平面内；在断面投影分布图上，发射检测工位和对应的接收检测工位与起始切点T的连线与入射点与起始切点T的连线以OT连线对称分布。

下面，以两个具体实施例，对本发明实施例进行说明。

以对编号为V1-94、磨削了28mm并经过一次上机工作后的轧辊进行裂纹深度的探测为例。测深工作中，可以选取一对折射角44度的超声波传感器，使其分别位于发射起始工位A和接收起始工位B，工作时，两个超声波传感器的晶片相向布置。具体地，可以设置AO’＝BO’≈243mm，θ≈46.5°，θ’≈43.5°，β≈46.8°，AT＝BT≈353m。同时，可以使用汕头超声CTS-1002作为超声探伤仪，并将其设置为：检测声波模式为纵波，检测声波模式为2MHz，信号延迟为100微秒，信号窗口宽度为30微秒，信号增益为93dB。

根据上述设置，可以获得表1所示的结果，其中每个数值的单位为％，每10°测量一个深度值。

表1有开裂的超声信号波高示值

20	18	22	26	30	32	28	25	28
									26	25	23	24	27	24	25	23	26
29	28	33	36	38	34	32	28	24
									23	24	22	24	21	23	22	21	20

周身检测后，最高回波波高为屏幕高度38％，最低波高为屏幕高度18％。根据表1和强度与深度对应关系表，可以得到裂纹深度最深处为35mm，最浅处为19mm。

以对编号为V1-94、未使用过的新辊进行裂纹深度的探测为例。对发射起始工位A和接收起始工位B的参数设定如下：AO’＝BO’≈209mm，θ≈51°，θ’≈39°，β≈54°，并且可以选取一对折射角39度的超声波传感器。同时，可以使用汕头超声CTS-1002作为超声探伤仪，并将其设置为：检测声波模式为纵波，检测声波模式为2MHz，信号延迟为100微秒，信号窗口宽度为30微秒，信号增益为93dB。

根据上述设置，可以获得表2所示的结果，其中每个数值的单位为％，每10°测量一个深度值。

表2新辊无开裂的超声信号波高示值

8	8	8	9	9	8	9	8	8
									8	9	8	8	8	9	8	9	8
9	8	9	8	8	8	9	8	9
									8	9	8	8	9	8	9	9	8

实测结果表明，表2中的检测信号皆为本底噪声，未见开裂信号符合设计预期效果。

综上所述，本发明实施例突破了常规超声波探测形式，在辊身端部实施裂纹判定和深度探测，更方便操作人员实施，并有利于借助合理的机械辅助机构，形成自动化的快速方向判定和深度评价。另外，本发明实施例可以在不需要挪动型钢轧辊的情况下，实现对生产现场轧辊V形槽底可能存在的倾斜裂纹的裂纹方向和裂纹深度进行探测。

以上，仅为本发明的示意性描述，本领域技术人员应该知道，在不偏离本发明的工作原理的基础上，可以对本发明作出多种改进，这均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种型钢轧辊V型槽底裂纹深度的探测方法，其特征在于，包括：

根据待探测轧辊，确定超声波传感器的起始工位；其中，所述起始工位包括所述超声波传感器的信号发射端的发射起始工位和所述超声波传感器的信号接收端的接收起始工位；

以所述起始工位距所述待探测轧辊的轧辊轴线的距离为移动半径，沿所述待探测轧辊的圆周方向同步移动所述信号发射端和所述信号接收端；

在所述信号发射端和所述信号接收端的移动过程中，根据所述信号接收端接收所述信号发射端发射的超声波信号的接收情况，确定所述待探测轧辊的裂纹深度。

2.如权利要求1所述的型钢轧辊V型槽底裂纹深度的探测方法，其特征在于，根据待探测轧辊，确定超声波传感器的起始工位包括：

根据所述待探测轧辊的V型槽的槽底圆的半径，确定所述发射起始工位和所述接收起始工位之间的工位连线的连线距离、以及所述起始工位与所述轧辊轴线的垂直连线与所述工位连线之间的连线夹角；

根据所述连线距离和所述连线夹角，确定所述发射起始工位和所述接收起始工位。

3.如权利要求1所述的型钢轧辊V型槽底裂纹深度的探测方法，其特征在于，沿所述待探测轧辊的圆周方向同步移动所述信号发射端和所述信号接收端包括：

沿所述待探测轧辊的圆周方向同步且相向地移动所述信号发射端和所述信号接收端。

4.如权利要求1所述的型钢轧辊V型槽底裂纹深度的探测方法，其特征在于，沿所述待探测轧辊的圆周方向同步移动所述信号发射端和所述信号接收端包括：

沿所述待探测轧辊的圆周方向设有多个检测工位；所述检测工位包括发射检测工位和与所述发射检测工位一一对应的接收检测工位；

同步地将所述信号发射端和所述信号接收端移动至所述检测工位。

5.如权利要求4所述的型钢轧辊V型槽底裂纹深度的探测方法，其特征在于，所述起始工位和所述检测工位与所述轧辊轴线之间的距离小于57mm。

6.如权利要求1所述的型钢轧辊V型槽底裂纹深度的探测方法，其特征在于，根据所述信号接收端接收所述信号发射端发射的超声波信号的接收情况，确定所述待探测轧辊的裂纹深度包括：

获取所述信号接收端接收到的所述超声波信号的信号强度；

根据所述信号强度，确定所述裂纹深度。

7.如权利要求6所述的型钢轧辊V型槽底裂纹深度的探测方法，其特征在于，根据所述信号强度，确定所述裂纹深度包括：

根据所述信号强度，在强度与深度对应关系表中查找与所述信号强度对应的所述裂纹深度。

8.如权利要求1所述的型钢轧辊V型槽底裂纹深度的探测方法，其特征在于，还包括：

根据所述信号接收端接收所述信号发射端发射的超声波信号的接收情况，确定所述待探测轧辊的裂纹方向。

9.如权利要求8所述的型钢轧辊V型槽底裂纹深度的探测方法，其特征在于，根据所述信号接收端接收所述信号发射端发射的超声波信号的接收情况，确定所述待探测轧辊的裂纹方向包括：

获取所述信号发射端和所述信号接收端的移动方向；

根据所述接收情况和所述移动方向，确定所述裂纹方向。

10.如权利要求9所述的型钢轧辊V型槽底裂纹深度的探测方法，其特征在于，根据所述接收情况和所述移动方向，确定所述裂纹方向包括：

当所述接收情况由所述信号接收端未接收到所述超声波信号转变为所述信号接收端接收到所述超声波信号时，确定所述待探测轧辊存在裂纹；

获取所述移动方向，若所述移动方向为第三方向，则所述裂纹方向为第一方向；若所述移动方向为第四方向，则所述裂纹方向为第二方向。

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