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斜探头声束折射角误差计算装置的设计与实现

发表时间：2021/5/6 来源：《中国科技信息》2021年6月作者：周凡琳

[导读] 针对机务系统超声波探伤中探头性能测试工作量大且干扰因素多的现状，通过设计斜探头声束折射角误差计算装置，将斜探头的性能检测过程半自动化，能更精确更快捷地对超声波大角度斜探头进行角度误差检测，同时减少人工测量和计算误差对探头角度误差结果的影响。

陕西省西安市中国铁路西安局集团有限公司西安机务段周凡琳 710038

摘要：针对机务系统超声波探伤中探头性能测试工作量大且干扰因素多的现状，通过设计斜探头声束折射角误差计算装置，将斜探头的性能检测过程半自动化，能更精确更快捷地对超声波大角度斜探头进行角度误差检测，同时减少人工测量和计算误差对探头角度误差结果的影响。
关键词：超声波探伤、探头性能测试、斜探头、声束折射角误差
一、背景介绍
超声波探伤是铁路机务系统无损检测的一种常用方法，在超声波探伤中，由探头发射超声波传输至工件中进行无损检测，因此超声波探头的质量和性能直接影响了无损检测的结果，进而影响机车质量和运行安全。超声波探头的质量和性能主要由发射的声束角度误差决定，且铁路机务系统对超声波探头的各类角度误差有明确的范围要求，每月必须对所使用的超声波探头进行性能检测，保证其声束角度误差值在正常范围内，超出标准则不能继续使用。超声探头折射角误差和声轴偏斜角值应符合下表：

        在铁路机务系统的日常探伤作业中，由于使用探头型号较多，性能测试工作量较大，测试结果的准确性与人工熟练度和工作经验有关，这些因素影响了探头声束角度误差的准确性。
        铁路机务系统的超声波探伤作业中常用探头为直探头、小角度探头和横波斜探头。由于三种探头的性能检测方法不同，此次只对横波斜探头的性能检测和使用进行了研究。超声波横波斜探头探伤是利用了波型转换的原理，探头发射纵波倾斜入射到探测面，若入射角在第一临界角和第二临界角之间时，则能在工件中获得横波进行探伤检测，这样的探头被称为斜探头。
        二、设计原理
        目前，超声波探头的性能检测根据JB/T10062《超声探伤用探头性能测试方法》标准进行检测。斜探头折射角是通过数字超声波探伤仪在CSK-ⅠA或ⅡW标准试块上进行测量和计算。如图1所示，探头声束折射角＜60°时在图中A位置检测，折射角在60°～75°之间时在图中B位置检测，折射角在75°～80°之间时在图中C位置检测。检测时，选择对应的通道，设置相应的参数，在试块相应位置移动探头，找到对应检测孔的最高反射波，此时探头入射点对应的试块探测面所标注的角度值即为斜探头在钢中的折射角β。

图1 不同角度斜探头在试块上的探测位置
        三、总体设计
        （一）系统设计
        斜探头声束折射角误差计算装置对探头进行检测时仍采用专用试块（CSK-ⅠA或ⅡW标准试块），以探头找出校准孔的最高反射波，前沿入射点直接量出入射点位置尺寸（前沿距离），仪器采用数字化模式，测出探头前沿距离和检测孔的最高反射波后，K值及折射角通过内部计算显示直接读数即可。
        该计算装置在卡尺的基础上二次开发，采用嵌入式计算技术，集成自动化数据读取与角度计算。其基本结构由数据处理器及电子液晶显示屏、探头固定模块、机械结构架三大部分构成。
        该计算装置将已知数据和公式已进行固化处理，程序逻辑控制流程如图 3所示。其中探测距离、前沿距离和检测孔深已知，移动探头找到孔的最高反射波的位置即为探测距离，读取后装置自动计算出折射角。

图3 装置程序逻辑控制流程图

根据程序逻辑控制流程及与标准试块的尺寸配合设计了该计算装置的基本结构。如图4所示。

图4 结构设计图
        根据该设计图制作了斜探头声束折射角误差计算装置。
        四、现场应用
        斜探头声束折射角误差计算装置制作完成后进行了现场试用。使用时，连接探伤仪和斜探头（标称值为70°），调整好探伤仪通道，将CSK-ⅠA型试块和探头安装至仪器相对应位置。移动探头，找到R100圆弧面最高反射回波，保持探头不动，装置测量出探头前沿距离为10mm。根据探头标称值，调整试块探测面，选择试块上相应的深30mm直径50mm圆孔探测面进行测量。选择好探测面后，前后移动探头，直至测量孔的回波幅度达到最高，保持探头位置不动，测出折射角、入射角和K值。
        经试用对比，作业人员手工测量计算一个超声波斜探头的声束折射角误差需30分钟，使用该装置只需要10分钟，提高了探头性能检测的工作效率。且人工用钢板尺测量数据，过程繁琐不便于记录，易返工进行重复测量，使用该装置则极大的减少了此类人为因素的影响，保证了检测结果的准确性。
        五、结论
        斜探头声束折射角误差计算装置的设计与研制，达到了预期目标，能对超声波斜探头进行性能测试及声束角度误差计算，并且一键自动生成测量数据，大大缩短了斜探头性能检测的时间，提高了检测的准确性和工作效率。并且该装置操作简单、不增加其他风险项，符合铁路机务系统日常作业安全要求。
        该装置的探头测量和计算的精度误差小于人工测量和计算的误差，减少了人为因素的影响。减少了日常作业中使用不合格探头进行探伤而产生安全隐患的问题，进一步保证了机车质量。
        通过产品的研发，实现了斜探头声束折射角误差计算的机械化、数字化，贴合铁路自动化、智能化整体发展要求，为铁路科技发展提供助力，保障了铁路的安全运营。
        作者简介：周凡琳，大学本科，现任无损检测助理工程师，主要研究方向为铁路机务无损检测。