相控阵超声波车轮缺陷探伤技术研究

论文摘要

超声相控阵无损探伤技术是近年来超声无损探伤领域发展起来的新技术,早期的应用可追溯到20世纪60年代医学高分辨率成像领域,初期的超声相控阵系统制作复杂且成本较高,在工业无损探伤方面的应用受到限制。随着近年来压电复合技术、微电子技术、探头设计制造工艺、强大功能软件的飞速发展,超声相控阵技术以其强大的技术优势逐渐取代传统的超声波探伤方法,担负起质量控制严格的航空、铁路、核工业、锅炉压力容器等工业领域的无损探伤职责,并越来越受到人们的重视。超声相控阵技术通过对超声阵列换能器中各阵元进行相位控制,获得灵活可控的合成波束。它具有能进行动态聚焦、可进行成像检测、可检测复杂形状物体、能提高检测灵敏度、分辨力和信噪比等多项优点。本文通过跟踪调研近年来国内外超声探伤领域发展的新动向,分析采用将超声相控阵技术应用于车轮缺陷探伤的方法,针对车轮中的轮辋、轮辐缺陷性质和缺陷分布特点,利用超声相控阵技术中灵活的声束控制和聚焦两大突出优势来简化步骤,解决轮对的实时探伤,提高轮对探伤精度等一系列的问题。并根据标准试块、实物试块、车轮缺陷样板轮、现场动车在线探伤等一系列的实验,参考铁道部有关车轮探伤标准文件,完成车轮在线相控阵超声波探伤的成套解决方案。分析讨论了相控阵超声波车轮缺陷定位和探伤分辨率,提出利用可变孔径聚焦和深度聚焦的方式来优化车轮探伤,在提高探伤质量的同时,也保证了较高的检测效率。在本文的最后,还对全文实验、超声相控阵车轮探伤的应用情况做出简单总结,客观地评价了超声相控阵车轮缺陷探伤的优势和不足,提出下一步需要解决的关键问题和一些改进意见,还对今后车轮缺陷探伤的发展方向做出了预测。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 论文的背景及意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 磁粉探伤法
• 1.2.2 涡流探伤法
• 1.2.4 超声探伤法
• 1.3 本文完成的主要内容
• 第2章 超声相控阵车轮探伤技术原理
• 2.1 超声相控阵基本原理
• 2.1.1 换能器原理
• 2.1.2 波型与波型转换
• 2.1.3 声波的衰减特性
• 2.1.4 超声叠加波束形成与控制
• 2.2 动车车轮探伤技术现状及比较
• 2.2.1 车轮常规超声探伤方法
• 2.2.2 车轮超声相控阵探伤方法
• 2.2.3 两种车轮探伤方法的比较
• 2.3 超声相控阵探伤
• 2.3.1 相控阵探头及选型
• 2.3.2 数据采集与超声成像
• 2.3.3 超声相控阵探伤设备
• 2.3.4 声场的仿真覆盖分析
• 第3章 车轮缺陷分布特点及人工缺陷的制作
• 3.1 动车车轮构造及缺陷分布特点
• 3.1.1 车轮构造
• 3.1.2 轮辋缺陷分布特点
• 3.1.3 轮辐缺陷分布特点
• 3.2 人工缺陷的制作
• 3.2.1 标准试块
• 3.2.2 轮辋实物试块缺陷的制作
• 3.2.3 车轮样板轮缺陷的制作
• 第4章 针对车轮缺陷的探伤实验及分析
• 4.1 进行车轮探伤的基本操作流程
• 4.2 相控阵探伤仪校准
• 4.2.1 探伤仪/探头组合校准
• 4.2.2 轴向探伤灵敏度
• 4.2.3 周向探伤灵敏度
• 4.2.4 径向探伤灵敏度
• 4.3 轮辋缺陷试块探伤
• 4.4 轮辐缺陷探伤
• 4.5 车轮缺陷样板轮探伤
• 4.6 探伤实验小结
• 4.7 现场动车车轮探伤
• 4.7.1 探伤线路
• 4.7.2 扫查方式和扫查步骤
• 4.7.3 地沟内作业的扫查范围
• 4.7.4 缺陷的检测与评估
• 4.8 本章小结
• 第5章 基于相控阵聚焦的改进及实验分析
• 5.1 改进的目的
• 5.2 缺陷的定位和探伤分辨率
• 5.2.1 缺陷面形对回波指向性的影响分析
• 5.2.2 探伤仪器定位误差实验及分析
• 5.2.3 轮辋探伤样块的缺陷定位能力测试
• 5.2.4 车轮缺陷几何数值转化关系
• 5.2.5 车轮声束扩散角对定位精度的影响
• 5.2.6 缺陷定位能力测试总结
• 5.3 基于相控阵聚焦的缺陷探伤改进及实验
• 5.3.1 相控阵聚焦特性的适用性
• 5.3.2 轮辋区域可变孔径聚焦分析
• 5.3.3 轮辐区域深度聚焦分析
• 5.3.4 车轮聚焦测试
• 5.3.5 聚焦测试小结
• 总结与展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文及科研成果