模糊模式识别在轮箍超声横波探伤中的应用

　　1 引 言

　　轮箍是铁路机车运行的重要部件, 在制造和使用过程中如出现危害性缺陷, 直接威胁着列车的安全行驶。随着近年来列车提速, 这种缺陷的发生和发展有加快的趋势, 给铁路运输安全带来极大威胁。为消除缺陷隐患保证行车安全, 铁路部门近年投入大量人力财力开展轮箍探伤。就目前国内轮箍检测技术而言, 相对于超声纵波及表面波技术, 大角度横波探伤方法是一种更行之有效的技术, 它可以在装车后静止情况下完成对轮箍的全面扫查, 且对常见的径向缺陷有很高的检测灵敏度, 能快速有效地进行轮箍装车状态下的探伤。

　　由于轮箍标记及轮箍结构的原因, 横波声束入射到轮箍内, 会产生各种干扰信号, 影响探伤人员对缺陷信号的正确识别。同时, 用人工方法也难以在轮箍探伤过程中对缺陷的形状、性质进行实时准确地鉴别和分类。近年来在超声无损检测领域, 已经不断有模糊模式识别的应用, 并取得了良好效果, 但到目前为止, 在机车轮箍检测方面还未见模糊识别的应用报道。为了更精确、客观地对缺陷进行评价和识别, 本文在超声横波探伤方法的基础上, 应用了模糊模式识别方法, 通过提取缺陷信号的频域特征,建立典型缺陷的模糊子集, 运用基于贴近度的择近原则, 对轮箍缺陷进行分类识别。

　　2 轮箍横波探伤原理

　　当一束纵波入射到两种介质的界面时, 一般会在第二种介质中产生折射的纵波和横波, 如图 1 所示。为在第二种介质中产生单纯的横波, 纵波入射角须满足如下条件:

其中:cL1为第一介质中的纵波声速;cL2为第二介质中的纵波声速;cT为第二介质中的横波声速。

　　本工作采用的纵波斜探头结构如图 2 所示。轮箍踏面为一定曲率的弧面, 楔形透声材料为有机玻璃。探头斜块材料有机玻璃的纵波声速大致为2640m/s~2820m/s, 设计时可近似取其平均值 cL1=2.72km/s。 常 用 轮 箍 的 钢 材 料 纵 波 声 速 大 致 为5880m/s~5950m/s, 设计时可取其平均值 cL2=5.90km/s,其横波声速 cT=3.23km/s。按照上述分析, 只要按式(2) 设计入射角 αL, , 即可在轮箍中产生纯横波。由式(2)得: 27.2°<αL<57.5°。

　　探伤原理如图 3 所示, 探伤时探头放置于轮箍外侧弧面( 即踏面) 上, 伤位于轮箍内外环面之间。声波入射到轮箍内以后, 折射产生的横波在轮箍环体内向前呈分段折线式传播, 每段折线依次为一次声程、二次声程 。产生的横波声束约有 4°的半扩散角, 图中折线为横波声束轴线。根据实际探测经验, 轮箍缺陷极少出现在靠近其内侧弧面的区域, 为增加探测声程跨距, 而将探头纵波入射角 αL设计为使折射横波声束与轮箍内侧弧面靠近但不相交的角度。本实验研究取 αL=49°, 此时对应 β=64°。这样在车轮不动的情况下, 横波声束在轮箍环体中被外侧弧面( 踏面) 多次反射而呈折线式传播, 设计尽量使声束的一次跨距(弦长)W 和对应的探测深度( 弦高)h0较大, 有利提高检测效率。同时, 声束经凹面反射,带有某种能量聚焦作用, 扩散损失小, 因而传播距离得以有效延伸, 一般四次声程以上仍有足够高的探伤灵敏度, 并且探头只需在一个跨度内扫查, 即可实现对轮箍的全部检测。