电力机车轮齿超声探伤用探头的研制

　　1　引言

　　机车传动齿轮的探伤技术,多年来一直采用传统的方法,在操作上比较费时,而且检测精度不高;尤其是靠近轮对的一侧,目前被大量采用的磁粉探伤结果由于视线的障碍不好观测,给探伤带来很大困难;另外磁粉探伤对表面的断裂比较敏感,而对于内部的缺陷不灵敏,这也不利于对齿轮情况进行综合的分析和预判。根据生产一线的要求,新研制的“电力机车轮齿超声B扫描成像检测系统”采用超声进行探测,提高了检测的灵敏度,解决了很多传统方法存在的问题,操作更加简单,检测速度更快,效率更高,准确率和精度都有提高。

　　2　探头设计

　　2.1　伤的情况

　　根据大量的一线探伤结果和分析,机车传动齿轮的疲劳裂纹都集中在齿根附近,从与齿面的结合处开始,然后向径向和纵深发展,径向沿着应力区的变化,发展方向类似抛物线,纵深沿轮齿的斜向沟的走向发展,径向和纵深深度比例最开始时约为1∶20,随着发展,这个比例会逐渐变小。

　　2.2　最初探头设计方案

　　根据伤的情况,探头设计时重点面对齿根的应力集中区域,在对面设置横波探头探测齿根附近。在设计的开始阶段,检测方案中探头使用横波线聚焦探头,隔离开的两个方形晶片分别进行发射和接收,同时,探头中设置两个圆形纵波晶片,用于监测耦合状态,并同时标识检测范围。图1是原始的单个探头示意及在材料内的声波走向。图2是预计的扫描波形和伤出现的位置。

　　总体探头布局是在一对齿轮的每个面上对称布置两只这样的探头,总共8只探头,使用8个发射通道和8个接收通道以及8个收发合并的通道。

　　2.3　改进与调整

　　通过实验,横波探头进行了一次大的改进和一次方案的调整。

　　横波探头改进:通过实验,发现在预计的伤出现的范围内总有齿根的返回波存在,并随着探头移动在很大范围内移动。这导致原来设想的伤出现的范围扩大了很多,并且伤波和齿根波一起存在,这样,直探头波形就成为了判伤的障碍。改进后,使用固定出现的齿根波监测耦合状况,去掉直探头,使采集范围不再限制在一定区域内,这符合实验具体情况,并且,还使A扫描变得稍微简练了一些,在后来的B扫描成像和数据处理中,证明这个改动是非常重要的,同时还减少了8个收发合并的通道,优点是显而易见的。图3是改进后单个横波探头对工件检测的A扫描图。

　　方案的调整:

　　最初设计的同一面对称放置的两个横波探头是为了防止缺陷走向不同产生漏报,实验证明在轮齿中,这种担心没有必要。同时考虑到疲劳裂纹总是从表面开始,用表面波探头代替一个面的一只横波探头对防止漏报效果应该更好,后来的实验证明,表面波虽然对伤定性和定量都有很大不足,但是,由于其对表面痕迹非常敏感,确实有效地防止了漏报出现。