曲軸R角缺陷的超聲相控陣快速檢測(cè)

付汝龍，陳建華，林丹源，林齊梅，曾慶勛

(廣東汕頭超聲電子股份有限公司 超聲儀器分公司，汕頭 515041)

曲軸R角缺陷的超聲相控陣快速檢測(cè)

付汝龍，陳建華，林丹源，林齊梅，曾慶勛

(廣東汕頭超聲電子股份有限公司 超聲儀器分公司，汕頭 515041)

為了實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸R角部位的快速掃查檢測(cè)，在CTS-PA22A型超聲相控陣檢測(cè)儀上，開(kāi)發(fā)了具有曲軸R角部位3D聲束仿真模型的曲軸檢測(cè)專用模塊，并在曲軸R角部位設(shè)置了切槽和通孔人工缺陷。超聲相控陣檢測(cè)結(jié)果表明，采用具有專用曲軸模塊的相控陣扇形掃描檢測(cè)方式，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)曲軸R角缺陷的快速有效檢測(cè)，同時(shí)結(jié)合曲軸R角部位3D仿真模型,可實(shí)現(xiàn)曲軸R角缺陷的精確定位。

曲軸R角；超聲相控陣；3D聲束仿真模型；扇形掃描

曲軸R角部位缺陷的常規(guī)超聲檢測(cè)，是在普通斜探頭的基礎(chǔ)上增加了一個(gè)側(cè)向傾角，使得超聲波同時(shí)向前方和側(cè)方發(fā)射，便于實(shí)現(xiàn)對(duì)曲軸R角處的檢測(cè)[1]。

曲軸R角缺陷的超聲相控陣檢測(cè)不同于常規(guī)的超聲檢測(cè)，其采用多聲束掃描的方式。并且，為了驗(yàn)證檢測(cè)工藝是否滿足要求，其需要對(duì)受檢件建模并進(jìn)行聲束覆蓋仿真；為了實(shí)現(xiàn)曲軸連桿軸頸R角處缺陷的檢測(cè)，需要通過(guò)超聲檢測(cè)仿真軟件，獲得最佳的檢測(cè)參數(shù)；而且，通過(guò)軟件仿真，可以正確指導(dǎo)檢測(cè)工作合理進(jìn)行[2-4]。

雖然，仿真軟件可以實(shí)現(xiàn)檢測(cè)參數(shù)的優(yōu)化，但是對(duì)于檢測(cè)結(jié)果的分析，需要采用輔助軟件對(duì)缺陷進(jìn)行定位，使缺陷位置顯示更直觀，這樣也有利于缺陷的判別[5]。

筆者將曲軸R角部位3D聲束仿真模型內(nèi)置到CTS-PA22A型超聲相控陣檢測(cè)儀上，以實(shí)現(xiàn)對(duì)曲軸R角缺陷的快速、有效檢測(cè)。

1 超聲相控陣檢測(cè)原理

超聲相控陣檢測(cè)使用的相控陣探頭由多個(gè)晶片按一定的規(guī)律分布排列，通過(guò)軟件可以單獨(dú)控制每個(gè)晶片的激發(fā)時(shí)間，從而控制發(fā)射超聲波束(波陣面)的形狀和方向，實(shí)現(xiàn)超聲波的波束掃描、偏轉(zhuǎn)和聚焦；因此，超聲相控陣可以檢測(cè)出不同方位及取向的缺陷，這些缺陷可能隨機(jī)分布在遠(yuǎn)離聲束軸線的位置上。

筆者采用的扇形掃描又稱方位掃描或角掃描，該掃描是使陣列中相同晶片組發(fā)射的聲束對(duì)某一聚焦深度在掃描范圍內(nèi)移動(dòng)，聚焦點(diǎn)的軌跡為圓弧曲線，扇形掃描原理如圖1(a)所示(圖中d為陣元間距，A為激勵(lì)孔徑；N為陣元數(shù)目；f為聚焦深度；α為角度范圍；θ為角度步進(jìn))。扇形掃描可以實(shí)現(xiàn)工件整個(gè)斷面的顯示掃查，不同角度和不同深度位置的缺陷均可檢測(cè)出來(lái)，典型的扇形掃描圖像如圖1(b)所示。

圖1 相控陣扇形掃描原理及掃描圖像

扇形掃查具有良好的聲束可達(dá)性，不需要復(fù)雜的掃查裝置或更換探頭，不移動(dòng)探頭或盡量少移動(dòng)探頭就可實(shí)現(xiàn)厚大工件和形狀復(fù)雜工件的整個(gè)體積或所關(guān)心區(qū)域的多角度多方向掃查，是解決可達(dá)性差、空間受限及結(jié)構(gòu)復(fù)雜工件檢測(cè)的有效手段，因而是檢測(cè)曲軸R角部位缺陷的理想掃查方式。

2 曲軸3D仿真模型設(shè)計(jì)

圖2 曲軸工件實(shí)物及簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)示意

2.1 曲軸工件 采用的某型曲軸實(shí)物及簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)如圖2所示。根據(jù)曲軸R角缺陷部位實(shí)現(xiàn)檢測(cè)的對(duì)比要求，在曲軸的R角部位設(shè)置4個(gè)人工缺陷，缺陷位置如圖2(b)所示，曲軸有8個(gè)R角部位，在位置2與位置8分別設(shè)置了深度10 mm和5 mm，傾斜角度均為45°的線切割槽來(lái)模擬表面裂紋，在位置4和位置6各設(shè)置了一個(gè)直徑為2 mm的通孔來(lái)模擬內(nèi)部缺陷。

2.2 計(jì)算機(jī)軟件仿真

采用某計(jì)算機(jī)仿真軟件對(duì)曲軸8個(gè)R角部位進(jìn)行聲束仿真，扇形掃描角度范圍均為0°～45°。根據(jù)人工缺陷的設(shè)置，位置1和8配對(duì)，位置2和7配對(duì)，位置3和6配對(duì)，位置4和5配對(duì)。其中對(duì)位置1，8，3，6分別進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，相控陣探頭放在主軸頸位置的聲束仿真圖像如圖3所示，從位置1和8的聲束仿真結(jié)果可知，位置8的線切割槽阻擋了部分聲束；從位置3和6的聲束仿真可知，位置6的通孔阻擋了部分聲束。

圖3 相控陣探頭放置在主軸頸位置的聲束仿真圖像

當(dāng)對(duì)位置2，7，4，5進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，相控陣探頭放置在連桿軸頸位置的聲束仿真圖像如圖4所示，從位置2和7的聲束仿真可知，位置2的線切割槽阻擋了部分聲束；從位置4和5的聲束仿真可知，位置4的通孔阻擋了部分聲束。

圖4 相控陣探頭放置在連桿軸頸位置的聲束仿真圖像

2.3 曲軸3D仿真軟件設(shè)計(jì)

通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真軟件的仿真，相控陣探頭放置的位置有兩個(gè)，一個(gè)是主軸頸位置，另一個(gè)是連桿軸頸位置。將探頭放置在主軸頸位置進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，可采用與連桿軸頸位置相同的檢測(cè)工藝仿真參數(shù)；同樣將探頭放置在連桿軸頸位置進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，也可采用與主軸頸位置相同的檢測(cè)工藝仿真參數(shù)。因此可以簡(jiǎn)化曲軸仿真工藝，將曲軸簡(jiǎn)化為3個(gè)部分：主軸、曲壁、連桿軸。通過(guò)分別設(shè)置主軸、曲壁和連桿軸的參數(shù)即可實(shí)現(xiàn)各類曲軸工件的3D建模。

目前我國(guó)有比較多的獨(dú)生子女家庭,因?yàn)楦鞣N因素獨(dú)生子女的吃苦耐勞特性較差,獨(dú)立性低,所以臨床護(hù)理難度比較高。而且,兒科患者的病情比較復(fù)雜,患兒年齡小,依從性差,導(dǎo)致了護(hù)理工作的開(kāi)展非常困難。護(hù)理人員除了要做好本職工作,還需要對(duì)細(xì)節(jié)進(jìn)行觀察,積極主動(dòng)的和患兒家屬溝通。

完成工件的建模后，可以在工件模型上設(shè)置探頭、楔塊的參數(shù)，選擇探頭放置位置，設(shè)置扇形掃描參數(shù)，完成超聲聲束的覆蓋仿真。仿真時(shí)，相控陣探頭可以在軸頸上實(shí)現(xiàn)軸向移動(dòng)和周向移動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)檢測(cè)位置的精確定位；同時(shí)工件模型可分別沿x軸、y軸、z軸三個(gè)方向旋轉(zhuǎn)，可進(jìn)行放大和縮小，可以在屏幕任意位置平移，可切換查看三視圖，所有的參數(shù)調(diào)節(jié)均實(shí)現(xiàn)觸屏操作。因此，設(shè)計(jì)的曲軸檢測(cè)工藝仿真軟件提供了探頭、楔塊、工件、掃查等菜單的設(shè)置；其中探頭菜單可以選擇內(nèi)置在儀器里的相控陣探頭型號(hào)，楔塊菜單可以選擇內(nèi)置在儀器里的相控陣楔塊型號(hào)，工件菜單可以分別設(shè)置連桿軸、曲壁、主軸的具體參數(shù)，掃查菜單可以設(shè)置扇形掃查參數(shù)及探頭位置參數(shù)；同時(shí)，通過(guò)觸控儀器屏幕右側(cè)的快捷圖標(biāo)(包括x/y/z軸旋轉(zhuǎn)、放大/縮小、平移、三視圖切換、還原等)可在屏幕上左右滑動(dòng)，從各個(gè)方向查看仿真模型和具體細(xì)節(jié)。

探頭位于連桿軸頸位置的曲軸3D模型仿真圖像如圖5所示。

圖5 探頭位于連桿軸頸位置的曲軸3D模型仿真圖像

探頭放置在主軸頸位置的曲軸3D模型仿真圖像如圖6所示。

圖6 探頭位于主軸頸位置的曲軸3D模型仿真

3 檢測(cè)方法及結(jié)果

3.1 檢測(cè)方法

采用具有曲軸R角部位3D聲束仿真模型的曲軸檢測(cè)專用模塊的CTS-PA22A型超聲相控陣檢測(cè)儀，對(duì)加工有人工切槽和通孔的曲軸試塊進(jìn)行檢測(cè)。采用的相控陣探頭參數(shù)為：頻率2.5 MHz，陣元數(shù)16個(gè)，陣元間距1 mm，R26.5 mm弧度延時(shí)塊，R35 mm 弧度延時(shí)塊；采用的曲軸試塊參數(shù)為：連桿軸直徑53 mm，主軸直徑70 mm，曲臂厚度20 mm，連桿軸和主軸重合部位8 mm；采用的扇形掃描參數(shù)為：扇形掃描角度范圍為0°～45°。由于在曲軸試塊上制作人工缺陷的時(shí)候已經(jīng)考慮到對(duì)比的要求，即，同類型部位的檢測(cè)兩兩配對(duì)，一個(gè)設(shè)置有人工缺陷，一個(gè)不設(shè)置人工缺陷；這樣在檢測(cè)時(shí)可以對(duì)比有無(wú)缺陷的檢測(cè)圖像，驗(yàn)證采用超聲相控陣檢測(cè)方法來(lái)檢測(cè)曲軸R角缺陷的可靠性。

圖7 檢測(cè)設(shè)備外觀

檢測(cè)設(shè)備外觀如圖7所示，儀器視圖顯示包括A掃描窗口、扇形掃描窗口、曲軸3D模型窗口等。A掃描窗口顯示扇形掃描中某個(gè)角度聲束位置的A掃描波形，扇形掃描窗口顯示曲軸檢測(cè)的扇形掃描圖像，曲軸3D模型窗口顯示曲軸的模型仿真。同時(shí)，根據(jù)當(dāng)前聲束角度的波形實(shí)時(shí)顯示缺陷在模型中的位置，位置的指示采用紅色指示點(diǎn)標(biāo)識(shí)。

3.2 檢測(cè)結(jié)果

圖8 主軸位置上的超聲相控陣檢測(cè)圖像

3.2.1 在主軸位置上檢測(cè)結(jié)果

在主軸位置上進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，探頭放置方法如圖3所示，分別針對(duì)位置1，8，3，6進(jìn)行檢測(cè)。其中，位置1和8配對(duì)，位置8設(shè)置有人工切槽缺陷；位置3和6配對(duì)，位置6設(shè)置有通孔缺陷。

主軸位置上超聲相控陣檢測(cè)圖像如圖8所示，圖8(a)為位置6的檢測(cè)圖像，由于位置6設(shè)置有通孔缺陷，因此檢測(cè)圖像中可以看到明顯的通孔回波圖像，且通孔回波圖像在3D模型的指示正好位于R角，與實(shí)際情況符合；圖8(b)為位置3的檢測(cè)圖像，由于位置3沒(méi)有設(shè)置人工缺陷，因此檢測(cè)圖像中沒(méi)有看到可疑回波顯示；圖8(c)為位置8的檢測(cè)圖像，位置8設(shè)置了切槽人工缺陷，檢測(cè)圖像中可以明顯看到切槽的端角回波；圖8(d)為位置1的檢測(cè)圖像，由于位置1沒(méi)有設(shè)置人工缺陷，因此檢測(cè)圖像中沒(méi)有看到可疑回波顯示。

從圖8的檢測(cè)圖像可知，當(dāng)相控陣探頭放置在主軸位置上進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，曲軸R角部位是否存在缺陷可從檢測(cè)圖像中一目了然，且缺陷的位置在模型中能夠定位顯示，定位位置與實(shí)際位置符合。

圖9 連桿軸位置上的超聲相控陣檢測(cè)圖像

3.2.2 在連桿軸位置上檢測(cè)結(jié)果

在連桿軸位置上進(jìn)行檢測(cè)，探頭放置如圖4所示，分別針對(duì)位置2，7，4，5進(jìn)行檢測(cè)。檢測(cè)圖像如圖9所示，位置2和7配對(duì)，位置2設(shè)置有人工切槽缺陷；位置4和5配對(duì)，位置4設(shè)置有通孔缺陷。圖9(a)為位置4的檢測(cè)圖像，由于位置4設(shè)置有通孔缺陷，因此檢測(cè)圖像中可以看到明顯的通孔回波圖像，且通孔回波圖像在3D模型的指示正好位于R角部位，與實(shí)際情況符合；圖9(b)為位置5的檢測(cè)圖像，由于位置5沒(méi)有設(shè)置人工缺陷，因此檢測(cè)圖像中沒(méi)有看到可疑回波顯示；圖9(c)為位置2的檢測(cè)圖像，位置2設(shè)置了切槽人工缺陷，檢測(cè)圖像中可以明顯看到切槽的端角回波；圖9(d)為位置7的檢測(cè)圖像，由于位置7沒(méi)有設(shè)置人工缺陷，因此檢測(cè)圖像中沒(méi)有看到可疑回波顯示。

從圖9的檢測(cè)圖像可知，當(dāng)相控陣探頭放置在連桿軸位置上進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，曲軸R角部位是否存在缺陷，從檢測(cè)圖像中便可看出，且缺陷的位置在模型中能夠定位顯示，定位的位置與實(shí)際位置符合。

圖9(c)圖像中除了切槽端角回波外，在端角回波的右上角仍然有一個(gè)疑似缺陷回波。對(duì)其進(jìn)行測(cè)量，切槽端角回波參數(shù)為深度54.5 mm，水平16.1 mm，疑似缺陷回波參數(shù)為深度45.1 mm，水平25.8 mm，這兩個(gè)缺陷之間的深度差為9.4 mm，水平差為9.7 mm，從測(cè)量結(jié)果看這個(gè)疑似缺陷回波可能是切槽尖端部位的反射回波，但需要進(jìn)一步確定。

4 結(jié)論

(1) 儀器內(nèi)置曲軸R角3D仿真模型，在檢測(cè)之前需要進(jìn)行工件建模和聲束仿真，以保障檢測(cè)工藝的可靠性。

(2) 通過(guò)曲軸R角3D仿真模型與扇形掃描檢測(cè)圖像的同屏顯示，用戶可實(shí)時(shí)定位曲軸R角缺陷位置，輔助缺陷判斷。

(3) 相控陣扇形掃描的多聲束角度特點(diǎn)，能實(shí)現(xiàn)曲軸R角部位的全方位覆蓋檢測(cè)。檢測(cè)時(shí)探頭移動(dòng)可沿主軸頸和連桿軸頸周向旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)曲軸R角缺陷的快速掃查檢測(cè)。

(4) 通過(guò)采用具有曲軸3D仿真模型的儀器，可大大降低檢測(cè)人員檢測(cè)曲軸R角缺陷的難度。

[1] 石常亮,董世運(yùn),唐維學(xué),等.廢舊曲軸R角處缺陷的超聲波檢測(cè)[J].無(wú)損檢測(cè), 2015,37(10):20-23.

[2] 董世運(yùn),劉彬,徐濱士,等.舊曲軸缺陷超聲相控陣檢測(cè)仿真設(shè)計(jì)與驗(yàn)證[C]//無(wú)損檢測(cè)高等教育發(fā)展論壇暨電磁超聲無(wú)損檢測(cè)技術(shù)交流會(huì).[S.l.]:[s.n], 2011.

[3] 董世運(yùn),潘亮,徐濱士,等.基于CIVA的曲軸R角缺陷相控陣超聲檢測(cè)方法[J].裝甲兵工程學(xué)院學(xué)報(bào), 2013,27(3):70-74.

[4] 閆曉玲,董曉云,王新月,等.基于超聲相控陣的再制造曲軸缺陷檢測(cè)方法研究[J].現(xiàn)代制造工程,2013(10):20-24.

[5] 陸銘慧,鄧勇,劉勛豐.曲軸區(qū)域超聲相控陣檢測(cè)方法研究[J].中國(guó)測(cè)試,2016,42(7):97-102.

The Rapid Ultrasonic Phased Array Testing of Crankshaft R-angle Defects

FU Rulong, CHEN Jianhua, LIN Danyuan, LIN Qimei，ZENG Qingxun

(Ultrasonic Instrument Branch, Guangdong Goworld Co., Ltd., Shantou 515041, China)

To achieve the rapid testing of engine crankshaft R-angle defects, the 3D beam simulation model of crankshaft R-angle parts is developed in the CTS-PA22A phased array ultrasonic testing instrument, and crankshaft R-angle parts are made with cutting groove and hole-type artificial defects. The phased array ultrasonic testing experimental results show that the phased array S-scan, which is with crankshaft R-angle parts 3D beam simulation model, can rapidly and effectively test the R-angle defects of the crankshaft, and also can accurately locate the defects.

crankshaft R-angle; ultrasonic phased array; 3D beam simulation model; S-scan

2016-09-12

付汝龍(1982-)，男，碩士，電子工程師(中級(jí))，主要從事超聲無(wú)損檢測(cè)技術(shù)研究工作

付汝龍，rlfu@st-ndt.com

10.11973/wsjc201705009

TG115.28

A

1000-6656(2017)05-0037-05