蝸卷彈簧缺陷的周向?qū)Рz測

(廣西電力有限責(zé)任公司 科學(xué)研究院，南寧 530012)

近年來，超聲導(dǎo)波檢測技術(shù)快速發(fā)展，特別是在板狀和管狀等波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用日趨成熟[1-2]，相比傳統(tǒng)的超聲波檢測法，超聲導(dǎo)波對結(jié)構(gòu)表面或內(nèi)部的裂紋等缺陷進(jìn)行大面積長距離的檢測具有很大優(yōu)勢。

戴翔等[3]通過計算不同激勵角度下的厚壁管道周向?qū)Р▊鞑ヌ匦裕瑑?yōu)化了探頭的入射角度，研究了周向?qū)Рㄅc厚壁管道壁厚方向不同位置缺陷的相互作用，發(fā)現(xiàn)不同激勵角度對壁厚方向不同位置缺陷的檢測靈敏度不同，當(dāng)入射角度為45°時，整個壁厚范圍上的缺陷都能夠被檢測。HAYASHI等[4]開發(fā)了一種用于彎管結(jié)構(gòu)的半解析有限元法，并通過數(shù)值模擬得到彎管結(jié)構(gòu)導(dǎo)波的傳播特性，計算了經(jīng)過4個彎管區(qū)域后的導(dǎo)波回波信號，得到導(dǎo)波在彎管區(qū)域會發(fā)生模態(tài)轉(zhuǎn)換的結(jié)論。張旭等[5]計算了鋁環(huán)在2.5 MHz中心頻率時最低階模態(tài)的頻散特性，并利用該模態(tài)對鋁環(huán)進(jìn)行檢測，發(fā)現(xiàn)導(dǎo)波在鋁^環(huán)內(nèi)壁缺陷處會發(fā)生模態(tài)轉(zhuǎn)換。吳斌等[6]通過對比不同入射角的斜探頭組合，優(yōu)化選取信噪比較好的斜探頭在厚壁管道中激勵出C-Lamb3模態(tài)導(dǎo)波對缺陷進(jìn)行了檢測，并證明了周向?qū)Рǖ闹赶蛐?。YU等[7]基于線性三維彈性理論，采用正交多項式級數(shù)展開法確定均勻各向異性球形曲面板中的導(dǎo)波頻散特性和位移分布，計算了不同曲率半徑下正交各向異性球面曲線板的導(dǎo)波頻散曲線，討論了曲率半徑對波傳播特性的影響。王國峰等[8]提出基于橢圓法的圓管損傷定位，并通過在圓管上引入切槽損傷、孔損傷進(jìn)行驗證，對損傷大小、位置對定位誤差的影響進(jìn)行了分析。勵爭等[9]將連續(xù)小波變換應(yīng)用到周向?qū)Рz測技術(shù)中，提出了一種以沖擊載荷作為導(dǎo)波激勵源，且適于薄壁管道內(nèi)部徑向裂紋檢測的導(dǎo)波檢測方法，該方法可定量地檢測出圓環(huán)內(nèi)部徑向裂紋的位置，并進(jìn)一步判斷裂紋的損傷程度。

以上的研究都是以固定曲率的管狀或者球狀波導(dǎo)結(jié)構(gòu)為研究對象，對于蝸卷彈簧等變曲率彎板結(jié)構(gòu)的導(dǎo)波檢測研究很少有報道。蝸卷彈簧各圈曲率變化不大，且軸向距離很短，因此對于此類構(gòu)件的周向?qū)Рz測，不僅可以實現(xiàn)軸向和徑向缺陷的檢測，而且耗時少，只需移動傳感器進(jìn)行軸向掃查便可獲取蝸卷彈簧整個厚度上的缺陷信息，實現(xiàn)對缺陷的快速檢測和定位。因此，筆者把要檢測的蝸卷彈簧外圈近似為固定曲率的空心圓柱體結(jié)構(gòu)，通過數(shù)值求解該空心圓柱體的周向?qū)Рㄈ核俣阮l散曲線，來表征蝸卷彈簧外圈周向?qū)Рǖ膫鞑ヌ匦?，并由周向?qū)Рl率和入射角之間的關(guān)系選擇探頭的中心頻率和入射角，搭建周向?qū)Рㄔ囼炏到y(tǒng)，對彈簧缺陷區(qū)域和非缺陷區(qū)域進(jìn)行檢測，通過端面回波分析計算導(dǎo)波群速度，驗證是否激勵了特定的周向?qū)РB(tài)，根據(jù)缺陷回波以及聲程計算缺陷的位置，實現(xiàn)缺陷的定位。

1 蝸卷彈簧周向?qū)Рz測原理

以蝸卷彈簧實際使用中最易產(chǎn)生缺陷的最外圈為研究對象，研究周向?qū)Рㄔ谖伨韽椈勺钔馊Φ膫鞑ヌ匦?，建立與其曲率近似的內(nèi)外表面均為自由表面的空心圓柱體結(jié)構(gòu)，基本參數(shù)如表1所示。利用彈性力學(xué)知識以及邊界條件推導(dǎo),能得到該空心圓柱體周向?qū)Рl散方程，推導(dǎo)過程可參照文獻(xiàn)[10-12]。通過對頻散方程進(jìn)行數(shù)值求解可得到蝸卷彈簧周向?qū)Рㄈ核俣阮l散曲線(見圖1)。從圖1可以看出，在頻率為01.5 MHz范圍內(nèi)存在10個導(dǎo)波模態(tài)，且每個頻率下至少存在兩個導(dǎo)波模態(tài)，在不同頻率下各模態(tài)頻散程度不同。如何選取合適單一的導(dǎo)波模態(tài)對卷簧進(jìn)行檢測是一個關(guān)鍵的問題。由Snell定律，楔塊材料縱波波速為2 337 m·s-1，可計算出周向?qū)Рl率和探頭入射角以及導(dǎo)波模態(tài)的關(guān)系(見圖2)。由圖2可以看出,在特定頻率和探頭入射角度下，可以激勵出單一的周向?qū)РB(tài)。由于低階模態(tài)的導(dǎo)波在材料中的衰減小，且模態(tài)結(jié)構(gòu)簡單，導(dǎo)波檢測中多采用低階導(dǎo)波模態(tài)進(jìn)行檢測。由圖2可知，選擇的楔塊角度過小會導(dǎo)致激發(fā)的模態(tài)較多，從而影響檢測分辨率，因此應(yīng)選擇較大的角度入射才能激勵出較為單一的導(dǎo)波模態(tài)。根據(jù)蝸卷彈簧導(dǎo)波檢測的實際情況，采用中心頻率為1 MHz的導(dǎo)波傳感器以及52°楔塊的組合探頭在蝸卷彈簧中激勵1模態(tài)的周向?qū)РㄟM(jìn)行檢測。

表1 空心圓柱體結(jié)構(gòu)基本參數(shù)

圖1 蝸卷彈簧周向?qū)Рㄈ核俣阮l散曲線

圖2 導(dǎo)波頻率和探頭入射角的關(guān)系

圖3 周向?qū)Рz測試驗系統(tǒng)示意

2 蝸卷彈簧周向?qū)Рz測

試驗裝置主要由RAM-5000-SNAP系統(tǒng)、示波器、計算機、匹配電阻和1個導(dǎo)波探頭等組成(見圖3)。RAM-5000-SNAP系統(tǒng)作為信號發(fā)生和接收器，可通過計算機調(diào)節(jié)其激勵信號寬度和增益，利用示波器觀察發(fā)射和接收的時域波形。為了降低周向?qū)Рǖ念l散，使得接收波形易于分析，激勵信號應(yīng)盡量選擇窄帶信號，試驗采用10個周期的正弦信號作為激勵信號，且利用一個導(dǎo)波探頭自激勵自接收的方式進(jìn)行檢測，目的是為了減小由于兩個探頭接收帶來的系統(tǒng)誤差，降低耦合程度不一或?qū)μ筋^施壓不同等因素對回波幅值的影響。蝸卷彈簧外圈展開及傳感器分布示意如圖4所示，蝸卷彈簧外圈長為855 mm，寬為120 mm，厚為11.5 mm。在蝸卷彈簧外表面，距離周向右端面315 mm和515 mm處分別有兩個軸向長為3 mm，寬為1 mm，深為0.5 mm的預(yù)置缺陷，兩個缺陷距離蝸卷彈簧同一橫截面的距離都為45 mm。采用選定的組合探頭，通過改變探頭前端與缺陷的距離,以及探頭前端與端面的距離來對缺陷回波進(jìn)行分析，探頭尺寸(長×寬)為35 mm×25 mm。探頭分3個區(qū)域進(jìn)行檢測，分別為無缺陷區(qū)域、1個缺陷區(qū)域和2個缺陷區(qū)域。在無缺陷區(qū)域,將探頭布置在距離下截面25 mm，周向距離分別在400 mm以及700 mm處;在1個缺陷區(qū)域，將探頭布置在距離上截面30 mm，周向距離分別在400 mm和500 mm處;在2個缺陷區(qū)域，將探頭布置在距離上截面30 mm，周向距離在200 mm和300 mm處。

圖4 蝸卷彈簧外圈展開及傳感器分布示意

圖5 無缺陷區(qū)域的檢測結(jié)果

對無缺陷區(qū)域的端面回波進(jìn)行研究，探頭前端距離端面分別為455 mm和155 mm時接收到的回波波形分別如圖5所示。圖5(a)中端面回波時間為0.336 2 ms，圖5(b)中端面回波時間為0.134 4 ms，兩種情況下探頭和端面的距離差為300 mm，由此可以計算激勵的周向?qū)Рㄈ核俣葹? 973 m·s-1，與第1導(dǎo)波模態(tài)理論值2 998 m·s-1的相對誤差為1%，說明通過選定的頻率和入射角可激勵出需要的1模態(tài)導(dǎo)波，且該模態(tài)經(jīng)過端面反射后回波模態(tài)不變。由上述數(shù)據(jù)還可以計算出導(dǎo)波在探頭中的傳播時間為0.015 ms。

對有1個缺陷的區(qū)域進(jìn)行回波分析，探頭前端距離缺陷分別為140 mm和40 mm，距離端面分別為455 mm和355 mm，接收到的波形分別如圖6所示。圖6(a)中缺陷回波時間為0.12 ms，端面回波時間為0.337 ms；圖6(b)中缺陷回波時間為0.052 6 ms，端面回波時間為0.27 ms，再由兩種情況下,探頭前端和缺陷的距離差為100 mm，可計算出缺陷回波群速度為2 967 m·s-1，探頭和端面距離差為100 mm，可計算出端面回波群速度為2 985 m·s-1，與理論值相符。說明在經(jīng)過缺陷和端面反射后，導(dǎo)波模態(tài)沒有發(fā)生模態(tài)轉(zhuǎn)換，可通過該模態(tài)群速度、回波時間以及探頭傳播時間計算缺陷距楔塊前端的距離，實現(xiàn)缺陷的定位。

圖6 1個缺陷區(qū)域的檢測結(jié)果

圖7 2個缺陷區(qū)域的檢測結(jié)果

對有兩個缺陷區(qū)域的回波進(jìn)行分析，探頭前端距離第一個缺陷分別為140 mm和40 mm，距離第二個缺陷分別為340 mm和240 mm，距離端面分別為655 mm和555 mm，接收到的波形如圖7所示。圖7(a)中第一個缺陷回波時間為0.116 7 ms，第二個缺陷回波時間為0.05 ms，端面回波時間為0.463 2 ms；圖7(b)中第一個缺陷回波時間為0.05 ms，第二個缺陷回波時間為0.186 7 ms，端面回波時間為0.396 ms，由兩種情況下探頭和第一、第二個缺陷距離差,以及和端面距離差均為100 mm，可計算出第一個缺陷回波群速度為2 998 m·s-1，第二個缺陷回波群速度為2 981 m·s-1，端面回波群速度為2 976 m·s-1，與理論值2 998 m·s-1都很接近，說明周向?qū)Рㄔ诮?jīng)過第一和第二個缺陷以及端面后都未發(fā)生模態(tài)轉(zhuǎn)換，再次說明了利用激勵模態(tài)的群速度計算缺陷位置的可行性。對比圖5(a)，6(a)，7(a)還可以發(fā)現(xiàn)，距離端面越遠(yuǎn)，導(dǎo)波回波幅值越小，能量衰減越大。當(dāng)探頭和端面間無缺陷時，無法檢測到缺陷回波，在探頭覆蓋缺陷時，缺陷回波很明顯，說明周向?qū)Рㄓ泻軓姷闹赶蛐?，因此?yīng)按照嚴(yán)格的軸向步長進(jìn)行周向?qū)Рz測，避免發(fā)生漏檢。

3 結(jié)語

通過數(shù)值求解了蝸卷彈簧外圈群速度頻散曲線，選擇能激勵特定導(dǎo)波模態(tài)的探頭，利用周向?qū)Р▽ξ伨韽椈赏馊M(jìn)行了缺陷檢測。通過對回波的計算分析，驗證了1 MHz頻率的傳感器以及52°楔塊的組合探頭能夠激勵出1模態(tài)的周向?qū)Рā２⑶以跈z測區(qū)域含有多個缺陷的情況下，缺陷回波都不會發(fā)生模態(tài)轉(zhuǎn)換，由此可通過激勵模態(tài)的群速度、回波時間以及探頭傳播時間計算缺陷距楔塊前端的距離，實現(xiàn)缺陷的定位。最后驗證了周向?qū)Рǖ闹赶蛐?，為工程實際檢測做指導(dǎo)。

致謝計算分析得到了廣西大學(xué)機械學(xué)院的覃小倩、黃應(yīng)翔和唐偉力等的熱情幫助，在此表示由衷感謝。