游乐设施重要轴类零件检测中超声相控阵的应用

游乐设施重要轴类零件检测中超声相控阵的应用

林强帅

（江苏省特种设备安全监督检验研究院江苏南京210000）

摘要：本文简述了超声相控阵成像的工作原理以及特点，同时分析了如何根据游乐设施轴类零件特点对相控阵探头进行选择，进而分别进行了5MHz、2MHz检测试验以及相应结果比对，以便为游乐设施轴类零件的检测提供依据，提高其可靠性。

关键字：游乐设施；重要轴类零件；超声相控阵

游乐场中摩天轮等游乐设施的运行特点为沿水平轴做旋转运动，其中主轴为重要受力部件。摩天轮经过长时间运行，主轴受到重力载荷以及运行中的交变载荷作用，其内部容易产生裂纹，随着裂纹不断扩展，其安全性能存在严重安全隐患。由于这类重要轴类零件属于不可拆卸结构，所以在检验过程中，检验人员对其进行检测只能是发现表面的缺陷。超声相控阵是新兴的无损检测技术，能够在探头不移动的情况下对其内部一定范围内进行检测。

一、超声相控阵成像的工作原理以及特点

超声相控阵以惠更斯原理为理论基础设计而成，设计人员将数个彼此互不影响的压电晶片排成阵列，其中，每个压电晶片为一个单元，并按照一定顺序放置。之后，设计人员利用电子系统对阵列当中的各个单元进行控制与刺激，将阵列当中各压电晶片所产生的超声波叠加在一起，形成波阵面。同理，各单元在接收反射波时，电子系统会按照一定顺序接收单元所接受的信号，并将收集的信号进行合成，之后在利用较为合适的形式向检测人员显示信息的合成结果。因为检测人员能够对相控阵单元的延迟时间进行动态改变，所以，检测人员可以利用超声相控阵中可动态聚焦以及声束角度可控两个特点进行检测。

二、相控阵探头的选择

超声相控阵对探头的需求量较大，要求也较高。检测人员需利用不同形状的探头以满足构建检测的需要。超声相控阵探头拥有不同的种类（如图1所示）与阵列。若依照其压电晶片的排列组合方式的差异进行分类，可分为以下三种形式：一维环形阵列、一维线形阵列以及二维面形阵列。其中，环形阵列并不能实现声束偏转控制，故而，检测人员很难发现检测游乐设施轴类内部缺陷。以面形相控阵探头阵列为例，该类面形探头适用于检测游乐设施轴类表面是否存在问题，且检测结果较为准确。理论状态下，检测人员需将面形矩阵探头放置在轴两边端面之间中心处，此时，面型相控阵探头阵列的面形探头便能够按照轴的方向实施扇面检测工作，同时也能够实施360O圆周检测工作。因此，检测人员在使用该类探头，无需移动探头的位置，只需检测人员将其安装在轴端面的中心处，便能够检测轴表面中存在的问题。对于目前的加工工艺，游乐场安装这种面形探头所需成本较高。不仅如此，该类探头的运算量也较大，这代表游乐场需配备性能较高的超声相控阵设备，所以该类探头并未广泛应用于游乐场检测工作当中。相比面形以及环形阵列，线形阵列更为容易制造与加工，且控制发射以及接收延迟的电路设计也较为简单，所以在实际检测工作中应用较多。

三、检测实验以及结果

（一）实验前准备

依照现今游乐设施承重轴的规格要求，检测人员可先设计长度、直径之间都存在差异的轴。某游乐场摩天轮直径最大轴半径为100mm，长度设计为1000mm，且在轴表面加工裂纹，要求裂纹为横向、裂纹长度为5mm，深度为0.5mm、宽度可设计为0.25mm。除此之外，施工人员还应设立多个裂纹，其位置不得相同，且裂纹与轴端面的距离应控制于10mm至510mm。检测自轴的两个端面开始，故而，若要检测完长度为1000mm轴的所有表面，便需检测人员自单面开始覆盖500mm的范围。检测人员若要提升探头检测小缺陷的能力，可先使用5MHz的相控阵探头自轴两边端部开始检测，预设的检测角度为0O到30O。然而，因为是脉冲的干扰，轴端面尚存在5mm的盲区，依照相控阵探头的所在位置，能够将轴共分为三个检测范围。第一个范围为5mm至50mm，第二个范围为50mm至150mm，第三个范围为150mm至500mm。

（二）5MHz相控阵探头的检测结果

5MHz相控阵探头的检测结果分为以下三部分：

第一部分，5mm至50mm检测结果。若探头前沿与轴端部相差距离达到-5mm（如图2所示），便能够便能够检测5mm至50mm内轴的表面是否存在问题。分别选取与端面相距10mm、30mm、50mm时，5MHz相控阵探头对横向裂纹的检测图像并进行观察，可发现图像之间存在较大的差异，横向裂纹位置明显不同。当50mm处缺陷反射波所产生的高度高至80%，则灵敏度便为31.4dB。

第二部分，50mm至150mm检测结果。当探头前沿与轴端部相差16mm，此时，5MHz相控阵探头可检测50mm至150mm的位置。分别选取与端面距离相距70mm、90mm、150mm时，5MHz相控阵探头对横向裂纹的检测图像并进行观察，当150mm裂纹反射波幅高度高至屏幕高度的80%，则此时5MHz相控阵探头的灵敏度为38.1dB。

第三部分，150mm至500mm检测结果。当探头前沿与轴端部相差70mm，此时，5MHz相控阵探头可检测150mm至500mm的位置。分别选取与端面距离相距70mm、90mm、150mm时，5MHz相控阵探头对横向裂纹的检测图像并进行观察。当350mm裂纹反射波幅高度高至屏幕高度的80%，则此时5MHz相控阵探头的灵敏度为52.7dB。

检测人员依照检测所获得的图像可知，5MHz相控阵探头在检测150mm至350mm区域时，250mm以下检测信号尚且不会受到噪音的影响。若深度至350mm，则会存在较大的噪声，导致检测人员难以根据图像确定裂纹位置。

（三）2MHz相控阵探头的检测结果

5MHz相控阵探头的检测极限为350mm，350mm之上，便无法对缺陷进行较为精准的定位。针对1m长的轴，检测人员需自轴端部开始检测至500mm位置，方可对整个轴表面进行检测。因此，检测人员应使用2MHz相控阵探头检测350mm至500mm轴表面的缺陷。

检测人员分别选取与端面相距10mm、30mm、50mm时，2MHz相控阵探头对横向裂纹的检测图像并进行观察。可发现，相比5MHz相控阵探头与轴端面相距350mm处检测所得的图像，2MHz相控阵探头在与端面相距350mm处所得的图像更为清晰。因此，检测人员在350mm之后应使用2MHz相控阵探头进行检测。

结束语：

游乐设施的安全运行影响国家的公共安全，游乐场检测人员必须进行严格的检测，以保证游乐设施的安全。熟练掌握超声相控阵的操作方法，可以大幅度提高不可拆卸零部件缺陷发现的几率，以便快速进行安全隐患的消除。

参考文献：

[1]娄久,李秀坤,王春雨.超声相控阵无损检测自动成像系统的设计与应用[J].实验室研究与探索,2012,04:34-36.

[2]白杨,宋文爱,冯小琴.超声相控阵平面与曲面反射波仿真[J].机械工程与自动化,2012,05:22-24.

[3]牛卫飞,姜斌,韦晨.超声相控阵在游乐设施轴类检测中的应用[J].无损检测,2013,06:14-17.