分析铁道车辆探伤中的超声波探头性能测试方法

分析铁道车辆探伤中的超声波探头性能测试方法

王泽文 ,李胤 ,郝森

中车青岛四方机车车辆股份有限公司 山东 青岛 266111

摘要：超声波探伤是工业无损检测中最主要的方法之一，也是铁道车辆轮对（轮轴）探伤的关键技术。而超声波的发射和接收是通过探头实现的，在超声检测过程中，不仅需要高性能的先进超声波探伤仪器，更需要高性能的超声波探头（也称超声波换能器），超声波探头性能的好坏将直接影响检测结果的准确与否。所以严格把握探头的质t是保证探伤质盘的关键之一，在各行业标准、以及探伤工艺中对探头都有具体的性能指标要求，部分行业还实行探头的准入制，比如铁路行业。关键词：铁道车辆；探伤；超声波探头；性能测试；有效措施；

探头性能的好坏直接影响着超声波探伤的准确与否，是保证探伤质量的关键之一，如何方便快捷检出探头性能是超声检刚的一个重要

过程、为提高探伤质量、保证车辆妥全运行，我们研制开发.能适用于铁道车辆的超声波探头性能检测装置。作为铁路车辆系统，探伤质量是保证车辆安全运行的重要条件之一，对采购进入使用的探头进行质盆测试是非常必要的。因此我们根据铁道车辆系统探伤用探头标准和其他有关行业的标准，研制开发能适用于铁道车辆的超声波探头性能检测装置全数字探头测试装置和便携式探头测试仪全数字探头测试仪以满足铁道车辆超声探头的质量控制要求。

一、探头性能测试装置

    铁道车辆探伤中使用的超声波探头性能指标的检测，铁道部于上世纪九十年代中期制定了行业标准。即人工探伤和自动探伤两个工艺文件：“铁道车辆轮轴探伤工艺规程”以及“轮轴微机控制超声波自

动探伤机探伤工艺规程”。这两个工艺文件综合了国内外的一些标准以及车轴探伤的实际情况，规定了探头技术指标值、误差值以及相应的测试方法，为保证铁路行车安全起到了十分重要的作用。但随着实

际情况的不断变化，该方法已经不能全面测试探头的技术性能指标，测试精度也不能满足实际工作需要，尤其是检测速度太慢，工作效率太低，而且，以上两个工艺文件有不少相互矛盾之处，方法不统一，涉及的试快太多太重，即浪费又不实用[1]。

“NDC-T3全数字探头测试装置”采用计算机信息技术和测试技术相结合的现代虚拟测试仪器技术，将过去测试中使用的各类测试仪器集成到高性能高集成信号测试和分析单元，并应用分析测试软件实现探头性能的测试和信息化管理，克服了传统测试中存在的如检测过

程烦琐、配套器材繁多、手工操作、数据人工换算、信息化程度低等问题，有效提高了探头性能测试的装备水平。

    应用现代电子信息技术，将原使用的各类信号分析测试仪器集成到信号分析测试单元。实现建立于计算机系统上的数字信号分析处理单元，并充分应用软件技术.实现数字信号处理功能，包括信号发生、频谱分析、波形显示、滤波器、可编程放大器、超声波探伤等功能。实现铁道车辆标准规定的直探头、斜探头、小角度探头的性能测试，并扩展到双晶探头、水晶探头。基于WINDOWS XP操作系统，应用计算机技术，实现测试办法的流程化，基本实现测试自动化和可视化操作，建立完整的信息系统。测试条件、结果直观显示，对测试结果进行评判.并可以实现测试报告打印。

作为一个功能全面的探头测试装置，NDC-T3型的硬软件设计充分实现了装置的智能化，测试工作具有较高的自动化水平，仪器采用了引导测试方案。测试指标齐全，结果准确，操作方便，能够批量使用，效率很高，满足了铁道车辆超声波探头检测要求。适用于对新采购的探头进行全面的性能指标测试。

二、创新优化举措

新的方法，继承了传统方法的优点，改进了缺点，突破了特殊行业的难点，经过多年的不断完善以及实践检验，证明了其可靠性、先进性、实用性。在工艺规程中规定的斜探头和小角度探头的技术指标以及直探头的技术指标就都能检测了，这些指标是：灵敏度余量、分辨率、回波频率、空载始波占宽、偏斜角以及前沿长度和折射角，另外还能完成工艺规程规定的斜探头和小角度探头的测距标定，确定探伤灵敏度等。

（一）探头频率与频谱曲线

    在常用标准中，频率是通过示波器人工读取回波射频信号的时间周期来计算探头频率的，连接过程中需要设备多，且不精确，为此我们采用了新的方法，在超声系统上整合了频谱仪的功能，无需连接示

波器即可测出探头的频谱曲线并读出中心频率、带宽等参数。也就是说入射点、前沿长度、灵敏度余量、回波频率、偏斜角、空载始波占宽，（即，在实际操作中不需移动探头，这些指标可一次性快速检测完成）[2]。

（二）等效阻抗

    等效阻抗一般采用等效电容法，需要频率计、高频信一号发生器、高频毫伏表、可变电容箱等设备。这种方法需要调节高频信号的频

率、幅度并读取电压，然后再人工用电容箱置换探头并调节毫伏表，最后使用公式计算出等效阻抗。通过研究，我们全面使用数字仪器通过电子切换，减少人工调节和读数，自动计算出等效阻抗。通过该整合系统可以自动调节与探头频率相匹配的高频信号，自动读取电压并自动将探头信号切换到数字等效变容箱，从而计算出等效限抗数值。

三、便拼式探头测试仪

    经过测试合格后的探头进入车辆段（工厂）使用一段时间后，其部分性能指标会发生变化，在探伤现场对探头实现实时检测和控制非常必要。如果将NDC-T3全数字探头测试装置配备到各车辆段（工厂）或将使用一段时间的探头送回路局复检也不现实，因此一种适用于现场使用的超声波探头测试仪非常必要，该仪器必须体积小巧，操作方便，能测试超声波探头的主要性能指标，符合相关规程与规定中的要求。

    全数字探头测试仪是一款基于现场实际要求开发的便携式超声波探头性能指标测试仪，符合《超声探伤用探头性能测试方法》及《铁道车辆轮轴探伤工艺规程》的规定。能够测出灵敏度余量、始波占宽、分辨力、偏斜角、回波频率（频谱曲线）、偏斜角等常规性能，同时还

具有常规探伤功能。解决了探头主要技术指标的现场测试和监控问题，为车辆轮对（车轴）超声波探伤用探头的质量保证提供了必要性条件。

四、应用效果

在对近30台换热器换热管的射线检测中，采用偏移法进行探伤具有以下特点：(1）采用X射线机进行探伤人工劳动成本增加、透照时间延长、工期无法保证。而采用γ射线源进行透照，γ射线线质比X射线硬，其灵敏度接近于X射线，透照出的射线底片焊缝宽容度大，检出范围大[3]。

射线源的平均能量为206 kV，换热管的透照时间短，散射线的影响小，降低了射线底片的灰雾度，使底片的对比度、灵敏度和清晰度符合标准要求，减少了废片率。

与射源相比，不同射源具有较长的半衰期，其照射剂量也较低。一方面延长使用期限，降低工程成本；另一方面容易实施辐射防护，增加射线作业的安全性，减少射线对探伤人员的身体伤害。

结束语：

综上所述，这个装置能将各种用于探头性能测试的试块和仪器集成起来，按照铁道部管理的要求，对探头的性能进行测试，使用方便、操作简单、使用快捷、适合批量测试，符合信息化管理的要求，同时此探头测试仪解决了探头主要技术指标的现场测试和监控问题，为车辆轮对（车轴）超声波探伤用探头的质址保证提供了条件。这两种型号的仪器均通过了铁道部运输局组织的专家评审。

参考文献：

[1]万升云，章文显，葛佳棋，等.一种超声波探头性能高集成检测试块：,CN111289624A[P].2020.

[2]张一山.超声波斜探头检测在车用压缩天然气钢瓶检验中技术条件的选择[J].能源研究与管理，2020(1):4.

[3]刘海波,卢永刚,张磊,等.用于铁路车轮自动超声波检测的探头装置及其使用方法:,CN112098525A[P].2020.