基于A型脉冲反射式超声技术的转辙机缺陷检测研究

收稿日期：２０２２－０８－０６基金项目：南京市建设系统科技计划项目
（ＫＳ２１２７）引用格式：王海涛，程婧婷，黄德海．基于Ａ型脉冲反射式超声技术的转辙机缺陷检测研究［Ｊ］．测控技术，２０２３，４２（５）：３７－４３．ＷＡＮＧＨＴ，ＣＨＥＮＧＪＴ，ＨＵＡＮＧＤＨ．ＲｅｓｅａｒｃｈｏｎＤｅｆｅｃｔＤｅｔｅｃｔｉｏｎｏｆＲａｉｌｗａｙＳｗｉｔｃｈＭａｃｈｉｎｅＢａｓｅｄｏｎＡ ＴｙｐｅＰｕｌｓｅＲｅｆｌｅｃ
ｔｉｏｎＵｌｔｒａｓｏｎｉｃＴｅｓｔｉｎｇＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ［Ｊ］．Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ＆ＣｏｎｔｒｏｌＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２０２３，４２（５）：３７－４３．
基于Ａ型脉冲反射式超声技术的转辙机缺陷检测研究
王海涛１
，程婧婷１
，
黄德海２
（１．南京航空航天大学自动化学院，江苏南京　２１１１０６；２．南京华建检测技术有限公司，江苏南京　２１００４６）
摘要：随着我国铁路行业的快速发展，铁道部电务系统对道岔转辙机零部件的检测要求越来越高。

目前，转辙机关键部件检测主要依靠人工目视检测，存在漏检风险。

因此，提出了一种基于Ａ型脉冲反射式超声探伤技术的裂纹定量检测方法。

首先，分析了金属材料力学性能，计算了道岔转辙机关键部件的临界裂纹理论长度，并以此为基础在与转辙机关键部件相同材料的试件上设计了刻槽缺陷模拟实际裂纹。

然后，基于无损检测专业仿真平台ＣＩＶＡ建立了试件模型，采用Ａ型脉冲反射式单晶直探头对试件进行检测，分析声场特点并选取最优探头参数。

最后，搭建了实验平台，通过对Ａ扫信号的分析处理获得了试件截面图，重构缺陷位置相对误差小于２％，验证了该方法的可行性。

该检测方法具有成本低、精度高的优点，为解决转辙机关键部件的缺陷检测提供参考。

关键词：道岔转辙机关键部件；直探头；超声波Ａ扫
；缺陷重构中图分类号：ＴＰ２１６；ＴＧ１１５．２８ 文献标志码：Ａ 文章编号：１０００－８８２９（２０２３）０５－００３７－０７ｄｏｉ：１０．１９７０８／ｊ．ｃｋｊｓ．２０２２．０９．３０５
ＲｅｓｅａｒｃｈｏｎＤｅｆｅｃｔＤｅｔｅｃｔｉｏｎｏｆＲａｉｌｗａｙＳｗｉｔｃｈＭａｃｈｉｎｅＢａｓｅｄｏｎＡ Ｔｙｐｅ
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Ａｂｓｔｒａｃｔ牶ＷｉｔｈｔｈｅｒａｐｉｄｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆＣｈｉｎａ ｓｒａｉｌｗａｙｉｎｄｕｓｔｒｙ牞ｔｈｅＭｉｎｉｓｔｒｙｏｆＲａｉｌｗａｙｓｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｓｙｓｔｅｍｈａｓｉｎｃｒｅａｓｉｎｇｌｙｈｉｇｈｅｒｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓｆｏｒｔｈｅｉｎｓｐｅｃｔｉｏｎｏｆｋｅｙｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓｏｆｓｗｉｔｃｈｍａｃｈｉｎｅ．Ａｔｐｒｅｓｅｎｔ牞ｔｈｅｉｎｓｐｅｃｔｉｏｎｏｆｋｅｙｐａｒｔｓｏｆｔｈｅｓｗｉｔｃｈｍａｃｈｉｎｅｍａｉｎｌｙｒｅｌｉｅｓｏｎｍａｎｕａｌｖｉｓｕａｌｉｎｓｐｅｃｔｉｏｎｗｈｉｃｈｗｉｌｌｂｅａｃｃｏｍｐａ ｎｉｅｄｂｙａｒｉｓｋｏｆｍｉｓｓｅｄｉｎｓｐｅｃｔｉｏｎ．Ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ牞ａｃｒａｃｋｑｕａｎｔｉｔａｔｉｖｅｄｅｔｅｃｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｂａｓｅｄｏｎＡ ｔｙｐｅｐｕｌｓｅｒｅ ｆｌｅｃｔｉｏｎｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｆｌａｗｄｅｔｅｃｔｉｏｎｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｉｓｐｒｏｐｏｓｅｄ．Ｆｉｒｓｔｌｙ牞ｔｈｅｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｍｅｔａｌｍａｔｅｒｉａｌｓａｒｅａｎａｌｙｚｅｄ牞ａｎｄｔｈｅｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌｃｒｉｔｉｃａｌｃｒａｃｋｌｅｎｇｔｈｏｆｔｈｅｋｅｙｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓｏｆｔｈｅｓｗｉｔｃｈｍａｃｈｉｎｅｉｓｃａｌｃｕｌａｔ ｅｄ．Ｂａｓｅｄｏｎｔｈｉｓ牞ｔｈｅｎｏｔｃｈｄｅｆｅｃｔｓａｒｅｄｅｓｉｇｎｅｄｔｏｓｉｍｕｌａｔｅａｃｔｕａｌｃｒａｃｋｓｏｎｔｈｅｔｅｓｔｐｉｅｃｅｏｆｔｈｅｓａｍｅｍａｔｅｒｉ ａｌａｓｔｈｅｋｅｙｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓｏｆｔｈｅｓｗｉｔｃｈｍａｃｈｉｎｅ．Ｔｈｅｎ牞ｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｎｏｎｄｅｓｔｒｕｃｔｉｖｅｔｅｓｔｉｎｇｐｒｏｆｅｓｓｉｏｎａｌｓｉｍｕｌａ ｔｉｏｎｐｌａｔｆｏｒｍＣＩＶＡ牞ａｓｐｅｃｉｍｅｎｍｏｄｅｌｉｓｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ牞ａｎｄｔｈｅｓｐｅｃｉｍｅｎｉｓｔｅｓｔｅｄｗｉｔｈａｎＡ ｔｙｐｅｐｕｌｓｅｒｅｆｌｅｃｔｉｖｅｓｉｎｇｌｅｃｒｙｓｔａｌｓｔｒａｉｇｈｔｐｒｏｂｅ牞ｔｈｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｔｈｅｓｏｕｎｄｆｉｅｌｄａｒｅａｎａｌｙｚｅｄ牞ａｎｄｔｈｅｏｐｔｉｍａｌｐｒｏｂｅｐａｒａｍｅ ｔｅｒｓａｒｅｓｅｌｅｃｔｅｄ．Ｆｉｎａｌｌｙ牞ａｎｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｐｌａｔｆｏｒｍｉｓｂｕｉｌｔ牞ａｎｄｔｈｅｃｒｏｓｓ ｓｅｃｔｉｏｎａｌｖｉｅｗｏｆｔｈｅｓｐｅｃｉｍｅｎｉｓｏｂ ｔａｉｎｅｄｔｈｒｏｕｇｈｔｈｅａｎａｌｙｓｉｓａｎｄｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇｏｆｔｈｅＡ ｓｃａｎｓｉｇｎａｌ．Ｔｈｅｒｅｌａｔｉｖｅｅｒｒｏｒｏｆｔｈｅｒｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｅｄｄｅｆｅｃｔ
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Ｋｅｙｗｏｒｄｓ牶ｋｅｙｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓｏｆｔｕｒｎｏｕｔｓｗｉｔｃｈｍａｃｈｉｎｅ牷ｓｔｒａｉｇｈｔｐｒｏｂｅ牷ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃＡ ｓｃａｎ牷ｄｅｆｅｃｔｒｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ
截止２０２１年４月，我国铁路营业总里程达到１４ ６３万公里，同比１９４９年增长了近６倍，其中高铁所占里程达３．９万公里，覆盖大约９９％的２０万人口及以上的城市［１］。

高铁从无到有，目前已占全世界里程６０％以上，稳居世界第一［２］。

２０１９年，据交通运输部表示，２０２０年铁路投资仍将达到８０００亿元，其中，中国铁路道岔行业的工业总产值预计达到近２３８亿元［３］。

随着铁路轨道交通的建设与，铁路道岔的发展迅猛，行业整体成长空间可观［４］。

随着我国铁路运输量的日益增长，列车时速和载重量不断提高，通过道岔的密度呈现上升趋势，道岔转换设备的工作环境也随之发生变化，列车运行的安全问题显得更加突出［５－６］。

为了使铁路运输保持高效且安全的工作状态，确保转辙机关键部件的可靠稳定至关重要。

转辙机是铁路系统中的一种重要设备，其主要作用是拖动尖轨改变道岔的通路方向［７－８］。

近年来列车轨道对道岔转辙机的安全性要求越来越高，随着列车提速，转辙机的需求量不断地提升，工作次数越来越频繁，工作强度也与日剧增。

动作杆作为道岔转辙机中受力作用频次极高的关键部件之一，是检修的重点关注对象［９－１０］。

一般投入使用后的转辙机因工作环境极为恶劣，零部件常受到撞击、摩擦等，由于受力情况复杂，再加上机械件自身强度有限，因此其所含缺陷易在使用过程中不断发展与扩大，甚至发生疲劳断裂的情况［１１］，最终导致道岔处尖轨与基本轨贴合不到位，造成列车脱轨、侧翻、相撞等重大安全事故。

因此，提高道岔转辙机零件探伤精度和检测效率十分必要。

目前，我国对转辙机的检测方式依然依靠目视检测，虽然目视检测结果良好，但使用达到规定年限的关键部件会直接采取更换措施，总体成本高、效率低。

相对人类视觉，现代无损检测技术在检测速度、精度、范围以及检测环境要求等方面都有巨大优势，尤其针对转辙机恶劣工作环境下的重复性检测工作［１２］。

在一些人工视觉难以满足要求的场合，现代无损检测技术方法可以极大地提高生产的效率和自动化程度。

无损检测（ＮｏｎｄｅｓｔｒｕｃｔｉｖｅＴｅｓｔｉｎｇ，ＮＤＴ）是一种结合仪器设备的检测技术，能够在保障被测关键部件能够在不受损害、不被影响使用性能的前提下对被测件进行缺陷、物理、化学等参数的检测。

常用的无损检测方法主要有射线、涡流和超声等［１３－１４］。

其中，射线检测所需的Ｘ射线胶片等器材耗费成本高，对检测人员操作水平要求高，且检测过程存在辐射危害［１５－１６］；常规涡流检测由于集肤效应，渗透性较差，仅对表面与亚表面缺陷敏感，难以检测构件内部缺陷［１７－１８］；超声检测通过超声波与试件的相互作用，通过对接收到的回波信号进行分析研究，得到被测件内部结构特征，具有分辨率高、成本低和操作简便等诸多优点［１９－２０］。

笔者基于Ａ型脉冲反射式超声技术，针对模拟转辙机含缺陷关键部件的人工试件进行检测，利用有限元仿真方法分析了不同探头参数对声场的影响，并基于最优参数探头验证了检测方案的正确性，最后通过搭建实验平台采集数据，并通过对检测数据进行分析处理，重构出试件缺陷位置与大小，验证了基于Ａ型脉冲反射式超声探伤技术的转辙机缺陷检测的可行性与准确性。

１　临界裂纹长度与试件设计
转辙机在设计、制造和安装时都会或多或少地存在一些缺陷，当随机载荷作用时，转辙机会产生裂纹，裂纹通常会沿着应力方向扩大。

如果疲劳损伤累积到一定程度，达到临界值时，在正常的工况下，如果转辙机发生超载，疲劳裂纹会快速不断地扩大，转辙机结构势必会造成断裂性的破坏，最后将导致转辙机发生断裂事故。

目前，针对转辙机使用寿命和报废年限，我国还没有出台相关规范，只是简单地规定了范围，对于转辙机疲劳寿命的科学评估，目前仍是空白，转辙机关键部件的疲劳使用寿命是当前工程机械中热点及难点问题之一。

在转辙机金属结构的关键部件安全服役期内，内部伤损的准确检测对转辙机疲劳寿命的预测与估算研究至关重要，能够为其实现长寿命、高可靠性的要求提供设计依据。

对于转辙机关键部件，其在制造和热处理过程中不可避免地存在各种缺陷，初始裂纹的出现是影响其使用寿命的主要因素。

笔者主要针对用于制作转辙机动作杆等关键部件的４５号钢材料进行研究。

以动作杆为例，由于其在锁闭时经常承受随机载荷冲击，更有甚者还会发生过载冲击状况，因此当其内部存在缺陷时，在外力作用下极易造成缺陷扩张。

转辙机动作杆
·
８３
·《测控技术》２０２３年第４２卷第５期
属于锻造件，一般情况下锻造易出现裂纹、气孔、气泡等缺陷，这些不利因素都有可能导致转辙机疲劳裂纹扩展。

其中，裂纹萌生、裂纹扩展和失稳断裂是疲劳破坏所包括的３个阶段。

对于转辙机动作杆，萌生的新裂纹一般情况下不会使其马上失效，因为金属结构未断裂面也具有一定承载能力，只要对转辙机动作杆进行有效的检测，就可以预测已经出现的裂纹，防止其快速地扩展至断裂情况的出现，保障了转辙机动作杆结构安全性，延长其使用寿命。

工程中常把因锻造缺陷形成的微裂纹作为初始裂纹，但现阶段尚未形成统一的标准来界定裂纹在形成
的初始阶段对应的长度初始值
ａ０
，而构建的尺寸、材料和加工方法等在一定程度上都会对初始裂纹尺寸ａ０
产生影响。

一般地，转辙机动作杆的尺寸ａ０
取
值范围为０．５～５ｍｍ，此时ａ０
可取１ｍｍ。

临界裂纹尺寸ａ
ｃ
准确值与材料的应力强度因子Ｋ和断裂韧性关系密切。

欧文针对Ｉ型裂纹提出了其应力强度因子Ｋ的
计算公式为
ＫＩ＝γσ
π槡
ａ（１）
式中：ＫＩ
为张开型裂纹的应力强度因子；γ为
形状修正因子，其值由裂纹的形状和加载的方式决定；σ为
外加的均匀拉伸应力；ａ为
裂纹尺寸。

由于转辙机关键部件的疲劳裂纹属于Ｉ型张开型，故可以根据断裂评判准则式得ＫＩ
≥ＫＩｃ
，当ＫＩ
＝ＫＩｃ
时，由式（１）
计算可得到疲劳裂纹的临界尺寸。

ａｃ
＝１ππＫＩｃ
２σ()
ｍａｘ
２（２）根据机械工程材料性能数据手册可知４５钢的断裂韧性ＫＩｃ
＝１０５ＭＰａ·ｍｍ１／２
，
转辙机动作杆在循环荷载作用下裂纹周边应力取σ＝４１．６ＭＰａ，
代入式（２）计算得出ａｃ
＝５ｍｍ。

若要确保转辙机动作杆在使用年限内不发生由于疲劳所导致的转辙机动作杆断裂情况，则需要对动作杆定期进行精准检测，因此对于缺陷的定位和定量有较高要求，下面针对常规超声检测技术的缺陷定位及定量问题展开研究。

以ａｃ
作为参考设计缺陷，选用转辙机动作杆相同材质的４５号钢，在１００ｍｍ×１００ｍｍ×４０ｍｍ的试件上设计了３个刻槽用以模拟裂纹缺陷，其中，１＃
缺陷为
１ｍｍ×５ｍｍ×３０ｍｍ的
长条形刻槽，与水平夹角呈６０°，深度３０ｍｍ；２＃
缺陷为１ｍｍ×５ｍｍ×２０ｍｍ的方
形刻槽，与水平夹角呈６０°，深度２０ｍｍ；３＃
缺陷为１ｍｍ×５ｍｍ×１０ｍｍ的方形刻槽，与水平夹角呈１２０°，
深度１０ｍｍ，试件设计图如图１所示。

试件的刻槽采用电火花加工法，通过电极间脉冲放电使浸在溶液中
的人工缺陷处被蚀除，对于强度较高的４５号钢材料具有加工深度大、加工边缘光滑的优点，为人工缺陷的定位及定量检测实验提供了良好的实验条件。

图１　样件设计图２　
基于ＣＩＶＡ仿真软件的声场有限元分析
在ＣＩＶＡ仿真软件中建立
１００ｍｍ×１００ｍｍ×４０ｍｍ的４５号
钢试件模型，采用纵波直探头，激励探头外边缘与试件刻槽面边缘相切，激励信号为
５ＭＨｚ的纵波，晶片直径
１０ｍｍ，采用汉宁窗调制。

在模拟计算过程中，由缺陷上下端点回波时间差来计算缺陷高度。

在钢中传播时，纵波波速约为横波声速的２倍。

所以在检测过程中，纵波相对其他波型会最先到达接收探头，不与其他缺陷回波混淆，缺陷易识别。

除此之外，纵波具有穿透能力强、可检厚度大以及对镜面反射或散射敏感性不高的优点。

基于纵波直探头进行深处缺陷检测，其会因探头参数产生不同成度的声束扩散角。

连续波声源声轴线上任意一点的声压可表示为
Ｐ≈Ｐ０πＲ２ｓ
λｘ＝
Ｐ０Ｆｓλｘ
（３）
式中：Ｆｓ为波源面积，Ｆｓ
＝πＲ２
ｓ
＝πＤ２
ｓ
／４（Ｄｓ
为波源直径）ｍｍ２。

式（
３）表明，当ｘ≥Ｒ２
ｓ
／λ时，圆盘源轴线上的声压与波源面积成正比，与距离成反比。

利用ＣＩＶＡ软件
对波源轴线上的声压随距离变化的情况进行仿真，其
结果如图２所示。

波源轴线上最后一个声压极大值至波源的距离称为近场区长度，用Ｎ表示为
Ｎ＝Ｄ２ｓ－λ２
４λ≈Ｄ２ｓ４λ＝
Ｒ２ｓλ＝Ｆｓπλ＝Ｆｓｆπｃ
（４）
·
９３·基于Ａ型脉冲反射式超声技术的转辙机缺陷检测研究
图２　基于ＣＩＶＡ仿真的声场分布
由式（４）可知，近场区长度与波源面积成正比，与波长成反比。

由于近场区域存在极小声压和极大声压，可能出现大缺陷回波幅值小，小缺陷回波幅值大的情况，混淆判断结果，甚至遗漏某些缺陷，因此应尽量避免在不利于缺陷定量检测的区域进行检测。

选取一个处于波源轴线上的点，令该点与波源间的距离为ｘ，当ｘ＞Ｎ时，该点所处区域称为远场区；当ｘ＜Ｎ时，该点所处区域为近场区。

在远场区内，轴线上的声压会随ｘ的增大呈现单调减小的趋势；当ｘ＞３Ｎ时，声压反比于距离。

这是因为当所取点的位置与波源间距离增大到一定程度时，波源上各点到该点的波程差和相位差相差甚微，近似于无差别，因此在远场区不会出现近场区内的极大值和极小值。

超声场中，声压在近场、远场区域内横截面处分布是不同的，当取频率５ＭＨｚ、直径１０ｍｍ的探头对１００ｍｍ高的试件进行检测时，Ｎ≈２１．７ｍｍ。

声压越大处对应的声衰减越小，反之越大。

图３为横截面声压分布。

近场区域中ｘ分别取０、Ｎ／４、Ｎ／３、Ｎ／２时横截面声衰减分布，以及ｘ分别取Ｎ、２Ｎ、３Ｎ、４Ｎ时横截面声衰减分布。

由图３可知，同一横截面上，声衰减分布对于轴线完全对称。

在近场区域内，波源覆盖范围下声衰减趋势呈现“Ｗ”型，即中心轴线处声衰减为０，随着位置偏离中心，声衰减逐渐减小，若横向继续偏离轴心，声衰减则逐渐增大；在远场区域内，波源覆盖范围下声衰减趋势呈现“Ｖ”型，即中心轴线处声衰减为０，随着位置偏离中心，声衰减逐渐减增大，若横向继续偏离轴心，声衰减继续增大。

图３　横截面声压分布
为了探究不同中心频率及不同晶片直径下声场变化，取表１所示的参数进行模拟，结果如图４（ａ）～图４（ｃ）所示。

由图４可知，当频率增大时，近场区长度Ｎ增大，声衰减较小区域远离近表面，同时，声衰减速率也会随之减小。

当晶片直径增大时，近场区长度Ｎ增大，声衰减较小区域远离近表面，同时，声衰减速率也会随之减小。

表１　仿真中心频率和晶片直径参数选择
探头参数
中心频率／ＭＨｚ２．５、５、７．５
晶片直径／ｍｍ６、８、１０、１２
为了研究纵波直探头对内部裂纹的检测能力，仿真模拟常规超声对试件进行侧边沿扫查检测，并对刻槽的位置及长度进行精确测量，具体操作为：沿试件模型侧边以１ｍｍ步进扫查，５ＭＨｚ中心频率、１０ｍｍ探头直径，Ｂ扫结果如图４（ｄ）所示，深度在４０ｍｍ、７０ｍｍ、８０ｍｍ上下，水平位置在６０ｍｍ、３０ｍｍ、８０ｍｍ左右，分别出现了缺陷回波信号，该结果与人工试件设计
·
０４
·《测控技术》２０２３年第４２卷第５期
图１的１＃～３＃缺陷位置相当、范围相符，验证了基于Ａ型脉冲反射式超声检测方法的可行性。

图４　不同晶振频率下波源轴线上的声压变化及缺陷检测Ｂ扫仿真结果图
３　实验与结果讨论
实验选用ＳＦ５８０多通道数字超声波探伤仪，该仪
器可同时进行探伤与超声信号采集工作，其通道参数
可根据检查要求自由设置，缺陷回波波形显示为Ａ
型，采用集成信息处理技术，可以实时连续记录各通道
回波数据并导出，具有低电压报警和自动关机保护。

仪器共有８个通道，动态范围不小于３０ｄＢ，工作频率
范围０～１５ＭＨｚ，波形采样率１００ＭＨｚ，最大增益１００
ｄＢ，总重复频率１６ｋＨｚ；灵敏度余量不小于６０ｄＢ，垂
直线性不大于３％，水平线性不大于１％。

在进行单晶直探头的选型时，首先，对比了通用直
探头和窄脉冲直探头的检测效果，分别用两种探头对
人工试件进行扫查检测，并将得到的Ａ扫数据通过线
性插值进行合理补偿，得到拟合Ｂ扫图像。

两种直探
头实验Ｂ扫图如图５所示。

由于窄脉冲探头具有较
好的阻尼和较窄的脉冲波形，其较窄的频带也大幅提
高了纵向分辨力，降低近表面盲区，同时，较小的波束
截面积减小了被测件内部晶粒散射作用，降低了散射
衰减，大幅提高信噪比，因此由图５可知窄脉冲直探头
分辨力更高，缺陷定位更准确，整体检测结果与仿真结
果一致。

因此，结合基于ＣＩＶＡ的不同规格探头的声场
仿真结果，针对本试件，笔者最终选用中心频率５ＭＨｚ、
晶片直径１０ｍｍ的窄脉冲式单晶直探头进行研究。

图５　两种直探头实验Ｂ扫图
·
１４
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基于Ａ型脉冲反射式超声技术的转辙机缺陷检测研究
根据钢材料特性，初步设定声速值为５９００ｍ／ｓ，延时设为０μｓ，将探头耦合到试件上，并确保其纵向路径下不含缺陷，同时，将声程调至试块厚度的１．５倍左右，并在显示范围内找到底波回波；其次，调整好脉冲宽度、滤波频带、回波抑制与增益；最后，通过对声速的调节使所示声程等于试块厚度，则该声速即为当前检测环境下准确声速值。

由上述实验结果可知，单边扫查能够定位缺陷深度及大致范围，若定义缺陷回波信号幅值最大处为缺陷边缘，从而进行缺陷定量，会产生误差导致测量结果不准确，因此，为了准确定位同一个缺陷的准确位置及大小信息，实验采用周向扫查的方式，即探头沿试件４
条边依次进行扫查，将４个检测结果进行融合，加强信
噪比凸显缺陷周围信息，处理后的实验结果如图６（ａ）所示。

从结果可以看出３个刻槽缺陷端点处的位置信息，１＃
、２＃
缺陷处端点连线皆与水平夹角呈约６０°，３＃
缺陷处端点连线与水平夹角呈约１２０°。

为了对检测到的缺陷信号进行量化，对比分析检测结果，设最大能量的４７％为阈值，保留能量高于阈值的信号信息，结果如图６（ｂ）
所示。

然后，对该结果进行二值化处理，如图６（ｃ）所示。

在二值化结果途中
寻找最大连接分量。

连接分量源于路径，而邻接方式决定了路径。

一般常见邻接方式有两种，即４邻域连接和８邻域连接。

实验数据处理时按照８邻域连接方式计算出所有连接分量，同时给其内部连接像素分配一个唯一整数，此时，若途中共有ｎ组
连接分量，那么其标注范围即为１～ｎ，并且背景像素标记为０。

实
验对二值化图像内所有连通区域覆盖范围内信号信息进行保留，经分组对比取当前连通域内最大值作为目标对象，遍历计算每点间的距离，取距离为非零最小的两点进行连接，连接线段即为缺陷，如图６（ｄ）所示。

对比１＃
～３＃
缺陷位置的真实值与实验结果，参照式（５）计算真值与实验结果的相对误差，结果如表２所示。

由表２可知，仿真结果与实际情况相对误差不超过２％，验证了采用纵波直探头对４５号钢进行缺陷检测的准确性。

δ＝
ｌｏ１－ｌ
ｏ
ｌｏ
×１００％
（５）
式中：δ为
相对误差；ｌｏ
为实际值。

４　
结束语
基于Ａ型脉冲反射式超声技术进行了裂纹缺陷定量检测。

通过理论计算得到道岔转辙机关键部件的临界裂纹长度，并基于此设计了人工试件，利用ＣＩＶＡ仿真软件对探头声场进行了分析，结合实验确定了探头参数，最后通过对Ａ扫
信号的分析处理进行了缺陷重构，结果位置相对误差小于２％，具有良好的测量精
图６　Ａ型脉冲反射式超声实验结果与数据处理表２　检测与实际的３个
缺陷位置及范围对比缺陷编号位置真值／ｍｍ测量值／ｍｍ相对误差／％
１
＃垂直－上３７．４３７．４４０．１１垂直－下４２．６４２．６１０．０２水平－左５８．５５８．４８０．０３水平－右６１．５６１．８４０．５５２
＃垂直－上６７．４６６．１１１．９１垂直－下７２．６７３．６１１．３９水平－左２８．５２８．０４１．６１水平－右３１．５３１．２９０．６７３
＃
垂直－上７７．４７７．７９０．５０垂直－下８２．６８３．５１１．１０水平－左７８．５７８．６３０．１７水平－右８１．５８２．５５１．２９
·
２４·《测控技术》２０２３年第４２卷第５期
度。

该检测方法成本低、精度高，为解决工程中转辙机关键部件的缺陷检测提供了参考。

参考文献：
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基于Ａ型脉冲反射式超声技术的转辙机缺陷检测研究。