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使用工业 CT 对机车关键部件进行无损检测

2016-11-17 来源:[db:来源] 浏览:
  随着铁路客运列车进行大面积提速,提速的压力迫使货运列车也要进行提速,其重载、高速的行驶特点对机车关键部件的安全性进一步提高了要求。摇枕、侧架、车钩等作为列车转向架的重要组成部分,对列车行驶安全起到至关重要的作用。目前国内生产新旧型号的摇枕、侧架的厂家接近 30 家,年产量逼近 40 万件。各生产厂家对该类产品缺少足够的高穿透力的检测手段,没有统一的检测标准。摇枕、侧架为转向架主要承载结构,一旦出现质量问题,极易导致重大事故发生。各生产制造厂家都非常谨慎,亟须具有高穿透力的检测设备对机车关键部件进行大批量的无损检测[1-2]。

工业 CT 无损检测系统是以辐射成像技术为核心,将核技术、计算机、控制、精密机械等集于一体的先进无损检测设备。从 1988 年清华大学研制成国内第一个γ射线工业 CT 实验装置和 1990 年清华大学与北京航空材料研究所合作研制成国内第一台 X 射线工业 CT 实验系统的 20 多年来,我国工业 CT 的研制和应用取得了明显的进步[3-5]。

将大型工业 CT 技术应用于摇枕、侧架的无损检测,研发能够对最大直径 700mm,长2500mm 的摇枕、侧架工件的内部结构及其内部的气孔、砂眼、夹杂物、缩孔、疏松、冷隔、裂纹等铸造缺陷进行无损检测的高效率、高精度的 CT/DR(Computed Tomography/DigitalRadiography)扫描系统,对于提高了机车车辆关键部件产品的可靠性,满足该行业的产品质量保证需求具有重要的意义。

本文介绍应用于铁路机车关键部件,如摇枕、侧架、车钩、车尾框等,进行快速制造缺陷检测的大型工业 CT 专用无损检测系统,论述其系统设计和扫描工作流程,并通过实例介绍大型工业 CT 在摇枕、侧架等无损检测的应用。

1 工业 CT 检测的特点

目前国内外用于工件内部缺陷的无损检测的方法很多,如超声、微波、红外(扫描和成像)、激光全息、声全息等常规和 X 射线照相、工业 CT 等非常规的无损检测方法。对铁路车辆关键部件的质量检测主要采用荧光磁粉、超声和 X 射线胶片照相,但均难解决大尺寸铸造部件的内部缺陷检测问题[6-7]。

我们采用的大型工业 CT 无损检测系统的基本工作原理是:射线源在受控状态下产生扇形高能 X 射线;X 射线穿透待检工件后发生衰减,不同的衰减程度反映了工件内部信息;探测器及后续系统接收 X 射线并将其转换为数字信号;在 DR 扫描过程中,通过工件的平移获取整体投影数据,在 CT 扫描过程中,通过工件的旋转从多个角度获取投影数据;对所获投影数据进行处理、重建,即获得工件的透射和断层图像[3-4]。在众多无损检测方法中,将工业 CT 技术应用于铁路机车关键部件的缺陷无损检测的优势有以下几方面[8]:

1)系统可以采用高能量(例如 9MeV)加速器射线源系统,强大的穿透能力能满足摇枕、侧架等大型铸件的检测需求。

2)工业 CT 能给出检测工件的二维或三维图像,感兴趣的目标不受周围细节特征的遮挡,图像容易识别,从图像上可以直接获得目标特征的空间位置、形状及尺寸信息;常规射线检测技术是将三维物体投影到二维平面上,造成图像信息叠加,评定图像需要有一定的经验,难以对目标进行准确定位和定量测量。

3)工业 CT 采用高吸收效率和宽动态范围的探测器,具有较高的密度分辨能力,可发现小尺寸的铸造缺陷。

4)工业 CT 图像是直接数字化的结果,与 X 射线胶片照相比较,节省了胶片更换、冲洗等步骤需要花费的时间,成像检测效率更高,且图像便于存储、传输、分析和处理。

综上所述,大型工业 CT 具有其他无损检测设备和手段无法替代的特点,适合于摇枕、侧架等产品的检测,在铁路机车关键部件检测上具有重要的应用价值。

2 铁路关键部件检测专用大型工业 CT

大型工业 CT 检测系统针对铁路机车关键部件缺陷检测的设计,采用适合摇枕、侧架装卡的卧式扫描结构,并针对大批量产品检测进行扫描效率优化,作为铁路行业专用检测设备,提供快速 DR 扫描方式检测工件内部存在的气孔、夹杂、裂纹、疏松等缺陷,为该类工件的质量判定提供依据[9];同时,该系统具备对工件任意指定层面的快速 CT 检测功能,可以提供更为详实的断层内缺陷信息。

2.1 系统组成

铁路列车摇枕、侧架大型工业 CT 高能无损检测系统的主要组成包括:X 射线源、探测器和数据获取、扫描装置、扫描控制及重建与检查软件系统,系统框图如图 1 所示。X 射线源:为了检测等效钢厚度达 200mm 的工件,此处采用 9MeV 电子直线加速器为 X射线源,受控产生 X 射线。直线加速器包括 X 射线头、调制器柜、控制台、恒温水冷机组等部件。

探测器和数据获取:线阵列固体探测器将透过被检物体的 X 射线转换为光电信号,数据获取模块将探测器输出的电信号转换为数字信号,并传送到重建与检查系统。这里采用CdWO4 晶体线阵列探测器和宽动态范围低噪声数据获取系统(24bit A/D 转换)。

扫描控制:扫描控制分系统完成扫描过程的控制及驱动、实时位置测量,并负责系统配电、安全联锁及监控。包括扫描驱动模块、配电装置、安全联锁装置、声光报警装置和摄像监视设备等。

扫描装置:承载被检测工件、射线源、探测器,并完成系统工作过程中的各种运动。扫描装置包括加速器和探测器平台、工件小车、水平装夹旋转机构等,并包括探测器微动机构。扫描装置的结构如图 2 所示。承载工件的扫描小车上有两个相对的立式卡盘,其上设计特制的夹具以夹紧工件两端,并能带动工件沿轴回转。由于摇枕、侧架、车钩、车尾框等部件外形和尺寸差别较大,小车上的两个卡盘间距可调整,且卡盘的卡紧部位也能调整,以便适应不同尺寸系列的工件。

重建与检查软件:对扫描图像进行观察、处理、测量、标记等操作,并自动生成检查结论报表;可通过数据库对图像、工件、检查过程等信息进行全面管理。基于相邻的连续断层信息,系统还可重建出物体及缺陷的三维形态,结合逆向工程软件及三维分析软件,帮助设计人员提高铁路机车关键部件的设计和生产工艺水平。

 

 使用工业 CT 对机车关键部件进行无损检测

图片2

 

2.2 扫描检测流程

在检测时,工件吊装在小车上,小车沿水平轮轨驶入(驶出)检测区,通过工件与射线源、探测器之间的水平相对运动,实现 DR 检测。通过准确定位,可在工件任意部位进行CT 扫描。

系统采用足够长度的水平轨道,工件可随小车沿平行于回转轴线方向快速平移,且可用两套小车轮流进入检测区域进行检测,检测区域外的小车可进行工件卸载、装夹,从而实现流水线操作。在用户使用时,快检设备包括两辆小车,分别从厂房两侧的两道门进出,从而可轮流进行扫描,提高工作效率,如图 3 所示。

 

图片3

 

系统具体扫描工作流程如下:

工件吊装在小车上;加速器探测器始终固定,小车运载工件沿普通轮轨进入检测区并停止。轮轨下的滑台升起,将小车托离轮轨,而变成由滑台承载。滑台带动小车及其上的工件沿较精密的导轨 X 向平移,实现 DR 检测。工件可在沿转台轴线旋转一定角度后反复进行 DR 扫描,并可沿竖直方向微动进行扫描。DR 扫描可对工件在垂直面内倾斜装夹、在水平面内旋转特定角度(如 10°)、沿小车轴向回转 90°等状态进行。通过控制扫描小车运动到扫描位置,小车上的卧式回转工作台及夹具带动工件回转,进行 CT 扫描,生成断层图像进行缺陷检测。检测完成后,滑台下降,小车落回轮轨,并沿轮轨退出厂房,卸载,安装下一工件,继续进行检测。

3 检测过程及结果

由于摇枕和侧架多达 44 个检测点,不可能对工件所有部位进行 CT 扫描。所以检测工序一般是先对工件进行数字透视成像(DR)扫描,根据 DR 图像初步确定工件质量状况并提交结论,满足客户对工件全检、快速性检查的要求。对于 DR 图像上嫌疑缺陷点,用户可通过软件进一步提交扫描任务,继续对该工件进行一次或多次断层扫描(CT),直到完成全部扫描任务。对于工件关键部位,用户可以通过软件输入关键部位的位置信息,不进行 DR 检测而直接选择对工件进行 CT 检测。

3.1 快速 DR 检测

对工件在整个轴向范围内作 DR 检测,确定缺陷在工件的轴向位置及轴向长度。工件旋转至设定角度并停止,工作台带动工件沿垂直于射线扇束平面方向平移,可以完成对工件的 DR 射线扫描成像。在检测系统中,通过更换不同的夹具,工件可以实现在垂直面内倾斜装夹、在水平面内旋转特定角度(如 10°)、沿小车轴向回转 90°等功能,从而满足不同的DR 扫描需要。

图 4 为侧架 0°安装检查得到的 DR 图像,可以看到几个微弱的椭圆形阴影,初步判定为砂眼缺陷。系统具有很高的轴向定位和尺寸测量精度,因此可以在图像处理站上直接对图 4 中的嫌疑砂眼缺陷进行测量。通过测量,可以确定嫌疑气孔缺陷的位置及缺陷长度。通过控制工件旋转,用户还可以对工件进行多角度 DR 扫描检查。

图 5 为转 K2 型摇枕的 DR 扫描图。对整体 DR 图中的虚线框部位放大后,可见明显的高密度夹杂缺陷(如箭头所示)。

 

图片4

 

3.2 嫌疑缺陷部位 CT 检测

根据缺陷在工件的轴向位置,如需进一步检测缺陷形状和类型,可以进一步对嫌疑缺陷部位进行 CT 检测,确定缺陷在工件某个层面的具体分布及大小,最终确定嫌疑缺陷在工件中的三维定位及大小;同时通过分析嫌疑缺陷的 CT 值对缺陷性质进行判定。扫描小车承载工件平移到指定检测位置,加速器发射出 X 射线束,穿透待检测工件并覆盖整个工件截面;工件在转台上进行连续的旋转运动,探测器接收透射工件的 X 射线信号,得到不同旋转角度投影;获得完整扫描数据后,通过计算机重建得到对应的断层图像。

图 6 为转 K2 型摇枕某一指定位置的 CT 扫描重建图像,及对断层图像中局部区域放大显示的图像。

 

图片5

 

由图所示,区域内均可见明显的缩孔缺陷。图 6 所示的 CT 图像,可以通过图像检查软件对工件中的缺陷的形状、具体位置进行测量分析,从而实现对缺陷的定量检测。

4 结论

将大型工业 CT 应用到铁路机车关键部件无损检测,实现了对摇枕、侧架等工件的内部结构及其内部的气孔、砂眼、夹杂物、缩孔、疏松、冷隔、裂纹等铸造缺陷的快捷、准确和高精度检测。实践证明,大型工业 CT 在摇枕、侧架等机车关键部件的检测中具有其独特的优势,检测效果良好,展现了该技术在这个行业具有良好的应用前景。

参考文献

[1] 宋忠明. 关于铸钢摇枕侧架的采购与验收技术条件[J]. 铁道技术监督, 2002, (8): 6-9.

[2] 马庆林. 论提高铸钢摇枕、侧架可靠性的有效途径[J]. 机车车辆工艺, 2007, (4): 9-10.

[3] 康克军. 实验工业 CT 系统及其图像重建方法研究[D]. 北京: 清华大学, 1988.Kang KJ. Research on experimental industrial computed tomography system and its imagereconstruction methods[D]. Beijing: Tsinghua UNIversity, 1988.

[4] 陈志强,李亮,冯建春.高能射线工业 CT 最新进展[J], CT 理论与应用研究 2005,14(4)1-4.Chen ZQ, Li L, Feng JC. New development of high energy industrial computed tomography (ICT)[J].Computerized Tomography Theory and Applications, 2005,14(4): 1-4.

[5] 倪培君, 李旭东,彭建中. 工业 CT 技术——第六讲[J]. 无损检测, 1996, 18(6): 173-176.Ni PJ, Li XD,Peng JZ. Industrial CT technique: Part Ⅵ[J]. Nondestructive Testing, 1996,18(6): 173-176.

[6] 余小清. 铁道货车摇枕侧架探伤方法探讨[J]. 无损检测, 2006, 28(5): 276-278.Yu XQ. A new detecting method on components of rail vehicle[J]. Nondestructive Testing, 2006,28(5): 276-278.

[7] 金锋. 摇枕侧架裂纹的检测和修理工艺探讨[J]. 铁道车辆, 2005, 43(4): 35-37.Jin F. Inspection and measurement of the cracks in the bolster and side frame and discussionon the repair technology[J]. Rolling Stock, 2005, 43(4): 35-37.

[8] Jiang Hsieh. Computed tomography: Principles, design, artifacts, and recent advances[M].APIE Press monograph, 2003.

[9] GB 5677-85, 铸钢件射线照相及底片等级分类方法[S].78CT 理论与应用研究 18 卷GB 5677-85, Methods of radiographic testing and classification of radiographs for steelcastings[S].

 

作者:肖永顺

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