連桿超聲檢測方法及降噪處理研究

0再制造連鎖反應的關鍵技術可靠性是傳遞軸和死軸之間動力的重要部件之一。在服務過程中，它通常起作用于拉伸和壓縮交變壓力。例如，彎曲、斷裂、孔徑磨損、孔子變形等破壞形式。再制造工程是舊產(chǎn)品高技術修復、改造的產(chǎn)業(yè)化,也是循環(huán)經(jīng)濟4R準則中最活躍的形式和首選途徑。因此,大力發(fā)展再制造工程不僅可以節(jié)約資源、保護環(huán)境、提高經(jīng)濟效益,還可以緩解就業(yè)壓力。研究表明,舊連桿缺陷、應力是影響連桿再制造后質(zhì)量的關鍵因素,因而,舊連桿缺陷的無損檢測和評價方法也就成為影響再制造連桿質(zhì)量的關鍵技術。超聲檢測是五大常規(guī)無損檢測方法之一,具有使用方便、安全等優(yōu)點,因而,在缺陷、應力等檢測領域得到廣泛關注和應用。相關研究表明,當超聲波在材料中傳播時,由于材料組織不均勻等原因會出現(xiàn)干擾信號,即“噪聲”,從而影響檢測精度。小波分析作為一種較新的信號分析處理方法,不僅在時頻兩域具有表征信號局部特征的能力,而且還為有效解決降噪和特征信號丟失之間的矛盾,以及實現(xiàn)信號特征檢測、信號重建等提供了良好的解決方法,因而在信號降噪處理中得到廣泛應用。針對舊連桿超聲質(zhì)量無損評價,本研究在小波降噪基礎上,對其質(zhì)量進行無損評價,即對舊連桿能否進行再制造做出評判。1超聲檢測檢測設備以JB/T10659—2006中《無損檢測:鍛鋼材料超聲檢測連桿的檢測標準》為依據(jù)對汽車發(fā)動機舊連桿質(zhì)量進行無損評價,并根據(jù)該標準選擇了適于對汽車發(fā)動機舊連桿質(zhì)量進行評價的檢測設備。所用檢測設備為愛德森(廈門)電子有限公司和裝甲兵工程學院共同研制的XZU-1超聲波無損檢測儀。根據(jù)發(fā)動機舊連桿的受力分析及考察斷裂連桿件可知,連桿大頭與桿身過渡處圓弧為連桿薄弱環(huán)節(jié),即易損傷部位。為了實現(xiàn)易損傷部位舊連桿缺陷的檢測及評價,針對連桿材料和檢測部位,制作了相應的檢測標塊和超聲波斜探頭,標塊宏觀形貌及探頭示意圖分別見圖1、圖2。其中缺陷以JB/T10659—2006《無損檢測:鍛鋼材料超聲檢測連桿的檢測標準》為依據(jù)選擇直徑為2.0mm的通孔,其序號從左到右分別為1～5#;探頭參數(shù)主要根據(jù)待檢測分析連桿形狀及材料設計得到,并委托汕頭超聲儀器研究所公司制作,其主要參數(shù)如下:中心頻率為5MHz,曲率半徑為44mm,入射角為45°。2噪聲傳播規(guī)律和檢測結果分析為實現(xiàn)舊連桿缺陷大小的無損評價,本試驗在“當量法”基礎上采用超聲橫波斜探頭,對圖1中不同位置處的人工缺陷進行了檢測分析,結果見圖3。圖3a～圖3c分別為1#、3#和5#缺陷的檢測結果。對比分析可知,當檢測聲程較小時,可同時檢測到缺陷回波和棱邊回波;隨著檢測聲程的增加,缺陷回波信號幅值逐漸減小,并且棱邊回波消失。這主要是因為隨著檢測聲程的增加,連桿材料造成超聲波的衰減程度逐漸增大,因而缺陷回波信號幅值逐漸減小,這與目前研究結果是相符的。根據(jù)超聲無損檢測缺陷理論可知,超聲回波信號的波形和回波峰值只與缺陷類型相關,與檢測聲程無關,即缺陷類型相同時,超聲回波信號的波形相同并且峰值唯一。而根據(jù)實際連桿超聲回波信號可知,其超聲回波信號波形不同,并且峰值不唯一。分析認為:這主要是由于檢測信號中存在大量的“噪聲”,從而造成缺陷信號波形和峰值個數(shù)的不同。連桿超聲回波信號中“噪聲”的來源主要有以下3個方面:1)連桿材料不均勻,超聲波在連桿中傳播時,會在阻抗不同物質(zhì)的界面處發(fā)生反射、散射等現(xiàn)象;2)工頻噪聲;3)超聲波探頭。由于探頭與連桿耦合界面為凸圓弧面,因而,會在一定程度上引起超聲波信號發(fā)散,其中以材料不均勻造成的噪聲為主。“噪聲”一般是有害的,它不僅會影響檢測結果的精度,甚至會造成結果誤判。因此,為保證檢測結果的正確性及提高檢測結果的精度,本試驗采用小波分析的方法對連桿超聲回波信號進行降噪處理。由于小波基和降噪方法不同時,小波降噪效果也不同,因而,以3#缺陷超聲回波信號為研究對象,結合功率譜分析,以sym4小波為母小波,采用軟閾值消噪方法對其進行降噪處理,連桿超聲回波信號降噪前后結果如圖4所示。對比圖4中小波降噪前后回波波形可知,對3#缺陷超聲回波信號進行降噪處理后,其波形比較平滑,并且干擾信號的幅值會變小。說明在軟閾值降噪方法基礎上,以sym4小波為母小波降噪,可在一定程度上抑制連桿超聲回波信號中的“噪聲”信號。為了在評判缺陷大小的基礎上實現(xiàn)連桿能否再制造的評價,依據(jù)上述分析結果計算不同尺寸缺陷超聲回波信號降噪前后的幅值和檢測聲程,并根據(jù)超聲波在金屬材料中傳播時的衰減規(guī)律P=P0e-βx對其進行擬合(圖5)。圖5a、圖5b分別為超聲回波信號降噪前后檢測聲程與信號幅值間關系曲線及其擬合結果。對比分析可知,隨著檢測聲程的增加,回波信號幅值逐漸變小,這與超聲波的衰減規(guī)律是相符的;而根據(jù)連桿超聲回波信號的原始數(shù)據(jù)和降噪后數(shù)據(jù)可知,其擬合曲線分別為y=173.1053e0.0339x和y=170.4258e0.0396x。為了對其擬合效果進行評價,計算了其相關值,分別為0.85848和0.86647。根據(jù)對擬合程度的評價理論可知,擬合效果越好,其相關數(shù)值越大,這也說明了采用小波分析對連桿超聲回波信號進行降噪處理可在一定程度上減小“噪聲”對計算結果的影響,從而提高檢測結果精度。為了驗證擬合曲線是否符合試驗要求,對完好連桿中的人工缺陷(?2.0mm通孔)進行檢測。結果表明,當檢測聲程為17mm,缺陷當量尺寸為?2.0mm通孔時,降噪前與降噪后超聲波信號的回波信號幅值分別為102和93,而根據(jù)擬合曲線可知,其計算結果分別為97.2和86.7。根據(jù)JB/T10659—2006無損檢測鍛鋼材料超聲檢測連桿的檢測標準可知,當缺陷尺寸為?2.0mm時,連桿報廢,雖然降噪前后計算結果均表明連桿報廢,但降噪前后數(shù)據(jù)差可知,降噪后數(shù)值差要大于降噪前數(shù)值差,即采用小波分析可在一定程度上提高結果分析的可靠性。3syn4小波作為先導閥的應用1)所設計的超聲檢測探頭——橫波斜探頭