（车辆工程专业论文）铁道货车铸钢摇枕、侧架超声测厚技术研究.pdf

j e 宝銮堑盔堂童些亟堂焦迨塞生塞擅要 中文摘要 摘要：铁道货车摇枕侧架的壁厚，特别是a 、b 部位的壁厚是影响摇枕侧架使 用性能的重要参数。根据t b f r 3 0 1 2 2 0 0 6 铁道货车铸钢摇枕、侧架技术条件标 准的要求，其壁厚必须控制在允许的公差范围之内。通常情况下，常用量具对于 这样具有复杂内腔的大型铸钢件壁厚测量均无能为力，作者单位根据 t b t 3 0 1 2 2 0 0 6 要求，在作业现场随机抽取了大量摇枕侧架进行了壁厚测量，做了 大量的试验。 本文基于脉冲反射式超声波测厚的方法，对大量摇枕侧架进行了测量， 归纳整理测量数据，并对测厚试验进行正交设计、试验结果分析和对比，提出了 铸钢摇枕、侧架超声波测厚的技术条件和应选仪器，确保了摇枕侧架测厚结果的 可靠性。 关键词：铁道货车摇枕侧架超声波测厚 j e 塞窑道盔堂童些亟堂鱼i 金塞旦s ! b 至 a b s t r a c t a b s t r a c t ：i h ew a l lt h i c k n e s s e so ft h es i d ef r a m ea n db o l s t e rf o rt h ef r e i g h t w a g o n , e s p e c i a l l yt h ew a l lt h i c k n e s sa ta a n dbp o s i t i o na r et h ek e yp a r a m e t e r si n a f f e c t i n gt h ep e r f o r m a n c eo ft h es i d ef r a m ea n db o l s t e r 。a st ot h et b ，r 3 0 1 2 2 0 0 6 s p e c i f i c a t i o n sf o rc a s t i n gb o l s t e ra n ds i d ef r a m eo ff r e i g h tw a g o n ，t h e i rt h i c k n e s s m u s tb ew i t h i nt h ea l l o w a b l et o l e r a n c e 。u n d e rg e n e r a lc o n d i t i o n ，c o m m o ng a g ec a n n o t m e a s u r et h ew a l lt h i c k n e s so f t h el a r g ec a s t i n g sw h i c hh a sc o m p l i c a t e di n n e rc h a m b e r ， t h ew o r k s h o pw h i c ht h ea u t h o ri si nm a k e sal o to fm e a s u r e m e n t st ot h er a n d o m s a m p l e sa n dm a k e sal o to f t e s t sa ts i t ea st ot h er e q u i r e m e n t so f t b ，r 3 0 1 2 2 0 0 6 。 i nt h i st h e s i s ，a c c o r d i n gt ot h ep u l s er e f l e c t i n gu l t r a s o n i cm e t h o d ，w em a k eal o to f m e a s u r e m e n t st ot h et h i c k n e s so ft h es i d ef r a m ea n db o l s t e r ，a n dd os t r a i g h td e s i g nt o t h et h i c k n e s sm e a s u r i n gt e s t ，a n a l y z ea n dc o m p a r et h et e s tr e s u l t s 。o nt h eb a s i so f t h i s ，w ep u tf o r w a r dt h es p e c i f i c a t i o n sa n di n s t r u m e n t sf o rm e a s u r i n gt h et h i c k n e s so f t h ec a s t i n gb o l s t e ra n ds i d ef r a m es oa st oe t i s u r et h er e l i a b i l i t yo ft h et h i c k n e s s m e a s u r e m e n tr e s u l t s 。 k e y w o r d s ：f r e i g h tw a g o n ； b o l s t e ra n ds i d ef r a m e ； u l t r a s o n i c ； t h i c k n e s sm e a s u r e m e n t 。 致谢 在论文完成之际，首先向我的导师何庆复教授表示深深的敬意和衷心的感谢。 在课题研究和论文撰写过程中，自始至终都得到导师悉心的指导、不倦的教诲， 本人在课题研究过程中所取得的每一点进步无不凝结着导师的帮助。一直以来， 何老师认真、严谨的工作作风，深深地影响和打动着我，让我懂得事业成功与自 身是否具有这样一种勤奋作风和精神是分不开的。 在研究工作中，同样得到了铁道科学研究院金属及化学研究所黄永巍老师及 北京二七车辆厂刘保元工程师的大力支持和帮助，在此表示衷心的感谢。 韭塞至适友堂童些亟堂焦迨塞 !绮途 1 1 研究背景 1 绪论 铁道货车摇枕侧架是货车车辆组成的大部件，是货车车辆安全运行的关键 部件，摇枕侧架的壁厚，特别是a 、b 部位的壁厚，是影响摇枕侧架使用性能的一 个重要参数。根据t b t3 0 1 2 - 2 0 0 6 铁道货车铸钢摇枕、侧架技术条件标准的 要求，控制摇枕侧架的壁厚在允许的公差范围之内，是摇枕侧架生产与验收过程 中的一个重要环节。 1 2 国内外常用测厚技术简介 目前，国内外常用的测厚方法和相应的仪器很多，除一般机械法测厚外，常 用的测厚技术有：射线测厚、超声波测厚、磁吸力测厚、磁感应测厚、电涡流测 厚等。 1 2 1 射线测厚技术 射线测厚技术从原理上可分为穿透测量法、光谱测量法。射线测厚技术的这 两种不同的测量方式，其应用领域也不相同。 首先穿透式射线测厚技术m 是基于射线透照的衰减规律，通过射线透照工件， 测量工件壁厚。当射线源发射出强度为l 的射线穿透被测工件，被工件吸收掉一 部分，穿过工件到达检测器的是强度被工件减弱为，的射线，它们有如下关系： i = s o e 一肛 其中厶一射线源发出的射线强度； 卜一达到检测器时的射线强度； 一吸收系数，它取决于被测工件材料，也与加在射线管上的高电压成 函数关系； j e 塞銮塑太堂童些亟堂僮迨塞 !绪迨 工一被测工件的壁厚； 对上式进行适当变换就可以得到工件壁厚的计算式，如下： 工= 二l n ( 二旦) “ 光谱法射线测厚技术。1 主要是用于工件表面的涂层或镀层厚度测量。以荧光x 射线镀层厚度测量为例，其原理是利用物质经x 射线或粒子射线照射后，由于吸 收多余的能量而变成不稳定的状态。从不稳定状态要回到稳定状态，此物质必需 将多余的能量释放出来，而此时是以荧光或光的形态被释放出来。荧光x 射线镀 层厚度测量仪或成分分析仪的原理就是测量这被释放出来的荧光的能量及强度， 来进行定性和定量分析，得到工件镀层的厚度。 射线测厚是无接触无损测量，但装置复杂昂贵，测量范围较小。因有放射源， 使用者必须遵守射线防护规范。 1 2 2 超声波测厚技术 超声波测厚技术【3 1 按其工作原理可以分为共振法、干涉法及脉冲回波法等几 种。共振式超声波测厚仪早期应用较多，但共振式测厚仪有两个主要缺点：一是不 能直读数据，须用公式计算厚度，使用不便；二是要求被测量工件上下两面较平， 使用局限性较大。由于脉冲反射法不涉及共振机理，与被测物表面的光洁度关系 不密切，所以，超声波脉冲反射式是最常用的一种测厚方法。 脉冲反射式超声测厚原理是测量超声波脉冲通过工件所需的时间间隔，然后 根据超声波脉冲在工件中的传播速度求出工件厚度。 d = c t 式中：d 一样品厚度； c 一超声波速度； t 一超声波从发射到接收回波的时间间隔。 2 i t 夏銮适态堂主些亟堂僮监塞!绪丝 彳、吣超声谢 探头 f 八 d 被测件 l 1 图1 1 脉冲反射法超声测厚示意图 无论是超声测厚仪( 含测距) 还是超声波探伤仪，使用的超声波脉冲必须是窄脉 冲，所以超声波换能器( 应具有宽频带、窄脉冲特性) 必须用窄脉冲激励。否则， 发射脉冲与反射脉冲以及反射脉冲之间将会产生重叠现象，影响测量。 图1 2 脉冲反射法超声测厚原理图 j e 塞窑塑叁堂童些亟堂焦论塞 !缝迨 1 2 3 磁吸力测厚技术 磁吸力测厚是利用永久磁铁( 测头) 与导磁钢材之间的吸力大小与处于这两 者之间的距离成一定比例关系，而这个距离就是覆层的厚度。利用这一原理制成 测厚仪，只要覆层与基材的导磁率之差足够大，就可进行测量。 磁吸力测厚仪的基本结构由磁钢，接力簧，标尺及自停机构组成。磁钢与被 测物吸合后，将测量簧在其后逐渐拉长，拉力逐渐增大。当拉力刚好大于吸力， 磁钢脱离的一瞬间记录下拉力的大小即可获得覆层厚度。新型的产品可以自动完 成这一记录过程。不同的型号有不同的量程与适用场合。 这种仪器的特点是操作简便、坚固耐用、不用电源，测量前无须校准，价格 也较低，很适合车间做现场质量控制。 1 2 4 磁感应测厚技术 磁感应测厚技术的原理是利用从测头经过非铁磁覆层而流入铁磁基体的磁 通的大小，来测定覆层厚度。也可以测定与之对应的磁阻的大小，来表示其覆层 厚度。覆层越厚，则磁阻越大，磁通越小。利用磁感应原理的测厚仪，原则上可 以有导磁基体上的非导磁覆层厚度。一般要求基材导磁率在5 0 0 以上。如果覆层 材料也有磁性，则要求与基材的导磁率之差足够大( 如钢上镀镍) 。当软芯上绕着 线圈的测头放在被测样本上时，仪器自动输出测试电流或测试信号。早期的产品 采用指针式表头，测量感应电动势的大小，仪器将该信号放大后来指示覆层厚度。 1 2 5 电涡流测厚技术 电涡流测厚“3 的测量原理是利用高频交流信号在测头线圈中产生电磁场，测头 靠近导体时，就在其中形成涡流。测头离导电基体愈近，则涡流愈大，反射阻抗 也愈大。这个反馈作用量表征了测头与导电基体之间距离的大小，也就是导电基 体上非导电覆层厚度的大小。 以下是磁感应( 磁性) 测厚和电涡流测厚的原理图： 4 i b 塞銮道盔堂童些亟堂焦途塞 !堑途 图1 3 磁感应( 磁性) 测厚和电涡流测厚的原理图 1 3 摇枕侧架采用的测厚技术 对于摇枕侧架这样具有复杂内腔的大型铸钢件进行壁厚测量，常用机械式测 量仪器在大多数部位都是无能为力进行测量。超声波测厚仪与利用其他原理制作 的测厚仪相比，具有小型、轻便、测量速度快、精度高、电池供电、容器内积水 或结垢不影响测量精度等优点，所以工业上所使用的测厚仪大部分是超声波测厚 仪。采用脉冲反射式超声波测厚方法，操作简单方便，测量厚度时只需在被测工 件一侧表面放置探头，即可完成整个测厚工作，适宜于测量任何可透声的工件壁 厚，特别是常规量具无法直接进行测量的工件壁厚，而且测量范围可由零点几毫 米到几百毫米，精度可达+ - - 0 0 1 毫米，所以应用领域非常广泛。因此，摇枕侧架 壁厚的测量一般采用脉冲反射式超声波测厚技术 1 4 研究目的与任务 1 4 1 研究目的 摇枕侧架为铸造b + 级钢工件，表面粗糙，采用常规超声测厚方法进行壁厚测 量时，由于工件材质、表面粗糙度以及探头尺寸等多种因素的影响，致使测量结 果的重复性很差，多次测量的数据偏差很大，测量结果不可靠，更无从谈测量精 度。 本课题旨在研究一种适用于摇枕侧架大型铸件的超声测厚方法，从影响测厚 结果的多种因素入手，开展试验，寻求适合摇枕侧架超声测厚的工艺条件，最终 j e 立銮适盔堂童些亟堂焦监塞!缝地 形成摇枕侧架超声测厚工艺方法，确保摇枕侧架的测厚结果可靠性，精度满足t b t 3 0 1 2 2 0 0 6 铁道货车铸钢摇枕、侧架技术条件标准的要求。 1 4 2 摇枕侧架要求的测厚精度 铁道货车铸钢摇枕、侧架a ，b 部位的分布见图1 4 、图1 5 部位示意图。 a 部位b 部位a 部位b 部位a 部位 图1 4 铸钢摇枕a ，b 部位示意图 图1 5 铸钢侧架a 、b 部位示意图 t b 厂r3 0 1 2 2 0 0 6 铁道货车铸钢摇枕、侧架技术条件中对转k 2 、k 4 、k 5 、 k 6 转向架摇枕、侧架的a 、b 两个重点部位的壁厚规定见表1 1 ，壁厚偏差的规定 6 j e 塞变通盍堂童些硒主堂焦监塞!绪盈 见表1 2 。 表1 1 摇枕侧架a 、b 两个重点部位厚度 转k 2转k 4转k 5转k 6 摇枕壁厚基本尺寸( m m ) 4 54 5 & 2 04 5 & 2 04 5 侧架壁厚基本尺寸( r m ) 3 03 03 03 0 表1 2 摇枕、侧架壁厚允许偏差 铸件壁厚基本尺寸( m )允许偏差( n u n ) 大于至上偏差下偏差 1 01 6+ 31 4 1 62 5+ 31 6 2 54 0+ 3_ 2 4 0 “- 2 制造厂为了保证铸件的密实度，可以在局部区域增加补贴，补贴金属厚度不应计算在金属断面 厚度的上偏差内。 由上述表1 1 、表1 2 可知，超声测厚结果的精度应至少为0 1 m m ，对于摇枕 侧架这样无法直接测量得到壁厚的大型铸件，相应的要求多次测量结果的标准差 也小于o 1 m m 。 7 j t 立銮适太堂童些亟堂僮迨塞2搔趁型苤趁直型厘试鳖 2 1 试验设备列表 2 摇枕侧架超声测厚试验 表2 1 试验设备列表 序号设备名称生产厂家型号技术指标 d c 2 0 0 0测量范围：0 7 - 2 5 0 m m l超声测厚仪j b 京市德光电子公司 b 示值精度：o 0 1 m m d c - 2 0 3 0测量范围：0 7 3 5 0 r a m 2超声测厚仪北京市德光电子公司 b示值精度：o 0 1 m m 3 测厚探头1北京市德光电子公司 z r 1 2 工作频率：2 m h z 、直径中1 3 4 测厚探头2北京市德光电子公司 p l 0 8 工作频率：3 m h z ，直径中8 5测厚探头3北京市德光电子公司p t l 0 6工作频率：3 m h z 直径中6 6测厚探头4北京市德光电子公司m 8工作频率：4 m i - i z ，直径中8 7测厚探头5北京市德光电子公司啪6工作频率：4 m h z 。直径0 6 8 测厚探头6北京市德光电子公司 p t d 8 工作频率：5 m h z ，直径中9 9测厚探头7北京市德光电子公司 p l l 2 工作频率：5 m h z ，直径中1 2 1 0测厚探头8北京市德光电子公司g t - 1 2工作频率：5 m h z 。直径m1 4 1 1测厚探头9北京市德光电子公司p t d 6工作频率：7 5 m h z ，直径0 6 5 超声测厚人工试 1 2铁科院金化所材料：b + 级钢 块 超声测厚自然试 1 3铁科院金化所材料：b + 级钢 块 2 2 超声测厚试块 2 2 1 超声测厚人工试块 超声测厚人工试块的坯料由戚墅堰机车车辆工艺研究所浇注，图纸由铁科院 金化所设计，如下图2 1 所示： i e 塞銮疆盔堂童些亟堂焦逾童 2遁趁趔袈超重型厘达墼 图2 1 超声测厚人工试块图纸 2 2 2 超声测厚自然试块 超声测厚自然试块直接取材于实物摇枕侧架，由北京二七车辆厂从一件报废 的转k 6 型侧架上切下，如图2 2 所示。 图2 2 超声测厚自然试块 j e 复銮迢盔堂童些亟堂擅造塞2攫挫趔苤超童趔崖这熊 2 3 试验基本步骤 试验中，分别以人工试块和自然试块为研究对象，进行超声测厚试验，考察 对于铸造b + 级钢的工件进行测厚时，各种因素对于测量结果精度和可靠性的影响 以及影响的权重，找到有利于提高测量结果精度和可靠性的因素组合，为摇枕侧 架的测厚提供解决方案。 2 3 1 影响超声波测厚仪示值的因素 ( 1 ) 工件表面粗糙度过大，造成探头与接触面耦合效果差，反射回波低，甚至 无法接收到回波信号。对于表面锈蚀，耦合效果极差的在役设备、管道等可通 过砂、磨、挫等方法对表面进行处理，降低粗糙度，同时也可以将氧化物及 油漆层去掉，露出金属光泽，使探头与被检物通过耦合剂能达到很好的耦合效 果。 ( 2 ) 工件曲率半径太小，尤其是小径管测厚时，因常用探头表面为平面，与曲面 接触为点接触或线接触，声强透射率低( 耦合不好) 。可选用小管径专用探头 ( 6 m m ) ，能较精确的测量管道等曲面材料。 ( 3 ) 检测面与底面不平行，声波遇到底面产生散射，探头无法接受到底波信号。 ( 4 ) 铸件、奥氏体钢因组织不均匀或晶粒粗大，超声波在其中穿过时产生严重的 散射衰减，被散射的超声波沿着复杂的路径传播，有可能使回波湮没，造成不 显示。可选用频率较低的粗晶专用探头( 2 5 m h z ) 。 ( 5 ) 探头接触面有一定磨损。常用测厚探头表面为丙烯树脂，长期使用会使其表 面粗糙度增加，导致灵敏度下降，从而造成显示不正确。可选用5 0 甜砂纸打磨， 使其平滑并保证平行度。如仍不稳定，则考虑更换探头。 ( 6 ) 被测物背面有大量腐蚀坑。由于被测物另一面有锈斑、腐蚀凹坑，造成声波 衰减，导致读数无规则变化，在极端情况下甚至无读数。 ( 7 ) 被测物体( 如管道) 内有沉积物，当沉积物与工件声阻抗相差不大时，测厚 仪显示值为壁厚加沉积物厚度。 ( 8 ) 当材料内部存在缺陷( 如夹杂、夹层等) 时，显示值约为公称厚度的7 0 ， 此时可用超重遗拯笾丛进一步进行缺陷检测。 ( 9 ) 温度的影响。一般固体材料中的声速随其温度升高而降低，有试验数据表明， l o 韭立銮道态堂童些亟堂僮缝塞 2攫趁倒袈趁巨型厘这坠 热态材料每增加1 0 0 0 c ，声速下降1 。对于高温在役设备常常碰到这种情况。 应选用高温专用探头( 3 0 0 - - 6 0 0 。c ) ，切勿使用普通探头。 ( 1 0 ) 层叠材料、复合( 非均质) 材料。要测量未经耦合的层叠材料是不可能的， 因超声波无法穿透未经耦合的空间，而且不能在复合( 非均质) 材料中匀速传 播。对于由多层材料包扎制成的设备( 像尿素高压设备) ，测厚时要特别注意， 测厚仪的示值仅表示与探头接触的那层材料厚度。 ( 1 1 ) 耦合剂的影响。耦合剂是用来排除探头和被测物体之间的空气，使超声波 能有效地穿入工件达到检测目的。如果选择种类或使用方法不当，将造成误差 或耦合标志闪烁，无法测量。因根据使用情况选择合适的种类，当使用在光 滑材料表面时，可以使用低粘度的耦合剂；当使用在粗糙表面、垂直表面及顶 表面时，应使用粘度高的耦合剂。高温工件应选用高温耦合剂。其次，耦合 剂应适量使用，涂抹均匀，一般应将耦合剂涂在被测材料的表面，但当测量温 度较高时，耦合剂应涂在探头上。 ( 1 2 ) 声速选择错误。测量工件前，根据材料种类预置其声速或根据标准块反测 出声速。当用一种材料校正仪器后( 常用试块为钢) 又去测量另一种材料时， 将产生错误的结果。要求在测量前一定要正确识别材料，选择合适声速。 ( 1 3 ) 应力的影响。在役设备、管道大部分有应力存在，固体材料的应力状况对 声速有一定的影响，当应力方向与传播方向一致时，若应力为压应力，则应力 作用使工件弹性增加，声速加快；反之，若应力为拉应力，则声速减慢。当 应力与波的传播方向不一至时，波动过程中质点振动轨迹受应力干扰，波的传 播方向产生偏离。根据资料表明，一般应力增加，声速缓慢增加。 ( 1 4 ) 金属表面氧化物或油漆覆盖层的影响。金属表面产生的致密氧化物或油漆 防腐层，虽与基体材料结合紧密，无名显界面，但声速在两种物质中的传播速 度是不同的，从而造成误差，且随覆盖物厚度不同，误差大小也不同。 2 - 3 2 影响摇枕侧架超声测厚结果的主要因素 在对摇枕侧架的人工试块和自然试块进行测厚试验中，影响测厚结果精度和 可靠性的因素主要有：测厚探头频率( f ) 、探头晶片尺寸( d ) 、超声测厚仪类型、 被测对象表面粗糙度( r a ) 、耦合剂的类型、被测对象的厚度范围( h ) 、测量次数 ( n ) 。 j e 塞窑垣盔堂童些亟圭堂焦迨塞2堡趁趔鍪超巨型崖毯墅 为了考察以上6 个因素对测厚结果的精度和可靠性的影响，我们选取了北京 市德光电子公司的两台超声测厚仪，一种是普通型的d c - - 2 0 0 0 b ，另一种是专门 用于铸件测厚的d c - - 2 0 3 0 b ；选取了9 个测厚探头，频率从2 m h z 7 5m h z ，晶 片尺寸从巾6 中1 4 ；制作了超声测厚的人工阶梯试块，表面租糙度分别为r 3 2 、 r 6 3 、r 2 5 ，阶梯厚度分别为1 0 m m 、2 0 m m 、3 0 m m 、4 0 m m 、5 0 m m 。在进行测厚 试验中，耦合剂分别采用机油和超声专用耦合剂，对人工试块的同一厚度部位采 用多次测量，以多次测量结果的均值和均方差作为考察测厚结果精度和可靠性的 指标。 2 3 3 人工试块试验步骤 1 ) 首先，测厚仪选用普通型超声测厚仪( d c - - 2 0 0 0 b ) ； 2 ) 测厚探头选取型号z t - 1 2 ，工作频率：2 m h z ，直径0 1 3 的测厚探头； 3 ) 采用机油作为耦合剂； 4 ) 检测面取人工试块上表面粗糙度为r 3 2 的阶梯； 5 1 选取人工试块上l o m m 的阶梯作为研究对象； 们先用游标卡尺测量阶梯的厚度，作为真值，然后采用超声测厚，分1 0 次测量， 记录数据； 刀分别选取人工试块上2 0 m m 、3 0 m m 、4 0 m m 、5 0 n u n 的阶梯作为研究对象，重 复6 ) 中的测量过程； 8 1 检测面分别取人工试块上表面粗糙度为r 3 2 、r 6 3 、r 2 5 的阶梯，重复5 ) 7 ) 中的过程； 9 ) 耦合剂采用超声专用耦合剂，重复4 ) 8 ) 中的过程； l o ) 测厚探头分别选取型号为p t 0 0 8 、p t - 0 6 、p t - 0 8 、p t - 0 6 、p t - 0 8 、p t - 1 2 、 g t - 1 2 、p t - 0 6 ，重复3 ) 9 ) 中的过程； 1 1 ) 测厚仪选用铸件专用的d c - - 2 0 3 0 b 超声测厚仪，重复2 ) l o ) 中的过程。 2 3 4 自然试块试验步骤 对于自然试块的测厚试验，比人工试块的过程简单一些，主要原因有以下两点： 1 1 由于自然试块取材于实物摇枕侧架，表面非常粗糙； 1 2 韭塞銮道太堂童些亟堂焦途塞2攫挫倒絮超重捌星这熊 2 ) 在这种粗糙的检测面上进行测厚，不宜采用粘性较小的机油作为耦合剂，必须 采用专用的超声耦合剂； 3 ) 自然试块的厚度比较单一，没有太多厚度范围。 因此自然试块的超声测厚试验步骤如下： 1 ) 首先，测厚仪选用铸铁型超声测厚仪( d c - - 2 0 0 0 1 3 ) ； 2 ) 测厚探头选取型号z t 1 2 ，工作频率：2 m h z ，直径1 3 的测厚探头； 3 ) 先用游标卡尺测量自然试块的厚度，作为真值，然后采用超声测厚，分l o 次 测量，记录数据； 4 ) 测厚探头分别选取型号为p t - 0 8 、p t - 0 6 、p t - 0 8 、p t - 0 6 、p t - 0 8 、p t - 1 2 、 g t - 1 2 、p t - 0 6 ，重复3 ) 中的过程； 5 ) 测厚仪选用铸铁专用的d c - - 2 0 3 0 b 超声测厚仪，重复2 ) 4 ) 中的过程。 j e 基窑遭盘堂壹些亟堂焦途塞3 堡丛倒翟丝直捌厘达墅的正銮超让 3 摇枕侧架超声测厚试验的正交设计 正交试验【5 】是在科研及生产实际中比较容易掌握和最具有实用价值的一种试 验方法，它通常适用于多因素试验条件的研究。根据试验的因素数和各因素的水 平数，选择适当的正交表来安排试验，采用数理统计的方法处理数据，可以方便 地找到诸多因素中对试验指标有显著影响的主要因素，确定使试验指标达到最佳 的因素水平。 前面提到，在超声测厚试验中，影响测厚结果精度和可靠性的因素主要有测 厚探头频率( f ) 、探头晶片尺寸( d ) 、超声测厚仪类型、被测对象表面粗糙度( r a ) 、 耦合剂的类型、被测对象的厚度范围( h ) 、测量次数( n ) 等7 个因素。 我们去除掉以上7 个因素中显而易见、没必要研究的因素，以降低正交试验 设计的复杂度。首先是超声测厚仪类型，在试验中由于检测对象的材质是铸造b + 级钢，因此我们直接选用铸钢件专用的d c 2 0 3 0 b 超声测厚仪( 对于普通型 d c 一2 0 0 0 b 超声测厚仪与d c - - 2 0 3 0 b 型超声测厚仪二者用于铸件测厚方面的对比 研究，将单独研究分析，放在第7 章中讨论) 。其次是耦合剂类型，由于机油较稀、 粘性小，而被测对象的表面比较粗糙，必须选用粘性较大、填充性能好的耦合剂， 因此为了达到良好的耦合效果，耦合剂直接采用粘性较大的超声专用耦合剂。 接下来，我们重点分析其他5 个因素测厚探头频率( f ) 、探头晶片尺寸( d ) 、 被测对象表面粗糙度( r a ) 、被测对象的厚度范围( h ) 、测量次数( n ) 对测厚结果精 度和可靠性的影响。 对于特定的某一个测厚探头，它的频率( f ) 和晶片尺寸( d ) 是固定的，试 验设计中如果这两个因素所取的水平太多，则试验所需要的测厚探头也会很多。 例如测厚探头频率( f ) 取3 个水平，分别为：3m h z 、4m h z 、5 m h z ，探头晶片 尺寸同样也取3 个水平，分别为中6 、中8 、巾1 0 ，这样在正交试验中需要9 个探 头，以满足探头频率( f ) 和晶片尺寸( d ) 的各种组合方式，如下： ( 3m h z ，中6 ) ，( 3 删z ，m 8 ) ，( 3m h z ，中1 0 ) ( 4 删z ，中6 ) ，( 4m h z ，中8 ) ，( 4m h z ，1 0 ) ( 5m h z ，中6 ) ，( 5 删z ，中8 ) ，( 5m h z ，0 1 0 ) 为了降低试验难度，我们对测厚探头频率( f ) 和探头晶片尺寸( d ) 各取两 个水平，探头频率( f ) 分别取3 m h z 和4 m h z ，晶片尺寸( d ) 分别取m 6 和8 ， 这样下来只需要4 个探头，如下： 1 4 i e 塞銮堑盍堂童些亟堂焦迨塞3 疆趁型錾趋巨型厘达墅煎垂銮邀让 ( 3m h z ，由6 ) ，( 3m h z ，中8 ) ( 4 眦z ，e a 6 ) ，( 4i m - l z ，中8 ) 同样其他3 个因素：被测对象表面粗糙度( r a ) 、被测对象的厚度范围( h ) 、 测量次数( n ) 也各取2 个水平，进行正交试验设计。 综上所述，我们最终要设计的正交试验是5 因素2 水平的正交试验，如下： 探头频率( f ) ：3m h z ，4m h z ； 探头晶片尺寸( d ) ：c i ) 6 ，西8 ； 被测对象表面粗糙度( r a ) ：r a6 3 ，r a2 5 ： 测厚对象厚度( h ) ：2 0 m m ，4 0 m m ； 测量次数( n ) ：5 ，1 0 ： 我们采用l s ( 2 7 ) j e 交表来安排这5 因素2 水平的超声测厚试验，只需进行8 次 试验，表3 1 中每个试验号对应的一行代表一个试验方案，其中考察因素列的数字 “l ”，“2 ”分别代表该列所填因素的相应水平，而每个试验方案所得到的考察指 标的数据就填入右边对应的列中。由于l s ( 2 7 ) 正交表可以安排7 因素2 水平的正交 试验，而现在所需考察的试验因素只有5 个，每个因素有2 个水平，完全可以满 足试验设计需要。 表3 1l 。( 2 7 ) 正交表 、列号 剃号 1234567 ll1l1l1l 2ll l 2222 3l221122 4 l2 22 2 1 1 52 1 2121 2 62l2 2 l2l 7221 1 221 82212ll2 根据l 8 ( 2 7 ) 正交表安排正交试验，首先填写表头，即在表头上安排因素，将 探头频率( f ) 和探头晶片尺寸( d ) 两因素分别放在正交表的第1 列和第2 列上， 然后将因素被测对象表面粗糙度( r a ) 和测厚对象厚度( h ) 两因素分别放在正交 表的第4 列和第5 列上，最后将测量次数放在正交表的第7 列上。l s ( 2 7 ) j e 交表还 拙塞銮适盔堂主些亟堂焦j 金塞3 簦拉趔袈趁直趔埋这鳖盥垂銮遮过 剩余两列没有安排因素，分别是第3 列和第6 列，我们空出第3 列是为了考察处 在第1 列和第2 列的两个因素的交互作用，即探头频率( f ) 和探头晶片尺寸( d ) 二者不同水平的搭配对试验结果的影响，同理我们空出第6 列是为了考察第2 列 探头晶片尺寸( d ) 和第4 列被测对象表面粗糙度( r a ) 的交互作用。 1 6 j 壅銮道盍堂童些亟堂焦丝塞堡毽倒塞超巨捌厘这验缱星筮逝 4 摇枕侧架超声测厚试验结果分析 超声测厚试验中需要考察的指标是测厚结果的标准差( o ) 和绝对误差( e ) ， 试验结果要求测厚结果的标准差( o ) 越小越好。标准差( o ) 越小表明测厚结 果越稳定可靠。同样也要求测厚结果的绝对误差( e ) 越小越好。绝对误差( e ) 越 小表明测厚结果越精确。 4 1 测厚结果标准差( o ) 的正交分析 4 1 1 正交试验 首先以超声测厚结果的标准差( o ) 为考察指标，将其列入正交表的右边， 如表4 1 所示，以铸造b + 级钢人工试块的测量对象，进行超声测厚的正交试验， 得到结果如下： 表4 1 标准差( o ) 的正交试验 器 fd f x dr a h d x r an 标准差 12 34 56 7 1ll1 1 l11o 0 3 7 4 2 l ll2222 0 0 7 1 5 3l22i1220 0 4 8 4 4l2222110 0 2 0 5 5212 l 2l 2 0 0 3 0 8 6 2l 22l2lo 0 2 1 7 722l12210 0 1 6 4 822121l2o 0 4 0 3 ij 0 1 7 7 7 0 1 6 1 40 1 6 5 6 0 1 3 3 1 0 1 4 7 70 1 2 9 00 0 9 6 0 j 0 1 0 9 20 1 2 5 60 1 2 1 40 1 5 3 90 1 3 9 20 1 5 7 90 1 9 0 9t = o 2 8 7 0 砘0 0 6 8 50 0 3 5 80 0 4 4 20 0 2 0 90 0 0 8 50 0 2 8 90 0 9 4 9 1 7 j e 夏窑垣太堂童些亟堂焦鲨塞4 丝挂倒型趋巨型星这堕结墨筮蚯 4 1 2 用极差分析得出各因素的主次关系 接下来，我们对表4 1 中得到的试验结果进行极差分析，得出各因素的主次关 系。 如上表4 1 中所示，列于表下方的3 行是依据上面正交试验的结果对标准差。 进行的极差分析，其中ij 是第j 列的因素采取1 水平进行试验的标准差。数据之 和，例如对于第2 列的因素d ，它取l 水平进行正交试验的试验号分别为3 ，4 ，7 ， 8 ，所对应的标准差。数据分别为0 0 4 8 4 ，o 0 2 0 5 ，0 0 1 6 4 ，0 0 4 0 3 ，所以i2 = 0 0 4 8 4 + 0 0 2 0 5 + o 0 1 6 4 + 0 0 4 0 3 = 0 1 6 1 4 。同样，i i j 是第j 列的因素采取2 水平进行试 验的标准差0 数据之和。 下面以第1 列的因素f 为例对i j ，i i j 的含义稍做一些说明。在il 对应的四 次试验中，因素f 均采取了l 水平进行了试验，而其余d ，r a ，h ，r l 田个因素的 l 、2 水平皆各出现两次，因此数据和i1 反映了四次f 采取l 水平的影响，和d ， r a ，h ，n 每个因素l 、2 水平各两次的影响。同样，数据和i i l 反映了圈次f 采取 2 水平的影响以及d ，r a ，h ，n 每个因素1 、2 水平各两次的影响。因此，可以认 为d ，r a ，h ，n 对il 、i i l 的影响是大体上相同的，而i1 ，1 1 1 之间的差异可 以看作是由于f 取了两个不同的水平而造成的。于是il 、i il 的数值可以大体上 反映f 的1 、2 水平对标准差。影响的结果。类似地将各列的ij ，l l j 都计算出来， 而各列的ij ，j 数值间的差异，就反映了各列所排因素由于取了不同水平对标准 差。造成的影响。 计算完各列的ij ，i i j 之后，再把每一列ij ，i i j 的差的绝对值算出来，这就 是列于表4 1 最下方的r j 的值，称为极差。 表4 1 中各列的极差为； 第1 列( 测厚探头频率f ) r i = o 0 6 8 5 第2 列( 探头晶片尺寸d ) r 2 = 0 0 3 5 8 第3 列( f 和d 的交互作用) r 3 = 0 0 4 4 2 第4 列( 被测对象表面粗糙度r a ) r 4 = 0 0 2 0 9 第5 列( 被测对象的厚度范围h ) r 5 = o 0 0 8 5 第6 列( d 和r a 的交互作用) r 6 = o 0 2 8 9 第7 列( 测量次数n ) r 7 = 0 0 9 4 9 每一列算出的极差大小，反映了该列所排因素选取的水平变动对标准差o 的 j 塞窑适盔堂童些亟堂僮迨塞g 搔趁趔苤超直趔厘达笙缝星盆堑 影响的大小。根据极差r j 这一行的数据可知，第5 列较小，第1 列和第7 列较大， 其他的居中，其中第5 列最小，第7 列最大，这反映了，当因素测量次数n 的水 平变动时，标准差。波动最大，因素被测对象的厚度范围h 的水平变动时，标准 差。波动最小。由此可以根据极差的大d , l l l 页序排出因素的主次顺序： 主一次 n ；f ；f x d ；d ；d r a ；r a ；h 由以上分析可以得出，测量次数n 是对测厚结果标准差o 影响最大的因素， 它的变动将使测厚结果标准差。产生较大的变动，其次依次是探头频率f ，探头频 率f 和晶片尺寸d 的交互作用f d ，晶片尺寸d ，晶片尺寸d 和被测对象表面 粗糙度r a 的交互作用d r a ，被测对象表面粗糙度r a ，影响最小的因素是被测 对象的厚度范围h 。 4 1 3 各因素水平的选取标准 选取因素的水平与所要求的指标有关。若指标要求越大越好，则应选取使指 标大的水平，即各列ij ，i i j 中最大的那个水平。反之，若要求指标越小越好，则 应取使指标小的那个水平。显然测厚结果的标准差o 越小越好，所以在选取各因 素的水平时，应选取使标准差。小的水平。因此，探头频率f 应选取2 水平( f = 4 m h z ) ，探头晶片尺寸d 取2 水平( d = 中8 ) ，被测对象的表面粗糙度r a 取1 水 平( r a = 6 3 ) ，测量次数n 取l 水平( n = 5 ) ，由于被测对象的厚度范围h 是最 次要的因素，因此它选取的水平无关紧要。这样我们就得到了最优的试验因素水 平的组合，即最佳试验条件：f = 4 m h z ，d = 0 8 ，r a = 6 3 ，n - - - - 5 。这正好是表 4 1 中试验号为7 的一行所代表的试验条件，对应的测厚标准差。为o 0 1 6 4 ，是表 4 1 中最优的结果。 4 2 测厚绝对误差( e ) 的正交分析 以超声测厚结果的绝对误差( e ) 为考察指标，将其列入正交表的右边，如表 4 2 所示，以铸造b + 级钢人工试块的测量对象，进行超声测厚的正交试验，得到 结果如下： 1 9 j e 虚奎遥盘堂圭些殛堂焦论塞援扰倒翌趁芭型厘这墅结星筮蚯 表4 2 绝对误差( e ) 的正交试验 泰 fdf dr ahd r an绝对误差 l234567e llllll110 1 8 0 0 21ll22221 1 9 8 0 3122ll220 0 6 5 0 4l2222l 1o 0 0 2 0 5 2l212l20 2 3 8 0 62122l2l0 2 8 2 0 72211 2210 0 4 8 0 822121l20 0 6 0 0 i j 1 4 4 5 01 8 9 8 0 1 4 8 6 0 0 5 3 1 0 0 5 8 7 00 4 8 0 00 5 1 2 0 i i j 0 6 2 8 00 1 7 5 00 5 8 7 01 5 4 2 01 4 8 6 01 5 9 3 01 5 6 1 0 t = 2 0 7 3 0 r i 0 8 1 7 01 7 2 3 00 8 9 9 01 0 1 1 00 8 9 9 01 1 1 3 01 0 4 9 0 注：1 ) 绝对误差( e ) = l 测量值一真值j 2 ) 真值由游标卡尺的直接测量值充当，误差o 0 2 m m 接下来，采用4 1 中同样的方法对表4 2 中得到的试验结果进行极差分析，得 出各因素的主次关系，如下： 主呻次 d ； n ；d x r a ；r a ；h ；f d ；f 由以上分析可以得出，晶片尺寸d 是对测厚结果绝对误差e 影响最大的因素， 它的变动将使测厚结果绝对误差e 产生较大的变动，其次依次是测量次数1 1 ，晶片 尺寸d 和被测对象表面粗糙度r a 的交互作用d x r a ，被测对象表面粗糙度r a ， 被测对象的厚度范围h ，探头频率f 和晶片尺寸d 的交互作用f x d ，影响最小的 因素是探头频率f 。 接下来，用同样的方法确定各因素的选取水平，得到最优的试验因素水平的 组合，即最佳试验条件：f = 4 m h z ，d = 中8 ，r a = 6 3 ，n = 5 。同样是表4 2 中 试验号为7 的一行所代表的试验条件，对应的测厚结果绝对误差e 为0 0 4 8 0 ，是 表4 2 中次优的结果，并且测厚结果误差小于o 1 m m 。 表4 2 中的最优结果是试验号为4 的一行所代表的试验条件，它对应的测厚结 果绝对误差e 为0 0 0 2 0 ，这是因为表4 2 中第3 列和第6 列所代表的因素交互作用 2 0 j e 峦銮迪盔堂童些亟堂鱼逾塞遥丛趔垄趁岂型厘这熊结墨登堑 对结果产生的影响。 4 3 正交试验的结论 综合4 1 和4 2 中的分析结果，我们可以得出结论，探头晶片大小d 和测量 次数n 是对超声测厚结果的精度和可靠性影响最大的两个因素，其次是探头频率f 和被测对象的表面粗糙度r a ，而被测对象的厚度范围h 对结果产生的影响最小。 从4 1 和4 2 中的分析结果中，我们得到了铸造b + 级钢超声测厚的最佳条件： 探头频率f = 4 m h z ，探头晶片尺寸d = 中8 m m ，测量次数n = 5 次，至于被测对象 的表面粗糙度r a 和被测对象的厚度范围h ，由于是次要因素，实际选取试验条件 时，可以根据节约、方便等多方面的考虑取一个水平。被测对象的表面粗糙度r a 完全受实际检测对象制约，考虑到节约打磨加工的工作，可放宽条件，大多数情 况下，保持实际检测对象的原始表面粗糙度。 另外，我们还可以从以上的正交试验分析中，得出有利于测厚结果的因素水 平的选取趋势，例如以上的分析结果，探头晶片尺寸d 取较高的水平，有利于测 厚结果的精度和可靠性，我们可以做下一步的试探性试验，适当提高探头晶片尺 寸d ，一般会使测厚结果更优的。同样的道理，适当提高探头频率d ，适当减少 测量次数n ，一般情况下，也会有利于测厚结果的。 4 4 正交试验结论验证 我们选取自然试块为被测对象，对以上的结论进行验证，测量次数n 取3 时 测量曲线如图4 1 4 4 所示： 2 1 j e 塞窑道太堂童些亟堂焦监塞! 援撞倒塞塑巨型厘试墅结墨筮握 e e v 倒 鞋 址 h 之 k - - 、 - 、 、 晶片尺寸( t u r n ) 图4 1 厚度测量值在不同晶片尺寸下的测量情况曲线 、 h 、 ) 图4 2 厚度测量标注差在不同晶片尺寸下的测量情况曲线 j e 塞銮塑叁堂童些亟圭堂焦迨塞! 援丛倒苤嫠虚趔厘毯墼绪星筮蚯 泰 | i - l 。 j f 7 jz 3 牛 ： 23456789 探头频率( m h z ) 图4 3 厚度测量值在不同探头频率下的测量情况曲线 厚度测嚣标准差徒不蜀探头频率下静测量情况茁线( 厚度真值为：t 4 7 4 ) b 槲 璺 囊 ： + 一 | | |， | | 么 j i 探头频率( m h z ) 图4 4 厚度测量标注差在不同探头频率下的测量情况曲线 由以上图4 1 和图4 2 中的曲线可以看出，晶片尺寸适当增大一些，取8 以 上的值，有利于测厚结果的精度和可靠性。晶片尺寸取中8 时，自然试块的测量误 差0 1 9 r a m ，大于0 1 m m ，当晶片尺寸取垂1 2 时，自然试块的测量误差o 0 7 m m ， 小于0 1 姗。但当晶片尺寸过大时，测量结