连杆超声检测方法及降噪处理研究

连杆超声检测方法及降噪处理研究

0再制造连锁反应的关键技术可靠性是传递轴和死轴之间动力的重要部件之一。在服务过程中，它通常起作用于拉伸和压缩交变压力。例如，弯曲、断裂、孔径磨损、孔子变形等破坏形式。再制造工程是旧产品高技术修复、改造的产业化,也是循环经济4R准则中最活跃的形式和首选途径。因此,大力发展再制造工程不仅可以节约资源、保护环境、提高经济效益,还可以缓解就业压力。研究表明,旧连杆缺陷、应力是影响连杆再制造后质量的关键因素,因而,旧连杆缺陷的无损检测和评价方法也就成为影响再制造连杆质量的关键技术。超声检测是五大常规无损检测方法之一,具有使用方便、安全等优点,因而,在缺陷、应力等检测领域得到广泛关注和应用。相关研究表明,当超声波在材料中传播时,由于材料组织不均匀等原因会出现干扰信号,即“噪声”,从而影响检测精度。小波分析作为一种较新的信号分析处理方法,不仅在时频两域具有表征信号局部特征的能力,而且还为有效解决降噪和特征信号丢失之间的矛盾,以及实现信号特征检测、信号重建等提供了良好的解决方法,因而在信号降噪处理中得到广泛应用。针对旧连杆超声质量无损评价,本研究在小波降噪基础上,对其质量进行无损评价,即对旧连杆能否进行再制造做出评判。1超声检测检测设备以JB/T10659—2006中《无损检测:锻钢材料超声检测连杆的检测标准》为依据对汽车发动机旧连杆质量进行无损评价,并根据该标准选择了适于对汽车发动机旧连杆质量进行评价的检测设备。所用检测设备为爱德森(厦门)电子有限公司和装甲兵工程学院共同研制的XZU-1超声波无损检测仪。根据发动机旧连杆的受力分析及考察断裂连杆件可知,连杆大头与杆身过渡处圆弧为连杆薄弱环节,即易损伤部位。为了实现易损伤部位旧连杆缺陷的检测及评价,针对连杆材料和检测部位,制作了相应的检测标块和超声波斜探头,标块宏观形貌及探头示意图分别见图1、图2。其中缺陷以JB/T10659—2006《无损检测:锻钢材料超声检测连杆的检测标准》为依据选择直径为2.0mm的通孔,其序号从左到右分别为1～5#;探头参数主要根据待检测分析连杆形状及材料设计得到,并委托汕头超声仪器研究所公司制作,其主要参数如下:中心频率为5MHz,曲率半径为44mm,入射角为45°。2噪声传播规律和检测结果分析为实现旧连杆缺陷大小的无损评价,本试验在“当量法”基础上采用超声横波斜探头,对图1中不同位置处的人工缺陷进行了检测分析,结果见图3。图3a～图3c分别为1#、3#和5#缺陷的检测结果。对比分析可知,当检测声程较小时,可同时检测到缺陷回波和棱边回波;随着检测声程的增加,缺陷回波信号幅值逐渐减小,并且棱边回波消失。这主要是因为随着检测声程的增加,连杆材料造成超声波的衰减程度逐渐增大,因而缺陷回波信号幅值逐渐减小,这与目前研究结果是相符的。根据超声无损检测缺陷理论可知,超声回波信号的波形和回波峰值只与缺陷类型相关,与检测声程无关,即缺陷类型相同时,超声回波信号的波形相同并且峰值唯一。而根据实际连杆超声回波信号可知,其超声回波信号波形不同,并且峰值不唯一。分析认为:这主要是由于检测信号中存在大量的“噪声”,从而造成缺陷信号波形和峰值个数的不同。连杆超声回波信号中“噪声”的来源主要有以下3个方面:1)连杆材料不均匀,超声波在连杆中传播时,会在阻抗不同物质的界面处发生反射、散射等现象;2)工频噪声;3)超声波探头。由于探头与连杆耦合界面为凸圆弧面,因而,会在一定程度上引起超声波信号发散,其中以材料不均匀造成的噪声为主。“噪声”一般是有害的,它不仅会影响检测结果的精度,甚至会造成结果误判。因此,为保证检测结果的正确性及提高检测结果的精度,本试验采用小波分析的方法对连杆超声回波信号进行降噪处理。由于小波基和降噪方法不同时,小波降噪效果也不同,因而,以3#缺陷超声回波信号为研究对象,结合功率谱分析,以sym4小波为母小波,采用软阈值消噪方法对其进行降噪处理,连杆超声回波信号降噪前后结果如图4所示。对比图4中小波降噪前后回波波形可知,对3#缺陷超声回波信号进行降噪处理后,其波形比较平滑,并且干扰信号的幅值会变小。说明在软阈值降噪方法基础上,以sym4小波为母小波降噪,可在一定程度上抑制连杆超声回波信号中的“噪声”信号。为了在评判缺陷大小的基础上实现连杆能否再制造的评价,依据上述分析结果计算不同尺寸缺陷超声回波信号降噪前后的幅值和检测声程,并根据超声波在金属材料中传播时的衰减规律P=P0e-βx对其进行拟合(图5)。图5a、图5b分别为超声回波信号降噪前后检测声程与信号幅值间关系曲线及其拟合结果。对比分析可知,随着检测声程的增加,回波信号幅值逐渐变小,这与超声波的衰减规律是相符的;而根据连杆超声回波信号的原始数据和降噪后数据可知,其拟合曲线分别为y=173.1053e0.0339x和y=170.4258e0.0396x。为了对其拟合效果进行评价,计算了其相关值,分别为0.85848和0.86647。根据对拟合程度的评价理论可知,拟合效果越好,其相关数值越大,这也说明了采用小波分析对连杆超声回波信号进行降噪处理可在一定程度上减小“噪声”对计算结果的影响,从而提高检测结果精度。为了验证拟合曲线是否符合试验要求,对完好连杆中的人工缺陷(ϕ2.0mm通孔)进行检测。结果表明,当检测声程为17mm,缺陷当量尺寸为ϕ2.0mm通孔时,降噪前与降噪后超声波信号的回波信号幅值分别为102和93,而根据拟合曲线可知,其计算结果分别为97.2和86.7。根据JB/T10659—2006无损检测锻钢材料超声检测连杆的检测标准可知,当缺陷尺寸为ϕ2.0mm时,连杆报废,虽然降噪前后计算结果均表明连杆报废,但降噪前后数据差可知,降噪后数值差要大于降噪前数值差,即采用小波分析可在一定程度上提高结果分析的可靠性。3syn4小波作为先导阀的应用1)所设计的超声检测探头——横波斜探头