基于電磁超聲的列車輪對踏面在線探傷裝置

李鵬展，王亞坤，汪開燦，康 磊，王淑娟

（哈爾濱工業(yè)大學(xué) 軍用電器研究所，哈爾濱 150001）

列車輪對作為承載列車運行的重要部件，在列車運行時，受撞擊、循環(huán)應(yīng)力、摩擦、高低溫等影響，易產(chǎn)生裂紋、剝離、擦傷等傷損現(xiàn)象。在這些傷損中，裂紋缺陷危害最為嚴重，一旦裂紋深度超過6mm，列車輪對則面臨迅速崩裂的危險［1］。1998年6月，一向以安全可靠著稱的德國高速列車ICE發(fā)生了轟動世界的列車傾覆事故，造成大量人員傷亡和財產(chǎn)損失。同年8月，我國江岸544－8081次貨車發(fā)生脫軌事件。經(jīng)分析，這兩起事故都是由于輪對踏面的疲勞裂紋導(dǎo)致的［2］。因此，需要對在役輪對進行定期檢修。

最初，通過用錘子敲擊車輪聽其聲音有無異常的方法來判斷車輪內(nèi)部有無缺陷，這種方法操作簡單，但漏檢、誤檢率高。為了減少因漏檢而導(dǎo)致的列車事故損失，研究出了將輪對拆卸后進行探傷的方法，包括渦流探傷法、壓電超聲探傷法等，這些方法能夠準確地檢測出輪對踏面?zhèn)麚p，但其需要對輪對進行拆裝，檢測效率低。近年來逐漸興起的列車輪對在線探傷方法，可以對行進中的列車輪對進行探傷，操作簡單，探傷效率高。因此，在線探傷方法必將是未來輪對探傷的發(fā)展趨勢。

列車在線運行速度快，即使在進出站過程中，平均速度也要達5km·h－1。因此，要實現(xiàn)列車輪對的在線探傷，探傷方法需具有快速的特點。表面波沿試件表面?zhèn)鞑?，對試件表面聲阻抗變化敏感，適合于表面及近表面的缺陷檢測；表面波傳播速度可達3000m·s－1，適合于快速檢測［3］。電磁超聲換能器（EMAT）可以方便地激發(fā)電磁超聲表面波［4］，但單個換能器探傷存在盲區(qū)，因此，需要多個換能器才能實現(xiàn)無盲區(qū)探傷。

早在20世紀70年代初，國際上就開始了利用超聲法進行車輪在線探傷的實驗室研究。1995年，美國的A.V.Clark等人在實驗室中對拆卸的輪對進行了探傷［5］。2000 年，美國的Tittmann等人研究了提離效應(yīng)對該系統(tǒng)接收信號的影響，從而為該技術(shù)在列車輪對探傷領(lǐng)域的應(yīng)用提供了理論基礎(chǔ)［6］。德國弗朗霍菲無損檢測研究所與德國鐵路公司聯(lián)合研制出了可以對輪對進行在線探傷的AUROPA 系統(tǒng)，該系統(tǒng)已經(jīng)成功應(yīng)用于包括中國、俄羅斯、德國在內(nèi)的十多個國家［7］。

西南交通大學(xué)光電研究所與德國弗朗霍菲無損檢測研究所合作，引進了AUROPA III系統(tǒng)，應(yīng)用在鄭州、青島等車輛段［8］。哈爾濱工業(yè)大學(xué)的趙再新、康磊、米武軍等，設(shè)計基于電磁超聲的列車輪對踏面探傷系統(tǒng)，但是僅停留在試驗階段，并沒有相關(guān)產(chǎn)品問世［9－10］。

筆者以輪對踏面?zhèn)麚p的在線檢測為目的，設(shè)計了輪對踏面的在線探傷系統(tǒng)，并為提高傷損檢測效果對電磁超聲換能器的參數(shù)進行了優(yōu)化。

1 在線探傷系統(tǒng)總體設(shè)計方案

系統(tǒng)利用六通道電磁超聲檢測裝置對在線列車輪對踏面進行無盲區(qū)探傷，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

裝有電磁超聲探頭的機械裝置安裝在鋼軌軌頭的弧狀切口處，使得電磁超聲探頭與輪對踏面有盡可能大的正對面積。同一側(cè)鋼軌上的探頭相隔一定距離放置，實現(xiàn)盲區(qū)互補；不同側(cè)鋼軌上的探頭交錯放置，以保證鋼軌的機械強度。在探頭之前，放置有速度測量模塊，以保證輪對與探頭接觸時，系統(tǒng)發(fā)射表面波對輪對踏面進行探傷。在整個系統(tǒng)之前，另外放置一個速度測量模塊，控制整個系統(tǒng)上電，使得裝置在沒有列車經(jīng)過時不工作。

單個電磁超聲換能器的工作原理示意圖如圖2所示。系統(tǒng)利用反射法對輪對踏面的傷損進行檢測。由于超聲波傳播速度遠大于列車的運行速度，因此它可在車輪表面?zhèn)鞑?shù)周。通過對接收信號的分析處理，即可得到輪對表面的傷損信息。

基于電磁超聲的列車輪對踏面探傷系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。該系統(tǒng)主要由四部分組成，包括：發(fā)射接收電路、電磁超聲換能器、FPGA 及其外圍電路和上位機數(shù)據(jù)處理部分。

發(fā)射接收電路及電磁超聲換能器完成電磁超聲表面波的發(fā)射和接收功能；FPGA 及其外圍電路完成對發(fā)射和接收電路的控制功能及數(shù)據(jù)的采集和傳輸功能；上位機數(shù)據(jù)處理部分完成數(shù)據(jù)和結(jié)果顯示功能。

圖1 輪對踏面在線探傷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

圖2 單個換能器的工作原理示意圖

圖3 電磁超聲在線探傷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 裝置硬件設(shè)計

基于電磁超聲的列車輪對踏面在線探傷裝置的硬件電路包括電磁超聲換能器（EMAT）、電磁超聲發(fā)射接收電路、現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）及其外圍電路以及速度測量模塊等。

2.1 電磁超聲換能器設(shè)計

EMAT 由磁鐵、線圈及被測試件三部分組成。被測試件為列車輪對，因此，電磁超聲換能器的設(shè)計包括磁鐵設(shè)計和線圈設(shè)計兩部分。

磁鐵在EMAT 系統(tǒng)中的作用非常重要。試驗表明，磁場強度越大，接收信號越強［11］。因此，選用剩磁可達1.42T 的N52型銣鐵硼永磁體。

目前用于激發(fā)電磁超聲波的線圈主要有骨架線圈和PCB線圈兩種。為了提高EMAT 換能效率，系統(tǒng)選用一發(fā)一收模式的骨架線圈。

2.2 電磁超聲發(fā)射接收電路設(shè)計

EMAT 換能效率低，為了提高接收信號的強度，發(fā)射電路必須具有大的發(fā)射功率。發(fā)射電路采用D 類功率放大結(jié)構(gòu)，增大電流的輸出能力；線圈之前加入匹配電路，以增大線圈上的輸出功率。

EMAT 對周圍環(huán)境噪聲敏感，信號常常淹沒在噪聲之中，噪聲包括電子器件的熱噪聲、有源器件的散粒噪聲、電網(wǎng)的工頻噪聲以及外界環(huán)境中的高頻電磁干擾等［12］。系統(tǒng)的接收電路采用多級高通濾波放大電路及選頻電路，將接收信號從含噪聲的信號中提取出來。

2.3 FPGA及其外圍電路

FPGA 及其外圍電路完成對發(fā)射電路的控制、接收數(shù)據(jù)實時采集及數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ?，其結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。數(shù)據(jù)采集電路采用AD 公司的高速數(shù)模轉(zhuǎn)換器AD9224，其12位采樣精度及40MSPS的采樣率可以滿足檢測的要求。數(shù)據(jù)傳輸電路利用USB將FPGA采集的數(shù)據(jù)傳輸給上位機，以滿足實時處理的要求。USB控制器采用CY7C68013A－56。

圖4 FPGA 及其外圍電路結(jié)構(gòu)框圖

2.4 速度測量模塊設(shè)計

速度測量模塊利用兩個相隔距離固定的對射式光電傳感器對列車速度進行測量。當列車經(jīng)過時，光電傳感器給FPGA 觸發(fā)信號，通過兩個光電傳感器觸發(fā)信號的時間信息，可以計算出列車運行的速度和加速度。速度測量模塊與電磁超聲探頭距離固定，通過計算得到的速度和加速度信息，即可確定表面波的發(fā)射時間。

2.5 電磁超聲換能器優(yōu)化

EMAT 優(yōu)化方法主要有建模法和實驗法。目前，普遍使用的是以洛倫茲力和聲場分布為優(yōu)化目標的建模仿真方法。筆者設(shè)計將以檢測實際缺陷的回波效果為優(yōu)化目標的實驗法對EMAT 進行優(yōu)化，它將更加符合實際工程需要。

為了便于分析，筆者以鋼板上缺陷回波信號的幅值為實驗指標觀察值，通過正交試驗方法確定EMAT 線圈的最優(yōu)參數(shù)，并獲得各參數(shù)對優(yōu)化目標的影響規(guī)律。

以缺陷回波的幅值為研究對象，考慮匝數(shù)n，每匝導(dǎo)體繞線數(shù)m，導(dǎo)線長度l三個影響因素，利用正交表L9（34）進行正交試驗設(shè)計。根據(jù)待檢測的輪對踏面尺寸、線圈制作工藝等確定各因素的取值范圍。n：6～10、m：8～16、l：25～45mm。3個因素各取3個水平，其正交表如表1所示。按照表1中的9組參數(shù)制作線圈進行試驗，可以得到表1中的接收信號幅值yi。為了確定最佳的EMAT 線圈參數(shù)，對正交試驗結(jié)果進行極差分析，計算因子各水平試驗指標觀察值的平均值Nkj及各因子極差Rj。根據(jù)極差分析的結(jié)果即可得到各因素對試驗指標的影響規(guī)律。

表1 EMAT線圈正交試驗表

從正交試驗的分析結(jié)果可以看出，匝數(shù)n和每匝導(dǎo)體數(shù)m對接收信號的影響顯著，為主要因子。在一定范圍內(nèi)，增加線圈的匝數(shù)和減小每匝導(dǎo)體數(shù)可明顯提高接收信號的強度；導(dǎo)線長度對接收信號的影響相對較小，為次要因子，可根據(jù)實際需要進行選擇，考慮到增加導(dǎo)線長度可以有效地減小檢測盲區(qū)。因此，取線圈匝數(shù)n為10，每匝導(dǎo)體數(shù)m為8，導(dǎo)線長度l為45mm。

對優(yōu)化后的線圈進行試驗，與優(yōu)化前的線圈試驗結(jié)果進行對比，結(jié)果如圖5所示?？梢钥闯觯邮招盘柗导s為原來的1.25倍。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

探傷裝置的軟件設(shè)計包括FPGA 發(fā)射及數(shù)據(jù)采集控制、數(shù)據(jù)傳輸和上位機數(shù)據(jù)處理及結(jié)果顯示等幾部分。上位機界面采用LabWindows CVI軟件編寫，其界面如圖6所示。主要功能包括：對接收信號的數(shù)據(jù)存儲并進行互相關(guān)同步檢波處理；可以利用上位機界面觀察接收的原始波形以及處理后的波形。

4 試驗驗證

為了驗證輪對踏面探傷裝置探傷的有效性，對直徑為840mm 的客車輪對踏面上長約10mm，深約2mm 的裂紋進行動態(tài)探傷實驗。

測量發(fā)射線圈上的電壓和電流信號，可得發(fā)射電壓峰峰值達5.6kV，發(fā)射電流峰峰值達60 A。由測得的數(shù)據(jù)可以計算出，發(fā)射功率可達5kW。線圈上的發(fā)射電壓波形如圖7所示。

利用上位機對接收信號進行顯示并進行互相關(guān)同步檢波處理，以滿足實際工作環(huán)境的需求。經(jīng)過上位機互相關(guān)同步檢波處理后，同一側(cè)三個探頭探傷結(jié)果如圖8所示。

由于鋼軌踏面的裂紋傷損剛好在第一個探頭附近，所以第一個探頭的探傷結(jié)果中只有透射波，沒有傷損回波（如圖8（a）所示）。而第二個和第三個探頭的探傷結(jié)果中既有透射波，也有傷損回波，如圖8（b），8（c）所示。

試驗結(jié)果表明，利用設(shè)計的探傷裝置可以對輪對踏面的裂紋傷損進行有效檢測，但由于發(fā)射信號主沖擊以及近場盲區(qū)的存在，每個探頭都存在一定的檢測盲區(qū)。而相隔一定距離的探頭可以實現(xiàn)可檢區(qū)域的互補。因此，多個探頭相互配合可以實現(xiàn)輪對踏面的全面檢測，消除盲區(qū)。

另外，輪對進行了不同速度下的動態(tài)試驗。由于受試驗條件限制，在小于10km·h－1的速度下，裝置能夠?qū)麚p進行有效檢測。

5 結(jié)論

筆者研制了基于電磁超聲的列車輪對踏面在線探傷裝置，通過六通道的探頭布置實現(xiàn)了輪對踏面的全面探傷；采用正交試驗方法，優(yōu)化了電磁超聲換能器，信號幅值提高了約1.25倍。試驗表明，探傷裝置能夠?qū)唽μっ嫔祥L10mm，深約2mm 的裂紋缺陷進行有效在線探傷。該裝置的研制對于提高列車行車安全具有重要意義，應(yīng)用前景廣闊。

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