火車輪裂紋自動在線無損檢測系統(tǒng)研究

王川 鄧旭輝

摘 要：火車輪作為火車的關(guān)鍵部位，鐵道運(yùn)輸部門一直都非常重視火車輪裂紋檢測及故障定位研究。自動在線無損檢測系統(tǒng)是發(fā)現(xiàn)火車輪是否存在裂紋的有效手段，它可有效避免鐵路行車事故。該文首先介紹自動在線無損檢測系統(tǒng)的設(shè)計原理和方法，其次再介紹裂紋聲波信號的特點(diǎn)，并根據(jù)裂紋聲波的特點(diǎn)分析裂紋聲波信號、介紹聲波信號的識別方法，以準(zhǔn)確判別火車輪裂紋聲波，最后從自動在線無損檢測系統(tǒng)的聲發(fā)射原理簡要介紹聲發(fā)射信號的接收。

關(guān)鍵詞：火車裂紋 自動在線無損檢測系統(tǒng) 裂紋信號 聲發(fā)射

中圖分類號：TP274 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）01（a）-0058-01

自動在線無損檢測火車車輪的裂紋一直是我國鐵道運(yùn)輸中的重要問題?；疖囓囕喿鳛榛疖囆凶叩慕Y(jié)構(gòu)，它通常處于惡劣的工作環(huán)境中。在工作狀態(tài)下，車輪在撞擊和摩擦等復(fù)雜的受力環(huán)境下容易出現(xiàn)磨損、裂紋等損壞問題。而且我國火車的車輪多為碾鋼車輪，由于制作工藝的不完善，車輪本身就存在一定的制造缺陷[1]。在復(fù)雜的工作環(huán)境下，自身的制造缺陷會不斷發(fā)展和擴(kuò)大，最終導(dǎo)致車輪開裂，引起安全事故。因此，有必要研發(fā)出一套較為準(zhǔn)確的檢測火車輪裂紋的系統(tǒng)，降低安全事故幾率。基于此，該研究者簡要研究火車輪裂紋自動在線無損檢測系統(tǒng)。

1 自動在線無損檢測系統(tǒng)概述

1.1 自動在線無損檢測系統(tǒng)設(shè)計的原理

自動在線無損檢測的主要原理為聲發(fā)射（Acoustic Emissions，AE），聲發(fā)射是多數(shù)金屬在塑性變形或者斷裂時常見的物理現(xiàn)象[2]。即材料在內(nèi)力、外力或者內(nèi)外力同時作用下出現(xiàn)斷裂或變形，存儲在材料內(nèi)部的應(yīng)力應(yīng)變能會以彈性波的形式向外釋放。材料釋放的彈性波具有很強(qiáng)的能力，且彈性波的存在范圍很廣。借助相應(yīng)的高保真寬帶傳感器，就可以捕捉真實的聲發(fā)射信號。

1.2 自動在線無損檢測系統(tǒng)設(shè)計的方法

由于彈性波中的高頻成分在傳播過程中容易大量衰減，因而信號測量點(diǎn)的位置不能過大，否則收集的信號容易失真，造成高頻成分衰減過多。此外，聲波信號雖然是高頻信號，但是頻率響度較低，聲波信號在空氣中傳播容易衰減而無法接受[3]。因此，聲發(fā)射傳感器需要補(bǔ)償信號在空氣傳播過程中的衰減量，才能保證聲波信號被正常傳遞至微處理器。檢測系統(tǒng)必須使用高速采樣器采集信號，并使用模擬電路對信號進(jìn)行預(yù)處理。

2 聲波信號的判別

2.1 裂紋聲波信號的特點(diǎn)

聲發(fā)射現(xiàn)場并非只發(fā)射裂紋聲波信號，也發(fā)射其它很多噪聲。因此，自動在線無損檢測系統(tǒng)的另一核心技術(shù)設(shè)計為聲波的判別?；疖囕喠鸭y聲波信號以導(dǎo)波的形式傳播，這類損傷波可分為兩大類。一是材料的內(nèi)部出現(xiàn)裂紋，斷裂與材料表面處于平行狀態(tài)。這類裂紋的波形特征為高頻帶的伸縮波，幅度不飽和。二是發(fā)生于垂直材料平面的裂紋，或者偏離材料中心平面較大的裂紋。這類裂紋產(chǎn)生的應(yīng)力波屬于彎曲波模式，其幅度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于伸縮波[4]。

2.2 裂紋聲波信號的識別

噪聲信號與裂紋的聲發(fā)射信號在波形、頻率和幅度上有區(qū)別，而且裂紋信號在不同的時間達(dá)到傳感器。因此，采用聲發(fā)射技術(shù)可以有效地識別噪聲和裂紋信號。由于噪聲信號具有很強(qiáng)的隨機(jī)性，需要根據(jù)損傷與噪聲信號的波形特征，在采集前就應(yīng)剔除噪聲信號，并在處理損傷信號數(shù)據(jù)前，以分析軟件實施進(jìn)一步的去噪預(yù)處理。由于裂紋的伸縮波較大，它與噪聲信號有很大的區(qū)別，通過模態(tài)聲發(fā)射就可以明顯區(qū)分裂紋信號和噪聲信號。因而裂紋產(chǎn)生聲發(fā)射信號與噪聲信號有顯著的差異。模態(tài)聲發(fā)射分析的主要特征為模式波形和相應(yīng)的頻率成分，而這些特征可以作為區(qū)分裂紋信號和噪聲信號的主要依據(jù)。

此外，高保真寬帶傳感器的使用可以較為真實的收集被檢測火車輪裂紋的聲發(fā)射伸縮波，但是在進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換前，聲發(fā)射信號需要先經(jīng)過相關(guān)硬件進(jìn)行去噪處理，常用的方法為硬件濾波或者自適應(yīng)噪聲去噪[5]。硬件去噪后還需要進(jìn)行軟件去噪，即通過帶通濾波去噪，達(dá)到提取真實裂紋信號的目的。

3 聲發(fā)射信號的接收

自動在線無損檢測系統(tǒng)的設(shè)計原理為聲發(fā)射原理，而聲發(fā)射參數(shù)技術(shù)中的聲發(fā)射時間的主要參數(shù)包含撞擊、上升、持續(xù)時間以及振鈴計數(shù)、峰值幅度等等。寬帶聲發(fā)射傳感器捕捉火車輪材料的聲發(fā)射信號，并對信號進(jìn)行去噪和濾波預(yù)處理，得到單純的聲發(fā)射信號。根據(jù)參數(shù)聲發(fā)射的理論，采用統(tǒng)計的方法可從信號波形中提取振鈴計數(shù)、上升時間等信號特征參數(shù)。再使用小波包分解聲發(fā)射信號，可得到奇異點(diǎn)、模極大值點(diǎn)、間斷點(diǎn)等反映裂紋特征的時頻參數(shù)，所獲得的參數(shù)可作為判別裂紋特征的向量。被檢測的裂紋信號經(jīng)過處理后均表現(xiàn)為行向量，并經(jīng)DSP接口輸入總線，處于實施監(jiān)控狀態(tài)的上位機(jī)再經(jīng)串行口接收數(shù)據(jù)[6]。

4 結(jié)語

雖然在火車輪裂紋自動在線無損檢測領(lǐng)域取得了較大的進(jìn)步，我國技術(shù)仍存在許多不足。在人們對車速要求不斷提高的情況下，人們對自動在線無損檢測系統(tǒng)設(shè)計的要求也會更高。自動在線無損檢測必然朝著便捷、高性能、高效率的方向發(fā)展，既滿足人們對火車安全和可靠運(yùn)行的要求，又滿足國家經(jīng)濟(jì)效益和社會效益的追求。

參考文獻(xiàn)

[1] 田雙蜀.基于聲學(xué)特性的裂紋缺陷檢測方法研究[D].東北大學(xué)，2009.

[2] 王炳炎，侯力，孫明明，等.火車輪裂紋聲發(fā)射源定位技術(shù)研究[J].機(jī)械，2007（2）.

[3] 張博南.鐵道機(jī)車車輛車輪在線超聲波自動檢測系統(tǒng)的研究[D].北京交通大學(xué)，2013.

[4] 冷亞波.金屬材料疲勞損傷的聲發(fā)射特性研究[D].南昌大學(xué)，2013.

[5] 馬官兵，張俊，李明，等.無損檢測可靠性的研究進(jìn)展[J].中國電力，2012（6）.

[6] A.Г.Bepxoгляд謝小海.鐵路機(jī)車車輛車輪裂紋的紅外線診斷[J].國外機(jī)車車輛工藝，2010（6）：33-34+40.