摘  要： 車輪作為列車關(guān)鍵受力部件，其健康狀態(tài)對(duì)列車的安全運(yùn)行極其重要。針對(duì)國(guó)內(nèi)外目前通用的檢測(cè)方法大多以傳統(tǒng)手持式人工探傷儀為主、操作與檢測(cè)過(guò)程較復(fù)雜、準(zhǔn)確度偏低并且耗費(fèi)人力的問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了一種基于超聲檢測(cè)的多輪對(duì)跟隨式列車車輪自動(dòng)探傷系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有便攜的機(jī)械結(jié)構(gòu)、簡(jiǎn)單的操作流程、直觀的圖像顯示，最大程度地解放了人力，大大提高了列車車輪探傷的效率和準(zhǔn)確性。

　　關(guān)鍵詞： 機(jī)車車輪；超聲檢測(cè)；多組輪對(duì)；跟隨式

0 引言

　　多輪對(duì)跟隨式探傷系統(tǒng)是使用超聲探傷技術(shù)自動(dòng)檢測(cè)多組輪對(duì)的輪輞的周向、徑向裂紋的跟隨式探傷系統(tǒng)。其能夠讓列車在不落輪的狀態(tài)下，同時(shí)對(duì)多個(gè)車輪進(jìn)行探傷檢測(cè)，綜合評(píng)價(jià)車輪質(zhì)量狀態(tài)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)危害性缺陷，更好地保障行車安全。其結(jié)構(gòu)小巧，可隨列車攜帶，方便安裝與拆卸；其高效準(zhǔn)確，只需將探測(cè)裝置固定于要探測(cè)的車輪上，列車向前行走一段距離，便可對(duì)多個(gè)車輪完成一次探傷。探傷過(guò)程中每個(gè)探測(cè)裝置通過(guò)無(wú)線傳輸?shù)姆绞綄⑻綔y(cè)數(shù)據(jù)傳輸給主機(jī)，由主機(jī)軟件中的判傷系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行集中處理，形成精確的探傷報(bào)告；其操作簡(jiǎn)單，軟件采用一鍵設(shè)置、自動(dòng)探傷的設(shè)計(jì)，沒(méi)有復(fù)雜的參數(shù)配置環(huán)節(jié)，并且有歷史數(shù)據(jù)回看功能，便于操作工人使用與維護(hù)。

　　與傳統(tǒng)的人工手持式探傷方式[1]相比，該系統(tǒng)的創(chuàng)新之處在于：（1）最大程度地釋放了工作量，整個(gè)探傷過(guò)程只需一個(gè)操作工就可完成，并且最大程度地節(jié)約了探傷所耗費(fèi)的時(shí)間；（2）上手簡(jiǎn)單，功能豐富。操作人員無(wú)需復(fù)雜的培訓(xùn)環(huán)節(jié)，只需記住操作流程，即可完成探傷操作，并且在該系統(tǒng)上有操作權(quán)限設(shè)置、歷史查詢和歷史數(shù)據(jù)回放功能；（3）探傷結(jié)果精確直觀。手持式探傷儀大多顯示的是A掃圖形，該系統(tǒng)采用A掃、B掃和三維圖同時(shí)顯示，更加直觀并且避免了工作人員因?yàn)槭韬龆礄z測(cè)某些部位情況的出現(xiàn)。

1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

　　系統(tǒng)主要以顯示處理平臺(tái)和采集裝置為核心，如圖1所示，其中采集裝置主要由UT單元和控制板單元組成，另外還有探頭支架和耦合劑噴射裝置，這些都將由系統(tǒng)攜帶的鋰電池負(fù)責(zé)為其提供電源。顯示處理平臺(tái)主要是用來(lái)顯示結(jié)果、參數(shù)設(shè)置、處理數(shù)據(jù)和自動(dòng)判傷，它通過(guò)無(wú)線網(wǎng)的方式與UT單元和控制板通信，分別用于接收超聲探傷數(shù)據(jù)、對(duì)UT單元進(jìn)行參數(shù)配置和發(fā)送控制指令及接受狀態(tài)信息等。檢測(cè)過(guò)程中顯示處理平臺(tái)上實(shí)時(shí)顯示所檢測(cè)輪子的A掃和B掃圖形，檢測(cè)完成后顯示處理平臺(tái)將保存原始探傷數(shù)據(jù)、生成檢測(cè)報(bào)告，并在數(shù)據(jù)庫(kù)中備份檢測(cè)信息。

2 系統(tǒng)硬件架構(gòu)

　　2.1 系統(tǒng)硬件組成部分

　　系統(tǒng)硬件部分主要由接口控制器和UT控制器組成，如圖2所示，其中接口控制器主要負(fù)責(zé)控制水泵的運(yùn)行，以及監(jiān)測(cè)位置傳感器的狀態(tài)。水泵主要是用來(lái)在探傷的過(guò)程中噴出耦合劑以利于探頭與車輪的貼合來(lái)提高探傷準(zhǔn)確性[2]，位置傳感器用來(lái)確定探頭支架是否緊貼車輪的輪廓避免裝置脫落或跑偏對(duì)探傷帶來(lái)影響。UT控制器主要用來(lái)高速采集探傷數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮處理，編碼器則用來(lái)記錄探頭在車輪上移動(dòng)的位置信息以便確定傷痕在車輪上的位置。采集裝置配備了無(wú)線通信功能，它可以通過(guò)WiFi連接到無(wú)線AP網(wǎng)絡(luò)中，與特定IP地址的上位機(jī)取得連接并進(jìn)行相互通信。

　　2.2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)主要是支架部分的設(shè)計(jì)，它主要分為磁力底座、轉(zhuǎn)動(dòng)臂、探頭陣列等。在目前實(shí)驗(yàn)測(cè)試階段，由于車輪是獨(dú)立的，需要加裝固定裝置將支架部分固定，固定裝置將支架固定在鋼軌上，其效果圖如圖3所示。

　　實(shí)驗(yàn)測(cè)試中使用的固定裝置安裝在鐵軌上，用于固定支架。以后的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中不包括此結(jié)構(gòu)，支架可以通過(guò)磁力底座直接固定在列車的底座上。

　　磁力底座通過(guò)磁力開關(guān)在磁力的作用下固定在列車底座（固定裝置）上，用于固定轉(zhuǎn)動(dòng)臂。磁力底座主要由兩個(gè)磁力開關(guān)組成，其中一個(gè)磁力開關(guān)位置固定，另一個(gè)可以活動(dòng)，以便于尋找合適的位置進(jìn)行固定。當(dāng)磁力開關(guān)處于打開狀態(tài)時(shí)，具有一定的磁力可以吸附在金屬表面固定支架，當(dāng)磁力開關(guān)關(guān)閉后，磁力消失可以用于調(diào)整固定的位置。

　　轉(zhuǎn)動(dòng)臂具有兩個(gè)自由度，可以方便地進(jìn)行伸長(zhǎng)和轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)作。其關(guān)節(jié)處采用旋鈕可以方便拆卸和夾緊，關(guān)節(jié)處的貼合面采用波浪紋以防止夾緊后的滑動(dòng)。

　　探頭陣列主要用于固定超聲波探頭和噴水出口，將探頭貼合到車輪的表面。探頭陣列里主要有5個(gè)直探頭和3個(gè)斜探頭[3]，探頭的分步情況為：直探頭位于陣列中間兩行，斜探頭分布于兩側(cè)[4]。探頭陣列上還裝有3個(gè)接近開關(guān)、1個(gè)編碼器和4個(gè)轉(zhuǎn)輪，其中接近開關(guān)用于確認(rèn)探頭陣列放置到位；編碼器用于確定車輪走過(guò)的距離；轉(zhuǎn)輪用于車輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)跟隨車輪轉(zhuǎn)動(dòng)使探頭陣列相對(duì)固定而不發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)或偏移。探頭陣列效果圖如圖4所示。

3 系統(tǒng)軟件架構(gòu)

　　3.1 系統(tǒng)軟件功能分析

　　軟件系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)自檢、用戶信息管理、數(shù)據(jù)接收、數(shù)據(jù)分析、顯示結(jié)果、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、自動(dòng)判傷、輸出檢測(cè)報(bào)告等功能。軟件功能分析如圖5所示。

　　3.2 開發(fā)環(huán)境及運(yùn)行環(huán)境

　　本系統(tǒng)擬采用NI公司的LabVIEW軟件作為編程開發(fā)環(huán)境，主要完成數(shù)據(jù)處理、圖形顯示和數(shù)據(jù)管理功能。LabVIEW軟件平臺(tái)能夠很好地支持?jǐn)?shù)字圖表（A掃圖）、二維圖形（B掃圖）的顯示，支持三維圖形的處理和顯示，同時(shí)LabVIEW也能很好地支持Microsoft Access和SQL數(shù)據(jù)庫(kù)類型。

　　系統(tǒng)的運(yùn)行環(huán)境為基于X86的Windows操作系統(tǒng)的控制主機(jī)，CPU要求雙核以上，顯卡要求為獨(dú)立顯卡以上。

　　3.3 軟件方案

　　軟件編程方面大致分為以下幾點(diǎn)：

　?。?）根據(jù)列車車輪健康自動(dòng)診斷系統(tǒng)的硬件平臺(tái)選擇移植合適的嵌入式操作系統(tǒng)[5]，搭建自動(dòng)診斷系統(tǒng)的軟件平臺(tái)；

　?。?）了解采集單元的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，編寫軟件實(shí)現(xiàn)軟硬件單元的通信；

　?。?）選擇合適的算法，經(jīng)過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)后，將算法應(yīng)用到軟件中，完善超聲檢測(cè)過(guò)程中缺陷的定性定量分析[6]，在軟件中實(shí)現(xiàn)車輪的A掃和B掃顯示；

　?。?）編寫二維坐標(biāo)到三維坐標(biāo)的轉(zhuǎn)化算法，在軟件中實(shí)現(xiàn)缺陷的三維成像；

　?。?）實(shí)現(xiàn)軟件對(duì)單個(gè)車輪的探傷后，再實(shí)現(xiàn)對(duì)一節(jié)車廂多個(gè)車輪的同時(shí)探傷，并能準(zhǔn)確顯示出探傷結(jié)果；

　?。?）根據(jù)高速列車車輪超聲檢測(cè)的適量數(shù)據(jù)，構(gòu)建可以用于自動(dòng)診斷的數(shù)據(jù)庫(kù)，對(duì)經(jīng)過(guò)缺陷定性定量處理的數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)分析[7]，作出綜合評(píng)價(jià)，最終對(duì)高速列車車輪的健康提供自動(dòng)診斷的診斷報(bào)告；

　?。?）將高速列車車輪超聲檢測(cè)自動(dòng)診斷的結(jié)果應(yīng)用到列車車輪綜合趨勢(shì)分析[8]，完善高速列車車輪健康自動(dòng)診斷系統(tǒng)的功能。

　　設(shè)計(jì)方案的軟件工作流程如圖6所示，主要分為準(zhǔn)備工作和探傷檢測(cè)兩個(gè)環(huán)節(jié)。

　　在軟件設(shè)計(jì)中還有如下幾個(gè)重要環(huán)節(jié)：

　?。?）在三維缺陷圖的顯示方面，初步設(shè)想按照如下思路進(jìn)行：

　　顯示與操作界面模塊接收到UT單元通過(guò)TCP協(xié)議傳輸?shù)牟蓸訑?shù)據(jù)后，首先對(duì)數(shù)據(jù)包解析，將數(shù)據(jù)體和數(shù)據(jù)頭幀分開并分別校驗(yàn)，校驗(yàn)通過(guò)后將解析的A掃的數(shù)據(jù)暫存到系統(tǒng)的緩存中，否則再次等待UT上傳采樣數(shù)據(jù)。待A掃數(shù)據(jù)暫存后，根據(jù)設(shè)定的閾值在繪制好輪廓的三維輪餅圖的相應(yīng)位置上標(biāo)注出不同明暗程度或顏色的缺陷，輪餅圖顯示的流程圖如圖7所示。三維輪餅圖可以通過(guò)LabVIEW繪圖函數(shù)直接繪制，也可以通過(guò)將在AutoCAD或3DMAX中繪制后的三維圖形添加到LabVIEW中，然后在此三維輪餅圖的基礎(chǔ)上繪制探傷后的車輪。

　?。?）在多組輪對(duì)同時(shí)探傷UT與上位機(jī)的通信上，初步設(shè)想按照如下思路進(jìn)行：

　　首先了解UT采集單元的TCP協(xié)議，通過(guò)該協(xié)議對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解析實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與一臺(tái)采集單元的通信，然后根據(jù)各個(gè)UT采集單元的不同的IP地址，實(shí)現(xiàn)與連接在交換機(jī)上的多個(gè)UT采集單元的通信。這相當(dāng)于不同IP地址的UT采集單元訪問(wèn)上位機(jī)的服務(wù)器，這樣就實(shí)現(xiàn)了同時(shí)對(duì)多個(gè)輪對(duì)進(jìn)行采集的目的。

　?。?）對(duì)輪對(duì)探傷數(shù)據(jù)壓縮算法的研究，初步設(shè)想按照如下思路進(jìn)行：

　　首先研究多小波變換的基本理論和相關(guān)特性，對(duì)基于不同預(yù)處理方法的常用多小波分解重構(gòu)并進(jìn)行仿真對(duì)比[9]，選定輪對(duì)探傷數(shù)據(jù)壓縮算法中需要用到的預(yù)處理方法和多小波類型。

　　其次通過(guò)比對(duì)分析，選定準(zhǔn)備配合多小波變換進(jìn)行算法設(shè)計(jì)的無(wú)損壓縮算法，研究其基本理論。

　　然后依據(jù)選定的預(yù)處理方法、多小波類型以及無(wú)損壓縮算法，設(shè)計(jì)一種多小波變換和無(wú)損壓縮相結(jié)合的輪對(duì)探傷數(shù)據(jù)壓縮算法，進(jìn)行仿真對(duì)比實(shí)驗(yàn)。

　　最后依據(jù)所設(shè)計(jì)的壓縮算法編寫代碼，將其應(yīng)用到系統(tǒng)硬件平臺(tái)中，根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)試，達(dá)到理想的壓縮效果。

4 結(jié)論

　　本文從硬件組成、硬件架構(gòu)和軟件設(shè)計(jì)方面介紹了一種多輪對(duì)跟隨式探傷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，該系統(tǒng)相比較于目前的列車車輪檢測(cè)裝置將大大提高其檢測(cè)的效率和精確性，對(duì)列車的安全運(yùn)行提供重要保障。同時(shí)希望該系統(tǒng)可以成為列車的一部分，這樣就不再需要操作人員，列車在行進(jìn)過(guò)程中就可以進(jìn)行自動(dòng)實(shí)時(shí)檢測(cè)。該系統(tǒng)可以運(yùn)用到各個(gè)領(lǐng)域輪子的探傷中，比如飛機(jī)、汽車等。

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