實心車軸超聲自動探傷系統的設計與實現

鄒 誠，孫振國，杜學剛

（1.清華大學 機械工程系，北京 100084；2.博力加機電技術發展中心，北京 100085）

隨著我國既有鐵路線路的快速發展、普通客運列車的大面積提速、貨運機車載重的不斷增加，對車輛走行部件的質量也提出了更高的要求。車軸是車輛穩定運行的重要部件，在運行過程中，車軸承受頻繁交替載荷的作用，是一種典型的易疲勞件，一旦車軸中出現了損傷，并在交變應力的作用下發生疲勞擴展，嚴重的情況下，會導致脫軌事故，極易造成巨大的生命財產損失。因此，需要采用先進的探傷技術，對車軸進行定期檢查[1]。我國提出的標準[2]規定，需對車軸進行徑向超聲探傷，而我國機車車軸以往大部分采用手工探傷，不僅檢測效率低、勞動強度高，而且探傷可靠性和準確性難以保證，易造成漏探和誤探。文獻[3-4]中分別研制的超聲波自動探傷系統在一定程度上滿足了超聲自動探傷作業的需要。但是，隨著生產效率不斷提升以及生產中不斷提出新的需求，本文對機械結構、系統結構以及軟件結構進行了優化設計研究，以便更好地滿足超聲自動探傷作業對高效、可靠、易用的車軸自動探傷系統的需求。

綜合我國鐵道行業的相關標準，并結合軌道交通車輛生產企業對超聲自動探傷系統的實際功能需求，本文采用優化設計的機械結構，以工控機和PLC相結合作為控制單元，實現了探頭全軸掃查動作自動控制、超聲發射接收、回波信號的缺陷診斷和后續處理、回波信號的實時顯示、DAC曲線簡易制作、探傷結果打印報表等功能。

1 探傷機械結構設計

如圖1所示，普通車輛的車軸一般采用實心、分段式的結構，由多個軸段組成，各個軸段由于功能和制造的需要，其軸徑大小也不相同，不同直徑的軸段之間一般采用圓弧過渡。

圖1 車軸自動探傷方案示意圖Fig.1 Automatic ultrasonic detection scheme

探傷過程中，探頭從靠近主軸電機的一端開始，分別在各個軸段的表面上進行掃查探傷，超聲波沿車軸的徑向方向發射。圖1中所示的溜板A和溜板B各包含有2個超聲波探頭，每個超聲波探頭被單獨固定在1個探頭支架上，同一個溜板上的2個超聲波探頭采用不同曲率的弧面，分別用于不同直徑軸段的探傷。2個溜板電機均采用步進電機和絲杠帶動溜板沿車軸的軸向運動。為了提高工作效率，兩個步進電機分別帶動各自的溜板運動，其中溜板A從車軸的一端開始運動，溜板B從車軸的中間位置開始運動，兩個溜板之間的運動均相互獨立。車軸在探傷過程中始終保持一個穩定的速度勻速轉動，這樣，超聲波探頭與車軸之間的兩個相對運動——車軸繞軸中心線的勻速旋轉和探頭在溜板的帶動下相對車軸沿軸向移動——就可以組成一個空間螺旋線，當螺距足夠小時，近似認為探頭掃查覆蓋了整個車軸。

為了保證空間螺旋線的螺距足夠小，需要將車軸的轉動速度和溜板的移動速度保持在合適的范圍內。定義Φ為試塊軸平底孔直徑，f為超聲波探頭重復發射接收超聲信號的重復頻率，k為所設定的缺陷重復探測次數，d為所探車軸的最大軸徑。缺陷隨著車軸轉動，為保證缺陷位于超聲波探頭下方時，能夠被超聲波重復掃查到至少k次，車軸的轉速需要滿足公式：

對于最大軸徑為160 mm的車軸，當Φ=3 mm，f=100 Hz，k=3時，可以計算得到車軸的最大轉速ω應小于1.25 rad/s，即ω＜47 r/min。本系統采用工控機通過485總線向變頻器發送轉速控制指令。

同時，為了保證車軸轉動一圈的過程中，每一個缺陷都能夠被探頭掃查到，需要保證探頭在缺陷從底部轉動到頂部的過程中，缺陷能夠位于探頭的掃查范圍內。假定探頭的有效掃查寬度是 δ，則探頭的掃查速度應滿足公式：

對于速度ω=1 rad/s的車軸轉速設定，使用有效掃查寬度δ=10 mm探頭時，掃查速度v應小于3.14 mm/s。本系統采用PLC控制步進電機帶動溜板沿軸向勻速移動和三相異步電動機帶動車軸旋轉，通過工控機的程序向PLC發送指令，可以設定溜板的移動速度和車軸的轉動速度，以避免出現漏探。本系統采用PLC的PTO脈沖控制方式，以0.001 mm的步距控制探頭沿車軸方向的位置精度。

由于車軸在加工過程中存在一定的精度誤差，本文采用兩級彈性探頭架來固定超聲波探頭，這樣，在探頭架向下移動直至與車軸貼緊時，可以繼續向下移動，使得探頭與車軸之間能夠達到較好的耦合狀態，符合柔性制造的需要。探頭支架采用由工控機控制的步進電機驅動，每一個探頭均可以在程序的控制下沿車軸的徑向方向上下移動。需要探傷的探頭向車軸表面移動時，通過彈簧的壓縮變形，可使探頭支架與車軸之間緊密接觸，對于不同直徑的軸段，通過程序設定探頭架的移動距離，可以準確地實現探頭與車軸表面的耦合。如圖2所示，當探頭架向下移動的過程中，探頭架上的隨動輪首先與車軸表面接觸，然后探頭架繼續向下運動，隨動輪彈簧壓縮，直到超聲波探頭座的底面與車軸接觸，然后根據程序設定的壓緊距離，探頭架繼續向下運動，將第二級彈簧壓縮到合適的程度，這樣可以保證探頭與車軸表面能夠較好地偶合在一起。本探傷系統采用專用于車軸探傷的圓弧面超聲探頭，探傷時探頭弧面與軸段弧面間保持至少1 mm的間隙，耦合液從探頭和探頭底座之間的縫隙中流出，浸潤車軸表面，并在探頭與車軸之間的間隙中形成一層耦合液。這樣設計不僅能有效提高探傷耦合效果，而且也在超聲傳播路徑上加入了聚焦環節，減小發射超聲波束的擴散角，增大聲束的能量密度。對于直徑較大的軸段，采用弧面曲率大的探頭，而對于直徑較小的軸段，則采用弧面曲率小的探頭。

圖2 超聲波探頭與車軸表面接觸動作控制Fig.2 Contact process of ultrasonic probe and the axle surface

2 電氣設計

2.1 運動控制模塊設計

本系統采用工控機與PLC相結合的控制方式，每個運動部件之間相互獨立，考慮到機械結構所需的驅動載荷，選用不同的驅動電機類型。為了降低系統控制單元的復雜度，各電機采用不同的運動控制方式，如表1所示。

表1 系統運動部件類型及其控制方式Tab.1 Motion and control types

本系統中采用PLC控制探傷過程中保持連續運動的部件——溜板A和溜板B，采用工控機通過一個4通道的運動控制卡控制探頭支架A1、探頭支架A2、探頭支架B1和探頭支架B2，采用工控機通過485總線與變頻器連接，用于調速控制主軸的轉動。

2.2 超聲探傷模塊設計

超聲探傷模塊主要包括：超聲波收發器、超聲波探頭、耦合劑循環泵、超聲波信號采集卡、探頭切換繼電器、增益設置器以及超聲觸發器。本文設計的超聲探傷模塊的結構如圖3所示，其中超聲波收發器采用雙通道收發設計，每一個接收通道有兩個級聯的程控運算放大器，系統控制軟件通過DA卡輸出的模擬信號設置接收器的放大增益，并通過DA卡的數字輸出口輸出超聲觸發信號，每一個觸發信號上升沿將觸發兩個通道同時發射超聲波，并同時觸發AD卡從兩個通道同時采集超聲波回波信號。

圖3 工控機端軟件功能框圖Fig.3 Ultrasonic detection module chart

每一組超聲探傷通道對應兩個超聲波探頭，在探傷過程中，每一個超聲波探頭組中只有一個超聲波探頭工作，本文采用PLC控制繼電器的方式對各個通道的超聲波探頭進行切換控制。

本系統在實際使用過程中，由于多個大功率電機以及車間中其他設備產生的電磁干擾較強烈，有時缺陷波甚至被淹沒在噪聲中，因此，需要采取合適的濾波方法來抑制噪聲干擾，本文在超聲波收發器的每一級程控放大器處設計了中心頻率為2.5 MHz的帶通阻容網絡，并且，在實驗中發現，如若在前級程控放大器之前設計一個濾波網絡，會嚴重地降低超聲波信號的線性度，實測線性度誤差會達到10%以上，分析是因為該濾波網絡的非線性度會被兩級程控放大器環節放大，導致最終采集到工控機中的信號的非線性度過高。在對系統進行改進之后，實測垂直線性誤差小于3%。

3 軟件設計

3.1 控制系統通訊結構設計

本文所設計的系統中，PLC監控按鈕狀態、溜板電機的運動控制、主軸電機的啟停、以及需要邏輯控制的氣缸伸縮、超聲通道切換和溜板電機限位開關的檢測等步驟。采用西門子公司的S7-200 CPU 228CN型PLC，附帶擴展模塊EN 223 CN，共有32個輸入點和32個輸出點，其中PTO輸出口Q0.0和Q0.1作為溜板電機的脈沖控制輸出口。PLC與工控機之間采用串口通訊方式，為了保證PLC穩定運行，工控機與PLC均采用一發一收的方式，PLC在接收到工控機的控制指令時會返回確認接收指令的答復信息，此外，自動探傷過程中，PLC也會向工控機實時反饋溜板的運動位置。

3.2 工控機端軟件設計

本系統是是一套典型的機電一體化檢測系統，檢測軟件需要能夠實現包括手動控制、自動探傷過程控制、超聲回波信號自動采集、缺陷自動診斷、探傷判據設定、多軸型數據輸入、探傷過程超聲波形顯示、探傷過程探頭位置顯示、探傷數據保存、探傷結果報表打印等基本功能。

圖4 軟件功能結構圖Fig.4 Diagram of software function structure

本文采用Visual C++2010進行軟件設計開發，軟件功能結構如圖4所示。該軟件具有良好的用戶界面，具有多種功能，操作便捷，同時輔以按鈕形式的手動控制面板，簡化了操作復雜度，提高工作效率。

自動探傷過程中，兩個溜板需要獨立運行，兩路超聲收發通道也需要獨立采集和分析，因此，本文所設計的自動探傷系統軟件采用了多線程的結構。多線程程序設計可以在一定程度上提高系統的效率，但是，并行運行的線程個數不能太多，如果采用了過多的線程，可能會嚴重降低整個軟件的使用性能，當線程個數超過CPU的硬件線程個數時，操作系統一般會采用時間片輪轉的調度方案，這種調度方案會引入額外的系統開銷，如果線程過多，這種額外增加的系統開銷會明顯地降低系統的性能[5]。因此，本文在分析系統結構需求的基礎上，設計了4個子線程和1個主線程，其中4個子線程分別負責：A組探頭自動探傷運動控制、B組探頭自動探傷運動控制、操控面板按鈕監視以及運動過程中限位開關的監視、超聲信號的采集和信號的處理及缺陷自動診斷。1個主線程負責界面的顯示以及用戶的操作性。

在多線程程序中，需要注意線程之間數據的共享問題，避免數據之間出現不同步或線程之間出現死鎖。此外，還需要注意線程退出時需要及時清理線程和線程中動態分配的內存空間及硬件資源，避免出現內存泄露問題。本系統中，多個線程均會使用到的單變量，在變量聲明時加上“volatile”關鍵字，用于聲明該變量可能會隨時被改變，使編譯器不要對這個變量進行緩存優化，這樣，程序運行過程中，每次讀寫該變量時都會直接到該變量相應的內存地址去讀寫。此外，針對大數據的線程間同步，本文采用VC中的CriticalSection對超聲信號的采集、處理和顯示過程分別進行鎖定同步。當工控機采集到超聲回波信號后，對原始信號進行濾波處理、缺陷診斷和數據記錄，同時，主線程通過定時器以一個設定的固定時間間隔刷新主界面的顯示畫面。兩個線程都需要對顯示數據緩存區的信號進行讀寫操作，如圖5所示，在線程需要讀寫數據緩存時，請求數據鎖，對數據操作完畢后，釋放數據鎖。

本文設計的軟件操作界面如圖6所示，兩個探頭分別正在不同的軸段上掃查探傷，圖6中的下半部分顯示的是當前所探車軸各個軸段的等比例縮略圖以及各探頭的實時探傷位置，并將已經檢測出的缺陷以“*”的形式顯示在圖中，方便觀察系統的實時運行狀態。圖6中上半部分顯示兩個探頭的回波信號，軟件可以設定的界面刷新頻率為1 ms～100 ms，可通過軟件設置界面來調整刷新頻率，同時，波形圖中還以不同的顏色顯示該探軸段對應的DAC判定曲線。

圖5 多線程超聲信號同步方法Fig.5 Multithread ultrasonic signal synchronization method

圖6 軟件主界面示意圖Fig.6 Diagram of software interface

探傷程序對采集到的回波進行實時分析后，根據自動探傷前設定的DAC曲線，計算缺陷的當量大小、軸向位置和徑向位置，由于在探頭移動過程中，探頭的掃查速度遠小于超聲波的重復發射速度，同一個缺陷可能會被重復發現，程序對識別到的所有缺陷回波信號進行對比分析，取探頭掃查寬度范圍內缺陷當量最大的回波為該探頭掃查寬度范圍內的缺陷波信號。探傷程序記錄該缺陷信號并在完成整個探傷過程之后將探傷過程的詳細數據保存到工控機的硬盤中，并以報表的形式打印出缺陷的基本信息和所識別到的缺陷波的波形圖。

本軟件通過多線程軟件結構設計方法，將運動控制、數據采集和分析處理、界面顯示等模塊分開，提高了軟件的運行效率和可靠性。

4 現場測試

本文對所設計的實心車軸超聲自動探傷系統進行了現場測試，在TS-2標準試塊軸上測試結果顯示，能夠正常顯示出全部18個人工缺陷，本系統能夠在5 min內完成一次探傷操作，操作過程無需人工干預。

5 結語

本文研制的實心車軸超聲波自動探傷系統，能夠適用于不同車輛的實心車軸自動探傷。本文采用雙通道雙探頭組合，設計了雙彈簧預緊耦合的探頭支架結構，采用PLC和工控機組合的控制系統設計，整體提高了系統的穩定性和探傷效率。本文分析了如何設定合適的溜板掃查速度和車軸轉速降低漏探的可能性。采用多線程方式設計開發的軟件系統，既提高了運算處理能力，又保證了系統可靠性和適應性。未來還需要進一步研究的問題有：對缺陷類型的自動識別和分類方法，進一步降低噪聲干擾的問題，車軸表面和近表面缺陷和裂紋的自動檢測方法等。

[1] 王艷，張禮君，韓嘯.數字超聲輪軸探傷儀軟件的設計與實現[J].自動化與儀表，2011，26（7）：21-25.

[2] 中華人民共和國鐵道部.TB/T 1618-2001機車車輛車軸超聲波檢驗[S].2001.

[3] 孫振國，黃操，支正軒，等.BLC-8Z型鐵路機車車輛車軸超聲波自動探傷系統[J].無損探傷，2008，32（5）：45-48.

[4] 王玉國，李雄兵，宋永鋒，等.機車車軸超聲自動檢測系統設計[J].鐵道科學與工程學，2012，9（3）：124-128.

[5] Akhter S，Roberts J.Multi-Core Programming：Incresing Performance Through Software Multi-threading[M].Intel Press，2006.