多探測(cè)點(diǎn)超聲法在線鋼軌檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究

趙國立

（攀鋼集團(tuán)研究院有限公司，四川 攀枝花 617000）

鋼軌在進(jìn)行生產(chǎn)時(shí)由于操作不當(dāng)，或者在生產(chǎn)過程中設(shè)備技術(shù)工藝等問題，使鋼軌產(chǎn)生不同程度的缺陷，有的缺陷如白點(diǎn)、氣泡、和非金屬物質(zhì)可以直接檢測(cè)出來，有的由于鋼軌截面是不規(guī)則形狀，鋼軌內(nèi)部并不容易進(jìn)行檢測(cè)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，每年每處鋼軌會(huì)有150 萬個(gè)輪子碾過，所以在鐵路運(yùn)行時(shí)，也會(huì)對(duì)鋼軌造成損傷，而且這些損傷往往是不可逆的，所以鋼軌探傷是非常重要的一項(xiàng)工作。

在鋼軌探傷時(shí)，很多地區(qū)的鋼軌探傷水平落后，在鋼軌探傷檢測(cè)時(shí)還以傳統(tǒng)的探傷小車為主。我國鋼軌探傷常以線路探傷為主要檢測(cè)手段，跟不上國外的鋼軌探傷技術(shù) ?，F(xiàn)在常用的探傷技術(shù)有漏磁探傷、渦流探傷等，它們共同的特點(diǎn)就是可以檢測(cè)到鋼軌表面的缺陷，不能對(duì)鋼軌內(nèi)部進(jìn)行探傷。

比較各種探傷方式的優(yōu)缺點(diǎn)，選擇更實(shí)用的多探測(cè)點(diǎn)超聲法進(jìn)行鋼軌探傷，設(shè)計(jì)了多探測(cè)點(diǎn)超聲法鋼軌探傷系統(tǒng)。對(duì)多探測(cè)點(diǎn)超聲法的工作原理進(jìn)行分析研究，掌握超聲波在鋼軌探傷時(shí)的信號(hào)傳遞方式。另外，通過研究超聲波鋼軌檢測(cè)控制系統(tǒng)的硬件組成、門陣列FPGA 的編程等技術(shù)的應(yīng)用，確定多探測(cè)點(diǎn)超聲波檢測(cè)系統(tǒng)在鋼軌檢測(cè)時(shí)的設(shè)計(jì)方案。

1 多探測(cè)點(diǎn)超聲波在鋼軌檢測(cè)系統(tǒng)的工作原理

鋼軌探傷檢測(cè)時(shí)，多探測(cè)點(diǎn)超聲波檢測(cè)系統(tǒng)含有多個(gè)探頭，這些探頭按照一定的排列順序，分布在鋼軌的斷面周圍，對(duì)鋼軌進(jìn)行全方位檢測(cè)。鋼軌探傷按照一定的運(yùn)行速度，一旦探測(cè)到鋼軌有損傷，多探測(cè)點(diǎn)超聲波檢測(cè)系統(tǒng)的主機(jī)將會(huì)顯示出來，然后技術(shù)人員將損傷的部位用油漆進(jìn)行標(biāo)記，方便后續(xù)處理。

多探測(cè)點(diǎn)超聲波檢測(cè)系統(tǒng)的工作原理采取了輥道的運(yùn)動(dòng)方式，具體表現(xiàn)為檢測(cè)中心進(jìn)行輥道運(yùn)動(dòng)，超聲波檢測(cè)探頭不動(dòng)，具體的工作原理如下圖1 所示。檢測(cè)系統(tǒng)分別由上下位機(jī)、采用多個(gè)探測(cè)點(diǎn)、電控和檢測(cè)系統(tǒng)分別組成。檢測(cè)系統(tǒng)在鋼軌探傷時(shí)，超聲波檢測(cè)探頭根據(jù)檢測(cè)需要既可以單獨(dú)接收脈沖信號(hào)，又可以在幾個(gè)通道之間完成脈沖的發(fā)射和接收。在多探測(cè)點(diǎn)超聲波進(jìn)行鋼軌檢測(cè)時(shí)，對(duì)發(fā)射的聲波信號(hào)和接收的聲波信號(hào)進(jìn)行對(duì)比分析，從分析結(jié)果中確定鋼軌的性能進(jìn)行探傷。

圖1 超聲波鋼軌檢測(cè)原理

2 多探測(cè)點(diǎn)超聲波控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)

多探測(cè)點(diǎn)控制系統(tǒng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)由上下兩個(gè)控制器組成，分別是上位機(jī)軟件控制器和下位機(jī)硬件控制器。圖2 是控制系統(tǒng)的硬件控制器的結(jié)構(gòu)圖，F(xiàn)PGA 系統(tǒng)能夠發(fā)射高頻脈動(dòng)脈沖電流，對(duì)換能器進(jìn)行激勵(lì)，高頻脈沖直線通過鋼軌需要檢測(cè)的位置，直到脈沖遇到阻礙把信號(hào)傳輸回系統(tǒng)。多探測(cè)點(diǎn)在鋼軌檢測(cè)系統(tǒng)由發(fā)射區(qū)域向換能器發(fā)出高頻脈沖，生成超級(jí)信號(hào)波。眾所周知，鋼軌的橫截面是抗彎的“工”字面，形狀呈不規(guī)則，在鋼軌探傷時(shí)建議采用雙晶探頭進(jìn)行操作，增強(qiáng)檢測(cè)系統(tǒng)的抗干擾性，提高超聲波信號(hào)的清晰度。

圖2 多探測(cè)點(diǎn)超聲控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

3 系統(tǒng)的電控方案

電控系統(tǒng)在檢測(cè)系統(tǒng)中具有單獨(dú)的控制網(wǎng)絡(luò)，與周圍的電路系統(tǒng)形成環(huán)網(wǎng)連接模式。系統(tǒng)的電控部分上位機(jī)軟件和下位機(jī)硬件的聯(lián)系要通過UBS 通訊協(xié)議進(jìn)行連接，電控部分對(duì)下位機(jī)硬件發(fā)送指令，使系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)觸發(fā)脈沖的可調(diào)節(jié)功能。超聲波進(jìn)行發(fā)射然后系統(tǒng)發(fā)射高頻脈沖對(duì)電路進(jìn)行激勵(lì)，同時(shí)，系統(tǒng)對(duì)鋼軌檢測(cè)探頭發(fā)出的檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行接收，然后高頻信號(hào)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集模塊，模塊對(duì)全波段信號(hào)進(jìn)行采集，然后存儲(chǔ)到計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)器上。電控通過S7-400、PLC 和MPI電纜與工控機(jī)實(shí)現(xiàn)與 ProfiBus/MPI 通訊連接，極大地提高了PLC 與工控機(jī)的通訊速度。圖3 是檢測(cè)系統(tǒng)電控方案流程圖，從流程圖可以看出，系統(tǒng)先向西門子站下達(dá)指令之后，然后系統(tǒng)進(jìn)行操作，對(duì)變頻站的正反轉(zhuǎn)、啟停和轉(zhuǎn)動(dòng)的頻率進(jìn)行控制。檢測(cè)系統(tǒng)的信號(hào)傳輸變頻站首先要通過DP 網(wǎng)絡(luò)這一控制點(diǎn)信號(hào)才能傳達(dá)到西門子站。

圖3 多探測(cè)點(diǎn)在線超聲鋼軌檢測(cè)系統(tǒng)控制方案流程圖

PLC（可編程邏輯控制器）內(nèi)的存儲(chǔ)器是可以進(jìn)行編程的，對(duì)檢測(cè)設(shè)備進(jìn)行控制，從而使檢測(cè)系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確地進(jìn)行探傷。檢測(cè)設(shè)備超聲信號(hào)的發(fā)射、接收并向上位機(jī)軟件傳輸超聲等能夠良好運(yùn)行都是受PLC（可編程邏輯控制器）控制的。

在檢測(cè)系統(tǒng)中，上位管理機(jī)主要工作內(nèi)容是使整個(gè)系統(tǒng)能夠協(xié)調(diào)同步的運(yùn)行，然后將系統(tǒng)檢測(cè)的結(jié)果進(jìn)行存儲(chǔ)。鋼軌探傷的檢測(cè)情況用檢測(cè)系統(tǒng)回波所形成的峰值來判斷，假若鋼軌有損傷，系統(tǒng)將自動(dòng)評(píng)估后顯現(xiàn)損傷結(jié)果。

4 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

進(jìn)行多探測(cè)點(diǎn)超聲波檢測(cè)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)時(shí)，一般要設(shè)計(jì)動(dòng)態(tài)抓波和對(duì)背波的監(jiān)視功能，檢測(cè)系統(tǒng)技術(shù)人員在操作時(shí)對(duì)鋼軌的缺陷判斷與經(jīng)常使用的模擬機(jī)類似。操作時(shí)分別在探頭與鋼軌表面涂抹一層超聲耦合劑，隔絕儀器與鋼軌之間的空氣，系統(tǒng)連接好然后進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。

圖4 檢測(cè)系統(tǒng) PN/D

（1）主程序設(shè)計(jì)。系統(tǒng)的通訊運(yùn)行程序如圖4，系統(tǒng)開始檢測(cè)，首先將上位機(jī)進(jìn)行啟動(dòng)，發(fā)出檢測(cè)命令。鋼軌進(jìn)入超聲波檢測(cè)單元后系統(tǒng)傳感器對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)器端頭速度放慢進(jìn)行鋼軌探傷。檢測(cè)系統(tǒng)上位機(jī)運(yùn)行的軟件是在Visual C++ 6.0 平臺(tái)的基礎(chǔ)上進(jìn)行編程的，軟件的設(shè)計(jì)根據(jù)要求采取多個(gè)模塊化的設(shè)計(jì)原則。后確定具體探傷情況，根據(jù)樣軌的實(shí)際探傷情況對(duì)此樣軌的波峰值進(jìn)行采樣，然后將得到的波峰值數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比處理后確定鋼軌是否有損傷。

（2）檢測(cè)報(bào)警程序設(shè)計(jì)。程序啟動(dòng)，系統(tǒng)對(duì)回波信號(hào)存儲(chǔ)器數(shù)值和報(bào)警數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器數(shù)值進(jìn)行分析判斷，如果回波信號(hào)存儲(chǔ)器數(shù)值比報(bào)警數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器數(shù)值大，判斷信息將傳入報(bào)警系統(tǒng)內(nèi)系統(tǒng)將自動(dòng)報(bào)警處理。

5 結(jié)語

通過上文的設(shè)計(jì)研究可以確定，多探測(cè)點(diǎn)超聲波法應(yīng)用到鋼軌探傷中具有檢測(cè)數(shù)據(jù)精確，能準(zhǔn)確地對(duì)鋼軌損傷情況進(jìn)行判斷，系統(tǒng)的操作也比較便捷，能夠全方位地對(duì)鋼軌進(jìn)行檢測(cè)。在利用多探頭法進(jìn)行鋼軌探傷時(shí)，檢測(cè)人員更方便好操作，避免檢測(cè)人員由于手動(dòng)倒鋼對(duì)鋼軌二次損傷?，F(xiàn)在科技高速發(fā)展，以科學(xué)的檢測(cè)儀器代替?zhèn)鹘y(tǒng)的探傷方式是科技發(fā)展的趨勢(shì)，值得應(yīng)用和推廣。