基于渦流檢測原理的大型養路機械懸掛件裂紋探傷應用研究

崔北祥 中國鐵路上海局集團有限公司上海大型養路機械運用檢修段

1 研究背景及意義

大型養路機械作業裝置多，懸掛件和焊結點多，作業中振動大，車輛運行轉移頻繁，在溫濕度變化大的露天作業，這些因素造成應力集中部位裂紋和焊縫損傷發展快。大型養路機械現場檢測不及時，隱性裂紋和未熔合焊縫可能導致連接部件逐步發展成貫通斷裂，造成部件脫落，給鐵路運輸安全帶來極大風險。因此需要對大型養路機械連接處的傷損和焊縫進行疲勞監測，預防事故發生。

現有的大型養路機械現場檢修維護過程中，傷損、焊縫裂紋檢查主要依靠人工檢查。

人工檢查是通過目視和敲擊來判斷，雖然具有簡單、快速的特點，但在檢修實踐中也暴露出如下缺點：

①費時、費力，人工成本高；

②環境干擾大，依賴檢測人員經驗，判斷準確性差；

③在車站沿線保養時，檢查安全風險高，檢查條件差；

④裂紋發展早期發現困難，不能對數據進行存儲、分析、追溯，并且在發生時無法預警。

大型養路機械懸掛部件多，結構不規則，空間狹窄，在現場部件不拆解情況下開展檢測，市場現有的渦流檢測儀的探頭都是短針式，且有效長度不可調整，作業人員很難完成大機狹窄部位測量。另外，大型養路機械在施工作業后，在沿線車站股道停留組織人員檢查維護，勞動安全風險大，人員使用短針頭式探頭需要進入車底工作量大，風險高，操作極不方便，給作業人員測量過程帶來很大困難。 鑒于以上原因，為保障大型養路機械上線運行安全，需要采用一種適用現場作業的新型裂紋檢測工具代替人工檢查方式。

2 大型養路機械作業現場車輛懸掛件傷損檢測方式選擇

2.1 大型養路機械懸掛裝置構件傷損檢測方案選擇

目前，普遍運用的傷損、裂紋檢測手段，主要是利用超聲波檢測、磁粉探傷技術、渦流探傷，但超聲波和磁粉檢測手段專業性強，表面清潔條件要求高，操作復雜，遺留磁粉和耦合劑造成污染，并且檢查數據不便保存，無法適應現場快速準確判斷需要。

渦流檢測是近年來發展較快的一種無損檢測技術， 它是以電磁感應為基礎的檢測技術，檢測感應探頭線圈對表面開口裂紋很靈敏，在表面涂層、潮濕和水底等惡劣環境下也能開展檢測工作，判斷裂紋的存在，特別適用于鋼鐵焊縫的疲勞裂紋和焊接時產生的表面應力裂紋的檢測，檢測系統可以根據工作條件設定閾值，提前預警，提早處置。

渦流傳感器探查焊縫裂紋有如下優點：

①結構簡單，可根據需要制成一體檢測儀，操作直觀簡便；

②靈敏度高、頻率響應特性好；

③沒有特殊條件限制，適應大機野外作業快速輔助診斷。

2.2 渦流傷損檢測原理

渦流傷損檢測的原理：是基于電磁理論的無損檢測方法，將激勵線圈置于被測導體的上方，當線圈中通入交變電流時，就會在激勵線圈周圍產生一個交變的磁場φ1，磁場φ1就會被測導體表面感應出渦流電流。感應出的電流也會產生一個磁感應出的電流i 也會產生一個磁感應出的電流，i 也會產生一個磁場φ2，當被測導體表面存在裂紋時，磁場φ2的強度就會發生改變，磁場φ2會反作用于激勵線圈，使得線圈的阻抗發生變化，通過分析阻抗的變化，就能得到被測導體的特定信息。

為適應大型養路機械現場檢測需求，本文嘗試研究一種手持便攜式渦流檢測工具，可以在現場對疑似傷損部件快速檢測，輔助大機檢查保養人員發現發展的裂紋，消除隱患。探頭具有伸縮調節桿、角度可調整的渦流探傷工具，便于現場檢查人員使用，快速檢測焊縫、應力集中部位，快速診斷裂損情況，為大型養路機械上線運行安全提供專業化技術保障。

3 渦流手持桿狀探傷儀設計方案

3.1 桿狀可調節渦流檢測工具結構

圖1 桿狀手持式傷損檢測儀

桿狀手持傷損檢測工具（本文后文統稱桿式檢測儀）如圖1 所示。檢測工具由可調節由探頭、調節機構、調節桿、握桿四部分組成，通過尾端電纜與主機箱連接，檢修人員根據探測焊縫位置調整調節桿，鎖緊螺釘在定位孔定位后，移動探頭接近疑似裂損部位，可實現以下功能：

①檢測焊縫和應力集中部位，數據采集和處理；

②可對檢測靈敏度進行設置，設定報警門坎閾值；

③對探測疑似部位，可調整探頭交變磁場頻率；

④存儲記錄功能，對檢測數據進行存儲、顯示。

傷損渦流檢測系統實現手持式檢測設備，體積小、重量輕、精度高、維護簡單，具有良好的經濟效益、社會效益。

3.2 實現檢測控制的過程

3.2.1 傷損檢測采集信號處理過程

根據大型養路機械應用檢測適用等級，確定檢測利用單片機控制產生交流電流源去驅動激勵線圈，設定裂紋發展量與激勵、檢測傳感器探頭電磁值變化對應關系，獲得線圈探頭的測量值響應曲線；由信號檢測調理檢測線圈采集的信號，經混頻電路解調出有效信號的幅值和相位差信息，微處理器進行分析處理，提取特征值，最終得到焊接處裂紋的信息。

由于檢測線圈輸出的信號很微弱，一般在mV 級別，而由裂紋引起的幅值變化更加微小，處于uV 級別，且信號中往往還包含諸多干擾信號。因此需要對檢測線圈輸出的信號進行放大濾波處理，系統利用兩級放大電路對檢測線圈輸出的信號進行放大。再利用低通濾波電路濾除電路中的高頻干擾，我們通過抑制干擾源、切斷干擾傳播路徑，以及提高敏感元件抗干擾性能加以解決。探頭檢測示意圖如圖2 所示。

圖2 探頭檢測示意圖

如圖2 所示，系統利用DDS 芯片產生高精度壓控交流電流源信號，從而保證激勵信號的準確度，測量系統通過將檢測量與系統基準值進行比較，判斷當前值是否超出監控系統設定范圍（根據不同數據性質，可預先調整允許偏差值。

3.2.2 檢測電路工作模式

設備自檢進入工作狀態后如圖3，單片機通過采集檢測點數據，與設定基準值比較后，可以選擇各輸入量數據存儲、顯示、報警，也可以選擇綜合組合狀態處置，對檢測結果進行處理，控制過程包括：設備底層驅動指令集、系統各部件流程控制程序、結果顯示和處理程序等。

圖3 檢測流程圖

3.2.3 檢測系統的電路構成

圖4為檢測系統結構框圖。桿式檢測儀檢測電路主要由渦流數據采集單元、數據處理單元、數據存儲單元、顯示單元和報警單元組成。檢測人員使用桿狀探頭檢測焊縫，數據采集單元將采集的數據實時傳送給數據處理單元，數據處理單元根據檢測結果與之前配置的異常判定標準進行比較，得到檢測結果，通過嵌入式顯示模塊顯示，在超出基準值時實時給出預警。

圖4 檢測系統控制結構框圖

檢測儀可調節相應參數，即時測量，探頭角度可調整 ，渦流檢測信號回放、分析、存盤、打印，可對各種金屬部件和鐵磁性焊縫裂紋檢測。探傷工作準備時，檢測人員可以在軟件系統中對測量位置進行配置，為后續異常判定提供基準數據，包括基準值、上限值。檢測工作開始時，由渦流傳感器采集渦流磁場感應的電流變化，經過模數轉換傳送給信號處理器進行數據處理，并根據之前的配置，實時顯示具體檢測的數據波動趨勢。如果檢測到被測部件焊縫存在裂紋，超出設定限值會進行聲光指示報警。檢測儀的渦流檢測信號可回放、分析、存盤、打印，檢測儀可對各種金屬部件和鐵磁性焊縫裂紋檢測。檢測儀也可根據需要連接大數據平臺，進行遠程監控、分析，對檢測探頭獲取的數據實時存儲，調取分析。整體檢測方案如圖5所示。

圖5 整體檢測方案圖

也可建立數據采集監控，進行遠程監控、分析，對檢測探頭獲取的數據實時存儲，調取分析，探頭可組合攝像頭或測溫設備，實現多項功能融合。

4 渦流手持桿狀探傷儀試用實踐

現已在上海大機運用檢修段軌道車檢修車間年修的大型養路機械P95 上進行試驗，桿狀探頭能適應有限狹窄結構的焊縫，對確定的風險較高的38 處焊縫均能有效探查，可及率100%，數據如表1所示。

表1 檢測數據

試驗結果表明，本探傷儀預期檢測效果得到驗證，探傷設備具備實用價值。

5 總結和展望

本文對大型養路機械現場使用防裂損現狀進行分析 ，結合大機現場運用需求，提出采取渦流檢測方式解決大機現場人工傷損焊縫檢查保養存在的不足，研究開發手持式桿狀檢測儀。

隨著檢修技術的發展，鐵路安全要求的提高，大型養路機械現場維護保養精準化檢修成為必然趨勢，大機各部件結構狀態數據化分析，本論文正是適應這一變化針對性研究。

在建立大機各部件焊縫快速檢測的基礎上，可以實現在線傳輸、分析，實現遠程后臺監控，時時分析，完成對傷損部位準確判定，達到狀態全壽命管理，大型養路機械精確化維護也能隨之建立。