車輪裂紋檢測過程中裂紋特征信息的獲取和傳輸

車輪裂紋檢測過程中裂紋特征信息的獲取和傳輸

隨著高速鐵路向重新開通的發(fā)展，對車輛運營安全的要求越來越高。車輪是影響機車車輛運行安全性的一個重要零部件。輪輞(或輪箍)是車輪在使用過程中受力情況最為復(fù)雜和易損壞的部位。車輪在制造過程中形成的夾灰、夾渣以及未碾透等內(nèi)部缺陷,易在使用過程中不斷發(fā)展和擴大,若不及時發(fā)現(xiàn),很可能在機車車輛中發(fā)生輪輞(或輪箍)部分的開裂和脫落,造成重大行車事故。而現(xiàn)場檢修通常采用手工探傷,容易產(chǎn)生漏檢,且探傷結(jié)果很大程度上依賴于操作人員的經(jīng)驗,隨機性高。針對以上情況,結(jié)合故障診斷、模式識別、超聲檢測的基本原理和方法,可建立集數(shù)據(jù)采集、信號處理與缺陷識別、機電控制為一體的車輪裂紋自動檢測與診斷系統(tǒng)?；诮y(tǒng)計模式識別的設(shè)備檢測與診斷系統(tǒng)主要由4個部分組成,即數(shù)據(jù)獲取和預(yù)處理、特征提取和選擇、分類和識別、分析決策和維護管理。其中,數(shù)據(jù)獲取和預(yù)處理通過測量、采樣、量化、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和校準使來自傳感裝置的信號變成可以計算的數(shù)據(jù);特征提取和選擇則是根據(jù)系統(tǒng)的性質(zhì)與要求對原始數(shù)據(jù)進行提取和選擇,正確地獲取與系統(tǒng)狀態(tài)有關(guān)的、能夠反映系統(tǒng)狀態(tài)分類本質(zhì)的特征量。這些特征量是進一步識別和診斷的依據(jù),決定了整個設(shè)備檢測與診斷系統(tǒng)的準確與否。本文著重討論車輪裂紋自動檢測與診斷系統(tǒng)中車輪裂紋特征信息的獲取和數(shù)據(jù)傳輸。1超聲波換能器組的設(shè)計車輪裂紋自動檢測與診斷系統(tǒng)采用超聲波技術(shù)對車輪內(nèi)部裂紋進行檢測。檢測系統(tǒng)的前置儀器由超聲波換能器和超聲儀組成,超聲波換能器用于超聲波信號和電信號的相互轉(zhuǎn)換,超聲儀則負責發(fā)射超聲波的電信號和對超聲波回波的模擬信號進行數(shù)字采樣,然后將這些數(shù)字信號送入工控機做進一步的處理和識別。車輪內(nèi)部裂紋走向大致有周向和徑向兩種。統(tǒng)計資料表明,輪輞裂紋以周向為主,輪箍裂紋則以與徑向夾角為45°的裂紋為主。因此,超聲波換能器的設(shè)計與布置應(yīng)主要針對這兩類裂紋,同時兼顧其他走向的裂紋。設(shè)計的超聲波換能器組包括兩個組合換能器和兩個45°換能器,組合換能器實際是由0°換能器和45°換能器組成,其布置如圖1所示。其中,組合換能器s1/s3發(fā)射0°波束w0和-45°波束ω1,換能器s2/s4發(fā)射+45°波束w2。同時采用機械掃描的方法來克服超聲波換能器組的盲區(qū)問題,以確保各種走向的裂紋不被漏檢。用于檢測超聲波換能器是為車輪裂紋檢測而專門設(shè)計研制的換能器,它在檢測過程中與被檢車輪踏面是不接觸的。由于超聲波換能器與車輪踏面之間有約1mm左右的耦合水層,在自動檢測過程中,水層是流動的,因此在水層中容易產(chǎn)生波動和氣泡等現(xiàn)象,這對超聲波的傳播是極為不利的。所以在超聲儀中專門設(shè)計了相應(yīng)的抗干擾電路和近區(qū)干擾抑制電路,較理想地解決了這一問題。對于輪對兩側(cè)12個通道的信號采集,超聲儀部分采用動態(tài)時域供電方式,即在1至12個通道中,給每一個通道有一個互不交叉的供電時間,只在極窄的時間段內(nèi),某一通道才打開,而這一通道的打開時間占整個檢測一周所需時間的比例是極小的,這樣在通道打開之外的時間內(nèi)所有的干擾信號都可以被抑制,大大地提高了超聲儀的抗干擾能力。利用超聲技術(shù)進行車輪裂紋檢測,除判斷有無裂紋缺陷外,更主要的目的是確定裂紋特征信息,即缺陷的和大小,進而評價車輪的判廢與否。1.1缺陷波f—裂紋缺陷定位在脈沖反射法縱波探傷中,始波T和底波B之間的水平距離代表車輪輪輞(或輪箍)的厚度,缺陷波F到始波T之間的距離則代表了裂紋缺陷相對于車輪踏面的深度,回波波形如圖2所示。超聲儀電路以高電平脈寬代表裂紋缺陷深度信息。信號處理與缺陷識別系統(tǒng)利用該聲程信號可確定裂紋缺陷在待檢車輪中的位置。1.2檢測方法的確定車輪中裂紋缺陷的類型是多種多樣的,在檢測過程中影響缺陷大小定量的因素也很多,要想對實際缺陷大小準確定量十分困難。因此在檢測中,對于小于聲束直的小缺陷采用“當量法”來確定缺陷的相對大小。當量法是建立在超聲場中圓形活塞聲場的聲壓分布規(guī)律上。所謂缺陷當量,是指在實際缺陷上的反射回波聲壓,可用與它同聲程的某種標準幾何反射體上的回波聲壓來相當,若二者的反射回波聲壓相等,則認為該人造缺陷與實際缺陷是同當量的。超聲儀中通過電平比較電路給出裂紋缺陷大小的幅值等級信號。1.3車輪裂紋特征原始數(shù)據(jù)的恢復(fù)作為被檢對象的車輪輪輞(或輪箍)是單一的物理元件,其裂紋特征信息是確定的,可由裂紋的位置參數(shù)和缺陷面積當量值來描述。因此,超聲儀將超聲波換能器接收的回波信號進行數(shù)字采樣后,可獲得車輪裂紋特征的原始數(shù)據(jù)。但是這些數(shù)據(jù)信號中可能包含了由于耦合水層氣泡、輪輞(或輪箍)底面隨機反射以及外界各種干擾等引起的一些錯誤信息,必須采用數(shù)字濾波等措施對原始數(shù)據(jù)進行處理,進而得到能夠正確反映車輪裂紋特征信息的數(shù)字量,此時才可以進行缺陷識別和成象。信號處理和缺陷識別過程如圖3所示。2車輪裂紋檢測向工控機提供聲程信號和幅值等級信號基于以上分析,根據(jù)現(xiàn)場實際情況,聲程信號設(shè)計1路,當量等級信號設(shè)計為3路,即8個等級。車輪裂紋檢測系統(tǒng)的前置儀表進行數(shù)據(jù)采集和預(yù)處理之后,須向工控機提供聲程信號和幅值等級信號做進一步的處理和識別。超聲儀與工控機之間的數(shù)據(jù)傳輸是檢測系統(tǒng)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。直接決定了以后的信號處理和缺陷識別,其可靠性必須加以保證。同時,數(shù)據(jù)傳輸又應(yīng)具有較強的實時性。2.1plc液壓超聲儀及其輸出板的連接工控機通過一塊PCL730數(shù)字量輸入/輸出板和一塊PLC836計數(shù)器板與超聲儀進行數(shù)據(jù)傳輸。其連接框圖如圖4所示。其中,PLC730數(shù)字量輸入/輸出板主要用于接收超聲儀的中斷觸發(fā)信號和幅值等級信號。PCL836計數(shù)器板用于測量聲程信號的脈沖寬度,其最大時鐘頻率為10MHz,故脈寬測量的最小值為0.1μs,可據(jù)此計算出裂紋缺陷的定位精度為0.3mm。2.2超聲儀顯示電路設(shè)計為保證超聲儀與工控機數(shù)據(jù)傳送的可靠性與實時性,工控機采用中斷方式接受數(shù)據(jù)。超聲儀分別給出周期標志和通道標志信號觸發(fā)中斷,由工控機在中斷處理程序中控制相應(yīng)的板卡讀取超聲儀相應(yīng)的數(shù)據(jù),即1路聲程序信號和3路幅值等信號。同時,還應(yīng)當考慮到前置儀表的故障自檢。擬訂的工控機與超聲儀的通信協(xié)議如圖5所示。3數(shù)據(jù)采集方案圖5中的時間常數(shù)t1?t9取決于超聲儀的工作時間、數(shù)字量輸入/輸出板和計數(shù)器板的吞吐時間、工控機中斷的響應(yīng)時間以及數(shù)據(jù)的篩選和存儲時間等多方面因素,必須由試驗確定。為此,設(shè)計了通過計算機并行口直接輸出模擬超聲儀輸出數(shù)據(jù)信號及工控機控制相關(guān)板卡進行數(shù)據(jù)采集的試驗。時間常數(shù)t1?t9的確定首先要保證數(shù)據(jù)的可靠性。程序中可采用一點采多個值取平均的方法,同時,還必須分階段對所采數(shù)據(jù)進行判別,以克服低速設(shè)備(超聲儀和采集板卡)輸出的同一數(shù)據(jù)被高速設(shè)備(工控機)作為多次數(shù)據(jù)采集等錯誤。另一方面,車輪裂紋檢測系統(tǒng)要求在5ms內(nèi)完成1個周期12個通道的數(shù)據(jù)采集、篩選和存儲,因