劉希玲，張榮繁，胡宏偉，謝靜波，呂鐸

（1.中南大學(xué)CAD／CAM研究所，湖南 長(zhǎng)沙410075；2.長(zhǎng)沙理工大學(xué) 汽車與機(jī)械工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙410114；3.湖南省科學(xué)技術(shù)信息研究所，湖南 長(zhǎng)沙410001）

隨著鐵路運(yùn)輸越來(lái)越趨向于重載化、高速化，對(duì)車輪的質(zhì)量提出了越來(lái)越高的要求。在車輪制造過(guò)程中難以避免會(huì)出現(xiàn)裂紋、氣孔夾渣等內(nèi)部缺陷。同時(shí)，當(dāng)車輪投入運(yùn)行后因受到各種沖擊以及磨損的作用，也可能產(chǎn)生周向或徑向的內(nèi)部缺陷。如果不能及時(shí)有效地檢出車輪內(nèi)部缺陷，將會(huì)降低車輪的強(qiáng)度及運(yùn)行性能，造成安全隱患甚至行車事故［1］。在對(duì)車輪內(nèi)部缺陷的無(wú)損檢測(cè)的方法中，超聲檢測(cè)是一種應(yīng)用比較廣泛的檢測(cè)手段。目前，我國(guó)機(jī)車車輪普遍采用手動(dòng)超聲檢測(cè)，不僅檢測(cè)效率低，勞動(dòng)強(qiáng)度高，而且可靠性和準(zhǔn)確性難以保證。基于該研究現(xiàn)狀，本文設(shè)計(jì)一種機(jī)車車輪超聲自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)以解決目前手工超聲檢測(cè)中存在的問(wèn)題，并較好地滿足車輪生產(chǎn)和應(yīng)用中自動(dòng)檢測(cè)的要求。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

車輪由踏面、輪緣、輪輞、輻板、輪轂等部分組成，其缺陷主要集中在距踏面25mm和距內(nèi)車輪面50～100mm的范圍內(nèi)［2］，即圖1中所示的黑色區(qū)域。在ISO5948—1994《鐵路車輛材料超聲波探傷驗(yàn)收試驗(yàn)》中規(guī)定：“輪箍和整體輾鋼車輪輪輞超聲波探傷不得存在大于φ2的平底孔當(dāng)量缺陷”，車輪超聲探傷的主要目標(biāo)是發(fā)現(xiàn)踏面向內(nèi)發(fā)展的較小裂紋［3］。

圖1 車輪缺陷的主要分布區(qū)域Fig.1 Major position of wheel defects

結(jié)合車輪的缺陷分析，機(jī)車車輪超聲自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，需要實(shí)現(xiàn)車輪的自動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)與安裝，以及對(duì)車輪內(nèi)部缺陷的自動(dòng)化檢測(cè)等幾個(gè)功能。該檢測(cè)系統(tǒng)可以從機(jī)械模塊、超聲探傷工藝、運(yùn)動(dòng)控制和軟件模塊等幾個(gè)方面進(jìn)行考慮［4］，圖2所示為系統(tǒng)設(shè)計(jì)的框架圖。該套系統(tǒng)采用水浸法超聲波探傷，檢測(cè)時(shí)車輪置于能夠自由升降的水槽之中。系統(tǒng)原理圖如圖3所示。檢測(cè)設(shè)備主要包括軌道、托輥裝置、水槽、液壓缸、伺服電機(jī)、探頭、探頭架等。

圖2 系統(tǒng)的框架圖Fig.2 Framework of system

圖3 檢測(cè)系統(tǒng)原理示意圖Fig.3 Principle diagram of the test system

圖中箭頭1表示可伸縮軌道的移動(dòng)方向，箭頭2表示液壓缸帶動(dòng)滾輪的移動(dòng)方向，箭頭3表示液壓缸帶動(dòng)水槽的移動(dòng)方向。輪對(duì)兩側(cè)的檢測(cè)設(shè)備相同，車輪托輥后滾輪在伺服電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而帶動(dòng)車輪旋轉(zhuǎn)［5］。探頭架放置在車輪下面的水槽之中，運(yùn)動(dòng)控制臺(tái)可以準(zhǔn)確控制探頭架的運(yùn)動(dòng)及位置。

2 探傷工藝設(shè)計(jì)

機(jī)車車輪的探傷工藝設(shè)計(jì)需要確保探傷工作順利進(jìn)行以及探傷的可靠性，主要包括耦合方式、超聲卡、探頭布置以及檢測(cè)具體流程等相關(guān)內(nèi)容。

2.1 耦合方式

超聲波探傷根據(jù)耦合方式的不同可以分為液浸式和接觸式。本系統(tǒng)中為了方便實(shí)現(xiàn)對(duì)車輪的超聲自動(dòng)檢測(cè)，選用水浸法。具體原因如下。

（1）采用水浸法進(jìn)行掃描探傷時(shí)，探頭固定在探頭架上隨其運(yùn)動(dòng)，跟工件沒(méi)有直接接觸，因此探頭損壞的可能性??；

（2）采用水浸法時(shí)，超聲波的發(fā)射和接受均比較穩(wěn)定。另外，由于水浸法中被檢工件的界面回波信號(hào)比發(fā)射脈沖信號(hào)窄得多，能量弱得多，對(duì)被檢工件而言可大大縮小盲區(qū)［6］；

（3）采用水浸法時(shí)，車輪和探頭在機(jī)械系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)下運(yùn)動(dòng)，便于實(shí)現(xiàn)超聲自動(dòng)檢測(cè)，也能較大程度上提高檢測(cè)的精度和效率。

2.2 超聲卡

超聲卡選用Ultratek公司生產(chǎn)的PCIUT3100型超聲卡，是將脈沖發(fā)射／接收和高速模數(shù)轉(zhuǎn)換集成設(shè)計(jì)在一塊PCI主板上。其脈沖電壓在－40～－300V，脈沖寬度在50～484ns，最大增益為80dB。超聲卡可以產(chǎn)生電脈沖發(fā)向超聲波換能器，超聲波換能器便可將該電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成超聲波脈沖信號(hào)［7］。

2.3 探頭布置

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)車輪缺陷的全面檢測(cè)，需要在車輪踏面和輪輞內(nèi)側(cè)面分別布置探頭組，以對(duì)車輪實(shí)施全面超聲覆蓋檢測(cè)。另外，根據(jù)探頭的聲場(chǎng)分布合理進(jìn)行探頭的布置，保證探頭間的距離，以避免各探頭之間的信號(hào)干擾。

2.3.1 踏面探頭組

車輪踏面從外沿到內(nèi)沿有一定的寬度，為了保證探傷效率以及準(zhǔn)確性，在踏面寬度方向上布陣，形成可覆蓋輪輞寬度范圍的超聲波束，對(duì)輪輞踏面進(jìn)行二維掃查，并實(shí)現(xiàn)C掃描成像。

圖4 水浸法探傷中普通探頭和聚焦探頭的聲束指向性Fig.4 Beam directivity of focusing probe and ordinary probe immersed in water

采用水浸法探傷時(shí)，聲波由水進(jìn)入鋼中，按照折射定律，聲束發(fā)生顯著擴(kuò)散。如果采用普通探頭，會(huì)影響聲束指向性，對(duì)探傷不利。普通直探頭和聚焦探頭由水進(jìn)入工件的聲波指向性如圖4所示，為了防止聲束過(guò)于發(fā)散，檢測(cè)系統(tǒng)采用聚焦探頭，其聲透鏡應(yīng)使聲束在踏面下某一深度處聚焦，并保證聚焦面尺寸在30mm以上［8］。

我國(guó)目前應(yīng)用較廣的踏面外形是LMA磨耗型踏面［9］。由于其特殊的踏面外形，如果采用單探頭對(duì)踏面進(jìn)行C掃描，其發(fā)射的聲束很難與工件表面保持垂直。為此，在布置踏面探頭組時(shí)選用3個(gè)聚焦探頭（編號(hào)為1～3），置于踏面底部，用于檢測(cè)輪輞內(nèi)部周向分層裂紋和氣孔夾渣缺陷。如圖5所示，每個(gè)探頭的角度可調(diào)，以便盡可能地垂直于其探測(cè)區(qū)域的表面。探傷時(shí)，車輪在探頭上方原地轉(zhuǎn)動(dòng)，3個(gè)探頭可沿直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)，完成各自區(qū)域的C掃描。

圖5 踏面探頭組Fig.5 Probes group at tread

2.3.2 內(nèi)側(cè)面探頭組

內(nèi)側(cè)面探頭組采用3個(gè)雙晶直探頭（編號(hào)為4－6），置于車輪內(nèi)側(cè)面進(jìn)行補(bǔ)充探傷，探頭架的布置如圖6所示。雙晶片探頭的2塊晶片一發(fā)一收，其發(fā)射和接受靈敏度都比較高［10］。由于雙晶片探頭發(fā)射和接受分開，消除了發(fā)射壓電晶片與延遲塊之間的發(fā)射雜波。同時(shí)由于始脈沖未能進(jìn)入放大器，克服了阻塞現(xiàn)象，使盲區(qū)大大減?。?］。其中4號(hào)探頭用于檢測(cè)輪緣根部裂紋，5號(hào)和6號(hào)探頭用于檢測(cè)內(nèi)側(cè)車輪輪輞內(nèi)部垂直于車軸方向的缺陷。

圖6 內(nèi)側(cè)面探頭組Fig.6 Probes group at the inner surface

對(duì)于徑向缺陷，需采用橫波探頭才能得到理想的效果［2］。因此，在車輪內(nèi)側(cè)面還需增加一個(gè)大角度橫波探頭（編號(hào)為7，圖中未畫出）用于探測(cè)輪輞內(nèi)部徑向裂紋［11］。

機(jī)車車輪超聲自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的檢測(cè)流程可表述為：

（1）車輪經(jīng)過(guò)拋丸處理，進(jìn)入檢測(cè)托輥；

（2）可伸縮軌道移開以免阻礙水箱上升，液壓缸分別帶動(dòng)滾輪及水箱升起使得車輪脫離軌道，并保證水箱里的水位覆蓋車輪踏面；

（3）兩個(gè)滾輪在伺服電機(jī)作用下開始轉(zhuǎn)動(dòng)并帶動(dòng)車輪旋轉(zhuǎn)，穩(wěn)定之后檢測(cè)系統(tǒng)開始工作。

3 運(yùn)動(dòng)控制及軟件模塊設(shè)計(jì)

3.1 運(yùn)動(dòng)控制設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)車輪的水浸法自動(dòng)探傷，運(yùn)動(dòng)控制模塊需要保證車輪順利進(jìn)入檢測(cè)托輥、車輪平穩(wěn)轉(zhuǎn)動(dòng)，以及探頭架的精確移動(dòng)。在探傷過(guò)程中，輪對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，探頭相對(duì)固定，當(dāng)車輪旋轉(zhuǎn)1周后使得探測(cè)區(qū)域達(dá)到超聲波的完全覆蓋。

具體來(lái)講，系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)控制臺(tái)需對(duì)探頭架實(shí)現(xiàn)X，Y和Z三軸方向的運(yùn)動(dòng)控制以及滾輪的轉(zhuǎn)動(dòng)。探傷時(shí)由液壓缸帶動(dòng)托輥裝置及水槽自由升降確保車輪順利托輥，伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)提供動(dòng)力帶動(dòng)滾輪轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)而實(shí)現(xiàn)車輪的旋轉(zhuǎn)，另外探頭架也將由電機(jī)帶動(dòng)下實(shí)現(xiàn)三軸方向的運(yùn)動(dòng)控制從而確保探頭的準(zhǔn)確位置。該系統(tǒng)由可編程伺服控制卡來(lái)分配各軸的插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)，同時(shí)通過(guò)伺服控制器來(lái)驅(qū)動(dòng)各軸的伺服電機(jī)，并通過(guò)編碼器或者光柵尺來(lái)反饋各自由度的實(shí)際運(yùn)動(dòng)，采取必要的補(bǔ)償，以保證系統(tǒng)具有足夠的位置控制精度和位置跟蹤精度［12］。

3.2 軟件模塊設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)中所用的軟件為基于VC＋＋編程的探傷軟件，可以將運(yùn)動(dòng)控制平臺(tái)、超聲采集卡和圖像處理函數(shù)聯(lián)系在一起。實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制功能、參數(shù)設(shè)置功能、數(shù)據(jù)采集功能、自動(dòng)存儲(chǔ)功能、數(shù)據(jù)處理功能、圖像顯示功能等。參數(shù)設(shè)置功能可以設(shè)置環(huán)境參數(shù)、探傷條件，以及超聲的采樣長(zhǎng)度、閾值設(shè)定等。圖形顯示功能可顯示A波，是根據(jù)探頭發(fā)射和接收超聲波得到的信號(hào)繪制成的圖形。根據(jù)A波數(shù)據(jù)可以判別缺陷，如圖7所示。

圖7 A波界面顯示圖Fig.7 Schematic diagram of A－wave

4 檢測(cè)實(shí)例

車輪踏面探頭組C掃描完成后，利用掃描得到的A波數(shù)據(jù)進(jìn)行C成像，可直觀地判斷缺陷是否存在，同時(shí)還可以輔助分析其A波數(shù)據(jù)來(lái)確定缺陷特征值。利用此原理對(duì)回轉(zhuǎn)體試塊進(jìn)行檢測(cè)，試塊內(nèi)表面設(shè)置一個(gè)3mm×16mm凹槽。對(duì)試塊缺陷區(qū)域進(jìn)行超聲C掃描成像，可清晰辨認(rèn)該缺陷，見(jiàn)圖8所示。綜合缺陷特征和A波數(shù)據(jù)，對(duì)缺陷進(jìn)行定量分析，得出缺陷寬度尺寸為3.1 mm，檢測(cè)誤差為3.3%。

圖8 C掃描成像圖Fig.8 Ultrasonic C－scan imaging

5 結(jié)論

（1）介紹了一種機(jī)車車輪超聲自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)，從機(jī)械模塊、超聲波探傷工藝、運(yùn)動(dòng)控制臺(tái)的設(shè)計(jì)以及軟件模塊的設(shè)計(jì)等幾個(gè)方面研究了該套系統(tǒng)。通過(guò)建模，車輪超聲自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)可較大程度上提高檢測(cè)效率及可靠性。

（2）系統(tǒng)利用踏面、內(nèi)側(cè)面2個(gè)探頭組同時(shí)掃查車輪內(nèi)部缺陷，實(shí)現(xiàn)對(duì)車輪檢測(cè)區(qū)域全面超聲覆蓋。利用A掃描檢測(cè)，C掃描成像的方式，可較好兼顧對(duì)輪輞內(nèi)部檢測(cè)速度與檢測(cè)質(zhì)量的關(guān)系。

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