常州市科技计划项目设计任务书(工业)-高速列车空心轴超声波探伤系统.doc

科技专项： 计划类别： 工业科技攻关技术领域： E 科技计划项目设计任务书（科技支撑（工业）计划项目）项目名称： 高速列车空心轴超声波探伤系统 承担单位： 常州XXXXXXXXXX学院/ 常州市XXXXXX科技有限公司 单位地址： 鸣新东路6号 邮编： 213164 项目负责人： 电话： 主管部门： 武进科技局 填报日期：2011年 3月 日常州市科学技术局二一一年制填写说明：1、本任务书用于常州市科技支撑（工业）计划项目的申报。2、项目承担单位一般不超过两家，其他有关单位作为协作单位。3、单位地址、邮编、电话、主管部门等填写第一承担单位情况。4、单位意见盖章：由第一、第二承担单位及协作单位签署意见并加盖单位公章。5、主管部门：指各辖市、区科技行政主管部门。科技计划项目编写提纲一、立项依据1、本项目国内外领域科技创新发展概况和最新发展趋势；目前高速列车普遍采用空心轴,这样既可减轻高速列车的自重,又能提高高速列车的速度。对空心轴的探伤非常重要,它关系到列车能否安全运行。 目前所使用的空心轴探伤设备都是国外设备，主要由德国和日本生产。目前应用较多的由德国弗朗霍夫研究院主持研发的HAT-M02型动车组空心轴超声波探伤设备。该空心轴超声探伤系统通常使用的检测频率是2MHz和4MHz。为了检测轴的轴向和周向缺陷，采用的超声探头分别在轴向和周向发出声波。为了达到高检测灵敏度，声波的角度按轴向坐标和周向坐标的正负方向排列。超声探头集成一套超声探伤系统模块，通过计算机控制处理系统操作。该系统在性能上基本可以满足我国高速列车空心轴的探伤要求，但存在着以下问题：国外高速列车空心轴探伤设备价格昂贵, 且售后服务受生产地距离遥远的影响, 配件供应周期较长, 一旦出现问题, 探伤系统长时间无法工作, 影响被检测设备的正常运行。国内在空心轴探伤设备方面基本还处于空白状态。爱德森（厦门）电子有限公司对高速列车空心轴探伤进行了一定的研究，但产品尚未进入量产。 本项目提出的空心轴探伤设备，与国外的设备和目前公布的国内产品的性能相比，具有检出缺陷深度更薄、通道更多、探伤速度更快、抗干扰能力更强、管理软件更智能友好等特点。对于打破国外厂商在核心技术方面的垄断，提升我国高速列车空心轴无损检测设备自主创新能力,建立适用各领域轴类设备的无损检测体系具有重要意义。 2、 2、本项目研究的目的、意义（突出说明对科技、经济和社会发展的作用）；高速列车是高速铁路客运专线运输的主体,其技术性能直接关系到列车的运行速度和安全,因此,必须对其进行全面统一、综合准确的控制和检测,才能保障其正常工作。目前所使用的空心轴探伤设备都是国外设备。主要由德国和日本生产，价格非常昂贵。 在实际使用中，还存在以下的问题：1） 无论是德国还是日本技术设备都不能兼容在用的全部车型。 2） 进口高速列车探伤设备主要部件来自国外，需要对配件进行维护或更换所需的周期较长。一旦出现问题, 探伤系统长时间无法工作, 影响被检测设备的正常运行。3） 国外的高速列车空心轴探伤设备价格非常昂贵，不利于降低高速铁路的运营维护成本。 本项目拟研制的高速列车空心轴探伤设备可兼容在用的所有车型。在产品研制成功并转入量产阶段后，由于生产基地在国内，因而对设备使用人员可以提供良好的售前技术培训和售后技术支持，并在设备使用出现问题时以最快的速度对设备和配件进行维护。而国内的研发成本和人力资源成本远远低于国外，因此将来该设备的销售价格和设备使用阶段的维护成本将大大降低，从而降低我国高速铁路的运营维护成本。随着我国高速铁路网的完善和编织成型，在未来我国投入实际运营的高速列车数量将会大幅增加，相应的高速列车无损检测任务也将大幅增加。因此，研制具有自主知识产权的高速列车空心轴探伤设备，具有重要意义。3、 3、本项目研究现有科技水平及已存在的知识产权情况（科技攻关计划附查新报告）； 常州XXXXXXXXXX学院与常州市XXXXXX科技有限公司合作进行了8路100M数字化超声波探伤仪的开发，已经掌握了进行本项目研究的若干核心技术，包括高压脉冲整形激励技术，高带宽小信号放大技术，数据实时压缩技术。 本项目拟开发的空心轴探伤设备的主要性能为：超声检测单元为32通道,各个通道参数独立可调；空心轴检出缺陷深度0.2 mm；抗干扰能力强，采用光纤传送数据；三维立体显示缺陷信息，图像可放大,平移,滚动；具有A扫、B扫及C扫显示；探伤效率高,其扫查速度为3-16mm/s；具有自动检测、判伤,并永久记录和回放对比功能及网络传输功能。 经过查新，目前国内尚无此类产品，也未见相应的专利申请与授权。4、 本项目研究国内外竞争情况及产业化前景。 目前所使用的空心轴探伤设备都是国外设备。主要由德国和日本生产，价格非常昂贵。从技术性能而言，本项目拟研发的空心轴探伤设备的性能已达到国外同类设备的水平，部分指标优于国外设备。由于国外的人力成本尤其是研发人员的人力成本远远高于国内，本项目研制完成的设备量产后的价格大概只有国外同类设备的1/4-1/3左右，具有极好的性能价格比和极强的竞争优势。 国内的爱德森电子有限公司对高速列车空心轴探伤进行了一定的研究。但其性能与本项目拟研发的设备有较大的差距。本项目拟研发的设备超声检测单元为32通道，而爱德森公司公布的指标只有8通道；本项目中空心轴检出缺陷深度可达到0.2 mm；而爱德森公司只能检测到0.5mm； 本项目采用光纤传送数据，大大提高了设备的抗干扰能力。综合来说，本项目拟研发的设备性能将大大超过爱德森公司，而价格预计将与爱德森公司处在同一水平，具有极高的性价比。 从产业化市场前景而言，目前国内高速铁路网正在加紧建设中。根据中国铁路中长期发展规划，到2020年，为满足快速增长的旅客运输需求，建立省会城市及大中城市间的快速客运通道，规划“四纵四横”铁路快速客运通道以及四个城际快速客运系统。建设客运专线1.2万公里以上，客车速度目标值达到每小时200公里及以上。此外，目前我国的城市轨道交通也在快速发展中，目前有二十几个城市已经建成地铁和在建地铁，而新型地铁轻轨车辆也使用空心轴。因此，本项目拟研发的高速列车空心轴探伤设备具有广阔的市场前景，预计在国内年销售量100台以上，销售额达到几亿元是完全有可能的。考虑到未来我国还会将高铁技术应用到国外，本设备将会有更广阔的市场空间。 二、研究内容1、具体研究开发内容和要重点解决的关键技术问题；研究开发内容： （1）高速列车空心轴探伤设备的总体设计 （2）超声波检测系统设计 （3）通信系统设计 （4）机械控制系统设计 （5）系统软件设计 （6）油路耦合系统设计 （7）旋转式探头架设计拟解决的关键技术： （1）高速32通道超声波检测硬件平台设计； 选用目前世界上最先进的高速FPGA芯片，采用FPGA同步设计技术和高速环境下的状态机设计技术，使用流水线优化数据处理技术；采用采样速率超过250MHz的高速A/D；使用高速数字电路设计技术完成高速32通道超声波检测硬件平台的设计；从而得到更薄的检出缺陷深度和更快的探伤速度。 （2）点到点高速数据光纤传输系统设计； 使用FPGA对数据信号进行缓冲、并串转换等必需的信号处理过程后形成串行信号,高速串行电信号经E/O转换成高速串行光信号送入光纤进行传输。接收端使用O/E转换将光信号转换成串行电信号送入可编程逻辑器件,可编程逻辑器件对数据进行串并转换、数据缓冲等信号处理,从而完成抗干扰能力强的高速数据光纤传输。 （3）高带宽小信号放大电路设计 （4）三维成像软件设计对超声波回波信号进行滤波和数字成像处理，将空心轴的内部缺陷信息只管的显示在一个三维立体模型上，可以进行放大、缩小、平移和旋转等操作，方便用户对缺陷的查看。同时，如果想查看伤的具体情况，可以直接切换到A扫或者B扫界面。2、 2、项目的特色和创新之处； （1）超声检测单元为32通道； 根据实际探伤作业情况分析,每列车32根轴,平均每根轴探伤作业时间约为1h,需要32h方能完成，非常耗时。本设备将超声检测单元从8通道提高为32通道，将大大减少探伤作业所花费的时间； （2）检出缺陷深度0.2 mm；提高了探伤检出缺陷的精度。 （3）通过光纤传送高速数据，大大提高设备的抗干扰能力； （4）三维立体显示缺陷信息，直观形象，可以快速定位伤的位置和大小。3、 3、要达到的主要技术、经济指标及社会、经济效益。主要技术指标： （1） 超声检测单元为32通道,各个通道参数独立可调,其电性能指标达到或超过国家相关标准的要求； （2）板卡采样频率：200MHz （3）空心轴检出缺陷深度0.2 mm； （4）通过光纤传送数据，速率达到1Gbps； （5）三维立体显示缺陷信息，图像可放大,平移,滚动； （6）具有A扫、B扫及C扫显示； （7）具有自动检测、判伤、永久记录、回放对比功能及网络传输功能。 （8）探伤效率高,其扫查速度为3-16mm/s。 （9）推拔机构精度高,探头定位准确,轴向移动2 mm,周向旋转0.1。社会及经济效益： （1） 研制具有自主知识产权的高速列车空心轴探伤设备，提高国内无损探伤设备技术水平； （2） 为企业和国家节约大量外汇；降低高速铁路和轨道交通的运营成本； （3） 以初期年销售50台计，每台销售价在200万元左右，销售额为每年1亿元左右。3、 研究试验方法及技术路线（工艺路线）研究方法： 常州XXXXXXXXXX学院与常州市XXXXXX科技有限公司已经合作开发了多种超声波探伤检测设备和仪器仪表，已经掌握了进行本项目研究的若干核心技术。在此基础上，依托常州市XXXXXX科技有限公司多年设计、生产、销售超声波探伤检测设备的经验和常州XXXXXXXXXX学院雄厚的科研实力，通过进行理论研究、总体设计、超声检测系统设计、工控计算机系统设计、机械控制系统设计、系统软件设计，研究分析国内外相关技术，对关键技术问题进行联合研究与攻关，研发具有自主知识产权的高速列车空心轴探伤系统。技术路线：本项目总体技术路线是先由常州XXXXXXXXXX学院和常州市XXXXXX科技有限公司联合进行样机初步设计，在此基础上由常州XXXXXXXXXX学院对其中的关键技术进行研究与攻关，然后再进行零部件采购、制造、装配与测试。具体的技术路线如图1所示。研究团队组织与总体方案确定进行高速列车空心轴探伤设备总体设计系统联调各系统模块调试与性能测试超声波检测系统设计工控计算机系统设计旋转探头架设计系统软件设计机械控制系统设计设备性能综合测试及可靠性测试图1 项目研究技术路线四、现有研究条件和工作基础1、承担单位概况（人员、资产、业务与管理状况），拥有知识产权状况（包括本项目已有知识产权状况）；1) 承担单位情况本项目的研究工作基础主要是依托常州XXXXXXXXXX学院雄厚的科研实力，充分利用本院的现有硬件和软件资源，依托新成立的国家级常州大学科技园区，结合常州市XXXXXX科技有限公司多年设计、生产、销售超声波探伤检测设备的技术和经验开展工作。常州XXXXXXXXXX学院是国家骨干职业技术学院，师资力量主要来源于企业中有丰富研发经验和工作经验的高级技术人员。目前拥有高级专门性人才100多名，本院近两年共承担国家级科研项目1项、省级科研项目11项、市级科研项目12项，有着丰富的科研项目研究和管理经验。本项目组人员中有研究电子设计、系统软件、机械制造的副教授、高级工程师多名，他们都具备了雄厚的专业基础知识和很强的研发能力，并有多项科研成果、专利和国家级的专著。常州市XXXXXX科技有限公司是一所集研发、生产和销售为一体的高新技术企业，具有设备齐全人员齐备的研发中心，拥有示波器、频谱仪、信号发生器等研发测试仪器。拥有系统设计高级工程师2名、探伤工艺高级工程师3名、机械设计高级工程师2名、硬件设计高级工程师3名、软件设计高级工程师2名、模拟电路设计高级工程师1名(开发出国内第一台自然风式粉尘传感器,价值10亿元)。与多家院校有着良好的合作关系，和上海交通大学合作完成多点超声波测厚系统，和西北大学合作完成超声波穿透测厚系统。近年来在资金及人才队伍培养与引进相配套下，形成了技术优势和综合实力的领先，产生了良好的社会和经济效益。资金存量充足，财务风险极小。在全面推进会计核算电算化和有效的财务管理下，完全有能力对实施本项目进行经济扶持，促进我公司业务更上一台阶。2、 2、本项目现有的研究工作基础（包括与本项目研究有关的主要论文、专著情况，小试成果情况，现有装备条件等）;目前已开发出基于PCI通信的多通道探伤卡，完成铝棒探伤、石油套管探伤和钢板探伤等多种工件探伤系统，掌握螺旋前进方式、水浸方式和旋转头等探伤机械结构。3、 项目负责人以往承担国家、省级和市级等各类科技计划项目完成情况（立项年度、项目编号、项目名称、计划类别、完成时间、完成效果）；4、 项目实施具备的人才队伍、经费配套投入能力及科技服务管理能力； 项目负责人XXX曾主持、参加和完成多项省部级课题和科技攻关项目，经历了助工、工程师、高级工程师、总工程师、讲师、副教授职业生涯和出国考察交流、技术培训等，具有一定的科技管理、产品设计研发、科技服务经验和组织工作能力，能保证顺利完成项目任务。 常州市XXXXXX科技有限公司是无损检测行业综合技术能力过硬的企业，不但有自主知识产权的数字超声波探伤仪，还具有自动化探伤系统设计生产能力，集仪器设计生产、设备设计生产和探头设计生产于一体，走在全国超声波探伤企业的前列。 常州市XXXXXX科技有限公司前期投入100多万，完成了数字超声波探伤仪的开发，已掌握数字超声波探伤系统的核心技术。又投入150多万进行自动化探伤设备的开发和改进创新，已经成功开发出全国首套铝棒自动化探伤设备，交付秦皇岛镁铝合金有限公司使用。 本项目预计总投资 万元，企业自筹资金 万，本项目申请市科技局投入 万元。 常州XXXXXXXXXX学院和常州市XXXXXX科技有限公司具有长期技术合作和战略伙伴关系。常州XXXXXXXXXX学院有完善的科研管理制度、科研机构、雄厚的科研和新产品开发实力，具有很强的科技服务管理能力。常州市XXXXXX科技有限公司有多年设计、生产、销售超声波探伤检测设备的技术和经验，法人治理结构规范，管理严谨。双方具有实施该项目的人才队伍，校企之间的强强联合与密切协作，是完成本项目的基本保证。 5、 本项目实施可能对环境的影响及预防治理方案。本项目对环境无影响。五、项目研究预期成果及效益5、 1、研发类项目考核指标重点是能提交的具有自主知识产权的创新性成果、高新技术产品、新样机、新设备、新品种等；技术应用类项目，注重新技术、新产品、新工艺的应用示范，以示范效果为主要考核指标。1、 样机1 台2、 形成3项以上专利、2篇以上论文；3、 经济效益。以初期年销售50台计，销售价在200万元左右，销售额为每年1亿元左右。六、承担项目单位及分工1、承担单位及分工；常州XXXXXXXXXX学院：1）总体设计2）FPGA设计3）高速光通道电路硬件设计XXXXXXX：1）模拟电路设计2）机械设计3）探头设计4）上位机软件设计2、协作单位及分工。七、计划进度工作进度（按半年度分）主要工作内容2011年4月至2011年10月 关键技术难点分析研究，整机方案确定，部分子系统设计2011年11月至2012年3月FPGA设计，高速光通道电路硬件设计，模拟电路设计，机械加工，仪器样机制作和验证2012年4月至2012年10月系统测试和改进2012年11月至2013年3月把样机交付客户进行现场测试，完成产品开发项目完成后主要考核指标：包括主要技术指标：如形成的专利、新技术、新产品、新装置