车轮裂纹检测过程中裂纹特征信息的获取和传输

车轮裂纹检测过程中裂纹特征信息的获取和传输

随着高速铁路向重新开通的发展，对车辆运营安全的要求越来越高。车轮是影响机车车辆运行安全性的一个重要零部件。轮辋(或轮箍)是车轮在使用过程中受力情况最为复杂和易损坏的部位。车轮在制造过程中形成的夹灰、夹渣以及未碾透等内部缺陷,易在使用过程中不断发展和扩大,若不及时发现,很可能在机车车辆中发生轮辋(或轮箍)部分的开裂和脱落,造成重大行车事故。而现场检修通常采用手工探伤,容易产生漏检,且探伤结果很大程度上依赖于操作人员的经验,随机性高。针对以上情况,结合故障诊断、模式识别、超声检测的基本原理和方法,可建立集数据采集、信号处理与缺陷识别、机电控制为一体的车轮裂纹自动检测与诊断系统。基于统计模式识别的设备检测与诊断系统主要由4个部分组成,即数据获取和预处理、特征提取和选择、分类和识别、分析决策和维护管理。其中,数据获取和预处理通过测量、采样、量化、数据转换和校准使来自传感装置的信号变成可以计算的数据;特征提取和选择则是根据系统的性质与要求对原始数据进行提取和选择,正确地获取与系统状态有关的、能够反映系统状态分类本质的特征量。这些特征量是进一步识别和诊断的依据,决定了整个设备检测与诊断系统的准确与否。本文着重讨论车轮裂纹自动检测与诊断系统中车轮裂纹特征信息的获取和数据传输。1超声波换能器组的设计车轮裂纹自动检测与诊断系统采用超声波技术对车轮内部裂纹进行检测。检测系统的前置仪器由超声波换能器和超声仪组成,超声波换能器用于超声波信号和电信号的相互转换,超声仪则负责发射超声波的电信号和对超声波回波的模拟信号进行数字采样,然后将这些数字信号送入工控机做进一步的处理和识别。车轮内部裂纹走向大致有周向和径向两种。统计资料表明,轮辋裂纹以周向为主,轮箍裂纹则以与径向夹角为45°的裂纹为主。因此,超声波换能器的设计与布置应主要针对这两类裂纹,同时兼顾其他走向的裂纹。设计的超声波换能器组包括两个组合换能器和两个45°换能器,组合换能器实际是由0°换能器和45°换能器组成,其布置如图1所示。其中,组合换能器s1/s3发射0°波束w0和-45°波束ω1,换能器s2/s4发射+45°波束w2。同时采用机械扫描的方法来克服超声波换能器组的盲区问题,以确保各种走向的裂纹不被漏检。用于检测超声波换能器是为车轮裂纹检测而专门设计研制的换能器,它在检测过程中与被检车轮踏面是不接触的。由于超声波换能器与车轮踏面之间有约1mm左右的耦合水层,在自动检测过程中,水层是流动的,因此在水层中容易产生波动和气泡等现象,这对超声波的传播是极为不利的。所以在超声仪中专门设计了相应的抗干扰电路和近区干扰抑制电路,较理想地解决了这一问题。对于轮对两侧12个通道的信号采集,超声仪部分采用动态时域供电方式,即在1至12个通道中,给每一个通道有一个互不交叉的供电时间,只在极窄的时间段内,某一通道才打开,而这一通道的打开时间占整个检测一周所需时间的比例是极小的,这样在通道打开之外的时间内所有的干扰信号都可以被抑制,大大地提高了超声仪的抗干扰能力。利用超声技术进行车轮裂纹检测,除判断有无裂纹缺陷外,更主要的目的是确定裂纹特征信息,即缺陷的和大小,进而评价车轮的判废与否。1.1缺陷波f—裂纹缺陷定位在脉冲反射法纵波探伤中,始波T和底波B之间的水平距离代表车轮轮辋(或轮箍)的厚度,缺陷波F到始波T之间的距离则代表了裂纹缺陷相对于车轮踏面的深度,回波波形如图2所示。超声仪电路以高电平脉宽代表裂纹缺陷深度信息。信号处理与缺陷识别系统利用该声程信号可确定裂纹缺陷在待检车轮中的位置。1.2检测方法的确定车轮中裂纹缺陷的类型是多种多样的,在检测过程中影响缺陷大小定量的因素也很多,要想对实际缺陷大小准确定量十分困难。因此在检测中,对于小于声束直的小缺陷采用“当量法”来确定缺陷的相对大小。当量法是建立在超声场中圆形活塞声场的声压分布规律上。所谓缺陷当量,是指在实际缺陷上的反射回波声压,可用与它同声程的某种标准几何反射体上的回波声压来相当,若二者的反射回波声压相等,则认为该人造缺陷与实际缺陷是同当量的。超声仪中通过电平比较电路给出裂纹缺陷大小的幅值等级信号。1.3车轮裂纹特征原始数据的恢复作为被检对象的车轮轮辋(或轮箍)是单一的物理元件,其裂纹特征信息是确定的,可由裂纹的位置参数和缺陷面积当量值来描述。因此,超声仪将超声波换能器接收的回波信号进行数字采样后,可获得车轮裂纹特征的原始数据。但是这些数据信号中可能包含了由于耦合水层气泡、轮辋(或轮箍)底面随机反射以及外界各种干扰等引起的一些错误信息,必须采用数字滤波等措施对原始数据进行处理,进而得到能够正确反映车轮裂纹特征信息的数字量,此时才可以进行缺陷识别和成象。信号处理和缺陷识别过程如图3所示。2车轮裂纹检测向工控机提供声程信号和幅值等级信号基于以上分析,根据现场实际情况,声程信号设计1路,当量等级信号设计为3路,即8个等级。车轮裂纹检测系统的前置仪表进行数据采集和预处理之后,须向工控机提供声程信号和幅值等级信号做进一步的处理和识别。超声仪与工控机之间的数据传输是检测系统中的关键环节之一。直接决定了以后的信号处理和缺陷识别,其可靠性必须加以保证。同时,数据传输又应具有较强的实时性。2.1plc液压超声仪及其输出板的连接工控机通过一块PCL730数字量输入/输出板和一块PLC836计数器板与超声仪进行数据传输。其连接框图如图4所示。其中,PLC730数字量输入/输出板主要用于接收超声仪的中断触发信号和幅值等级信号。PCL836计数器板用于测量声程信号的脉冲宽度,其最大时钟频率为10MHz,故脉宽测量的最小值为0.1μs,可据此计算出裂纹缺陷的定位精度为0.3mm。2.2超声仪显示电路设计为保证超声仪与工控机数据传送的可靠性与实时性,工控机采用中断方式接受数据。超声仪分别给出周期标志和通道标志信号触发中断,由工控机在中断处理程序中控制相应的板卡读取超声仪相应的数据,即1路声程序信号和3路幅值等信号。同时,还应当考虑到前置仪表的故障自检。拟订的工控机与超声仪的通信协议如图5所示。3数据采集方案图5中的时间常数t1?t9取决于超声仪的工作时间、数字量输入/输出板和计数器板的吞吐时间、工控机中断的响应时间以及数据的筛选和存储时间等多方面因素,必须由试验确定。为此,设计了通过计算机并行口直接输出模拟超声仪输出数据信号及工控机控制相关板卡进行数据采集的试验。时间常数t1?t9的确定首先要保证数据的可靠性。程序中可采用一点采多个值取平均的方法,同时,还必须分阶段对所采数据进行判别,以克服低速设备(超声仪和采集板卡)输出的同一数据被高速设备(工控机)作为多次数据采集等错误。另一方面,车轮裂纹检测系统要求在5ms内完成1个周期12个通道的数据采集、筛选和存储,因