李鵬展，王亞坤，汪開燦，康 磊，王淑娟

（哈爾濱工業(yè)大學(xué) 軍用電器研究所，哈爾濱 150001）

列車輪對(duì)作為承載列車運(yùn)行的重要部件，在列車運(yùn)行時(shí)，受撞擊、循環(huán)應(yīng)力、摩擦、高低溫等影響，易產(chǎn)生裂紋、剝離、擦傷等傷損現(xiàn)象。在這些傷損中，裂紋缺陷危害最為嚴(yán)重，一旦裂紋深度超過6mm，列車輪對(duì)則面臨迅速崩裂的危險(xiǎn)［1］。1998年6月，一向以安全可靠著稱的德國高速列車ICE發(fā)生了轟動(dòng)世界的列車傾覆事故，造成大量人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。同年8月，我國江岸544－8081次貨車發(fā)生脫軌事件。經(jīng)分析，這兩起事故都是由于輪對(duì)踏面的疲勞裂紋導(dǎo)致的［2］。因此，需要對(duì)在役輪對(duì)進(jìn)行定期檢修。

最初，通過用錘子敲擊車輪聽其聲音有無異常的方法來判斷車輪內(nèi)部有無缺陷，這種方法操作簡(jiǎn)單，但漏檢、誤檢率高。為了減少因漏檢而導(dǎo)致的列車事故損失，研究出了將輪對(duì)拆卸后進(jìn)行探傷的方法，包括渦流探傷法、壓電超聲探傷法等，這些方法能夠準(zhǔn)確地檢測(cè)出輪對(duì)踏面?zhèn)麚p，但其需要對(duì)輪對(duì)進(jìn)行拆裝，檢測(cè)效率低。近年來逐漸興起的列車輪對(duì)在線探傷方法，可以對(duì)行進(jìn)中的列車輪對(duì)進(jìn)行探傷，操作簡(jiǎn)單，探傷效率高。因此，在線探傷方法必將是未來輪對(duì)探傷的發(fā)展趨勢(shì)。

列車在線運(yùn)行速度快，即使在進(jìn)出站過程中，平均速度也要達(dá)5km·h－1。因此，要實(shí)現(xiàn)列車輪對(duì)的在線探傷，探傷方法需具有快速的特點(diǎn)。表面波沿試件表面?zhèn)鞑?，?duì)試件表面聲阻抗變化敏感，適合于表面及近表面的缺陷檢測(cè)；表面波傳播速度可達(dá)3000m·s－1，適合于快速檢測(cè)［3］。電磁超聲換能器（EMAT）可以方便地激發(fā)電磁超聲表面波［4］，但單個(gè)換能器探傷存在盲區(qū)，因此，需要多個(gè)換能器才能實(shí)現(xiàn)無盲區(qū)探傷。

早在20世紀(jì)70年代初，國際上就開始了利用超聲法進(jìn)行車輪在線探傷的實(shí)驗(yàn)室研究。1995年，美國的A.V.Clark等人在實(shí)驗(yàn)室中對(duì)拆卸的輪對(duì)進(jìn)行了探傷［5］。2000 年，美國的Tittmann等人研究了提離效應(yīng)對(duì)該系統(tǒng)接收信號(hào)的影響，從而為該技術(shù)在列車輪對(duì)探傷領(lǐng)域的應(yīng)用提供了理論基礎(chǔ)［6］。德國弗朗霍菲無損檢測(cè)研究所與德國鐵路公司聯(lián)合研制出了可以對(duì)輪對(duì)進(jìn)行在線探傷的AUROPA 系統(tǒng)，該系統(tǒng)已經(jīng)成功應(yīng)用于包括中國、俄羅斯、德國在內(nèi)的十多個(gè)國家［7］。

西南交通大學(xué)光電研究所與德國弗朗霍菲無損檢測(cè)研究所合作，引進(jìn)了AUROPA III系統(tǒng)，應(yīng)用在鄭州、青島等車輛段［8］。哈爾濱工業(yè)大學(xué)的趙再新、康磊、米武軍等，設(shè)計(jì)基于電磁超聲的列車輪對(duì)踏面探傷系統(tǒng)，但是僅停留在試驗(yàn)階段，并沒有相關(guān)產(chǎn)品問世［9－10］。

筆者以輪對(duì)踏面?zhèn)麚p的在線檢測(cè)為目的，設(shè)計(jì)了輪對(duì)踏面的在線探傷系統(tǒng)，并為提高傷損檢測(cè)效果對(duì)電磁超聲換能器的參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。

1 在線探傷系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

系統(tǒng)利用六通道電磁超聲檢測(cè)裝置對(duì)在線列車輪對(duì)踏面進(jìn)行無盲區(qū)探傷，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

裝有電磁超聲探頭的機(jī)械裝置安裝在鋼軌軌頭的弧狀切口處，使得電磁超聲探頭與輪對(duì)踏面有盡可能大的正對(duì)面積。同一側(cè)鋼軌上的探頭相隔一定距離放置，實(shí)現(xiàn)盲區(qū)互補(bǔ)；不同側(cè)鋼軌上的探頭交錯(cuò)放置，以保證鋼軌的機(jī)械強(qiáng)度。在探頭之前，放置有速度測(cè)量模塊，以保證輪對(duì)與探頭接觸時(shí)，系統(tǒng)發(fā)射表面波對(duì)輪對(duì)踏面進(jìn)行探傷。在整個(gè)系統(tǒng)之前，另外放置一個(gè)速度測(cè)量模塊，控制整個(gè)系統(tǒng)上電，使得裝置在沒有列車經(jīng)過時(shí)不工作。

單個(gè)電磁超聲換能器的工作原理示意圖如圖2所示。系統(tǒng)利用反射法對(duì)輪對(duì)踏面的傷損進(jìn)行檢測(cè)。由于超聲波傳播速度遠(yuǎn)大于列車的運(yùn)行速度，因此它可在車輪表面?zhèn)鞑?shù)周。通過對(duì)接收信號(hào)的分析處理，即可得到輪對(duì)表面的傷損信息。

基于電磁超聲的列車輪對(duì)踏面探傷系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。該系統(tǒng)主要由四部分組成，包括：發(fā)射接收電路、電磁超聲換能器、FPGA 及其外圍電路和上位機(jī)數(shù)據(jù)處理部分。

發(fā)射接收電路及電磁超聲換能器完成電磁超聲表面波的發(fā)射和接收功能；FPGA 及其外圍電路完成對(duì)發(fā)射和接收電路的控制功能及數(shù)據(jù)的采集和傳輸功能；上位機(jī)數(shù)據(jù)處理部分完成數(shù)據(jù)和結(jié)果顯示功能。

圖1 輪對(duì)踏面在線探傷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

圖2 單個(gè)換能器的工作原理示意圖

圖3 電磁超聲在線探傷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 裝置硬件設(shè)計(jì)

基于電磁超聲的列車輪對(duì)踏面在線探傷裝置的硬件電路包括電磁超聲換能器（EMAT）、電磁超聲發(fā)射接收電路、現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列（FPGA）及其外圍電路以及速度測(cè)量模塊等。

2.1 電磁超聲換能器設(shè)計(jì)

EMAT 由磁鐵、線圈及被測(cè)試件三部分組成。被測(cè)試件為列車輪對(duì)，因此，電磁超聲換能器的設(shè)計(jì)包括磁鐵設(shè)計(jì)和線圈設(shè)計(jì)兩部分。

磁鐵在EMAT 系統(tǒng)中的作用非常重要。試驗(yàn)表明，磁場(chǎng)強(qiáng)度越大，接收信號(hào)越強(qiáng)［11］。因此，選用剩磁可達(dá)1.42T 的N52型銣鐵硼永磁體。

目前用于激發(fā)電磁超聲波的線圈主要有骨架線圈和PCB線圈兩種。為了提高EMAT 換能效率，系統(tǒng)選用一發(fā)一收模式的骨架線圈。

2.2 電磁超聲發(fā)射接收電路設(shè)計(jì)

EMAT 換能效率低，為了提高接收信號(hào)的強(qiáng)度，發(fā)射電路必須具有大的發(fā)射功率。發(fā)射電路采用D 類功率放大結(jié)構(gòu)，增大電流的輸出能力；線圈之前加入匹配電路，以增大線圈上的輸出功率。

EMAT 對(duì)周圍環(huán)境噪聲敏感，信號(hào)常常淹沒在噪聲之中，噪聲包括電子器件的熱噪聲、有源器件的散粒噪聲、電網(wǎng)的工頻噪聲以及外界環(huán)境中的高頻電磁干擾等［12］。系統(tǒng)的接收電路采用多級(jí)高通濾波放大電路及選頻電路，將接收信號(hào)從含噪聲的信號(hào)中提取出來。

2.3 FPGA及其外圍電路

FPGA 及其外圍電路完成對(duì)發(fā)射電路的控制、接收數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集及數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ?，其結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。數(shù)據(jù)采集電路采用AD 公司的高速數(shù)模轉(zhuǎn)換器AD9224，其12位采樣精度及40MSPS的采樣率可以滿足檢測(cè)的要求。數(shù)據(jù)傳輸電路利用USB將FPGA采集的數(shù)據(jù)傳輸給上位機(jī)，以滿足實(shí)時(shí)處理的要求。USB控制器采用CY7C68013A－56。

圖4 FPGA 及其外圍電路結(jié)構(gòu)框圖

2.4 速度測(cè)量模塊設(shè)計(jì)

速度測(cè)量模塊利用兩個(gè)相隔距離固定的對(duì)射式光電傳感器對(duì)列車速度進(jìn)行測(cè)量。當(dāng)列車經(jīng)過時(shí)，光電傳感器給FPGA 觸發(fā)信號(hào)，通過兩個(gè)光電傳感器觸發(fā)信號(hào)的時(shí)間信息，可以計(jì)算出列車運(yùn)行的速度和加速度。速度測(cè)量模塊與電磁超聲探頭距離固定，通過計(jì)算得到的速度和加速度信息，即可確定表面波的發(fā)射時(shí)間。

2.5 電磁超聲換能器優(yōu)化

EMAT 優(yōu)化方法主要有建模法和實(shí)驗(yàn)法。目前，普遍使用的是以洛倫茲力和聲場(chǎng)分布為優(yōu)化目標(biāo)的建模仿真方法。筆者設(shè)計(jì)將以檢測(cè)實(shí)際缺陷的回波效果為優(yōu)化目標(biāo)的實(shí)驗(yàn)法對(duì)EMAT 進(jìn)行優(yōu)化，它將更加符合實(shí)際工程需要。

為了便于分析，筆者以鋼板上缺陷回波信號(hào)的幅值為實(shí)驗(yàn)指標(biāo)觀察值，通過正交試驗(yàn)方法確定EMAT 線圈的最優(yōu)參數(shù)，并獲得各參數(shù)對(duì)優(yōu)化目標(biāo)的影響規(guī)律。

以缺陷回波的幅值為研究對(duì)象，考慮匝數(shù)n，每匝導(dǎo)體繞線數(shù)m，導(dǎo)線長度l三個(gè)影響因素，利用正交表L9（34）進(jìn)行正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)。根據(jù)待檢測(cè)的輪對(duì)踏面尺寸、線圈制作工藝等確定各因素的取值范圍。n：6～10、m：8～16、l：25～45mm。3個(gè)因素各取3個(gè)水平，其正交表如表1所示。按照表1中的9組參數(shù)制作線圈進(jìn)行試驗(yàn)，可以得到表1中的接收信號(hào)幅值yi。為了確定最佳的EMAT 線圈參數(shù)，對(duì)正交試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行極差分析，計(jì)算因子各水平試驗(yàn)指標(biāo)觀察值的平均值Nkj及各因子極差Rj。根據(jù)極差分析的結(jié)果即可得到各因素對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的影響規(guī)律。

表1 EMAT線圈正交試驗(yàn)表

從正交試驗(yàn)的分析結(jié)果可以看出，匝數(shù)n和每匝導(dǎo)體數(shù)m對(duì)接收信號(hào)的影響顯著，為主要因子。在一定范圍內(nèi)，增加線圈的匝數(shù)和減小每匝導(dǎo)體數(shù)可明顯提高接收信號(hào)的強(qiáng)度；導(dǎo)線長度對(duì)接收信號(hào)的影響相對(duì)較小，為次要因子，可根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行選擇，考慮到增加導(dǎo)線長度可以有效地減小檢測(cè)盲區(qū)。因此，取線圈匝數(shù)n為10，每匝導(dǎo)體數(shù)m為8，導(dǎo)線長度l為45mm。

對(duì)優(yōu)化后的線圈進(jìn)行試驗(yàn)，與優(yōu)化前的線圈試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖5所示?？梢钥闯?，接收信號(hào)幅值約為原來的1.25倍。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

探傷裝置的軟件設(shè)計(jì)包括FPGA 發(fā)射及數(shù)據(jù)采集控制、數(shù)據(jù)傳輸和上位機(jī)數(shù)據(jù)處理及結(jié)果顯示等幾部分。上位機(jī)界面采用LabWindows CVI軟件編寫，其界面如圖6所示。主要功能包括：對(duì)接收信號(hào)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)并進(jìn)行互相關(guān)同步檢波處理；可以利用上位機(jī)界面觀察接收的原始波形以及處理后的波形。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證輪對(duì)踏面探傷裝置探傷的有效性，對(duì)直徑為840mm 的客車輪對(duì)踏面上長約10mm，深約2mm 的裂紋進(jìn)行動(dòng)態(tài)探傷實(shí)驗(yàn)。

測(cè)量發(fā)射線圈上的電壓和電流信號(hào)，可得發(fā)射電壓峰峰值達(dá)5.6kV，發(fā)射電流峰峰值達(dá)60 A。由測(cè)得的數(shù)據(jù)可以計(jì)算出，發(fā)射功率可達(dá)5kW。線圈上的發(fā)射電壓波形如圖7所示。

利用上位機(jī)對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行顯示并進(jìn)行互相關(guān)同步檢波處理，以滿足實(shí)際工作環(huán)境的需求。經(jīng)過上位機(jī)互相關(guān)同步檢波處理后，同一側(cè)三個(gè)探頭探傷結(jié)果如圖8所示。

由于鋼軌踏面的裂紋傷損剛好在第一個(gè)探頭附近，所以第一個(gè)探頭的探傷結(jié)果中只有透射波，沒有傷損回波（如圖8（a）所示）。而第二個(gè)和第三個(gè)探頭的探傷結(jié)果中既有透射波，也有傷損回波，如圖8（b），8（c）所示。

試驗(yàn)結(jié)果表明，利用設(shè)計(jì)的探傷裝置可以對(duì)輪對(duì)踏面的裂紋傷損進(jìn)行有效檢測(cè)，但由于發(fā)射信號(hào)主沖擊以及近場(chǎng)盲區(qū)的存在，每個(gè)探頭都存在一定的檢測(cè)盲區(qū)。而相隔一定距離的探頭可以實(shí)現(xiàn)可檢區(qū)域的互補(bǔ)。因此，多個(gè)探頭相互配合可以實(shí)現(xiàn)輪對(duì)踏面的全面檢測(cè)，消除盲區(qū)。

另外，輪對(duì)進(jìn)行了不同速度下的動(dòng)態(tài)試驗(yàn)。由于受試驗(yàn)條件限制，在小于10km·h－1的速度下，裝置能夠?qū)麚p進(jìn)行有效檢測(cè)。

5 結(jié)論

筆者研制了基于電磁超聲的列車輪對(duì)踏面在線探傷裝置，通過六通道的探頭布置實(shí)現(xiàn)了輪對(duì)踏面的全面探傷；采用正交試驗(yàn)方法，優(yōu)化了電磁超聲換能器，信號(hào)幅值提高了約1.25倍。試驗(yàn)表明，探傷裝置能夠?qū)唽?duì)踏面上長10mm，深約2mm 的裂紋缺陷進(jìn)行有效在線探傷。該裝置的研制對(duì)于提高列車行車安全具有重要意義，應(yīng)用前景廣闊。

［1］ 師蔚.通過式軌道車輛車輪無損檢測(cè)裝置的研究［D］.上海：同濟(jì)大學(xué)，2005.

［2］ 史海濱，蔣齊密.開發(fā)火車輪自動(dòng)在線檢測(cè)系統(tǒng)的緊迫性［J］.無損探傷，2001（3）：21－23.

［3］ WANG Shu－Juan，KANG Lei，LI Zhi－Chao，et al.3－D modeling and analysis of meander－line－coil surface wave EMATs［J］.Mechatronics，2012，22：653－660.

［4］ MacLauchlan D，Clark S，CoxB.Recent Advancements in the Application of EMATs to NDE［C］／／16th World Conference on NDT.Montreal，Canada：［s.n］，2004.

［5］ CLARK A V，SCHRAMM R E，SCHAPSS R.Safety Assessment of Railroad Wheels Through Roll－by De－tection of Tread Cracks［C］／／Proceedings of Society of Photo－Optical Instrumentation Engineers Conference on Nondestructive Evaluation of Aging Railroads，Oakland：［s.n］，1995.

［6］ TITTMANN B，ALERS R，LERCH R.Ultrasonics for Locomotive Wheel Integrity［C］／／2000IEEE Ultrasonics Symposium，Caribe Hilton：［s.n］，2000.

［7］ HANS－Juergen SALZBURGER，Li WANG，Xiaorong GAO.In－Motion Ultrasonic Testing of the Tread of High－Speed Railway Wheels using the Inspection System AUROPA III［C］／／17th World Conference on Nondestructive Testing，Shanghai China： ［s.n］，2008.

［8］ 彭瑾，戴立新，王黎.電磁超聲探傷技術(shù)及其在車輪檢測(cè)中的應(yīng)用［J］.中國鐵路，2009（11）：64－67.

［9］ 王淑娟，康磊，趙再新，等.電磁超聲換能器的研究進(jìn)展綜述［J］.儀表技術(shù)與傳感器，2006（5）：47－50.

［10］ 米武軍，康磊，王淑娟，等.基于FPGA 的輪對(duì)踏面電磁超聲在線檢測(cè)系統(tǒng)［J］.無損檢測(cè)，2010，32（7）：519－523.

［11］ 王淑娟，康磊，李智超，等.電磁超聲換能器三維有限元分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)［J］.中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2009，29（30）：123－128.

［12］ 王淑娟，康磊，翟國富，等.電磁超聲換能器的微弱信號(hào)檢測(cè)［J］.無損檢測(cè)，2007，29（10）：591－595.