崔北祥 中國(guó)鐵路上海局集團(tuán)有限公司上海大型養(yǎng)路機(jī)械運(yùn)用檢修段

1 研究背景及意義

大型養(yǎng)路機(jī)械作業(yè)裝置多，懸掛件和焊結(jié)點(diǎn)多，作業(yè)中振動(dòng)大，車輛運(yùn)行轉(zhuǎn)移頻繁，在溫濕度變化大的露天作業(yè)，這些因素造成應(yīng)力集中部位裂紋和焊縫損傷發(fā)展快。大型養(yǎng)路機(jī)械現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)不及時(shí)，隱性裂紋和未熔合焊縫可能導(dǎo)致連接部件逐步發(fā)展成貫通斷裂，造成部件脫落，給鐵路運(yùn)輸安全帶來(lái)極大風(fēng)險(xiǎn)。因此需要對(duì)大型養(yǎng)路機(jī)械連接處的傷損和焊縫進(jìn)行疲勞監(jiān)測(cè)，預(yù)防事故發(fā)生。

現(xiàn)有的大型養(yǎng)路機(jī)械現(xiàn)場(chǎng)檢修維護(hù)過(guò)程中，傷損、焊縫裂紋檢查主要依靠人工檢查。

人工檢查是通過(guò)目視和敲擊來(lái)判斷，雖然具有簡(jiǎn)單、快速的特點(diǎn)，但在檢修實(shí)踐中也暴露出如下缺點(diǎn)：

①費(fèi)時(shí)、費(fèi)力，人工成本高；

②環(huán)境干擾大，依賴檢測(cè)人員經(jīng)驗(yàn)，判斷準(zhǔn)確性差；

③在車站沿線保養(yǎng)時(shí)，檢查安全風(fēng)險(xiǎn)高，檢查條件差；

④裂紋發(fā)展早期發(fā)現(xiàn)困難，不能對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、分析、追溯，并且在發(fā)生時(shí)無(wú)法預(yù)警。

大型養(yǎng)路機(jī)械懸掛部件多，結(jié)構(gòu)不規(guī)則，空間狹窄，在現(xiàn)場(chǎng)部件不拆解情況下開(kāi)展檢測(cè)，市場(chǎng)現(xiàn)有的渦流檢測(cè)儀的探頭都是短針式，且有效長(zhǎng)度不可調(diào)整，作業(yè)人員很難完成大機(jī)狹窄部位測(cè)量。另外，大型養(yǎng)路機(jī)械在施工作業(yè)后，在沿線車站股道停留組織人員檢查維護(hù)，勞動(dòng)安全風(fēng)險(xiǎn)大，人員使用短針頭式探頭需要進(jìn)入車底工作量大，風(fēng)險(xiǎn)高，操作極不方便，給作業(yè)人員測(cè)量過(guò)程帶來(lái)很大困難。 鑒于以上原因，為保障大型養(yǎng)路機(jī)械上線運(yùn)行安全，需要采用一種適用現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)的新型裂紋檢測(cè)工具代替人工檢查方式。

2 大型養(yǎng)路機(jī)械作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)車輛懸掛件傷損檢測(cè)方式選擇

2.1 大型養(yǎng)路機(jī)械懸掛裝置構(gòu)件傷損檢測(cè)方案選擇

目前，普遍運(yùn)用的傷損、裂紋檢測(cè)手段，主要是利用超聲波檢測(cè)、磁粉探傷技術(shù)、渦流探傷，但超聲波和磁粉檢測(cè)手段專業(yè)性強(qiáng)，表面清潔條件要求高，操作復(fù)雜，遺留磁粉和耦合劑造成污染，并且檢查數(shù)據(jù)不便保存，無(wú)法適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)快速準(zhǔn)確判斷需要。

渦流檢測(cè)是近年來(lái)發(fā)展較快的一種無(wú)損檢測(cè)技術(shù)， 它是以電磁感應(yīng)為基礎(chǔ)的檢測(cè)技術(shù)，檢測(cè)感應(yīng)探頭線圈對(duì)表面開(kāi)口裂紋很靈敏，在表面涂層、潮濕和水底等惡劣環(huán)境下也能開(kāi)展檢測(cè)工作，判斷裂紋的存在，特別適用于鋼鐵焊縫的疲勞裂紋和焊接時(shí)產(chǎn)生的表面應(yīng)力裂紋的檢測(cè)，檢測(cè)系統(tǒng)可以根據(jù)工作條件設(shè)定閾值，提前預(yù)警，提早處置。

渦流傳感器探查焊縫裂紋有如下優(yōu)點(diǎn)：

①結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可根據(jù)需要制成一體檢測(cè)儀，操作直觀簡(jiǎn)便；

②靈敏度高、頻率響應(yīng)特性好；

③沒(méi)有特殊條件限制，適應(yīng)大機(jī)野外作業(yè)快速輔助診斷。

2.2 渦流傷損檢測(cè)原理

渦流傷損檢測(cè)的原理：是基于電磁理論的無(wú)損檢測(cè)方法，將激勵(lì)線圈置于被測(cè)導(dǎo)體的上方，當(dāng)線圈中通入交變電流時(shí)，就會(huì)在激勵(lì)線圈周圍產(chǎn)生一個(gè)交變的磁場(chǎng)φ1，磁場(chǎng)φ1就會(huì)被測(cè)導(dǎo)體表面感應(yīng)出渦流電流。感應(yīng)出的電流也會(huì)產(chǎn)生一個(gè)磁感應(yīng)出的電流i 也會(huì)產(chǎn)生一個(gè)磁感應(yīng)出的電流，i 也會(huì)產(chǎn)生一個(gè)磁場(chǎng)φ2，當(dāng)被測(cè)導(dǎo)體表面存在裂紋時(shí)，磁場(chǎng)φ2的強(qiáng)度就會(huì)發(fā)生改變，磁場(chǎng)φ2會(huì)反作用于激勵(lì)線圈，使得線圈的阻抗發(fā)生變化，通過(guò)分析阻抗的變化，就能得到被測(cè)導(dǎo)體的特定信息。

為適應(yīng)大型養(yǎng)路機(jī)械現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)需求，本文嘗試研究一種手持便攜式渦流檢測(cè)工具，可以在現(xiàn)場(chǎng)對(duì)疑似傷損部件快速檢測(cè)，輔助大機(jī)檢查保養(yǎng)人員發(fā)現(xiàn)發(fā)展的裂紋，消除隱患。探頭具有伸縮調(diào)節(jié)桿、角度可調(diào)整的渦流探傷工具，便于現(xiàn)場(chǎng)檢查人員使用，快速檢測(cè)焊縫、應(yīng)力集中部位，快速診斷裂損情況，為大型養(yǎng)路機(jī)械上線運(yùn)行安全提供專業(yè)化技術(shù)保障。

3 渦流手持桿狀探傷儀設(shè)計(jì)方案

3.1 桿狀可調(diào)節(jié)渦流檢測(cè)工具結(jié)構(gòu)

圖1 桿狀手持式傷損檢測(cè)儀

桿狀手持傷損檢測(cè)工具（本文后文統(tǒng)稱桿式檢測(cè)儀）如圖1 所示。檢測(cè)工具由可調(diào)節(jié)由探頭、調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、調(diào)節(jié)桿、握桿四部分組成，通過(guò)尾端電纜與主機(jī)箱連接，檢修人員根據(jù)探測(cè)焊縫位置調(diào)整調(diào)節(jié)桿，鎖緊螺釘在定位孔定位后，移動(dòng)探頭接近疑似裂損部位，可實(shí)現(xiàn)以下功能：

①檢測(cè)焊縫和應(yīng)力集中部位，數(shù)據(jù)采集和處理；

②可對(duì)檢測(cè)靈敏度進(jìn)行設(shè)置，設(shè)定報(bào)警門坎閾值；

③對(duì)探測(cè)疑似部位，可調(diào)整探頭交變磁場(chǎng)頻率；

④存儲(chǔ)記錄功能，對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、顯示。

傷損渦流檢測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)手持式檢測(cè)設(shè)備，體積小、重量輕、精度高、維護(hù)簡(jiǎn)單，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益。

3.2 實(shí)現(xiàn)檢測(cè)控制的過(guò)程

3.2.1 傷損檢測(cè)采集信號(hào)處理過(guò)程

根據(jù)大型養(yǎng)路機(jī)械應(yīng)用檢測(cè)適用等級(jí)，確定檢測(cè)利用單片機(jī)控制產(chǎn)生交流電流源去驅(qū)動(dòng)激勵(lì)線圈，設(shè)定裂紋發(fā)展量與激勵(lì)、檢測(cè)傳感器探頭電磁值變化對(duì)應(yīng)關(guān)系，獲得線圈探頭的測(cè)量值響應(yīng)曲線；由信號(hào)檢測(cè)調(diào)理檢測(cè)線圈采集的信號(hào)，經(jīng)混頻電路解調(diào)出有效信號(hào)的幅值和相位差信息，微處理器進(jìn)行分析處理，提取特征值，最終得到焊接處裂紋的信息。

由于檢測(cè)線圈輸出的信號(hào)很微弱，一般在mV 級(jí)別，而由裂紋引起的幅值變化更加微小，處于uV 級(jí)別，且信號(hào)中往往還包含諸多干擾信號(hào)。因此需要對(duì)檢測(cè)線圈輸出的信號(hào)進(jìn)行放大濾波處理，系統(tǒng)利用兩級(jí)放大電路對(duì)檢測(cè)線圈輸出的信號(hào)進(jìn)行放大。再利用低通濾波電路濾除電路中的高頻干擾，我們通過(guò)抑制干擾源、切斷干擾傳播路徑，以及提高敏感元件抗干擾性能加以解決。探頭檢測(cè)示意圖如圖2 所示。

圖2 探頭檢測(cè)示意圖

如圖2 所示，系統(tǒng)利用DDS 芯片產(chǎn)生高精度壓控交流電流源信號(hào)，從而保證激勵(lì)信號(hào)的準(zhǔn)確度，測(cè)量系統(tǒng)通過(guò)將檢測(cè)量與系統(tǒng)基準(zhǔn)值進(jìn)行比較，判斷當(dāng)前值是否超出監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)定范圍（根據(jù)不同數(shù)據(jù)性質(zhì)，可預(yù)先調(diào)整允許偏差值。

3.2.2 檢測(cè)電路工作模式

設(shè)備自檢進(jìn)入工作狀態(tài)后如圖3，單片機(jī)通過(guò)采集檢測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)，與設(shè)定基準(zhǔn)值比較后，可以選擇各輸入量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、顯示、報(bào)警，也可以選擇綜合組合狀態(tài)處置，對(duì)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行處理，控制過(guò)程包括：設(shè)備底層驅(qū)動(dòng)指令集、系統(tǒng)各部件流程控制程序、結(jié)果顯示和處理程序等。

圖3 檢測(cè)流程圖

3.2.3 檢測(cè)系統(tǒng)的電路構(gòu)成

圖4為檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。桿式檢測(cè)儀檢測(cè)電路主要由渦流數(shù)據(jù)采集單元、數(shù)據(jù)處理單元、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元、顯示單元和報(bào)警單元組成。檢測(cè)人員使用桿狀探頭檢測(cè)焊縫，數(shù)據(jù)采集單元將采集的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳送給數(shù)據(jù)處理單元，數(shù)據(jù)處理單元根據(jù)檢測(cè)結(jié)果與之前配置的異常判定標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較，得到檢測(cè)結(jié)果，通過(guò)嵌入式顯示模塊顯示，在超出基準(zhǔn)值時(shí)實(shí)時(shí)給出預(yù)警。

圖4 檢測(cè)系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)框圖

檢測(cè)儀可調(diào)節(jié)相應(yīng)參數(shù)，即時(shí)測(cè)量，探頭角度可調(diào)整 ，渦流檢測(cè)信號(hào)回放、分析、存盤、打印，可對(duì)各種金屬部件和鐵磁性焊縫裂紋檢測(cè)。探傷工作準(zhǔn)備時(shí)，檢測(cè)人員可以在軟件系統(tǒng)中對(duì)測(cè)量位置進(jìn)行配置，為后續(xù)異常判定提供基準(zhǔn)數(shù)據(jù)，包括基準(zhǔn)值、上限值。檢測(cè)工作開(kāi)始時(shí)，由渦流傳感器采集渦流磁場(chǎng)感應(yīng)的電流變化，經(jīng)過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換傳送給信號(hào)處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，并根據(jù)之前的配置，實(shí)時(shí)顯示具體檢測(cè)的數(shù)據(jù)波動(dòng)趨勢(shì)。如果檢測(cè)到被測(cè)部件焊縫存在裂紋，超出設(shè)定限值會(huì)進(jìn)行聲光指示報(bào)警。檢測(cè)儀的渦流檢測(cè)信號(hào)可回放、分析、存盤、打印，檢測(cè)儀可對(duì)各種金屬部件和鐵磁性焊縫裂紋檢測(cè)。檢測(cè)儀也可根據(jù)需要連接大數(shù)據(jù)平臺(tái)，進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控、分析，對(duì)檢測(cè)探頭獲取的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)存儲(chǔ)，調(diào)取分析。整體檢測(cè)方案如圖5所示。

圖5 整體檢測(cè)方案圖

也可建立數(shù)據(jù)采集監(jiān)控，進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控、分析，對(duì)檢測(cè)探頭獲取的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)存儲(chǔ)，調(diào)取分析，探頭可組合攝像頭或測(cè)溫設(shè)備，實(shí)現(xiàn)多項(xiàng)功能融合。

4 渦流手持桿狀探傷儀試用實(shí)踐

現(xiàn)已在上海大機(jī)運(yùn)用檢修段軌道車檢修車間年修的大型養(yǎng)路機(jī)械P95 上進(jìn)行試驗(yàn)，桿狀探頭能適應(yīng)有限狹窄結(jié)構(gòu)的焊縫，對(duì)確定的風(fēng)險(xiǎn)較高的38 處焊縫均能有效探查，可及率100%，數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 檢測(cè)數(shù)據(jù)

試驗(yàn)結(jié)果表明，本探傷儀預(yù)期檢測(cè)效果得到驗(yàn)證，探傷設(shè)備具備實(shí)用價(jià)值。

5 總結(jié)和展望

本文對(duì)大型養(yǎng)路機(jī)械現(xiàn)場(chǎng)使用防裂損現(xiàn)狀進(jìn)行分析 ，結(jié)合大機(jī)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)用需求，提出采取渦流檢測(cè)方式解決大機(jī)現(xiàn)場(chǎng)人工傷損焊縫檢查保養(yǎng)存在的不足，研究開(kāi)發(fā)手持式桿狀檢測(cè)儀。

隨著檢修技術(shù)的發(fā)展，鐵路安全要求的提高，大型養(yǎng)路機(jī)械現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)保養(yǎng)精準(zhǔn)化檢修成為必然趨勢(shì)，大機(jī)各部件結(jié)構(gòu)狀態(tài)數(shù)據(jù)化分析，本論文正是適應(yīng)這一變化針對(duì)性研究。

在建立大機(jī)各部件焊縫快速檢測(cè)的基礎(chǔ)上，可以實(shí)現(xiàn)在線傳輸、分析，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程后臺(tái)監(jiān)控，時(shí)時(shí)分析，完成對(duì)傷損部位準(zhǔn)確判定，達(dá)到狀態(tài)全壽命管理，大型養(yǎng)路機(jī)械精確化維護(hù)也能隨之建立。