摘  要： 車輪作為列車關(guān)鍵受力部件，其健康狀態(tài)對(duì)列車的安全運(yùn)行極其重要。針對(duì)國內(nèi)外目前通用的檢測(cè)方法大多以傳統(tǒng)手持式人工探傷儀為主、操作與檢測(cè)過程較復(fù)雜、準(zhǔn)確度偏低并且耗費(fèi)人力的問題，本文設(shè)計(jì)了一種基于超聲檢測(cè)的多輪對(duì)跟隨式列車車輪自動(dòng)探傷系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有便攜的機(jī)械結(jié)構(gòu)、簡單的操作流程、直觀的圖像顯示，最大程度地解放了人力，大大提高了列車車輪探傷的效率和準(zhǔn)確性。

　　關(guān)鍵詞： 機(jī)車車輪；超聲檢測(cè)；多組輪對(duì)；跟隨式

0 引言

　　多輪對(duì)跟隨式探傷系統(tǒng)是使用超聲探傷技術(shù)自動(dòng)檢測(cè)多組輪對(duì)的輪輞的周向、徑向裂紋的跟隨式探傷系統(tǒng)。其能夠讓列車在不落輪的狀態(tài)下，同時(shí)對(duì)多個(gè)車輪進(jìn)行探傷檢測(cè)，綜合評(píng)價(jià)車輪質(zhì)量狀態(tài)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)危害性缺陷，更好地保障行車安全。其結(jié)構(gòu)小巧，可隨列車攜帶，方便安裝與拆卸；其高效準(zhǔn)確，只需將探測(cè)裝置固定于要探測(cè)的車輪上，列車向前行走一段距離，便可對(duì)多個(gè)車輪完成一次探傷。探傷過程中每個(gè)探測(cè)裝置通過無線傳輸?shù)姆绞綄⑻綔y(cè)數(shù)據(jù)傳輸給主機(jī)，由主機(jī)軟件中的判傷系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行集中處理，形成精確的探傷報(bào)告；其操作簡單，軟件采用一鍵設(shè)置、自動(dòng)探傷的設(shè)計(jì)，沒有復(fù)雜的參數(shù)配置環(huán)節(jié)，并且有歷史數(shù)據(jù)回看功能，便于操作工人使用與維護(hù)。

　　與傳統(tǒng)的人工手持式探傷方式[1]相比，該系統(tǒng)的創(chuàng)新之處在于：（1）最大程度地釋放了工作量，整個(gè)探傷過程只需一個(gè)操作工就可完成，并且最大程度地節(jié)約了探傷所耗費(fèi)的時(shí)間；（2）上手簡單，功能豐富。操作人員無需復(fù)雜的培訓(xùn)環(huán)節(jié)，只需記住操作流程，即可完成探傷操作，并且在該系統(tǒng)上有操作權(quán)限設(shè)置、歷史查詢和歷史數(shù)據(jù)回放功能；（3）探傷結(jié)果精確直觀。手持式探傷儀大多顯示的是A掃圖形，該系統(tǒng)采用A掃、B掃和三維圖同時(shí)顯示，更加直觀并且避免了工作人員因?yàn)槭韬龆礄z測(cè)某些部位情況的出現(xiàn)。

1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

　　系統(tǒng)主要以顯示處理平臺(tái)和采集裝置為核心，如圖1所示，其中采集裝置主要由UT單元和控制板單元組成，另外還有探頭支架和耦合劑噴射裝置，這些都將由系統(tǒng)攜帶的鋰電池負(fù)責(zé)為其提供電源。顯示處理平臺(tái)主要是用來顯示結(jié)果、參數(shù)設(shè)置、處理數(shù)據(jù)和自動(dòng)判傷，它通過無線網(wǎng)的方式與UT單元和控制板通信，分別用于接收超聲探傷數(shù)據(jù)、對(duì)UT單元進(jìn)行參數(shù)配置和發(fā)送控制指令及接受狀態(tài)信息等。檢測(cè)過程中顯示處理平臺(tái)上實(shí)時(shí)顯示所檢測(cè)輪子的A掃和B掃圖形，檢測(cè)完成后顯示處理平臺(tái)將保存原始探傷數(shù)據(jù)、生成檢測(cè)報(bào)告，并在數(shù)據(jù)庫中備份檢測(cè)信息。

2 系統(tǒng)硬件架構(gòu)

　　2.1 系統(tǒng)硬件組成部分

　　系統(tǒng)硬件部分主要由接口控制器和UT控制器組成，如圖2所示，其中接口控制器主要負(fù)責(zé)控制水泵的運(yùn)行，以及監(jiān)測(cè)位置傳感器的狀態(tài)。水泵主要是用來在探傷的過程中噴出耦合劑以利于探頭與車輪的貼合來提高探傷準(zhǔn)確性[2]，位置傳感器用來確定探頭支架是否緊貼車輪的輪廓避免裝置脫落或跑偏對(duì)探傷帶來影響。UT控制器主要用來高速采集探傷數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮處理，編碼器則用來記錄探頭在車輪上移動(dòng)的位置信息以便確定傷痕在車輪上的位置。采集裝置配備了無線通信功能，它可以通過WiFi連接到無線AP網(wǎng)絡(luò)中，與特定IP地址的上位機(jī)取得連接并進(jìn)行相互通信。

　　2.2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)主要是支架部分的設(shè)計(jì)，它主要分為磁力底座、轉(zhuǎn)動(dòng)臂、探頭陣列等。在目前實(shí)驗(yàn)測(cè)試階段，由于車輪是獨(dú)立的，需要加裝固定裝置將支架部分固定，固定裝置將支架固定在鋼軌上，其效果圖如圖3所示。

　　實(shí)驗(yàn)測(cè)試中使用的固定裝置安裝在鐵軌上，用于固定支架。以后的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中不包括此結(jié)構(gòu)，支架可以通過磁力底座直接固定在列車的底座上。

　　磁力底座通過磁力開關(guān)在磁力的作用下固定在列車底座（固定裝置）上，用于固定轉(zhuǎn)動(dòng)臂。磁力底座主要由兩個(gè)磁力開關(guān)組成，其中一個(gè)磁力開關(guān)位置固定，另一個(gè)可以活動(dòng)，以便于尋找合適的位置進(jìn)行固定。當(dāng)磁力開關(guān)處于打開狀態(tài)時(shí)，具有一定的磁力可以吸附在金屬表面固定支架，當(dāng)磁力開關(guān)關(guān)閉后，磁力消失可以用于調(diào)整固定的位置。

　　轉(zhuǎn)動(dòng)臂具有兩個(gè)自由度，可以方便地進(jìn)行伸長和轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)作。其關(guān)節(jié)處采用旋鈕可以方便拆卸和夾緊，關(guān)節(jié)處的貼合面采用波浪紋以防止夾緊后的滑動(dòng)。

　　探頭陣列主要用于固定超聲波探頭和噴水出口，將探頭貼合到車輪的表面。探頭陣列里主要有5個(gè)直探頭和3個(gè)斜探頭[3]，探頭的分步情況為：直探頭位于陣列中間兩行，斜探頭分布于兩側(cè)[4]。探頭陣列上還裝有3個(gè)接近開關(guān)、1個(gè)編碼器和4個(gè)轉(zhuǎn)輪，其中接近開關(guān)用于確認(rèn)探頭陣列放置到位；編碼器用于確定車輪走過的距離；轉(zhuǎn)輪用于車輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)跟隨車輪轉(zhuǎn)動(dòng)使探頭陣列相對(duì)固定而不發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)或偏移。探頭陣列效果圖如圖4所示。

3 系統(tǒng)軟件架構(gòu)

　　3.1 系統(tǒng)軟件功能分析

　　軟件系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)自檢、用戶信息管理、數(shù)據(jù)接收、數(shù)據(jù)分析、顯示結(jié)果、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、自動(dòng)判傷、輸出檢測(cè)報(bào)告等功能。軟件功能分析如圖5所示。

　　3.2 開發(fā)環(huán)境及運(yùn)行環(huán)境

　　本系統(tǒng)擬采用NI公司的LabVIEW軟件作為編程開發(fā)環(huán)境，主要完成數(shù)據(jù)處理、圖形顯示和數(shù)據(jù)管理功能。LabVIEW軟件平臺(tái)能夠很好地支持?jǐn)?shù)字圖表（A掃圖）、二維圖形（B掃圖）的顯示，支持三維圖形的處理和顯示，同時(shí)LabVIEW也能很好地支持Microsoft Access和SQL數(shù)據(jù)庫類型。

　　系統(tǒng)的運(yùn)行環(huán)境為基于X86的Windows操作系統(tǒng)的控制主機(jī)，CPU要求雙核以上，顯卡要求為獨(dú)立顯卡以上。

　　3.3 軟件方案

　　軟件編程方面大致分為以下幾點(diǎn)：

　　（1）根據(jù)列車車輪健康自動(dòng)診斷系統(tǒng)的硬件平臺(tái)選擇移植合適的嵌入式操作系統(tǒng)[5]，搭建自動(dòng)診斷系統(tǒng)的軟件平臺(tái)；

　　（2）了解采集單元的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，編寫軟件實(shí)現(xiàn)軟硬件單元的通信；

　　（3）選擇合適的算法，經(jīng)過仿真實(shí)驗(yàn)后，將算法應(yīng)用到軟件中，完善超聲檢測(cè)過程中缺陷的定性定量分析[6]，在軟件中實(shí)現(xiàn)車輪的A掃和B掃顯示；

　?。?）編寫二維坐標(biāo)到三維坐標(biāo)的轉(zhuǎn)化算法，在軟件中實(shí)現(xiàn)缺陷的三維成像；

　?。?）實(shí)現(xiàn)軟件對(duì)單個(gè)車輪的探傷后，再實(shí)現(xiàn)對(duì)一節(jié)車廂多個(gè)車輪的同時(shí)探傷，并能準(zhǔn)確顯示出探傷結(jié)果；

　?。?）根據(jù)高速列車車輪超聲檢測(cè)的適量數(shù)據(jù)，構(gòu)建可以用于自動(dòng)診斷的數(shù)據(jù)庫，對(duì)經(jīng)過缺陷定性定量處理的數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)分析[7]，作出綜合評(píng)價(jià)，最終對(duì)高速列車車輪的健康提供自動(dòng)診斷的診斷報(bào)告；

　?。?）將高速列車車輪超聲檢測(cè)自動(dòng)診斷的結(jié)果應(yīng)用到列車車輪綜合趨勢(shì)分析[8]，完善高速列車車輪健康自動(dòng)診斷系統(tǒng)的功能。

　　設(shè)計(jì)方案的軟件工作流程如圖6所示，主要分為準(zhǔn)備工作和探傷檢測(cè)兩個(gè)環(huán)節(jié)。

　　在軟件設(shè)計(jì)中還有如下幾個(gè)重要環(huán)節(jié)：

　?。?）在三維缺陷圖的顯示方面，初步設(shè)想按照如下思路進(jìn)行：

　　顯示與操作界面模塊接收到UT單元通過TCP協(xié)議傳輸?shù)牟蓸訑?shù)據(jù)后，首先對(duì)數(shù)據(jù)包解析，將數(shù)據(jù)體和數(shù)據(jù)頭幀分開并分別校驗(yàn)，校驗(yàn)通過后將解析的A掃的數(shù)據(jù)暫存到系統(tǒng)的緩存中，否則再次等待UT上傳采樣數(shù)據(jù)。待A掃數(shù)據(jù)暫存后，根據(jù)設(shè)定的閾值在繪制好輪廓的三維輪餅圖的相應(yīng)位置上標(biāo)注出不同明暗程度或顏色的缺陷，輪餅圖顯示的流程圖如圖7所示。三維輪餅圖可以通過LabVIEW繪圖函數(shù)直接繪制，也可以通過將在AutoCAD或3DMAX中繪制后的三維圖形添加到LabVIEW中，然后在此三維輪餅圖的基礎(chǔ)上繪制探傷后的車輪。

　　（2）在多組輪對(duì)同時(shí)探傷UT與上位機(jī)的通信上，初步設(shè)想按照如下思路進(jìn)行：

　　首先了解UT采集單元的TCP協(xié)議，通過該協(xié)議對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解析實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與一臺(tái)采集單元的通信，然后根據(jù)各個(gè)UT采集單元的不同的IP地址，實(shí)現(xiàn)與連接在交換機(jī)上的多個(gè)UT采集單元的通信。這相當(dāng)于不同IP地址的UT采集單元訪問上位機(jī)的服務(wù)器，這樣就實(shí)現(xiàn)了同時(shí)對(duì)多個(gè)輪對(duì)進(jìn)行采集的目的。

　?。?）對(duì)輪對(duì)探傷數(shù)據(jù)壓縮算法的研究，初步設(shè)想按照如下思路進(jìn)行：

　　首先研究多小波變換的基本理論和相關(guān)特性，對(duì)基于不同預(yù)處理方法的常用多小波分解重構(gòu)并進(jìn)行仿真對(duì)比[9]，選定輪對(duì)探傷數(shù)據(jù)壓縮算法中需要用到的預(yù)處理方法和多小波類型。

　　其次通過比對(duì)分析，選定準(zhǔn)備配合多小波變換進(jìn)行算法設(shè)計(jì)的無損壓縮算法，研究其基本理論。

　　然后依據(jù)選定的預(yù)處理方法、多小波類型以及無損壓縮算法，設(shè)計(jì)一種多小波變換和無損壓縮相結(jié)合的輪對(duì)探傷數(shù)據(jù)壓縮算法，進(jìn)行仿真對(duì)比實(shí)驗(yàn)。

　　最后依據(jù)所設(shè)計(jì)的壓縮算法編寫代碼，將其應(yīng)用到系統(tǒng)硬件平臺(tái)中，根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)試，達(dá)到理想的壓縮效果。

4 結(jié)論

　　本文從硬件組成、硬件架構(gòu)和軟件設(shè)計(jì)方面介紹了一種多輪對(duì)跟隨式探傷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，該系統(tǒng)相比較于目前的列車車輪檢測(cè)裝置將大大提高其檢測(cè)的效率和精確性，對(duì)列車的安全運(yùn)行提供重要保障。同時(shí)希望該系統(tǒng)可以成為列車的一部分，這樣就不再需要操作人員，列車在行進(jìn)過程中就可以進(jìn)行自動(dòng)實(shí)時(shí)檢測(cè)。該系統(tǒng)可以運(yùn)用到各個(gè)領(lǐng)域輪子的探傷中，比如飛機(jī)、汽車等。

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