文章编号：１００１—９９４４（２０１４）０１—０００１．０５　

实心车轴超声自动探伤系统的设计与实现　

邹　诚　，孙振国　，杜学刚　

（１．清华大学机械工程系，北京１０００８４；２．博力加机电技术发展中心，北京１０００８５）　

摘要：为提高机车车轴超声探伤的效率和可靠性。该文针对已有车轴超声自动探伤系统的　不足，进行了系统改进设计和研究。本系统采用双通道Ｐｌ步探伤模式．每个通道采用两种　弧形表面的超声波探头，在工控机（进行数据采集与分析）和ＰＬＣ（实现探伤过程自动控制）　相结合的基础上改进设计和实现了自动控制系统的系统结构和软件结构，提高了软件的　可靠性，增强了软件的操作友好性　可以有效地提高车轴超声波自动探伤系统的工作效　率，满足了轨道交通车辆生产企业对车轴超声自动化检测系统的需求。　关键词：机车车轴；超声自动探伤；多线程；双通道探伤　中图分类号：ＴＨ７０２　文献标志码：Ｂ　

Ｄｅｓｉｇｎ　ａｎｄ　Ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ａｕｔｏｍａｔｉｃ　Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ　Ｉｎｓｐｅｃｔｉｏｎ　Ｓｙｓｔｅｍ　ｆｏｒ　Ｓｏｆｉｄ　Ａｘｌｅｓ　

ＺＯＵ　Ｃｈｅｎｇ。，ＳＵＮ　Ｚｈｅｎ—ｇｕｏ　，ＤＵ　Ｘｕｅ—ｇａｎｇ　

（１．Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ　ｏｆ　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｔｓｉｎｇｈｕａ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ　１０００８４，Ｃｈｉｎａ；２．Ｂｅｉｊｉｎｇ　ＢＯＬＥＣＡ　Ｍｅｃｈａｎｉｃｓ　ａｎｄ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ　Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ＣＯ．，ＬＴＤ．，Ｂｅｉｊｉｎｇ　１０００８５，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ　ｏｒｄｅｒ　ｔｏ　ｉｍｐｒｏｖｅ　ｔｈｅ　ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ　ａｎｄ　ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ　ｉｎｓｐｅｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ａｘｌｅｓ，ａ　ｃｅｒｔａｉｎ　ｏｆ　ｉｍｐｒｏｖｅｄ　ｄｅｓｉｇｎ　ａｎｄ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｗｅｒｅ　ｃａｒｒｉｅｄ　ｏｕｔ　ｔｏ　ｒｅｓｏｌｖｅ　ｔｈｅ　ｓｈｏｒｔ　ｏｆ　ｅｘｉｓｔｉｎｇ　ｓｙｓｔｅｍｓ．Ｔｈｉｓ　ｓｙｓｔｅｍ　ｅｍｐｌｏｙｓ　ｄｕａｌ－ｃｈａｎｎｅｌ　ｉｎ—　ｓｐｅｃｔｉｏｎ　ｍｏｄｅ，ｗｈｉｃｈ　ｗｏｒｋｓ　ｓｉｍｕｌｔａｎｅｏｕｓｌｙ．Ｅａｃｈ　ｃｈａｎｎｅｌ　ｈａｓ　ｔｗｏ　ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ　ｐｒｏｂｅｓ　ｗｉｔｈ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｓｕｒｆａｃｅ　ａｒｃ．Ｏｎ　ｔｈｅ　ｂａｓｉｓ　ｏｆ　ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ　ｃｏｍｐｕｔｅｒ，ｗｈｉｃｈ　ｃｏｌｌｅｃｔｓ　ｄａｔａ　ａｎｄ　ａｎａｌｙｚｅｓ，ａｎｄ　ＰＬＣ，ｗｈｉｃｈ　ｃａｒｒｉｅｓ　ｏｕｔ　ｔｈｅ　ａｕｔｏｍａｔｉｃ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｐｒｏｃｅｓｓ，　ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｄｅｖｅｌｏｐｓ　ｔｈｅ　ｓｙｓｔｅｍ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｓｏｆｔｗａｒｅ　ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ，ＳＯ　ａｓ　ｔｏ　ｉｍｐｒｏｖｅ　ｔｈｅ　ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ　ａｎｄ　ｆｒｉｅｎｄｌｙ　０ｐ—　ｅｒａｔｉｏｎ．Ｉｔ　ｃａｎ　ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ　ｉｍｐｒｏｖｅ　ｔｈｅ　ｉｎｓｐｅｃｔｉｏｎ　ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ　ａｎｄ　ｓａｔｉｓｆｙ　ｔｈｅ　ｎｅｅｄｓ　ｏｆ　ｒａｉｌ　ｔｒａｎｓｐｏｒａｔｉｏｎ　ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅｒｓ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｌｏｃｏｍｏｔｉｖｅ　ａｘｌｅｓ；ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ　ａｕｔｏｍａｔｉｃ　ｉｎｓｐｅｃｔｉｏｎ；ｍｕｌｔｉｔｈｒｅａｄ；ｄｕａｌ－ｃｈａｎｎｅｌ　ｉｎｓｐｅｃｔｉｏｎ　

随着我国既有铁路线路的快速发展、普通客运　列车的大面积提速、货运机车载重的不断增加．对　

车辆走行部件的质量也提出了更高的要求。车轴是　

车辆稳定运行的重要部件，在运行过程中，车轴承　

受频繁交替载荷的作用，是一种典型的易疲劳件，　

一旦车轴中出现了损伤，并在交变应力的作用下发　

生疲劳扩展．严重的情况下，会导致脱轨事故，极易　

造成巨大的生命财产损失。因此，需要采用先进的探　伤技术，对车轴进行定期检查Ⅲ。我国提出的标准［２１　

规定，需对车轴进行径向超声探伤，而我国机车车　

轴以往大部分采用手工探伤．不仅检测效率低、劳　动强度高。而且探伤可靠性和准确性难以保证，易　

造成漏探和误探。文献『３—４１ｑｈ分别研制的超声波自　

动探伤系统在一定程度上满足了超声自动探伤作　业的需要。但是，随着生产效率不断提升以及生产　

中不断提出新的需求，本文对机械结构、系统结构　

收稿日期：２０１３—１０一ｌ１：修订日期：２０１３—１０—２２　作者简介：邹诚（１９８７一），男，在读博士研究生，研究方向为自动化无损检测；孙振国（１９７１一），男，工学博士，副教授，研究　方向为光机电一体化、无损检测设备。　

自动亿ｓ仪表２ｏｚ４￣）　

■　以准确地实现探头与车轴表面的耦合。如图２所　示，当探头架向下移动的过程中，探头架上的随动　

轮首先与车轴表面接触，然后探头架继续向下运　

动，随动轮弹簧压缩，直到超声波探头座的底面与　车轴接触，然后根据程序设定的压紧距离．探头架　

继续向下运动，将第二级弹簧压缩到合适的程度．　

这样可以保证探头与车轴表面能够较好地偶合在　

一起。本探伤系统采用专用于车轴探伤的圆弧面　

超声探头，探伤时探头弧面与轴段弧面间保持至少　１　ｍｍ的问隙。耦合液从探头和探头底座之间的缝隙　

中流出，浸润车轴表面．并在探头与车轴之间的间　

隙中形成一层耦合液。这样设计不仅能有效提高探　伤耦合效果，而且也在超声传播路径上加入了聚焦　

环节，减小发射超声波束的扩散角，增大声束的能　

量密度。对于直径较大的轴段，采用弧面曲率大的　探头．而对于直径较小的轴段。则采用弧面曲率小　

的探头　

鼓　

（ａ）随动轮接触车轴表面（ｂ）探头接触车轴表面（ｃ）施加耦合预紧压力　

图２超声波探头与车轴表面接触动作控制　Ｆｉｇ．２　Ｃｏｎｔａｃｔ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ｏｆ　ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ　ｐｒｏｂｅ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ａｘｌｅ　ｓｕｒｆａｃｅ　

２电气设计　

２．１　运动控制模块设计　本系统采用工控机与ＰＬＣ相结合的控制方式，　

每个运动部件之间相互独立，考虑到机械结构所需　

的驱动载荷。选用不同的驱动电机类型。为了降低　系统控制单元的复杂度，各电机采用不同的运动控　

制方式．如表１所示。　

表１　系统运动部件类型及其控制方式　Ｔａｂ．１　Ｍｏｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｔｙｐｅｓ　

自动化ｓ仪表２ｏ１４（１）　本系统中采用ＰＬＣ控制探伤过程中保持连续　

运动的部件——溜板Ａ和溜板Ｂ，采用工控机通过　

一个４通道的运动控制卡控制探头支架Ａ１、探头支　

架Ａ２、探头支架Ｂ１和探头支架Ｂ２，采用工控机通过　

４８５总线与变频器连接，用于调速控制主轴的转动。　２．２超声探伤模块设计　

超声探伤模块主要包括：超声波收发器、超声波　

探头、耦合剂循环泵、超声波信号采集卡、探头切换　继电器、增益设置器以及超声触发器。本文设计的　

超声探伤模块的结构如图３所示，其中超声波收发　

器采用双通道收发设计，每一个接收通道有两个级　联的程控运算放大器，系统控制软件通过ＤＡ卡输　

出的模拟信号设置接收器的放大增益，并通过ＤＡ　

卡的数字输出１３输出超声触发信号，每一个触发信　号上升沿将触发两个通道同时发射超声波，并同时　

触发ＡＤ卡从两个通道同时采集超声波回波信号。　

系　统　控　制　软　件　由　口　超声通道　切换指令　

ＡＤｌ　波信　卡ｒ＿＿　超　吉　波　收　发　器　手动控制面板　

卜＿叫塑竺　

—面蕊　

Ａ组探头　）换继电　

超　吉　波　探　头　Ａ２　超　吉　波　探　头　Ａ１　

图３工控机端软件功能框图　Ｆｉｇ．３　Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ　ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ　ｍｏｄｕｌｅ　ｃｈａｒｌ　每一组超声探伤通道对应两个超声波探头，在　

探伤过程中，每一个超声波探头组中只有一个超声　波探头工作，本文采用ＰＬＣ控制继电器的方式对各　

个通道的超声波探头进行切换控制。　本系统在实际使用过程中，由于多个大功率电　

机以及车间中其他设备产生的电磁干扰较强烈，有　时缺陷波甚至被淹没在噪声中，因此，需要采取合　

适的滤波方法来抑制噪声干扰，本文在超声波收发　

器的每一级程控放大器处设计了中心频率为２．５　ＭＨｚ的带通阻容网络．并且，在实验中发现，如若在　

前级程控放大器之前设计一个滤波网络，会严重地　

降低超声波信号的线性度，实测线性度误差会达到　

１Ｏ％以上。分析是因为该滤波网络的非线性度会被　

两级程控放大器环节放大．导致最终采集到工控机　

一　头　ｒ＿　丝　嗍瞰『　引引　触号一设号　声信一益信　超发一增置　曰　

工控机