一種車輪踏面輪輞電磁耦合超聲的自動檢測裝置及方法與流程

本發明涉及電磁耦合超聲波檢測技術領域，特別是涉及一種車輪踏面輪輞電磁耦合超聲的自動檢測裝置及方法。

背景技術：

鐵路機車、客車和動車組運行時，車輪在鋼軌上不斷地滾動，其踏面與鋼軌構成了一對摩擦副。由于車輪受力復雜、運行工況惡劣，極易產生踏面及輪緣的磨損、裂紋，踏面剝離、擦傷等故障，加劇了車輛運行的不安全性，當磨損達到一定限度時，必須要鏇削車輪踏面。而鏇削車輪踏面必然會使車輪輪輞厚度減薄，當其厚度過薄時會降低其強度，導致輪輞內部裂紋的產生或使原有缺陷擴展，所以及時檢測輪輞內部裂紋等缺陷，特別是在不落輪鏇床鏇削輪對踏面后對車輪踏面輪輞及時進行超聲探傷檢查，是確保旅客列車等運行安全重要的防范措施。

當前，國內外普遍采用壓電超聲技術來檢測車輪踏面輪輞的內部缺陷，通常需要耦合劑水或耦合劑甘油才能實現與被測零件之間的良好耦合，且對被測件的表面質量要求較高，但是不落輪鏇床在對輪對鏇修時不允許應用油或水的耦合劑，因此很難應用壓電超聲檢測。而其他無損檢測方法，如漏磁檢測、磁粉檢測和滲透檢測僅能實現表面或者次表面缺陷，很難實現在線自動掃查。因此，上述無損檢測方法很難實現在不落輪鏇床鏇修輪對踏面后對車輪踏面的表面缺陷和輪輞的內部缺陷進行在線自動檢測。

電磁耦合超聲波檢測技術具有非接觸、不需要耦合劑等特點，能夠實現在線快速檢測。該技術利用電磁感應的原理，依靠磁化力、洛倫茲力和磁致伸縮三種機理，直接在待測金屬材料表面激發并接收超聲波。待測金屬材料的電學參數、磁致伸縮特性、磁化特性決定哪種機理起主要作用。

目前關于車輪踏面輪輞的電磁耦合表面波和聚焦體波多功能復合超聲檢測方法的技術很少。

發明專利授權號zl200610021238.8，授權了一種用于機車車輛輪對表面波電磁超聲換能器，但是該專利僅針對表面或者次表面缺陷進行檢測。

發明專利授權號zl2011104366882.7，授權了一種用于高速列車車輪踏面的多探頭電磁超聲表面波檢測方法，但是該專利局限于高速列車車輪踏面及近踏面缺陷的在線實時檢測。

因此希望有一種車輪踏面輪輞電磁耦合超聲的自動檢測裝置及方法能夠有效的解決上述現有技術的缺陷。

技術實現要素：

本發明的目的在于提供一種車輪踏面輪輞電磁耦合超聲的自動檢測裝置及方法以解決在不落輪鏇床上實現對鐵路客車車輪踏面輪輞缺陷的非接觸和無耦合劑檢測的問題。

為實現上述目的，本發明提供一種車輪踏面輪輞電磁耦合超聲的自動檢測裝置包括：電磁耦合表面波探頭、電磁耦合線聚焦斜入射體波探頭、多路切換器、雙工機、射頻大功率脈沖發射器、微弱信號濾波放大裝置、數據采集卡、工控機和運動控制裝置；

電磁耦合表面波探頭，所述電磁耦合表面波探頭在車輪踏面激勵和接收表面波，并沿著車輪周向傳播，用于檢測車輪踏面表面缺陷和次表面缺陷；

電磁耦合線聚焦斜入射體波探頭，所述電磁耦合線聚焦斜入射體波探頭在車輪輪輞中激勵和接收斜入射體波，并沿著徑向厚度方向傳播，用于檢測車輪輪輞內部缺陷；

多路切換器，所述多路切換器分別與所述電磁耦合表面波探頭和電磁耦合線聚焦斜入射體波探頭互通，實現所述電磁耦合表面波探頭和電磁耦合線聚焦斜入射體波探頭的分時激勵和接收；

雙工機，所述雙工機分別電連接所述多路切換器和微弱信號濾波放大裝置，所述雙工機用于高電壓激勵信號和微弱超聲回波信號的隔離，實現高低電壓分離，所述雙工機將微弱超聲回波信號發送至所述微弱信號濾波放大裝置；

運動控制裝置，所述運動控制裝置與所述工控機連接，所述運動控制裝置通過編碼器實時獲取車輪輪對的轉動位置；

工控機，所述工控機裝有電磁耦合超聲自動檢測，所述工控機電連接所述射頻大功率脈沖發射器，用于控制激勵電流的幅值和頻率；

射頻脈沖功率發射器，所述射頻脈沖功率發射器電連接所述雙工機，所述射頻脈沖功率發射器用于為電磁耦合表面波和斜入射體波探頭提供大功率瞬態電流激勵；

微弱信號濾波放大裝置，所述微弱信號濾波放大裝置電連接所述數據采集卡，所述微弱信號濾波放大裝置用于完成所述微弱超聲回波信號的窄帶濾波和高增益放大，并將所述微弱超聲回波信號發送至所述數據采集卡；

數據采集卡，所述數據采集卡電連接所述工控機，將所述微弱超聲回波信號轉換為數字信號并發送至所述工控機。

優選地，所述運動控制裝置包括：機械手、保護門和伸出機構，所述運動控制裝置在滾輪上安裝增量編碼器，通過編碼器實時獲取車輪輪對的轉動位置。

優選地，所述運動控制裝置通過同步觸發電路電連接所述射頻脈沖功率發射器，所述射頻脈沖功率發射器電連接所述數據采集卡，所述運動控制裝置根據預設的位移精度觸發射頻脈沖功率發射器使其激勵超聲信號進行檢測，同時所述數據采集卡進行數據采集。

優選地，所述工控機電連接所述多路切換器，向所述多路切換器輸出觸發信號。

優選地，所述電磁耦合表面波探頭和電磁耦合線聚焦斜入射體波探頭分別通過第一阻抗匹配器和第二阻抗匹配器連接所述多路切換器，所述第一阻抗匹配器和第二阻抗匹配器用于匹配輸入輸出阻抗，實現能量傳輸的最大化，提高電磁超聲探頭的換能效率。

一種車輪踏面輪輞電磁耦合超聲的自動檢測裝置的方法，其特征在于，包括以下步驟：

步驟一：所述運動控制裝置打開保護門，通過伸出機構伸出裝有電磁耦合表面波和線聚焦體波探頭的機械手靠近車輪，借助摩擦滾輪機構驅動輪對轉動，在滾輪上安裝增量編碼器，通過編碼器實時獲取車輪輪對的轉動位置，滿足自動檢測要求；

步驟二：在摩擦滾輪驅動車輪輪轉動過程中，由所述編碼器采集車輪的位置信息，經過所述工控機自動檢測軟件界面或者同步電路判斷車輪是否到達表面波檢測的預定位置，如果到達表面波檢測的預定位置，則輸出控制信號，所述多路切換器獲得所述控制信號后，將所述射頻大功率脈沖發射器和所述微弱信號濾波放大裝置分別與所述電磁耦合表面波探頭的激勵端口和接收端口相連；

步驟三：所述射頻大功率脈沖發射器獲得步驟二中的所述控制信號后，則給所述電磁耦合表面波探頭輸出mhz級別的大功率脈沖電流，在車輪踏面表面形成表面波，并沿著踏面周向傳播，當車輪踏面存在缺陷時，超聲表面波會與缺陷發生反射和散射，缺陷的反射信號被探頭接收到，并經過所述微弱信號濾波放大裝置的窄帶濾波60db－80db放大，調理到所述數據采集卡可以接收的范圍；

步驟四：裝有電磁耦合超聲自動檢測界面的所述工控機，通過高頻的所述數據采集卡，調用其動態鏈接庫接口函數，讀取所述電磁耦合表面波探頭所接收到的a掃超聲回波信號，所述工控機的自動檢測界面對接收到的超聲表面波信號進行處理，確定是否存在缺陷，如果車輪輪輞踏面存在缺陷，則通過與含人工預制裂紋的1：1對比試樣進行比較，并根據缺陷回波的飛行時間，判定缺陷的當量大小和位置，并記錄該缺陷所在踏面的位置和及時提示缺陷報警信息；

步驟五：摩擦滾輪繼續驅動車輪輪對轉動，當通過所述編碼器獲取的位置信息判斷車輪輪對已經達到聚焦斜入射體波檢測的預定位置，則由所述工控機輸出一個觸發信號給所述多路切換器，將射頻大功率脈沖發射器和微弱信號濾波放大裝置分別與所述電磁耦合線聚焦斜入射體波探頭的激勵端口和接收端口相連；

步驟六：所述電磁耦合線聚焦斜入射體波探頭在所述射頻大功率脈沖發射器所提供的高頻大電流激勵下，在車輪踏面表面產生與踏面成一定角度的斜入射體波，沿著徑向厚度方向傳播，并在輪輞的某個深度形成線聚焦超聲聲束，可以極大提高缺陷檢測靈敏度，當車輪輪輞內部存在缺陷時，斜入射體波會與缺陷發生反射和散射，缺陷的反射信號被斜入射體波探頭接收到，并經過所述微弱信號濾波放大裝置的濾波和放大，通過所述數據采集卡裝換為數字信號，送入所述工控機；

步驟七：所述工控機的自動檢測界面，對所述電磁耦合斜入射體波探頭所接收到的a掃超聲回波信號進行處理，確定是否存在缺陷，如果車輪輪輞存在缺陷，則通過與含人工預制裂紋的1：1對比試樣進行比較，并根據缺陷回波的飛行時間和電磁耦合線聚焦斜入射體波的入射角，判定缺陷的當量大小和位置，并記錄該缺陷所在踏面的位置和及時提示缺陷報警信息；

步驟八：隨后摩擦滾輪機構驅動輪對轉動到下一個探測位置，依次重復步驟二至步驟七，直至完成車輪踏面和輪輞的全周向檢測。

本發明提供了一種車輪踏面輪輞電磁耦合超聲的自動檢測裝置及方法，所述電磁耦合超聲的自動檢測裝置及方法將電磁耦合表面波檢測與電磁耦合線聚焦斜入射體波檢測合理組合，可以同時滿足車輪踏面表面缺陷和次表面缺陷檢測以及車輪輪輞內部缺陷檢測，基本消除了探測盲區影響，實現車輪的全位置自動探傷。本發明的電磁耦合超聲的自動檢測方法采用分時切換的方法，實現同一套裝置同時實現超聲表面波檢測和超聲斜入射體波檢測兩種功能，可以節省裝置的研發成本，而且本發明的電磁耦合超聲的自動檢測方法提出采用超聲斜入射體波來檢測車輪輪輞的內部裂紋，超聲斜入射體波在檢測內部裂紋有著獨特的優勢，能夠避免常用直入射體波所造成裂紋漏檢問題，可以發現更小的裂紋。

附圖說明

圖1是車輪踏面輪輞電磁耦合超聲的自動檢測裝置的結構示意圖。

圖2是電磁耦合表面波探頭檢測有缺陷時波形示意圖。

圖3是電磁耦合線聚焦體波探頭檢測有缺陷時波形示意圖。

圖4是電磁耦合表面波的換能機理。

圖5是電磁耦合線聚焦斜入射體波換能機理。

具體實施方式

為使本發明實施的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行更加詳細的描述。在附圖中，自始至終相同或類似的標號表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。所描述的實施例是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。下面通過參考附圖描述的實施例是示例性的，旨在用于解釋本發明，而不能理解為對本發明的限制。基于本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有作出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發明保護的范圍。下面結合附圖對本發明的實施例進行詳細說明。

在本發明的描述中，需要理解的是，術語“中心”、“縱向”、“橫向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“豎直”、“水平”、“頂”、“底”“內”、“外”等指示的方位或位置關系為基于附圖所示的方位或位置關系，僅是為了便于描述本發明和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構造和操作，因此不能理解為對本發明保護范圍的限制。

如圖1所示，一種車輪踏面輪輞電磁耦合超聲的自動檢測裝置包括：電磁耦合表面波探頭、第一阻抗匹配器、第二阻抗匹配器、電磁耦合線聚焦斜入射體波探頭、多路切換器、雙工機、射頻大功率脈沖發射器、微弱信號濾波放大裝置、數據采集卡、工控機和運動控制裝置；

電磁耦合表面波探頭，所述電磁耦合表面波探頭在車輪踏面激勵和接收表面波，并沿著車輪周向傳播，用于檢測車輪踏面表面缺陷和次表面缺陷；

電磁耦合線聚焦斜入射體波探頭，所述電磁耦合線聚焦斜入射體波探頭在車輪輪輞中激勵和接收斜入射體波，并沿著徑向厚度方向傳播，用于檢測車輪輪輞內部缺陷；

多路切換器，所述多路切換器分別與所述電磁耦合表面波探頭和電磁耦合線聚焦斜入射體波探頭互通，實現所述電磁耦合表面波探頭和電磁耦合線聚焦斜入射體波探頭的分時激勵和接收；

第一阻抗匹配器和第二阻抗匹配器，所述電磁耦合表面波探頭和電磁耦合線聚焦斜入射體波探頭分別通過第一阻抗匹配器和第二阻抗匹配器連接所述多路切換器，所述第一阻抗匹配器和第二阻抗匹配器用于匹配輸入輸出阻抗，實現能量傳輸的最大化，提高電磁超聲探頭的換能效率。；

雙工機，所述雙工機分別電連接所述多路切換器和微弱信號濾波放大裝置，所述雙工機用于高電壓激勵信號和微弱超聲回波信號的隔離，實現高低電壓分離，所述雙工機將微弱超聲回波信號發送至所述微弱信號濾波放大裝置；

運動控制裝置，所述運動控制裝置與所述工控機連接，所述運動控制裝置通過編碼器實時獲取車輪輪對的轉動位置；

工控機，所述工控機裝有電磁耦合超聲自動檢測，所述工控機電連接所述射頻大功率脈沖發射器，用于控制激勵電流的幅值和頻率；

射頻脈沖功率發射器，所述射頻脈沖功率發射器電連接所述雙工機，所述射頻脈沖功率發射器用于為電磁耦合表面波和斜入射體波探頭提供大功率瞬態電流激勵；

微弱信號濾波放大裝置，所述微弱信號濾波放大裝置電連接所述數據采集卡，所述微弱信號濾波放大裝置用于完成所述微弱超聲回波信號的窄帶濾波和高增益放大，并將所述微弱超聲回波信號發送至所述數據采集卡；

數據采集卡，所述數據采集卡電連接所述工控機，將所述微弱超聲回波信號轉換為數字信號并發送至所述工控機。

所述運動控制裝置通過同步觸發電路電連接所述射頻脈沖功率發射器，所述射頻脈沖功率發射器電連接所述數據采集卡，所述運動控制裝置根據預設的位移精度觸發射頻脈沖功率發射器使其激勵超聲信號進行檢測，同時所述數據采集卡進行數據采集。

所述工控機電連接所述多路切換器，向所述多路切換器輸出觸發信號。

在一未圖示實施例中，所述運動控制裝置包括：機械手、保護門和伸出機構，所述運動控制裝置在滾輪上安裝增量編碼器，通過編碼器實時獲取車輪輪對的轉動位置。

如圖2所示，在表面波探頭的端面粘貼耐磨材料，用于保護線圈，提高探頭使用壽命。在表面波探頭下方安裝萬向球，用于保證探頭與車輪踏面恒定的提離距離，避免探頭與車輪直接接觸。在表面波探頭的端面粘貼耐磨材料，用于保護線圈，提高探頭使用壽命。在表面波探頭下方安裝萬向球，用于保證探頭與車輪踏面恒定的提離距離，避免探頭與車輪直接接觸。

如圖3所示，電磁耦合線聚焦探頭不僅可以產生一定角度的斜入射體波，而且可以實現超聲波在某一深度實現線聚焦，增強聲束的指向性，有利于發現更微小的內裂紋。

如圖4所示，表面波由等間距曲折線圈產生，線圈的每一條導線可以看成一個超聲振源，并因為頻率相同而發生干涉。當曲折線圈通以高頻大幅值激勵電流，將會在待測車輪表面形成電渦流，并在永磁體提供偏置磁場的作用下產生洛倫茲力，從而引起表面質點振動。通過控制線圈間距d和激勵頻率f，各個振源將相互疊加而形成斜入射sv波，斜入角度θ為sin(θ)＝vr/(2*d*f)，其中vr為表面波的群速度。隨著線圈導線間距的減小，θ逐漸增大，表面波的成分隨之加強。當θ增至90°時，斜入射sv波完全被表面波代替。

如圖5所示，線聚焦體波由不等間距線圈產生，線圈的每條導線可以看成振源，因頻率相同而發生干涉，由于每匝導線到達聚焦點的聲程滿足一定的規律，而在聚焦點處發生相長疊加。通過改變線圈相鄰導線的間距，使其與聚焦點的距離滿足ri-ri+1＝vs/(2*f)，即可以產生線聚焦體波。

洛倫茲力換能機理的描述如圖4所示。

實現在不落輪鏇床上增加對鐵路機車、客車、動車組車輪踏面鏇修后對車輪踏面輪輞進行超聲波探傷檢查工序，用于消除鐵路機車、客車、動車組等因車輪踏面發生缺損、裂紋等缺陷危及行車安全的故障，將鐵路機車、客車、動車組定期檢修的檢查工序移植到日常維修工作中，將確保行車安全窗口前移，為確保鐵路運輸安全提供了可靠的保障手段。由于電磁耦合超聲波檢測技術不需要耦合劑，因此不會對不落輪鏇床的電氣系統和機械部件造成破壞或腐蝕，也不會影響不落輪鏇床摩擦滾輪的精度，不會對探測的輪對踏面造成一定的銹蝕，更不會污染環境。因此，研制車輪踏面輪輞電磁耦合超聲表面波/聚焦體波自動檢測裝置具有重要的工程應用價值。

在不落輪鏇床上，集成車輪踏面輪輞電磁耦合超聲表面波/聚焦體波自動檢測功能，針對鏇修后的機車、客車車底、動車組車輪進行快速探傷，并提供缺陷自動預警功能。具有以下效果：

(1)及時發現車輪踏面的表面缺陷和次表面缺陷以及車輪輪輞的內部缺陷，特別是裂紋，可以消除鐵路機車、客車、動車組等因車輪踏面發生缺損、裂紋等缺陷而危及行車安全的故障。

(2)本專利所涉及的電磁耦合超聲波檢測方法具有非接觸、無耦合劑等優點，可以實現快速在線自動檢測，探傷效率高，有利于節省人力成本。

(3)由于電磁耦合超聲波檢測技術不需要耦合劑，因此不會對不落輪鏇床的電氣系統和機械部件造成破壞或腐蝕，也不會影響不落輪鏇床摩擦滾輪的精度，不會給被探輪對踏面造成銹蝕，拓寬了不落輪鏇床使用功能，將鐵路機車、客車、動車組定期檢修的檢查工序移植到日常維修工作中，將確保行車安全窗口前移，為確保鐵路運輸安全提供了可靠的保障手段。

在不落輪鏇床加裝車輪踏面輪輞電磁耦合超聲表面波/聚焦體波自動檢測裝置也系國內首次，具有重大的工程應用價值和廣闊的推廣前景。

最后需要指出的是：以上實施例僅用以說明本發明的技術方案，而非對其限制。盡管參照前述實施例對本發明進行了詳細的說明，本領域的普通技術人員應當理解：其依然可以對前述各實施例所記載的技術方案進行修改，或者對其中部分技術特征進行等同替換；而這些修改或者替換，并不使相應技術方案的本質脫離本發明各實施例技術方案的精神和范圍。