火車輪裂紋自動(dòng)在線無損檢測(cè)系統(tǒng)研究

王川 鄧旭輝

摘 要：火車輪作為火車的關(guān)鍵部位，鐵道運(yùn)輸部門一直都非常重視火車輪裂紋檢測(cè)及故障定位研究。自動(dòng)在線無損檢測(cè)系統(tǒng)是發(fā)現(xiàn)火車輪是否存在裂紋的有效手段，它可有效避免鐵路行車事故。該文首先介紹自動(dòng)在線無損檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理和方法，其次再介紹裂紋聲波信號(hào)的特點(diǎn)，并根據(jù)裂紋聲波的特點(diǎn)分析裂紋聲波信號(hào)、介紹聲波信號(hào)的識(shí)別方法，以準(zhǔn)確判別火車輪裂紋聲波，最后從自動(dòng)在線無損檢測(cè)系統(tǒng)的聲發(fā)射原理簡要介紹聲發(fā)射信號(hào)的接收。

關(guān)鍵詞：火車裂紋 自動(dòng)在線無損檢測(cè)系統(tǒng) 裂紋信號(hào) 聲發(fā)射

中圖分類號(hào)：TP274 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2015）01（a）-0058-01

自動(dòng)在線無損檢測(cè)火車車輪的裂紋一直是我國鐵道運(yùn)輸中的重要問題。火車車輪作為火車行走的結(jié)構(gòu)，它通常處于惡劣的工作環(huán)境中。在工作狀態(tài)下，車輪在撞擊和摩擦等復(fù)雜的受力環(huán)境下容易出現(xiàn)磨損、裂紋等損壞問題。而且我國火車的車輪多為碾鋼車輪，由于制作工藝的不完善，車輪本身就存在一定的制造缺陷[1]。在復(fù)雜的工作環(huán)境下，自身的制造缺陷會(huì)不斷發(fā)展和擴(kuò)大，最終導(dǎo)致車輪開裂，引起安全事故。因此，有必要研發(fā)出一套較為準(zhǔn)確的檢測(cè)火車輪裂紋的系統(tǒng)，降低安全事故幾率。基于此，該研究者簡要研究火車輪裂紋自動(dòng)在線無損檢測(cè)系統(tǒng)。

1 自動(dòng)在線無損檢測(cè)系統(tǒng)概述

1.1 自動(dòng)在線無損檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的原理

自動(dòng)在線無損檢測(cè)的主要原理為聲發(fā)射（Acoustic Emissions，AE），聲發(fā)射是多數(shù)金屬在塑性變形或者斷裂時(shí)常見的物理現(xiàn)象[2]。即材料在內(nèi)力、外力或者內(nèi)外力同時(shí)作用下出現(xiàn)斷裂或變形，存儲(chǔ)在材料內(nèi)部的應(yīng)力應(yīng)變能會(huì)以彈性波的形式向外釋放。材料釋放的彈性波具有很強(qiáng)的能力，且彈性波的存在范圍很廣。借助相應(yīng)的高保真寬帶傳感器，就可以捕捉真實(shí)的聲發(fā)射信號(hào)。

1.2 自動(dòng)在線無損檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的方法

由于彈性波中的高頻成分在傳播過程中容易大量衰減，因而信號(hào)測(cè)量點(diǎn)的位置不能過大，否則收集的信號(hào)容易失真，造成高頻成分衰減過多。此外，聲波信號(hào)雖然是高頻信號(hào)，但是頻率響度較低，聲波信號(hào)在空氣中傳播容易衰減而無法接受[3]。因此，聲發(fā)射傳感器需要補(bǔ)償信號(hào)在空氣傳播過程中的衰減量，才能保證聲波信號(hào)被正常傳遞至微處理器。檢測(cè)系統(tǒng)必須使用高速采樣器采集信號(hào)，并使用模擬電路對(duì)信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理。

2 聲波信號(hào)的判別

2.1 裂紋聲波信號(hào)的特點(diǎn)

聲發(fā)射現(xiàn)場并非只發(fā)射裂紋聲波信號(hào)，也發(fā)射其它很多噪聲。因此，自動(dòng)在線無損檢測(cè)系統(tǒng)的另一核心技術(shù)設(shè)計(jì)為聲波的判別。火車輪裂紋聲波信號(hào)以導(dǎo)波的形式傳播，這類損傷波可分為兩大類。一是材料的內(nèi)部出現(xiàn)裂紋，斷裂與材料表面處于平行狀態(tài)。這類裂紋的波形特征為高頻帶的伸縮波，幅度不飽和。二是發(fā)生于垂直材料平面的裂紋，或者偏離材料中心平面較大的裂紋。這類裂紋產(chǎn)生的應(yīng)力波屬于彎曲波模式，其幅度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于伸縮波[4]。

2.2 裂紋聲波信號(hào)的識(shí)別

噪聲信號(hào)與裂紋的聲發(fā)射信號(hào)在波形、頻率和幅度上有區(qū)別，而且裂紋信號(hào)在不同的時(shí)間達(dá)到傳感器。因此，采用聲發(fā)射技術(shù)可以有效地識(shí)別噪聲和裂紋信號(hào)。由于噪聲信號(hào)具有很強(qiáng)的隨機(jī)性，需要根據(jù)損傷與噪聲信號(hào)的波形特征，在采集前就應(yīng)剔除噪聲信號(hào)，并在處理損傷信號(hào)數(shù)據(jù)前，以分析軟件實(shí)施進(jìn)一步的去噪預(yù)處理。由于裂紋的伸縮波較大，它與噪聲信號(hào)有很大的區(qū)別，通過模態(tài)聲發(fā)射就可以明顯區(qū)分裂紋信號(hào)和噪聲信號(hào)。因而裂紋產(chǎn)生聲發(fā)射信號(hào)與噪聲信號(hào)有顯著的差異。模態(tài)聲發(fā)射分析的主要特征為模式波形和相應(yīng)的頻率成分，而這些特征可以作為區(qū)分裂紋信號(hào)和噪聲信號(hào)的主要依據(jù)。

此外，高保真寬帶傳感器的使用可以較為真實(shí)的收集被檢測(cè)火車輪裂紋的聲發(fā)射伸縮波，但是在進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換前，聲發(fā)射信號(hào)需要先經(jīng)過相關(guān)硬件進(jìn)行去噪處理，常用的方法為硬件濾波或者自適應(yīng)噪聲去噪[5]。硬件去噪后還需要進(jìn)行軟件去噪，即通過帶通濾波去噪，達(dá)到提取真實(shí)裂紋信號(hào)的目的。

3 聲發(fā)射信號(hào)的接收

自動(dòng)在線無損檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理為聲發(fā)射原理，而聲發(fā)射參數(shù)技術(shù)中的聲發(fā)射時(shí)間的主要參數(shù)包含撞擊、上升、持續(xù)時(shí)間以及振鈴計(jì)數(shù)、峰值幅度等等。寬帶聲發(fā)射傳感器捕捉火車輪材料的聲發(fā)射信號(hào)，并對(duì)信號(hào)進(jìn)行去噪和濾波預(yù)處理，得到單純的聲發(fā)射信號(hào)。根據(jù)參數(shù)聲發(fā)射的理論，采用統(tǒng)計(jì)的方法可從信號(hào)波形中提取振鈴計(jì)數(shù)、上升時(shí)間等信號(hào)特征參數(shù)。再使用小波包分解聲發(fā)射信號(hào)，可得到奇異點(diǎn)、模極大值點(diǎn)、間斷點(diǎn)等反映裂紋特征的時(shí)頻參數(shù)，所獲得的參數(shù)可作為判別裂紋特征的向量。被檢測(cè)的裂紋信號(hào)經(jīng)過處理后均表現(xiàn)為行向量，并經(jīng)DSP接口輸入總線，處于實(shí)施監(jiān)控狀態(tài)的上位機(jī)再經(jīng)串行口接收數(shù)據(jù)[6]。

4 結(jié)語

雖然在火車輪裂紋自動(dòng)在線無損檢測(cè)領(lǐng)域取得了較大的進(jìn)步，我國技術(shù)仍存在許多不足。在人們對(duì)車速要求不斷提高的情況下，人們對(duì)自動(dòng)在線無損檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求也會(huì)更高。自動(dòng)在線無損檢測(cè)必然朝著便捷、高性能、高效率的方向發(fā)展，既滿足人們對(duì)火車安全和可靠運(yùn)行的要求，又滿足國家經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益的追求。

參考文獻(xiàn)

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[2] 王炳炎，侯力，孫明明，等.火車輪裂紋聲發(fā)射源定位技術(shù)研究[J].機(jī)械，2007（2）.

[3] 張博南.鐵道機(jī)車車輛車輪在線超聲波自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的研究[D].北京交通大學(xué)，2013.

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