鋼軌焊縫超聲波探傷系統(tǒng)設(shè)計分析

宋文濤

【摘 要】文章主要介紹一種在鋼軌焊縫中應(yīng)用的超聲波探傷系統(tǒng)，并針對超聲波探傷系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)展開詳細(xì)分析，提出鋼軌焊縫超聲波探傷系統(tǒng)的具體設(shè)計，旨在為鐵路列車的穩(wěn)定運行提供保障。

【關(guān)鍵詞】鋼軌焊縫;超聲波探傷;系統(tǒng)設(shè)計分析

【中圖分類號】TG441.7 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A 【文章編號】1674-0688（2019）12-0046-02

無縫鐵路線路的接頭較少，不僅節(jié)省了接頭零件的應(yīng)用成本，還降低了鐵路線路的維修量，同時列車在行駛過程中駛過接縫地點造成的震動與噪音較少，保證了列車的應(yīng)用年限。但在對鋼軌進(jìn)行焊接時，受設(shè)備、工藝等多種因素的影響，導(dǎo)致在焊縫中形成裂紋、灰斑及過燒等問題，這些問題既會降低焊縫的實際調(diào)度，還會增加斷軌事故的發(fā)生概率，因此有必要針對鋼軌焊縫展開定期檢查，從而為列車的安全運行提供保障。

1 鋼軌焊縫超聲波探傷系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)分析

超聲波探傷系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)是由兩個部分組成，分別是掃查系統(tǒng)與探傷系統(tǒng)。

1.1 掃查系統(tǒng)的詳細(xì)分析

掃查系統(tǒng)主要包括控制器、探頭組、編碼器、傳動機構(gòu)及分配器。其中，控制器包括編碼器、點擊、開關(guān)、電池及控制板，電池主要是為控制器供應(yīng)電力，傳動機構(gòu)和電機之間處于連接關(guān)系，驅(qū)動傳動機構(gòu)運動，當(dāng)傳動機構(gòu)啟動之后，就會帶動探頭組一起工作，編碼器也與電機相連接，由齒輪帶動轉(zhuǎn)動。與此同時，開關(guān)與控制板、電機相互連接;探頭組通常由8個探頭組成，其中有6個為雙探頭，2個為單探頭，在運行過程中會在軌頭、軌尾及軌腰針處對軌道焊縫展開全面掃查。當(dāng)雙探頭進(jìn)行掃查時，會按照串列形式對兩側(cè)及軌底展開掃查，當(dāng)單探頭進(jìn)行掃查時，會在斜面對軌底腳的上部與下部展開掃查;編碼器通常在傳動機構(gòu)中，可以隨時得到傳動機構(gòu)在運行過程中的位置與數(shù)據(jù)，并將其傳輸?shù)匠暡娐钒逯?探頭組的安裝位置也在傳動機構(gòu)之中，可以隨時形成超聲波信號，再由信號線傳輸?shù)匠暡娐钒逯?探頭組在運轉(zhuǎn)過程中會產(chǎn)生相應(yīng)位置的超聲波信號，超聲波電路板會把所有傳輸信號進(jìn)行整合，再由傳輸超聲波信號的總線將整合后的信息傳輸?shù)缴衔粰C的屏幕中[1]。

1.2 探傷系統(tǒng)的詳細(xì)分析

在超聲波的探傷儀中，探傷系統(tǒng)屬于關(guān)鍵系統(tǒng)，在硬件方面的整體結(jié)構(gòu)為嵌入形式的主機與超聲波電路板，信號傳輸?shù)目偩€為USB。主機應(yīng)用功耗較低的X86主板，再結(jié)合內(nèi)存條、顯示器、鍵盤等，組成嵌入式系統(tǒng)，當(dāng)作探傷系統(tǒng)中的上位機。主機中的操作系統(tǒng)為Windows，超聲波的電路板為八通道的電路板，自身具有發(fā)射、接收超聲波，以及對信號進(jìn)行收集、處理、控制管理和聯(lián)絡(luò)USB總線等多種功能，而在主機與電路板之間由USB連接，并實現(xiàn)相關(guān)指令與信息數(shù)據(jù)的傳輸。

探傷系統(tǒng)中上位機的主要作用是對系統(tǒng)展開控制、操作探傷、判斷問題、制作圖形、處理數(shù)據(jù)等，而對信息數(shù)據(jù)的收集、處理、控制等比較繁瑣的程序都是超聲波電路板完成，從而能有效提升探傷系統(tǒng)的工作效率[2]。

當(dāng)連接探傷系統(tǒng)的電源后，操作人員可以通過程序明確系統(tǒng)的工作狀態(tài)，并下達(dá)相關(guān)指令，由USB傳輸?shù)诫娐钒逯校現(xiàn)PGA會形成相應(yīng)的觸發(fā)信號，信號被MOS管接收后會驅(qū)動開關(guān)，與電容和電阻之間形成的信號相互配合，就能驅(qū)動晶片形成超聲波信號。當(dāng)信號在軌道焊縫中遭遇問題時，就會立即形成反射信號并傳給探頭，再通過晶片將反射信號變成電信號經(jīng)過USB直接顯示到上位機的屏幕中。

2 鋼軌焊縫超聲波探傷系統(tǒng)的具體設(shè)計

鋼軌焊縫超聲波探傷系統(tǒng)在運行的過程中，需要處理的任務(wù)非常多，同時系統(tǒng)對實時性的要求不斷提高，因此在設(shè)計超聲波探傷系統(tǒng)時，需要充分使用多線程技術(shù)[3]。設(shè)計過程中，所使用的多線程主要可以分為4個線程，其中主線程需要負(fù)責(zé)的應(yīng)用程序為登錄界面與數(shù)據(jù)收集，其他3個輔助線程需要負(fù)責(zé)的部分如下：{1}圖形處理線程。該線程的主要作用是將讀取到的實際探傷參數(shù)通過A掃圖與B掃圖的形式顯示在系統(tǒng)中。{2}鍵盤讀寫線程。該線程的主要作用是通過讀取鍵盤中被按下的按鍵值，然后通過向主窗口發(fā)送按鍵消息的方式，對其進(jìn)行過程函數(shù)處理。{3}參數(shù)設(shè)置線程。該線程的主要作用是接收上位機的控制指令，然后對超聲波電路板進(jìn)行設(shè)置。

2.1 登錄界面的設(shè)計

在設(shè)計登錄界面的過程中，需要設(shè)計出完善的用戶管理功能，以便滿足用戶數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩\行要求及便于數(shù)據(jù)傳輸過程的管理。同時，在設(shè)計登錄模塊的過程中，需要為每位用戶設(shè)置用戶名與密碼，確保系統(tǒng)安全運行。此外，管理員用戶可以針對系統(tǒng)的實際情況完成對用戶的增加與刪除。

2.2 性能測試的設(shè)計

鋼軌焊縫超聲波探傷系統(tǒng)性能與缺陷定位、定量的準(zhǔn)確性直接相關(guān)，因此在設(shè)計鋼軌焊縫超聲波探傷系統(tǒng)的過程中，需要針對系統(tǒng)的性能進(jìn)行測試，具體的測試項目包括水平線性、垂直線性、靈敏度余量、動態(tài)范圍等，同時需要記錄測試的結(jié)果，并針對測試結(jié)果對系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試與調(diào)整[4]。

2.3 參數(shù)設(shè)置的設(shè)計

為了可以更加精準(zhǔn)地檢測焊縫中存在的缺陷，需要在設(shè)計的過程中對超聲波參數(shù)進(jìn)行科學(xué)合理的設(shè)置，通過使用USB芯片下行至FPGA，F(xiàn)PGA讀取信息后會對超聲波電路板進(jìn)行控制設(shè)置。通道參數(shù)設(shè)置項目主要包括重復(fù)頻率、脈沖寬度、發(fā)射電壓、降噪次數(shù)、檢波方式、濾波頻帶及波門A與波門B的位置、寬度、高度等。在設(shè)計的過程中，需要結(jié)合性能測試結(jié)果對參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，并針對調(diào)整后的參數(shù)做進(jìn)一步的測試，確保參數(shù)設(shè)置的效果與質(zhì)量。

2.4 探傷功能的設(shè)計

在設(shè)計鋼軌焊縫超聲波探傷系統(tǒng)的過程中，需要對系統(tǒng)進(jìn)行初始化，初始化系統(tǒng)后，上位機會發(fā)出開始檢測的指令，并向掃查系統(tǒng)傳輸掃查指令，這時探頭組開始移動，并對鋼軌焊縫進(jìn)行掃描，而超聲電路板將由探頭組獲取的實時超聲波數(shù)據(jù)傳輸至上位機，并對其進(jìn)行成像處理，然后根據(jù)實時顯示的A掃波形與B掃波形的實際情況生成圖譜，這時需要針對圖譜判斷鋼軌焊縫是否存在超出規(guī)定的情況。當(dāng)超出規(guī)定時，系統(tǒng)會及時向報警器發(fā)出信號，報警器發(fā)出警報。當(dāng)探頭組到達(dá)至設(shè)定的終點位置時，用戶需要向上位機發(fā)出檢測結(jié)束的指令，這時上位機會將檢測到的數(shù)據(jù)儲存至相應(yīng)的儲存器中。在對鋼軌焊縫進(jìn)行探傷的過程中，無法通過簡單的兩個波形對鋼軌焊縫的實際情況進(jìn)行分析，這時就需要運用門內(nèi)展寬功能對波形進(jìn)行放大之后再完成分析與判斷。此外，當(dāng)超聲波在鋼軌中傳播時，超聲波的能量會隨著傳播距離的延長而不斷減少，同時尺寸相同的反射回波高度也會隨著探頭距離的增加而不斷下降。因此，在對鋼軌焊縫進(jìn)行判斷的過程中，不能用觀察回波幅度的方式判斷缺陷尺寸的大小。為了可以更好地分析鋼軌焊縫內(nèi)的實際情況，就需要消除超聲波在鋼軌焊縫中傳輸深度因素的影響。如果要確保返回的實際信號與焊縫結(jié)構(gòu)之間存在關(guān)聯(lián)，就需要對回波信號進(jìn)行不同深度的增益補償[5]。

2.5 數(shù)據(jù)處理的設(shè)計

在鋼軌焊縫超聲波探傷系統(tǒng)設(shè)計的過程中，需要針對后期的數(shù)據(jù)處理工作開展嚴(yán)謹(jǐn)?shù)脑O(shè)計。同時，在設(shè)計數(shù)據(jù)處理模塊的過程中，需要確保其具備以下幾項功能：{1}文件管理功能。該項功能的主要作用是當(dāng)超聲波檢測數(shù)據(jù)生成為文件時，對文件進(jìn)行安全的儲存、調(diào)閱、拷貝、分析、打印等。{2}數(shù)據(jù)分析功能。該項功能的主要作用是針對超聲波檢測的數(shù)據(jù)進(jìn)行全面的分析與研究，同時針對檢測回來的數(shù)據(jù)參數(shù)進(jìn)行處理，將處理后的數(shù)據(jù)參數(shù)傳輸至數(shù)據(jù)儲存庫，交由文件管理功能對其數(shù)據(jù)進(jìn)行保管。

3 結(jié)語

綜上所述，鋼軌焊縫超聲波探傷系統(tǒng)中有發(fā)射和接受超聲波的相關(guān)模塊，還有對數(shù)字信號進(jìn)行處理與邏輯控制的相關(guān)模塊。充分利用USB技術(shù)能夠使超聲波探傷系統(tǒng)中的電路板在第一時間和上位機之間展開通信，而且處理數(shù)字信號模塊所具備的編程性與較為豐富的接口資源，能夠有效提升系統(tǒng)對信息數(shù)據(jù)的處理能力。此外，系統(tǒng)還具有操作界面簡潔、操作方便、可靠性強、效率及精準(zhǔn)度較高等特點。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]周翔，宋偉.鋼軌焊縫超聲波探傷系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[J].四川冶金，2019，41（1）：39-43.

[2]李金川.超聲波技術(shù)在高鐵鋼軌焊縫探傷中的應(yīng)用[J].設(shè)備管理與維修，2019，439（1）：149-151.

[3]羅小華，張浩，周芃.鋼軌焊接接頭精密整形工藝及方法[J].中國機械工程，2019，30（3）：77-81.

[4]蘇雨露.超聲無損檢測技術(shù)在金屬材料焊接的應(yīng)用研究[J].建筑與預(yù)算，2018（2）：33-35.

[5]黃磊，張鴻博，曹孟瑜，等.X80鋼級φ1 422 mm埋弧焊管焊縫自動超聲檢測對比試塊合理性分析[J].焊管，2018，41（4）：56-62.