基于渦流檢測原理的大型養(yǎng)路機械懸掛件裂紋探傷應(yīng)用研究

崔北祥 中國鐵路上海局集團有限公司上海大型養(yǎng)路機械運用檢修段

1 研究背景及意義

大型養(yǎng)路機械作業(yè)裝置多，懸掛件和焊結(jié)點多，作業(yè)中振動大，車輛運行轉(zhuǎn)移頻繁，在溫濕度變化大的露天作業(yè)，這些因素造成應(yīng)力集中部位裂紋和焊縫損傷發(fā)展快。大型養(yǎng)路機械現(xiàn)場檢測不及時，隱性裂紋和未熔合焊縫可能導(dǎo)致連接部件逐步發(fā)展成貫通斷裂，造成部件脫落，給鐵路運輸安全帶來極大風(fēng)險。因此需要對大型養(yǎng)路機械連接處的傷損和焊縫進行疲勞監(jiān)測，預(yù)防事故發(fā)生。

現(xiàn)有的大型養(yǎng)路機械現(xiàn)場檢修維護過程中，傷損、焊縫裂紋檢查主要依靠人工檢查。

人工檢查是通過目視和敲擊來判斷，雖然具有簡單、快速的特點，但在檢修實踐中也暴露出如下缺點：

①費時、費力，人工成本高；

②環(huán)境干擾大，依賴檢測人員經(jīng)驗，判斷準確性差；

③在車站沿線保養(yǎng)時，檢查安全風(fēng)險高，檢查條件差；

④裂紋發(fā)展早期發(fā)現(xiàn)困難，不能對數(shù)據(jù)進行存儲、分析、追溯，并且在發(fā)生時無法預(yù)警。

大型養(yǎng)路機械懸掛部件多，結(jié)構(gòu)不規(guī)則，空間狹窄，在現(xiàn)場部件不拆解情況下開展檢測，市場現(xiàn)有的渦流檢測儀的探頭都是短針式，且有效長度不可調(diào)整，作業(yè)人員很難完成大機狹窄部位測量。另外，大型養(yǎng)路機械在施工作業(yè)后，在沿線車站股道停留組織人員檢查維護，勞動安全風(fēng)險大，人員使用短針頭式探頭需要進入車底工作量大，風(fēng)險高，操作極不方便，給作業(yè)人員測量過程帶來很大困難。 鑒于以上原因，為保障大型養(yǎng)路機械上線運行安全，需要采用一種適用現(xiàn)場作業(yè)的新型裂紋檢測工具代替人工檢查方式。

2 大型養(yǎng)路機械作業(yè)現(xiàn)場車輛懸掛件傷損檢測方式選擇

2.1 大型養(yǎng)路機械懸掛裝置構(gòu)件傷損檢測方案選擇

目前，普遍運用的傷損、裂紋檢測手段，主要是利用超聲波檢測、磁粉探傷技術(shù)、渦流探傷，但超聲波和磁粉檢測手段專業(yè)性強，表面清潔條件要求高，操作復(fù)雜，遺留磁粉和耦合劑造成污染，并且檢查數(shù)據(jù)不便保存，無法適應(yīng)現(xiàn)場快速準確判斷需要。

渦流檢測是近年來發(fā)展較快的一種無損檢測技術(shù)， 它是以電磁感應(yīng)為基礎(chǔ)的檢測技術(shù)，檢測感應(yīng)探頭線圈對表面開口裂紋很靈敏，在表面涂層、潮濕和水底等惡劣環(huán)境下也能開展檢測工作，判斷裂紋的存在，特別適用于鋼鐵焊縫的疲勞裂紋和焊接時產(chǎn)生的表面應(yīng)力裂紋的檢測，檢測系統(tǒng)可以根據(jù)工作條件設(shè)定閾值，提前預(yù)警，提早處置。

渦流傳感器探查焊縫裂紋有如下優(yōu)點：

①結(jié)構(gòu)簡單，可根據(jù)需要制成一體檢測儀，操作直觀簡便；

②靈敏度高、頻率響應(yīng)特性好；

③沒有特殊條件限制，適應(yīng)大機野外作業(yè)快速輔助診斷。

2.2 渦流傷損檢測原理

渦流傷損檢測的原理：是基于電磁理論的無損檢測方法，將激勵線圈置于被測導(dǎo)體的上方，當(dāng)線圈中通入交變電流時，就會在激勵線圈周圍產(chǎn)生一個交變的磁場φ1，磁場φ1就會被測導(dǎo)體表面感應(yīng)出渦流電流。感應(yīng)出的電流也會產(chǎn)生一個磁感應(yīng)出的電流i 也會產(chǎn)生一個磁感應(yīng)出的電流，i 也會產(chǎn)生一個磁場φ2，當(dāng)被測導(dǎo)體表面存在裂紋時，磁場φ2的強度就會發(fā)生改變，磁場φ2會反作用于激勵線圈，使得線圈的阻抗發(fā)生變化，通過分析阻抗的變化，就能得到被測導(dǎo)體的特定信息。

為適應(yīng)大型養(yǎng)路機械現(xiàn)場檢測需求，本文嘗試研究一種手持便攜式渦流檢測工具，可以在現(xiàn)場對疑似傷損部件快速檢測，輔助大機檢查保養(yǎng)人員發(fā)現(xiàn)發(fā)展的裂紋，消除隱患。探頭具有伸縮調(diào)節(jié)桿、角度可調(diào)整的渦流探傷工具，便于現(xiàn)場檢查人員使用，快速檢測焊縫、應(yīng)力集中部位，快速診斷裂損情況，為大型養(yǎng)路機械上線運行安全提供專業(yè)化技術(shù)保障。

3 渦流手持桿狀探傷儀設(shè)計方案

3.1 桿狀可調(diào)節(jié)渦流檢測工具結(jié)構(gòu)

圖1 桿狀手持式傷損檢測儀

桿狀手持傷損檢測工具（本文后文統(tǒng)稱桿式檢測儀）如圖1 所示。檢測工具由可調(diào)節(jié)由探頭、調(diào)節(jié)機構(gòu)、調(diào)節(jié)桿、握桿四部分組成，通過尾端電纜與主機箱連接，檢修人員根據(jù)探測焊縫位置調(diào)整調(diào)節(jié)桿，鎖緊螺釘在定位孔定位后，移動探頭接近疑似裂損部位，可實現(xiàn)以下功能：

①檢測焊縫和應(yīng)力集中部位，數(shù)據(jù)采集和處理；

②可對檢測靈敏度進行設(shè)置，設(shè)定報警門坎閾值；

③對探測疑似部位，可調(diào)整探頭交變磁場頻率；

④存儲記錄功能，對檢測數(shù)據(jù)進行存儲、顯示。

傷損渦流檢測系統(tǒng)實現(xiàn)手持式檢測設(shè)備，體積小、重量輕、精度高、維護簡單，具有良好的經(jīng)濟效益、社會效益。

3.2 實現(xiàn)檢測控制的過程

3.2.1 傷損檢測采集信號處理過程

根據(jù)大型養(yǎng)路機械應(yīng)用檢測適用等級，確定檢測利用單片機控制產(chǎn)生交流電流源去驅(qū)動激勵線圈，設(shè)定裂紋發(fā)展量與激勵、檢測傳感器探頭電磁值變化對應(yīng)關(guān)系，獲得線圈探頭的測量值響應(yīng)曲線；由信號檢測調(diào)理檢測線圈采集的信號，經(jīng)混頻電路解調(diào)出有效信號的幅值和相位差信息，微處理器進行分析處理，提取特征值，最終得到焊接處裂紋的信息。

由于檢測線圈輸出的信號很微弱，一般在mV 級別，而由裂紋引起的幅值變化更加微小，處于uV 級別，且信號中往往還包含諸多干擾信號。因此需要對檢測線圈輸出的信號進行放大濾波處理，系統(tǒng)利用兩級放大電路對檢測線圈輸出的信號進行放大。再利用低通濾波電路濾除電路中的高頻干擾，我們通過抑制干擾源、切斷干擾傳播路徑，以及提高敏感元件抗干擾性能加以解決。探頭檢測示意圖如圖2 所示。

圖2 探頭檢測示意圖

如圖2 所示，系統(tǒng)利用DDS 芯片產(chǎn)生高精度壓控交流電流源信號，從而保證激勵信號的準確度，測量系統(tǒng)通過將檢測量與系統(tǒng)基準值進行比較，判斷當(dāng)前值是否超出監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)定范圍（根據(jù)不同數(shù)據(jù)性質(zhì)，可預(yù)先調(diào)整允許偏差值。

3.2.2 檢測電路工作模式

設(shè)備自檢進入工作狀態(tài)后如圖3，單片機通過采集檢測點數(shù)據(jù)，與設(shè)定基準值比較后，可以選擇各輸入量數(shù)據(jù)存儲、顯示、報警，也可以選擇綜合組合狀態(tài)處置，對檢測結(jié)果進行處理，控制過程包括：設(shè)備底層驅(qū)動指令集、系統(tǒng)各部件流程控制程序、結(jié)果顯示和處理程序等。

圖3 檢測流程圖

3.2.3 檢測系統(tǒng)的電路構(gòu)成

圖4為檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。桿式檢測儀檢測電路主要由渦流數(shù)據(jù)采集單元、數(shù)據(jù)處理單元、數(shù)據(jù)存儲單元、顯示單元和報警單元組成。檢測人員使用桿狀探頭檢測焊縫，數(shù)據(jù)采集單元將采集的數(shù)據(jù)實時傳送給數(shù)據(jù)處理單元，數(shù)據(jù)處理單元根據(jù)檢測結(jié)果與之前配置的異常判定標(biāo)準進行比較，得到檢測結(jié)果，通過嵌入式顯示模塊顯示，在超出基準值時實時給出預(yù)警。

圖4 檢測系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)框圖

檢測儀可調(diào)節(jié)相應(yīng)參數(shù)，即時測量，探頭角度可調(diào)整 ，渦流檢測信號回放、分析、存盤、打印，可對各種金屬部件和鐵磁性焊縫裂紋檢測。探傷工作準備時，檢測人員可以在軟件系統(tǒng)中對測量位置進行配置，為后續(xù)異常判定提供基準數(shù)據(jù)，包括基準值、上限值。檢測工作開始時，由渦流傳感器采集渦流磁場感應(yīng)的電流變化，經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換傳送給信號處理器進行數(shù)據(jù)處理，并根據(jù)之前的配置，實時顯示具體檢測的數(shù)據(jù)波動趨勢。如果檢測到被測部件焊縫存在裂紋，超出設(shè)定限值會進行聲光指示報警。檢測儀的渦流檢測信號可回放、分析、存盤、打印，檢測儀可對各種金屬部件和鐵磁性焊縫裂紋檢測。檢測儀也可根據(jù)需要連接大數(shù)據(jù)平臺，進行遠程監(jiān)控、分析，對檢測探頭獲取的數(shù)據(jù)實時存儲，調(diào)取分析。整體檢測方案如圖5所示。

圖5 整體檢測方案圖

也可建立數(shù)據(jù)采集監(jiān)控，進行遠程監(jiān)控、分析，對檢測探頭獲取的數(shù)據(jù)實時存儲，調(diào)取分析，探頭可組合攝像頭或測溫設(shè)備，實現(xiàn)多項功能融合。

4 渦流手持桿狀探傷儀試用實踐

現(xiàn)已在上海大機運用檢修段軌道車檢修車間年修的大型養(yǎng)路機械P95 上進行試驗，桿狀探頭能適應(yīng)有限狹窄結(jié)構(gòu)的焊縫，對確定的風(fēng)險較高的38 處焊縫均能有效探查，可及率100%，數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 檢測數(shù)據(jù)

試驗結(jié)果表明，本探傷儀預(yù)期檢測效果得到驗證，探傷設(shè)備具備實用價值。

5 總結(jié)和展望

本文對大型養(yǎng)路機械現(xiàn)場使用防裂損現(xiàn)狀進行分析 ，結(jié)合大機現(xiàn)場運用需求，提出采取渦流檢測方式解決大機現(xiàn)場人工傷損焊縫檢查保養(yǎng)存在的不足，研究開發(fā)手持式桿狀檢測儀。

隨著檢修技術(shù)的發(fā)展，鐵路安全要求的提高，大型養(yǎng)路機械現(xiàn)場維護保養(yǎng)精準化檢修成為必然趨勢，大機各部件結(jié)構(gòu)狀態(tài)數(shù)據(jù)化分析，本論文正是適應(yīng)這一變化針對性研究。

在建立大機各部件焊縫快速檢測的基礎(chǔ)上，可以實現(xiàn)在線傳輸、分析，實現(xiàn)遠程后臺監(jiān)控，時時分析，完成對傷損部位準確判定，達到狀態(tài)全壽命管理，大型養(yǎng)路機械精確化維護也能隨之建立。