動車鋁合金橫梁裂紋檢測系統設計

孫曉紅 崔云龍 張仁航 陳春俊 周林春 楊 崗

(1.中車青島四方機車車輛股份有限公司 山東 青島 266111；2.西南交通大學機械工程學院 四川 成都 610031)

動車底部鋁合金橫梁起著吊掛動車主回路設備、輔助回路設備、空調設備等的重要作用，其中輔助電源、污物箱、水箱等質量達數噸[1]。而動車線路運行時在交變載荷及多種環境耦合因素的作用下使得橫梁極易產生疲勞裂紋或者使橫梁原有的小缺陷擴展，如果由于鋁合金橫梁表面及近表面存在缺陷斷裂而導致大重量的設備突然脫落，會直接影響列車的運行安全性，造成重大事故，因此進行橫梁的裂紋檢測極其必要。

現有檢測方法必須先進行耗時的脫漆步驟再通過人工噴涂熒光滲透液的方法對其進行掃描，工作量大、滲透液具有一定毒性且只能對表面開放性裂紋進行探查，對閉合裂紋、淺表面和內部缺陷無法探查。在檢測任務量日益增重的情況下，該方法無法滿足快速、安全、準確的檢測要求，因此需要開發更快速、高效、高準確度的自動化動車鋁合金橫梁檢測系統。

1 渦流陣列

1.1 渦流檢測原理

渦流檢測(ECT)是無損檢測領域的常規檢測方法之一，是一種獨特而低成本的高速大規模檢測方法[2]。ECT技術的檢測對象為導電體，在選定的頻率下，通過線圈的交流電在線圈周圍產生磁場；當線圈靠近被檢工件時會產生感應渦流；被檢工件中的缺陷干擾渦流的流通導致探頭的磁耦合效果發生改變，從而通過測量線圈的阻抗變化即可分析被檢工件的缺陷信息[3-4]。

渦流陣列(ECA)和ECT技術基本物理原理相同，具有與ECT相同的功能。由于ECA技術采用同一探頭中多組線圈同時驅動的檢測方式，使得ECA技術具有覆蓋范圍大、掃查速度快、檢出概率高等優點， 且ECA技術還具有透過薄漆層進行檢測的獨特性能，與現有的滲透、磁粉等檢測方式相比，完全省去了檢測前去除漆層，檢測后再重新上漆的步驟，因此特別適合惡劣工作環境下以及檢測量大的檢測任務[5]。

1.2 渦流檢測設備

檢測設備采用型號為FBB-051-500-032的奧林巴斯柔性陣列式渦流檢測探頭以及配套Omniscan MX探傷儀主機，如圖1所示。探頭的有效檢測部分為柔性材料，可適應不同的檢測型面，其上有兩列共32個交錯排列的感應線圈，有效檢測長度為51 mm；探傷儀與探頭通過線纜連接，實現對檢測過程的實時監控。

圖1 渦流探傷儀

1.3 渦流檢測試驗

試驗樣件采用與實際橫梁相同的鋁合金材料和涂層噴涂方式，并添加了10個人工裂紋以進行檢測試驗(見圖2)，人工裂紋參數如表1所示。

圖2 試驗樣件

表1 人工裂紋參數

試驗結果表明:

(1)此渦流檢測設備能有效檢測該鋁型材表面及近表面人工刻蝕2 mm×0.2 mm×0.5 mm及以上的缺陷。

(2)在成像顯示上，渦流對裂紋長度方向上的改變較為敏感。

(3)在裂紋區域,可以看到阻抗圖出現明顯的波峰,在正常區域,阻抗圖變化較為平緩,沒有出現較大幅值。

(4)從成像結果可以看出非導電的涂層對檢測結果沒有影響。

2 檢測系統總體設計

2.1 鋁合金橫梁

被檢測橫梁的縱向長度為3 000 mm，縱向上每隔200 mm有一個?40 mm圓孔。其中：檢測面為A、B、C、D、E、F、G、H；在A、B面和B、C面過渡的部分(對稱的F、G、H一樣)也需要盡可能檢測。橫梁的截面形狀如圖3所示。

圖3 橫梁截面

2.2 檢測系統

檢測系統[6-9]主要由檢測裝置和檢測軟件組成。檢測裝置搭載渦流檢測探頭懸掛于橫梁上，檢測軟件控制機器人在橫梁上的掃查進程和探頭的方向、位置等，以及配合探傷儀主機實現檢測結果分析、檢測結果報告生成和存檔。具體結構框圖如圖4所示。

圖4 檢測系統總體結構

3 檢測裝置

檢測裝置主要用于配合渦流探傷檢查儀在無須去除表面涂層條件下實施的高可靠性的裂紋缺陷無損檢測，此裝置僅需少量的人為操作即可進行整個測量過程，減輕了工人工作壓力，減少了必要工作時間。檢測裝置主要由掛載行走機構和測量模組組成，具體結構如圖5所示。

圖5 檢測裝置總體結構

3.1 掛載行走機構

掛載行走機構實現與橫梁的安裝連接與水平行走，主要包括支撐平臺、定位裝置、驅動裝置等部分。支撐平臺主要承載檢測裝置的各個結構；定位裝置通過懸掛輪、壓緊輪、鎖扣裝置和氣缸共同作用實現裝置的橫向鎖緊定位；驅動裝置包含由電機驅動的2個驅動輪，實現檢測裝置沿梁縱向水平移動。

3.2 測量模組

測量模組用來安裝陣列式渦流傳感器，使用時安裝在運動平臺上，貼合橫梁型面進行移動檢測。模組共有兩組，分別位于橫梁兩側，單邊的測量模組通過垂向、橫向兩組直線電機模組加探頭工裝處一個旋轉電機組成，如圖6(a)所示。直線電機控制探頭的水平和垂向移動，旋轉電機實現探頭平面的俯仰方向控制，并確保探頭的結構不會在俯仰運動過程中與橫向模組產生干涉。

工裝分兩部分，一部分固定在探頭的外殼上，通過將非有效測量部分彎曲，確保傳感器的有效部分可朝向檢測面。另一部分則安置在機器人本體旋轉電機結構上。探頭通過楔形卡槽與機器人本體的探頭工裝實現快拆。工裝的頂部平面與探頭傳感器背面之間通過具備足夠彈性的柔性材料進行緩沖。柔性材料與工裝結構間設置兩組貼片式微動開關，用于給控制探頭平面向檢測面貼合過程的電機提供到位的信號反饋，并在運動過程中確保探頭平面始終與檢測面表面貼緊，具體結構如圖6(b)所示。

3.3 運動控制

檢測裝置的運動控制通過西門子S7-1200系列PLC+驅動器方式實現。電機全部采用伺服電機，可以實現精確的位置控制。運動過程中的坐標系原點為工件的端部A面頂端，自動掃查采用自頂向下橫向掃查方式，如圖7所示。

(a)單個測量模組 (b) 探頭工裝圖6 測量模組

圖7 掃查過程

4 檢測軟件

檢測軟件包括用戶管理、項目管理、測試管理和報告管理4個部分。用戶管理允許設置一個不可刪除的root用戶，具備用戶的新增、刪除和修改權限；項目管理是系統基本功能，包含項目新建、項目臺賬和條件檢索；報告管理是系統的后處理模塊，實現報告預覽、下載等功能。

而測試管理屬于該系統核心功能，包括自動測試和手動測試兩種。其中，自動測試由軟件直接啟動機器人本體，在檢測過程中發現缺陷時，通過軟件上的暫停按鈕觸發確定是否要截圖。檢測過程中，機器人的實時坐標位置由機器人控制器直接給出，軟件界面實時更新。人工測試模式則由人工取下探頭后，自行操作探傷儀進行檢測，完成后手動導入數據。在同一個檢測中，所有缺陷條目將統一匯總形成最終的檢測報告。

5 結論

此次研究設計了一套動鋁合金橫梁裂紋檢測系統。設計了掛輪式檢測裝置以及檢測控制分析軟件。檢測裝置搭載2個陣列式渦流傳感器懸掛于動車底部鋁合金橫梁上，在檢測軟件的控制下對橫梁進行掃查，當檢查出裂紋、缺陷時能輸出報警信號并記錄裂紋的位置信息和波形圖，能自動生成檢測結果報告，并存至檢測結果數據庫。該系統完全代替了原有的人工檢測方式，實現了更快速、準確、自動化的動車底部鋁合金橫梁裂紋檢測。