CN105606708B - 一种列车车轮便携式探伤系统的检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种列车车轮便携式探伤系统的检测方法，该系统有多组探头阵列模块和数据采集模块，同时对多个车轮进行检测。检测设备可安装于机车之上，检测过程中无需人工手持，可跟随车辆同时前进一段距离，即可完成对整个车轮的扫查。系统采用多探头多通道组合扫查技术，通过多通道组合的超声波探头阵列，分别由上位机控制独立通道进行超声激励和信号采集。上位机软件与数据采集模块可通过有线或无线(WiFi)方式进行通信。上位机软件基于UDP协议将指令发送给数据采集模块，控制其工作。数据采集模块基于TCP协议将探伤数据发送给上位机软件，经过处理，以B扫图的形式将车轮伤损情况形象直观地展现出来，判断缺陷是否存在及位置。

Description

一种列车车轮便携式探伤系统的检测方法

技术领域

本发明涉及无损检测领域，更确切的说，涉及一种列车车轮便携式探伤系统的检测方法。

背景技术

车轮是机车的主要受力部件，其几乎承担了机车的全部重量并完成在钢轨上的转动。目前铁路运输的提速和重载快速发展，机车车轮踏面、轮辋、轮辐及辐板孔部件容易出现应力集中等现象，导致车轮的擦伤、剥离、不圆度、非正常磨耗加剧，特别是性质十分严重的轮辋周向裂损故障时有发生，直接危及行车安全。因此对机车车轮进行无损检测并判断车轮内部的伤损类型和位置一直是铁路运输部门十分关心的问题，机车车轮除了在出厂前需要经过严格的质量检测外，在使用过程中也需要定期对车轮的健康状态跟踪检测、分析及维护等。所以，利用高效的检测方法并研制一种列车车轮便携式探伤系统，对于保障机车的日常行车安全很有必要。

目前常用于机车车轮检测的无损检测方法，可以分为电涡流探伤(EC)、磁粉探伤(MT)、超声探伤(UT)等技术。这些技术方法中，磁粉和涡流探伤法只能对车轮的踏面表面的缺陷(擦伤)进行检测，而超声探伤法可对车轮内部的缺陷进行检测。超声探伤技术是指利用超声波具有穿透性和反射能力的特点用来对被测工件的内部进行无损检测的过程。当声脉冲遇到声特性阻抗发生变化的地方(如出现密度分层)，部分入射声能会被反射，根据反射声波的声压大小可对被测工件(机车车轮)内部伤损情况做出一定的评估。超声探伤的优点是：适用范围广；成本较低；灵敏度相对较高；在缺陷的定位、定量分析上有一定的优势。

另外，现有技术中，发明专利申请《一种跟随式机车车辆超声波探伤机》公开号CN104677989A和相同技术内容的实用新型专利，公告号CN 20438389443U。该现有技术公开了一种跟随式机车车辆超声波探伤机，包括固定工作平台、探伤装置、超声换能器、耦合剂管路3、适配器4、采集装置5和信号传输装置6。该发明采用跟随式检测，也可以安装在减震臂主体上或不影响工作的其他适合位置，但是其在线检测的效率和可靠性尚未达到要求，并且其在安装便捷性也有欠缺。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明旨在实现的技术问题为：设计一种列车车轮便携式探伤系统，使之具有安装方便、兼容性强、检测范围广、精度高、误判率低、人工依赖程度低等特点，可实时切换显示不同车轮的A扫、B扫图；对缺陷进行位置及颜色的标识；实时存储探伤数据，可供历史查询及回放；系统可按不同轮型灵活配置不同参数，方便操作；多用户登陆系统，分配不同权限。

为了实现上述发明目的，本发明设计了一种列车车轮便携式探伤系统，本系统的主要组成是贴合车轮扫查的探头阵列模块；控制探头工作、采集探伤数据的数据采集模块；接收探伤数据、处理探伤数据、绘制探伤图形及存储回放等其它功能的上位机软件。其采用的技术方案为：

一种列车车轮便携式探伤系统，其特征在于：包括探头阵列模块，数据采集模块以及上位机软件模块；所述探头阵列模块，包括一个支架，上面安装不同类型的探头、编码器以及耦合装置；所述数据采集模块，包括超声波探伤UT控制器，连接所述探头；接口控制器，连接所述编码器，并与耦合装置相连及超声波探伤UT控制器相连；无线装置，与超声波探伤UT控制器相连，并连接上位机；采集模块连接固定支架，固定支架则用于固定整个模块于车辆之上，无需人工手持；电源，给超声波探伤UT控制器、接口控制器、无线装置以及耦合装置供电；所述上位机软件模块，发送指令给所述数据采集模块，接收并处理数据采集模块的回应包以及探伤数据。

上述的检测系统，其进一步特征在于：所述探头阵列模块，是探头的载体，用于固定探头的排列方式并使之贴合在车轮上；探头阵列中安装了双晶和大角度两种类型的探头，分别用于检测轮辋、轮缘及踏面部分的缺陷。

上述的检测系统，其进一步特征在于：所述数据采集模块，超声波探伤UT控制器基于UDP协议接收上位机软件指令，并返回对应代码作为应答信号，超声波探伤UT控制器连接着位于探头阵列中的多路超声波探头，探伤时驱动探头发送超声波探伤波束和接收返回的探伤回波，并将数据初步处理后基于TCP协议传送给上位机软件，以待处理。

上述的检测系统，其进一步特征在于：所述上位机软件模块，是人机交互的窗口，基于UDP协议给数据采集模块发送指令，所述数据采集模块执行指令，控制整个系统；上位机软件模块还用于接收数据采集模块上传的探伤数据，经过处理以后，直观并且实时地展示给用户，以便查阅；探伤过程中接收数据的同时存储原始数据，探伤结束后存储B扫图像，更加方便用户进行查询；探伤结果以B扫图的形式呈现，准确表示出缺陷的位置、大小信息，判断出缺陷与否。

本发明同时公开了一种使用上述检测系统的车轮便携式探伤检测方法，包括以下步骤：

步骤一：所述上位机软件根据不同轮型给所述UT控制器配置相应参数；

步骤二：所述上位机软件打开所述耦合装置，同时启动所述UT控制器，UT控制器激励所述探头发射超声波开始探伤检测，并采集数据；

步骤三：所述UT控制器初步处理探伤数据，并将其传送到所述上位机软件；

步骤四：所述上位机软件对采集数据进行处理，并实时显示A扫或B扫数据，同时存储数据；

步骤五：停止采集后形成完整A扫或B扫图，通过调整阈值等方法分析是否存在缺陷，判定探伤结果并生成检测报告。

所述探伤检测方法为：将所述支架固定于车轴之上，探头阵列贴合车轮，数据采集盒安装于探头支架的机械臂上，多组探头阵列同时工作，分别检测同一机车的不同车轮，随车移动一段距离，所述距离大于车轮周长，将采集到的数据发送至上位机软件，以待处理；不同探头按通道分类，根据多个通道超声探头的连续扫查以及多角度多方位的扫查，完成对车轮的检测。探头阵列的通道大于或等于8个。

所述探伤数据处理方法为：解析每一帧采集数据并以数组形式表示，解析后将数据进行预处理，同时存入本地；预处理后的数据经过画图算法形成A扫或B扫图在检测过程中实时显示；检测完成后可以读取存入本地的原始数据重新绘制更加精确的数据分析图，以供检测人员分析。

所述A扫或B扫图绘制方法为：每1mm对应A扫或B扫图上1个像素点；绘制简单的图形投影边框效果图；首先根据采集到编码器数据，确定本帧数据对应图上的位置，具体方法为：根据编码器数据计算出走过的弧长，并转化为对应的角度，以效果图中轮缘上规定的点作为参考起点找到该帧数据对应的点的位置，并在该点与原点的连线上绘制本帧数据的A扫或B扫图；然后根据声程和声压连线上改变上述效果图数组中对应的像素点的值，最终形成A扫或B扫图像。

所述探伤结果判定方法为：根据伤损的严重程度设定阈值，范围为0-100％，0％表示所有伤损都为不可忽略的，100％表示所有伤损都是可忽略的；对于实时显示图像，伤损大于阈值的以红色表示，低于阈值的以灰色表示；对于数据分析图像，根据数据声压大小及阈值，伤损颜色从灰色到深红递变，颜色越深表示伤损越严重。

本发明的有益效果为：(1)兼容性强、精度高、误判率低、人工依赖程度低的特点；(2)设置不同的操作权限，防止由于操作人员的误操作而导致探伤结果的不准确；(3)采用友好的人机交互界面，省去了复杂的参数配置，改用一键设置功能，操作人员只需简单培训而无需具备相关专业知识即可操作仪器；(4)软件采用B扫的显示方式来呈现探伤结果，更加直观易懂；(5)软件功能丰富齐全，除探伤显示等基础功能外还包括系统自检、用户信息管理、检测过程记录、数据查看、数据存储以及输出检测报告等综合功能，且具有可扩展性。

附图说明

图1是本发明实施例的机车车轮多轮对跟随式超声波检测系统结构示意图一。

图2是本发明实施例的机车车轮多轮对跟随式超声波检测系统结构示意图二。

图3是本发明实施例的多组探头阵列模块结构示意图。

图4是本发明实施例的接收数据流程示意图。

图5是本发明实施例的软件工作流程图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。

本系统的整个结构如附图1、2所示。所述系统的检测步骤如下：

步骤一：登陆上位机软件，验证用户名和密码是否正确，分用户权限进入探伤系统；

步骤二：录入检测信息(包括车号、轮型、班次、检测类型等)，基于UDP协议将参数配置到UT控制器中；

步骤三：基于UDP协议将打开耦合剂、启动采集的命令发送至UT控制器，UT控制器激励超声探头发射超声波对车轮进行扫描，同时UT控制器接受回波信号，并将探伤数据通过TCP协议传送至上位机，接收数据的流程示意图如图4所示；

步骤四：预先绘制车轮的轮饼图，接受UT控制器传来的探伤数据，通过数据处理转换成A扫、B扫数据，A扫数据通过波形图直接显示波形；B扫数据经过成像算法改变轮饼图中对应位置的色值从而形成B扫图像，实时并可切换不同车轮进行显示；

所述的B扫成像处理算法为：根据编码器数据计算出走过的弧长，并转化为对应的角度，以效果图中轮缘上规定的点作为参考起点找到该帧数据对应的点的位置，并在该点与原点的连线上绘制本帧数据的B扫图。然后根据声程和声压连线上改变上述效果图数组中对应的像素点的值，最终形成B扫图像。

步骤五：检测完毕后发送关闭耦合剂、停止采集命令，UT控制器停止工作；同时上位机形成完整的B扫图像，通过调节阈值大小对缺陷进行分析，并根据需要对缺陷进行复检复核，确认缺陷信息；

所述的探伤结果查阅方法为：根据对缺陷的严格程度设定阈值，阈值范围为0-100％，0％表示所有的缺陷都视为严重不可忽略缺陷，100％表示所有的缺陷都视为轻微可忽略缺陷；对于特定阈值，阈值以下缺陷以灰色不同深度表示，阈值以上缺陷以红色不同深度表示；

步骤六：形成并打印检测报告；

步骤七：存储本次探伤数据，分车轮分通道保存原始探伤数据，同时保存每个车轮的B扫图像；

步骤八：点击历史查询，可根据日期等条件选择需要查看的文件双击进入回放模式，查看历史探伤数据；

步骤九：所有操作完成以后，复位系统并退出。

软件工作流程图如图5所示。

本发明探头阵列覆盖整个踏面，能够探测出不同位置不同类型的缺陷。并且对不同轮型具有兼容性，能够测量更多的轮型。探伤过程中，能够实时查看A扫B扫图，人工主观依赖性大大减少。同时对于某一缺陷，能够实时查看位置信息，方便缺陷的复检复核及确认，降低了检测的复杂性。本发明的机车车轮多轮对跟随式超声波检测系统包括以下模块：探头阵列模块，数据采集模块以及上位机软件模块。如图1所示。

探头阵列模块是整个系统的重要组成部分，它是探头的载体，用于固定探头的排列方式并使之贴合在车轮上；支架则用于固定整个模块于车辆之上，无需人工手持，解放了劳动力；探头阵列中安装了双晶和大角度两种类型的探头，分别用于检测轮辋及踏面部分的缺陷。

数据采集模块是整个系统的硬件核心。其中UT控制器基于UDP协议接收上位机软件指令，并返回对应代码作为应答信号。UT控制器连接着位于探头阵列中的多路超声波探头，探伤时驱动探头发送超声波探伤波束和接收返回的探伤回波，并将数据初步处理后基于TCP协议传送给上位机软件，以待处理。

上位机软件模块是整个系统的软件核心，也是人机交互的窗口。基于LabVIEW开发。上位机软件基于UDP协议给数据采集模块发送指令，数据采集模块执行指令，达到控制整个系统的目的。上位机软件还用于接收数据采集模块上传的探伤数据，经过处理以后，直观并且实时地展示给用户，以便查阅。探伤过程中接收数据的同时存储原始数据，探伤结束后存储B扫图像，更加方便用户进行查询。探伤结果以B扫图的形式呈现，能够准确表示出缺陷的位置、大小等信息，很容易地判断出缺陷与否，具有精度高、误判率低、人工依赖程度低等优点。

1、一种列车车轮便携式探伤系统的技术条件

在实际工程中，本技术条件适用于机车车轮超声波检测系统，系统的供电电压为AC220V，数据采集模块的供电电压为DC12V；闸门阈值设置范围：满幅度0％～100％；系统检测范围：轮辋及近表面部位；检测缺陷类型及灵敏度：轮辋近表面径向裂纹：踏面表面径向10mm(长)×2mm(深)的当量裂纹；轮辋内部径向裂纹：踏面下30mm，Φ3×100mm横孔当量缺陷；轮辋周向裂纹：踏面下30mm，Φ3×100mm横孔当量缺陷。

2、一种列车车轮便携式探伤系统的具体实施方式

实施例一：机车车轮多轮对跟随式超声波检测系统包括3个模块：探头阵列模块、数据采集模块以及上位机软件模块。支架上安装8个探头，1000芯编码器2个以及1个耦合剂喷射装置。探头类型分别为：双晶直探头6个，单晶大角度70度探头2个；单晶大角度探头前后各一个，分别向前和向后扫描；中间分2排错位排放6个双晶直探头；2个编码器一前一后安装于支架的一侧；超声波探伤UT控制器与接口控制器安装于支架臂上。整个探头阵列通过机械臂固定于车辆之上，并使探头贴合与车轮踏面之上，探头与车轮之间的细小缝隙以耦合剂填充。

数据采集模块固定于机械臂上，以DC12V电压供电。其中的UT采集单元通过UDP和TCP协议与上位机通信。UDP协议用于传送命令及相应的回应，而TCP协议用于上传采集到的探伤数据。上位机IP固定为192.168.0.6，下位机IP可设置为192.168.0.**(其中**可取11～16)。UDP协议下位机监听端口号：2000，上位机监听端口号：2000+IP地址(如：UT的IP地址为192.168.0.11，对应的上位机监听端口号为2011)。TCP协议上位机为服务端，下位机为客户端，上位机监听端口号：2000+UTIP地址(如：UT的IP地址为192.168.0.11，对应的上位机监听端口号为2011)。

上位机软件是人机交互的接口，控制系统的运行。打开软件输入用户名及密码登陆系统。录入检测信息并加载完UT参数后开始探伤。探伤开始，弹出探伤显示界面。打开耦合剂，启动采集，车辆前行带动编码器旋转触发探头工作，开始采集数据。数据经TCP协议传送至上位机。接收数据的流程如图4所示。上位机经过数据处理形成A扫B扫图像，可以选择车轮及通道切换查看相应的图像，探伤完毕后停止采集，并点击探伤结束来结束本次采集。

检测完毕后系统自动跳入数据分析界面，通过改变阈值的方式分析缺陷是否存在，对缺陷进行复核或确认，并可以打印探伤报告，完成本次检测。

重复上述操作完成所有检测任务后，可以进入历史查询界面查看历史数据。选择需要查看的数据，双击进入数据分析界面，对所选的数据进行查看与分析。也可以退出系统，完成检测。

整个系统的工作过程如下所述：安装探伤设备，完成后打开软件，录入检测信息后，软件通过UDP协议发送参数配置指令以及启动采集命令，同时车辆开始前进，速度控制在5km/h以内，作为优选，控制在1m/s左右。启动采集后编码器的触发信号存在的情况下，探头产生超声激励开始工作，同时采集回波信号。采集到的回波信号经UT初步处理后通过TCP协议传送至上位机。上位机接收到数据后进行数据处理分别形成A扫B扫图，并实时显示。探伤结束后需要对数据进行分析，判断缺陷是否存在以及危险等级，并生成探伤报告，或者复检后完成上述分析。最后可以对历史数据进行查询或直接退出系统，结束检测。

实施例二：如图3所示，机车车轮多轮对跟随式超声波检测系统同实施例一，其中3组探头阵列模块同时工作，分别检测同一机车的不同车轮。

本发明的列车车轮便携式探伤系统的固定支架可以固定于车体上或者转向架上，用于车辆的跟随式检测；也固定于检修车间内，用于车辆的非移动式检测。

综上所述，一种列车车轮便携式探伤系统的结构简单，并具有兼容性强、精度高、操作简便等优点。另外，以上的实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。本发明未涉及的技术均可通过现有的技术加以实现。

Claims (5)

1.一种列车车轮便携式探伤系统的检测方法，其特征在于，包括固定支架，探头阵列模块，数据采集模块以及上位机软件模块；

所述探头阵列模块，包括一个支架，所述支架上安装探头、编码器以及耦合装置；

所述数据采集模块，包括超声波探伤UT控制器，连接所述探头；接口控制器，连接所述编码器，并与耦合装置相连及超声波探伤UT控制器相连；数据传输装置，与超声波探伤UT控制器相连，并连接上位机；电源，给超声波探伤UT控制器、接口控制器、无线装置以及耦合装置供电；

所述上位机软件模块，发送指令给所述数据采集模块，接收并处理数据采集模块的回应包以及探伤数据；

所述固定支架用于固定所述探头阵列模块，数据采集模块和上位机软件模块；

包括以下步骤：

步骤一：所述上位机软件根据不同轮型给所述UT控制器配置相应参数；

步骤二：所述上位机软件打开所述耦合装置，同时启动所述UT控制器，UT控制器激励所述探头发射超声波开始探伤检测，并采集数据；

步骤三：所述UT控制器初步处理探伤数据，并将其传送到所述上位机软件；

步骤四：所述上位机软件对采集数据进行处理，并实时显示A扫或B扫数据，同时存储数据；

步骤五：停止采集后形成完整A扫或B扫图，通过调整阈值的方法分析是否存在缺陷，判定探伤结果并生成检测报告；

所述A扫或B扫图绘制方法为：每相应长度对应B扫图上相应像素点；绘制简单的图形投影边框效果图；首先根据采集到编码器数据，确定本帧数据对应图上的位置，具体方法为：根据编码器数据计算出走过的弧长，并转化为对应的角度，以效果图中轮缘上规定的点作为参考起点找到该帧数据对应的点的位置，并在该点与原点的连线上绘制本帧数据的A扫或B扫图；然后根据声程和声压连线上改变上述效果图数组中对应的像素点的值，最终形成A扫或B扫图像。

2.根据权利要求1所述的检测方法，其特征在于，所述探伤检测方法为：将所述支架固定于车轴之上，所述探头阵列模块贴合车轮；数据采集盒安装于探头支架的机械臂上，随车移动一段距离，所述距离大于等于车轮周长；将采集到的数据发送至上位机软件，以待处理；探头阵列按通道分类，根据多个通道超声探头的连续扫查以及多角度多方位的扫查，完成对车轮的检测。

3.根据权利要求2所述的检测方法，其特征在于：

一组或多组所述探头阵列模块同时工作，分别检测同一机车的不同车轮；所述探头阵列的通道大于或等于8个；列车移动速度小于等于5km/h。

4.根据权利要求1所述的检测方法，其特征在于，所述探伤数据处理方法为：解析每一帧采集数据并以数组形式表示，解析后将数据进行预处理，同时存入本地；预处理后的数据经过画图算法形成A扫或B扫图在检测过程中实时显示；检测完成后可以读取存入本地的原始数据重新绘制更加精确的数据分析图。

5.根据权利要求2所述的检测方法，其特征在于，所述探伤结果判定方法为：根据伤损的严重程度设定阈值，范围为0-100％，0％表示所有伤损都为不可忽略的，100％表示所有伤损都是可忽略的。