CN116519798A - 一种高速列车制动盘缺陷磨损检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高速列车制动盘缺陷磨损检测装置，由DSP控制器控制发射电路向电磁超声探头传输高频交流电，发射电路向高频线圈输入高频电流后，在制动盘的集肤层产生涡流，在永久磁铁产生的静态磁场作用下，会受到机械力的作用而产生高频振动，进而形成超声波波源，超声波在制动盘中反射回来时，振动质点切割静态磁场感应线，从而产生交变电场，通过交变电场影响高频线圈附近的磁场变化，进而在多个超声波换能器组成环形的超声波换能器列阵来接收超声波的压电信号，该信号传输至接收电路中进行放大滤波后，传输至DSP控制器控制中进行缺陷分析。

Description

一种高速列车制动盘缺陷磨损检测装置

技术领域

本发明涉及制动盘缺陷检测领域，尤其涉及一种高速列车制动盘缺陷磨损检测装置。

背景技术

近年来，高速列车的运行速度大幅提升，与以往相比较，各个部件承受更加复杂载荷作用。制动盘作为制动系统的重要部件，在运行中如发生损伤，将严重危害列车的安全。综合国内外对制动盘损伤方面的研究来看，导致列车制动盘出现损伤的载荷主要分为两个方面。一方面，列车高速运行时，轮轴系统(包括轮轴、制动毂和制动盘)受到路谱的振动与冲击和转动惯性力的作用较大，振动与冲击载荷会给轮轴系统一个垂向的加速度，而高速转动产生的惯性力还会使轮轴系统产生一个离心加速度。不同载荷的耦合作用会使轮轴系统受到较为复杂的动应力，制动盘的受力也就变得复杂。另一方面，列车在制动时，制动闸片与制动盘的摩擦会在制动盘中产生不均匀的温度变化，从而产生热应力。列车运行速度不断提高必然导致动能的增加，这导致制动时制动盘产生的热能急剧增加，产生非常大的热负荷，从而使制动盘承受较大的热应力，循环交变的热应力作用下，也会导致制动盘产生疲劳裂纹。

目前，磁粉探伤以及电涡流检测等都是比较有代表性的无损检测方法，并且广泛应用于轨道交通领域。这些检测方法均可以用于裂纹的检测，但是都存在着诸多缺点，例如，磁粉探伤方法仅限于铁磁材料，且在探伤前后要保持试件清洁，某些应用中还要在探伤结束后对试件进行消磁，较为繁琐。电涡流检测方法只局限于导体材料，穿透力差，且只适合于形状简单的物体。而声发射检测技术则可以探测到试件的内部损伤程度，且能够在线监测到内部裂纹的萌生及其扩展情况。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种高速列车制动盘缺陷磨损检测装置，采用电磁超声检测原理对高速列车制动盘缺陷磨损进行检测，通过发射电路在高频线圈中产生大功率的高频交变电流，通过接收电路对反射回来的超声波进行采集，在接收电路中设置了多级放大电路和滤波电路对接收到的信号进行前端处理，电磁超声波探头向制动盘发射超声波，利用多个超声波换能器组成的超声波矩阵来接收反射回来的超声波，通过判断回波传输的距离来判断制动盘中的缺陷和磨损。

为了实现上述目的，本发明提供的一种高速列车制动盘缺陷磨损检测装置是这样实现的：

一种高速列车制动盘缺陷磨损检测装置，包括控制箱、支架、电磁超声探头、喷刷，支架安装在车轴上，且挨近制动盘，电磁超声探头和喷刷安装在支架上，由喷刷向制动盘上涂抹耦合剂，以减少电磁超声探头与制动盘的摩擦，且能使电磁超声探头与制动盘更好的耦合，便于超声波的传递，由控制箱控制电磁超声探头发射和接收超声波。

本发明的控制箱包括金属铝盒、DSP控制器、接收电路板、发射电路板、耦合剂，接收电路板上设有接收电路、发射电路板上设有发射电路，由DSP控制器控制发射电路向电磁超声探头传输高频交流电，通过接收电路接收电磁超声探头采集到的超声波，并传输给DSP控制器进行处理，耦合剂与喷刷相连，喷刷将耦合剂喷刷在制动盘上，减小电磁超声探头与制动盘的摩擦，使电磁超声探头与制动盘更好的耦合。

本发明的电磁超声探头包括外壳、超声波换能器列阵、高频线圈、永久磁铁，永久磁铁安装在高频线圈的正上方，用于提供静态磁场，由多个超声波换能器组成环形的超声波换能器列阵，发射电路向高频线圈输入高频电流后，在制动盘的集肤层产生涡流，在永久磁铁产生的静态磁场作用下，会受到机械力的作用而产生高频振动，进而形成超声波波源，超声波在制动盘中反射回来时，振动质点切割静态磁场感应线，从而产生交变电场，通过交变电场影响高频线圈附近的磁场变化，进而在超声波换能器列阵中接收到超声波的压电信号，该信号传输至接收电路中进行放大滤波后，传输至DSP控制器控制中进行缺陷处理分析。

本发明采用多个超声波换能器组成环形的超声波换能器列阵来接收反射回来的超声波，能够尽可能多的接收到回波信号，增加回波信号被检测到的概率，提高检测的精度。

本发明的高频线圈和永久磁铁选取的方案为：采用蛇形线圈，永久磁铁采用单极型磁铁，单极型磁铁在蛇形线圈上激发出的超声波属于横波，由于横波只能在固体中传播，制动盘内部存在缺陷时，该缺陷处为气体或真空，当横波传递到此处时，就会被反射回去，通过分析回波信号来计算制动盘的缺陷和磨损情况。

本发明计算制动盘缺陷位置和磨损的方案为：先测量一个完好的制动盘，通过计算超声波反射时间及制动盘的厚度来计算出超声波在制动盘中速度，用于检测制动盘内部缺陷时，根据超声波波速和回波时间来计算超声波在制动盘中传输的距离，根据这个距离来判断制动盘内部的缺陷及缺陷所在的位置，并计算出制动盘的磨损情况，具体为：

(1)制动盘完好情况

设制动盘完好情况下的厚度为L，电磁超声探头向制动盘发射的超声波往返时间为t1，那么超声波在制动盘中的传播速度为：

由于超声波在制动盘中传播时会存在一定的损耗，所以低波幅值会比使波幅值小一点；

(2)制动盘完内部缺陷

当制动盘中存在缺陷时，超声波会在更短的时间内返回，有些缺陷比较小，在这个时间点反射回来的超声波波束较少，所以得到的缺陷波幅值较小，设返回时间为t2，那么制动盘中缺陷的位置到表面的相对距离为：

L1＝V·t2 (2)

(3)制动盘磨损

高速列车制动盘被磨损后，厚度会产生变化，超声波在制动盘中传播的时间比正常情况下更小，设返回时间为t3，那么制动盘剩余的厚度为：

L1＝V·t3 (3)

本发明的DSP控制器在对接收电路传来的超声波信号进行处理时，需要对超声波信号进行滤波处理，具体方案为：超声信号一般是一种非稳定信号，而有用信号大多表现为低频信号，噪声信号则表现为高频信号，但是对于非稳定信号，高频信号中常常包含有检测信号的有用信息，故在对非稳定信号的降噪过程中，既要求消除噪声所表现的高频量，同时需要保留那些包含有用信息的高频量，所以采用小波变换滤波法进行滤波去噪，具体流程为：

(1)小波分解：确定不同的小波基和分解层数，对信号进行小波变换；

(2)构造阈值函数：采用最大最小准则阈值来构造阈值函数，表示为：

式中，n表示小波系数的个数，σ表示噪声标准差。

(3)设定阈值：阈值的选取是小波阈值去噪的关键环节，对于不同的信号，阈值设定也不相同；对一含噪信号采用最大最小准则阈值，通过比较对含噪信号降噪处理的效果来分析各参数的选择优劣，其中，信号信噪比是衡量降噪效果有效与否的重要指标，其定义为：

式中，f(n)为原始不含噪声的超声波信号，为含有噪声的超声波信号，超声信号经过小波阈值变换后，将它的时域信号信噪比设定为12.98dB。

(4)重构：将去除噪声后的各个层的小波系数重构出去噪后的信号。

由于本发明采用电磁超声检测原理对高速列车制动盘缺陷磨损进行检测，电磁超声波探头向制动盘发射超声波，利用多个超声波换能器组成的超声波矩阵来接收反射回来的超声波，通过判断回波传输的距离来判断制动盘中的缺陷和磨损，从而可以得到以下有益效果：

1.利用多个超声波换能器组成的超声波矩阵来接收反射回来的超声波，能够尽可能多的接收到回波信号，增加回波信号被检测到的概率，提高检测的精度。

2.采用单极型磁铁在蛇形线圈上激发出的超声波横波，由于横波只能在固体中传播，制动盘内部存在缺陷时，该缺陷处为气体或真空，当横波传递到此处时，就会被反射回去，通过分析回波信号来计算制动盘的缺陷和磨损情况，能更精准的检测制动盘存在的缺陷。

附图说明

图1为本发明一种高速列车制动盘缺陷磨损检测装置的安装结构示意图；

图2为本发明一种高速列车制动盘缺陷磨损检测装置的控制箱的结构示意图；

图3为本发明一种高速列车制动盘缺陷磨损检测装置的电磁超声探头的结构示意图；

图4为本发明一种高速列车制动盘缺陷磨损检测装置的超声波换能器列阵的结构示意图；

图5为本发明一种高速列车制动盘缺陷磨损检测装置的高频线圈的结构示意图；

图6为本发明一种高速列车制动盘缺陷磨损检测装置的电磁超声检测原理图；

图7为本发明一种高速列车制动盘缺陷磨损检测装置的计算制动盘缺陷位置和磨损的示意图；

图8为本发明一种高速列车制动盘缺陷磨损检测装置的小波变换滤波流程图；

图9为本发明一种高速列车制动盘缺陷磨损检测装置的工作原理。

图10为本发明一种高速列车制动盘缺陷磨损检测装置中滚珠的安装示意图。

主要元件符号说明。

控制箱	1	支架	2
				电磁超声探头	3	喷刷	4
金属铝盒	5	DSP控制器	6
				接收电路板	7	发射电路板	8
耦合剂	9	外壳	10
				超声波换能器列阵	11	高频线圈	12
永久磁铁	13	滚珠	14

具体实施方式

下面结合实施例并对照附图对本发明作进一步详细说明。

请参阅图1至图10所示为本发明中的一种高速列车制动盘缺陷磨损检测装置，包括控制箱1、支架2、电磁超声探头3、喷刷4。

如图1所示，所述的支架2安装在车轴上，且挨近制动盘，电磁超声探头3和喷刷4安装在支架2上，由喷刷4向制动盘上涂抹耦合剂9，以减少电磁超声探头3与制动盘的摩擦，且能使电磁超声探头3与制动盘更好的耦合，便于超声波的传递，由控制箱1控制电磁超声探头3发射和接收超声波。

如图10所示，所述的支架2采用卡口型安装方式，需要对制动盘进行检测时，待高速列车停止后，将支架2放置在车轴上，人工转动支架2，支架2在滚珠14的辅助下减小了与车轴的摩擦。

如图2所示，所述的控制箱1包括金属铝盒5、DSP控制器6、接收电路板7、发射电路板8、耦合剂9，DSP控制器6、接收电路、发射电路安装在金属铝盒5中，接收电路板7上设有接收电路、发射电路板8上设有发射电路，由DSP控制器6控制发射电路向电磁超声探头3传输高频交流电，通过接收电路接收电磁超声探头3采集到的超声波，并传输给DSP控制器6进行处理，耦合剂9与喷刷4相连，喷刷4将耦合剂9喷刷4在制动盘上，减小电磁超声探头3与制动盘的摩擦，使电磁超声探头3与制动盘更好的耦合。

如图3、图6所示，所述的电磁超声探头3包括外壳10、超声波换能器列阵11、高频线圈12、永久磁铁13，永久磁铁13安装在高频线圈12的正上方，用于提供静态磁场，高频线圈12与发射电路电性连接，由多个超声波换能器组成环形的超声波换能器列阵11，超声波换能器列阵11与接收电路电性连接，发射电路向高频线圈12输入高频电流后，在制动盘的集肤层产生涡流，在永久磁铁13产生的静态磁场作用下，会受到机械力的作用而产生高频振动，进而形成超声波波源，超声波在制动盘中反射回来时，振动质点切割静态磁场感应线，从而产生交变电场，通过交变电场影响高频线圈12附近的磁场变化，进而在超声波换能器列阵11中接收到超声波的压电信号，该信号传输至接收电路中进行放大滤波后，传输至DSP控制器6控制中进行缺陷分析。

如图4所示，采用多个超声波换能器组成环形的超声波换能器列阵11来接收反射回来的超声波，能够尽可能多的接收到回波信号，增加回波信号被检测到的概率，提高检测的精度。

如图5所示，所述的高频线圈12和永久磁铁13选取的方案为：采用蛇形线圈，永久磁铁13采用单极型磁铁，单极型磁铁在蛇形线圈上激发出的超声波属于横波，由于横波只能在固体中传播，制动盘内部存在缺陷时，该缺陷处为气体或真空，当横波传递到此处时，就会被反射回去，通过分析回波信号来计算制动盘的缺陷和磨损情况。

如图7所示，计算制动盘缺陷位置和磨损的方案为：先测量一个完好的制动盘，通过计算超声波反射时间及制动盘的厚度来计算出超声波在制动盘中速度，用于检测制动盘内部缺陷时，根据超声波波速和回波时间来计算超声波在制动盘中传输的距离，根据这个距离来判断制动盘内部的缺陷及缺陷所在的位置，并计算出制动盘的磨损情况，具体为：

(1)制动盘完好情况

设制动盘完好情况下的厚度为L，电磁超声探头3向制动盘发射的超声波往返时间为t1，那么超声波在制动盘中的传播速度为：

由于超声波在制动盘中传播时会存在一定的损耗，所以低波幅值会比使波幅值小一点；

(2)制动盘完内部缺陷

当制动盘中存在缺陷时，超声波会在更短的时间内返回，有些缺陷比较小，在这个时间点反射回来的超声波波束较少，所以得到的缺陷波幅值较小，设返回时间为t2，那么制动盘中缺陷的位置到表面的相对距离为：

L1＝V·t2 (2)

(3)制动盘磨损

高速列车制动盘被磨损后，厚度会产生变化，超声波在制动盘中传播的时间比正常情况下更小，设返回时间为t3，那么制动盘剩余的厚度为：

L1＝V·t3 (3)

如图8所示，所述的DSP控制器6在对接收电路传来的超声波信号进行处理时，需要对超声波信号进行滤波处理，具体方案为：接收电路接收信号同时受到自身电路和外部环境的干扰，致使接收信号中的有效信息被噪声信号所污染，严重时甚至淹没，从回波信号中很难分析出材料的厚度、缺陷等特征，导致检测结果产生漏检和误检，故为了得到理想的回波信号，方便超声信息提取，需要对回波信号进行降噪处理，提高超声波信号信噪比，超声信号一般是一种非稳定信号，而有用信号大多表现为低频信号，噪声信号则表现为高频信号，但是对于非稳定信号，高频信号中常常包含有检测信号的有用信息，故在对非稳定信号的降噪过程中，既要求消除噪声所表现的高频量，同时需要保留那些包含有用信息的高频量，所以采用小波变换滤波法进行滤波去噪，具体流程为：

(1)小波分解：确定不同的小波基和分解层数，对信号进行小波变换；

(2)构造阈值函数：采用最大最小准则阈值来构造阈值函数，表示为：

式中，n表示小波系数的个数，σ表示噪声标准差。

(3)设定阈值：阈值的选取是小波阈值去噪的关键环节，对于不同的信号，阈值设定也不相同；对一含噪信号采用最大最小准则阈值，通过比较对含噪信号降噪处理的效果来分析各参数的选择优劣，其中，信号信噪比是衡量降噪效果有效与否的重要指标，其定义为：

式中，f(n)为原始不含噪声的超声波信号，为含有噪声的超声波信号，超声信号经过小波阈值变换后，将它的时域信号信噪比设定为12.98dB。

(4)重构：将去除噪声后的各个层的小波系数重构出去噪后的信号。

本发明的工作原理与工作过程如下：

如图9所示，由DSP控制器6控制发射电路向电磁超声探头3传输高频交流电，发射电路向高频线圈12输入高频电流后，在制动盘的集肤层产生涡流，在永久磁铁13产生的静态磁场作用下，会受到机械力的作用而产生高频振动，进而形成超声波波源，超声波在制动盘中反射回来时，振动质点切割静态磁场感应线，从而产生交变电场，通过交变电场影响高频线圈12附近的磁场变化，进而在多个超声波换能器组成环形的超声波换能器列阵11来接收超声波的压电信号，该信号传输至接收电路中进行放大滤波后，传输至DSP控制器6控制中进行缺陷分析。

Claims (5)

1.一种高速列车制动盘缺陷磨损检测装置，其特征在于：包括控制箱、支架、电磁超声探头、喷刷，支架安装在车轴上，且挨近制动盘，电磁超声探头和喷刷安装在支架上，由喷刷向制动盘上涂抹耦合剂，以减少电磁超声探头与制动盘的摩擦，且能使电磁超声探头与制动盘更好的耦合，便于超声波的传递，由控制箱控制电磁超声探头发射和接收超声波；所述控制箱包括金属铝盒、DSP控制器、接收电路板、发射电路板、耦合剂，接收电路板上设有接收电路、发射电路板上设有发射电路，由DSP控制器控制发射电路向电磁超声探头传输高频交流电，通过接收电路接收电磁超声探头采集到的超声波，并传输给DSP控制器进行处理，耦合剂与喷刷相连，喷刷将耦合剂喷刷在制动盘上，减小电磁超声探头与制动盘的摩擦，使电磁超声探头与制动盘更好的耦合；所述电磁超声探头包括外壳、超声波换能器列阵、高频线圈、永久磁铁，永久磁铁安装在高频线圈的正上方，由多个超声波换能器组成环形超声波换能器列阵，发射电路向高频线圈输入高频电流后，在制动盘的集肤层产生涡流，在永久磁铁产生的静态磁场作用下，会受到机械力的作用而产生高频振动，进而形成超声波波源，超声波在制动盘中反射回来时，振动质点切割静态磁场感应线，从而产生交变电场，通过交变电场影响高频线圈附近的磁场变化，进而在超声波换能器列阵中接收到超声波的压电信号，该信号传输至接收电路中进行放大滤波后，传输至DSP控制器控制中进行分析处理。

2.根据权利要求1所述的高速列车制动盘缺陷磨损检测装置，其特征在于：所述超声波换能器列阵由多个超声波换能器组成环形列阵来接收反射回来的超声波，能够尽可能多的接收到回波信号，增加回波信号被检测到的概率，提高检测的精度。

3.根据权利要求1所述的高速列车制动盘缺陷磨损检测装置，其特征在于：所述高频线圈和永久磁铁选取的方案为：采用蛇形线圈，永久磁铁采用单极型磁铁，单极型磁铁在蛇形线圈上激发出的超声波属于横波，由于横波只能在固体中传播，制动盘内部存在缺陷时，该缺陷处为气体或真空，当横波传递到此处时，就会被反射回去，通过分析回波信号来计算制动盘的缺陷和磨损情况。

4.根据权利要求3所述的高速列车制动盘缺陷磨损检测装置，其特征在于：所述计算制动盘缺陷位置和磨损的方案为：先测量一个完好的制动盘，通过计算超声波反射时间及制动盘的厚度来计算出超声波在制动盘中速度，用于检测制动盘内部缺陷时，根据超声波波速和回波时间来计算超声波在制动盘中传输的距离，根据这个距离来判断制动盘内部的缺陷及缺陷所在的位置，并计算出制动盘的磨损情况，具体为：

(1)制动盘完好情况

设制动盘完好情况下的厚度为L，电磁超声探头向制动盘发射的超声波往返时间为t1，那么超声波在制动盘中的传播速度为：

由于超声波在制动盘中传播时会存在一定的损耗，所以低波幅值会比使波幅值小一点；

(2)制动盘完内部缺陷

当制动盘中存在缺陷时，超声波会在更短的时间内返回，有些缺陷比较小，在这个时间点反射回来的超声波波束较少，所以得到的缺陷波幅值较小，设返回时间为t2，那么制动盘中缺陷的位置到表面的相对距离为：

L1＝V·t2 (2)

(3)制动盘磨损

高速列车制动盘被磨损后，厚度会产生变化，超声波在制动盘中传播的时间比正常情况下更小，设返回时间为t3，那么制动盘剩余的厚度为：

L1＝V·t3 (3)。

5.根据权利要求1所述的高速列车制动盘缺陷磨损检测装置，其特征在于：所述的DSP控制器在对接收电路传来的超声波信号进行处理时，需要对超声波信号进行滤波处理，具体方案为：超声信号一般是一种非稳定信号，而有用信号大多表现为低频信号，噪声信号则表现为高频信号，但是对于非稳定信号，高频信号中常常包含有检测信号的有用信息，故在对非稳定信号的降噪过程中，既要求消除噪声所表现的高频量，同时需要保留那些包含有用信息的高频量，所以采用小波变换滤波法进行滤波去噪，具体流程为：

(1)小波分解：确定不同的小波基和分解层数，对信号进行小波变换；

(2)构造阈值函数：采用最大最小准则阈值来构造阈值函数，表示为：

式中，n表示小波系数的个数，σ表示噪声标准差；

(3)设定阈值：阈值的选取是小波阈值去噪的关键环节，对于不同的信号，阈值设定也不相同；对一含噪信号采用最大最小准则阈值，通过比较对含噪信号降噪处理的效果来分析各参数的选择优劣，其中，信号信噪比是衡量降噪效果有效与否的重要指标，其定义为：

式中，f(n)为原始不含噪声的超声波信号，为含有噪声的超声波信号，超声信号经过小波阈值变换后，将它的时域信号信噪比设定为12.98dB；

(4)重构：将去除噪声后的各个层的小波系数重构出去噪后的信号。