CN87100104A - 铁路轮轴微机控制自动超声波探伤机 - Google Patents

Abstract

一种适合于对铁路车辆轮轴进行超声波探伤的设备，采用了微型电子计算机系统对探测工艺程序进行自动控制。可以根据超声波反射信号判断出存在于轮轴内部缺陷的种类、性质、程度和位置，将轮轴的质量按技术要求进行准确的选别和鉴定。从而提高轮轴探伤工作的准确性和效率，减轻探伤工作的劳动量。

Description

本发明是对铁路准轨车辆轮轴进行超声波探伤的专用自动化设备。我国铁路部门对车辆轮轴进行超声波探伤的方式是由操作人员手持探头在轮轴上进行探测，用肉眼观察探伤仪表显示的波纹图象，以判定轮轴内部是否有不允许存在的缺陷，这种探伤方式的漏判率和误判率都很高，劳动量也很大。

本发明的任务是：制造出一种用微型计算机控制的自动化超声波探伤机，它能够对各类铁路准轨车辆的轮轴镶嵌部位进行探伤检查，能够分辨出轮轴体内缺陷的种类和程度，准确地判别出合格品与不合格品，自动给出各种缺陷的波纹曲线图象，指出该缺陷的位置，并把这些图象信号储存在微型计算机磁盘里。从而提高轮轴探伤的准确性和效率，减轻探伤工作的劳动量。

本发明的要点在于它是由机体（2）、四组弹性探测臂（10）、轮轴顶出机构（4）、滚轮（5）、油泵机组（7）、偶合剂泵机组（12）、探测臂导轨（16）、蜗轮蜗杆（29）、微型电动机（31）、电子切换开关（14）、配电柜（18）、现场反馈器（32）、程序控制器（34）、缺陷声光报警（36）、超声波探伤仪（37）、增益自动控制器（38）、同步触发脉冲控制器（39）、高速采集器（40）、微型电子计算机（45）、数据处理器（46）图象自动识别和过程自动诊断器（47）、判出结果器（48）、绘图仪（43）、磁盘驱动器（49）（50）及监视器（44）组成。

以下就借助于附图详细叙述本发明的结构、工作原理：

图1为铁路轮轴微机控制自动超声波探伤机结构图。

图2为弹性探测臂结构图。

图3为微机控制系统原理及硬件框图。

1、液压站

2、机体

3、滚轮减速器

4、轮轴顶出机构

5、滚轮

6、油箱

7、油泵机组

8、偶合剂回收盘

9、备用超声波探伤仪

10、弹性探测臂

11、曲拐连杆机构

12、偶合剂泵机组

13、偶合剂箱

14、电子切换开关

15、轮轴

16、探测臂导轨

17、按钮站

18、配电柜

19、探头夹持杆

20、探头

21、探头弹簧

22、支撑套

23、导电座

24、导电弹簧

25、复原弹簧

26、油缸活塞杆

27、探头油缸

28、丝杆

29、蜗轮蜗杆

30、活动销

31、微型电动机

32、现场反馈器

33、输入输出三级隔离器

34、程序控制器

35、输入输出接口

36、缺陷声光报警器

37、超声波探伤仪

38、增益自动控制器

39、同步触发脉冲控制器

40、高速采集器

41、高速采集器接口

42、绘图仪接口

43、绘图仪

44、监视器

45、微型电子计算机

46、数据处理器

47、图象自动识别和过程自动诊断器

48、判出结果器

49、磁盘驱动器0号

50、磁盘驱动器1号

当全系统合闸送电后，分别将预先编制好程序的系统操作磁盘和探测工作磁盘插入0号磁盘驱动器（49）和1号磁盘驱动器（50），将全系统工作的程序调入微型计算机（45）中，并将探测日期和时间键入微型计算机（45）。

当被探测的轮轴（15）进入滚轮（5）时，再将被测轮轴（15）的轴型、轴号和生产厂家的符号输进微型计算机（45），探测工作前，必须对微机控制系统进行校验，系统正常，即可进入工作状态。

全系统开始工作时，微型计算机（45）发出控制命令，液压站（1）和油泵机组（7）开始工作，将油箱（6）中的油送往各组油路;滚轮减速器（3）动作，使轮轴（15）在滚轮（5）上作匀速转动;各组弹性探测臂（10）工作，探头夹持杆（19）夹持着探头（20）随油缸活塞杆（26）下降，探头（20）接触轮轴（15）轴身时，先压缩探头弹簧（21），当此弹簧达到预定的拉力后，探头夹持杆（19）带着导电弹簧（24）一同上升，先压缩复原弹簧（25），当导电弹簧（24）将活塞杆（26）上的直流电通过导电座（23）传到继电器时，一方面其常闭触头切断探头油缸（27）的下降电磁阀，以使探头油缸（27）停止下降，探头（20）便停在轮轴（15）轴身表面，探头弹簧（21）使探头（20）与轮轴（15）轴身表面始终保持合适而稳定的工作压力。这种弹性的探头夹持机构可根据轮轴的粗细不同、轮轴是否是带锥度而确定探头（20）的垂直工作位置。探头（20）是用一活动销（30）与探头夹持杆（19）连接在一起的，探头（20）的工作表面A可以以销为轴心作合适角度的旋转，这样该工作表面A始终可以与轮轴（15）轴身外表面接触得很好，这种弹性探测臂（10）能够适合对各类型轮轴进行探测。另一方面，还可以同时接通偶合剂泵机组（12），将偶合剂箱（13）里的偶合剂立即注入探头（20）与轮轴（15）的接触面中，偶合液可以通过偶合剂回收盘（8）回收，以便循环使用。

探测工作时，微型计算机（45）将信号还传给配电柜（18），指挥微型电动机（31）启动，并带动蜗轮蜗杆（29），装在蜗轮中心的丝杆（28）就作往复运动，带动弹性探测臂（10）顺导轨（16）作水平运动，蜗轮每旋转一周便给微机发出两个脉冲信号，蜗轮旋转一周，丝杆往复走2mm，所以一个脉冲就是1mm，由此而定出各型轮轴所需的探头位移的距离了，将各种轴型所需的脉冲数存入微机的数据库，便能作各种轴型的自动定位控制了。

在探头（20）紧触于轮轴（15）轴身表面上作水平往复运动的同时，轮轴（15）本身作匀速旋转，因此探头（20）的实际工作轨迹是波形线，布于轮对压装部位附近，它发射出的超声波完全可以复盖轮对压装部位。在正常工作状况下，由微型计算机（45）经输出输入接口（35）和程序控制器（34）控制电子切换开关（14），实现四组弹性探测臂（20）自动顺序切换超声波探伤仪（37）开始工作。在一个探测臂采完样品后，微型计算机（45）进行实时处理需要一定时间，在这段时间内，很有可能出现漏测，本发明采用了数据块成组传送和对半检索等优化办法，尽量减少程序执行时间，有效地克服了时间延迟对实时处理带来的困难，同时选择了适当的样品个数，避免了检测盲区。

四组弹性探测臂（10）在对运动中的被测轮轴（15）进行数据采集时，除去机械上保证探头（20）和轮轴（15）之间的接触偶合外，为了确保扫描复盖和原始数据的可靠性、保证系统时序，利用超声波探伤仪（37）的同步脉冲作为数据采集器的外触发信号，所以，是否开始采集超声波回波信号，将严格地受到同步脉冲控制器（39）的控制。

据超声波探伤原理，在超声波发射功率相同时，在仪器探测深度范围内，对一定的被测工作，超声波探伤仪同步脉冲的周期，即重复扫描周期，必须大于超声波在被测工件内的最大声程往返所需要的时间，而最大声程又因被测工件大小而有差别，在仪器规定的探测深度范围内，同步脉冲周期长，超声波所能探测的有效距离就远。反之，同步脉冲周期短，超声波所能探测的有效距离就短。同步脉冲小到一定程度时，超声波所能探测的有效距离短，不能穿过轮轴，在中途被截回，复盖不了探测深度范围。所以，超声波的同步脉冲周期不得小于被测轮对中超声波所定过的最大声程二倍的时间。本发明所采用的同步触发脉冲控制器（39）的线路是自行设计的，由高精度单稳态集成电路等组成，输入信号取自超声波探伤仪（37）的同步触发信号，经过高精度的延时，最后输出具有一定宽度的正脉冲，作为高速采集的外触发信号，送往高速采集器（40）。

在人工超声波探伤过程中，超声波增益的控制是由人工随时调节的，本发明设置有一套自动增益控制器（38），由微型计算机（45）自动调节增益，从而保证超声波探伤机（37）所需要的灵敏度。

超声波探伤仪（37）在受到同步触发脉冲控制器（39）和增益自动控制器（38）的作用后，将采集到的超声波信号送往高速采集器（40），开始在动态中进行高速采集和转换，将超声波回波信号转换为数字信号，高速采集器接口（41）中的模数转换由硬件执行，速度较快将离散化了的超声波信号的数字量存贮起来，经过数据处理器（46），将噪声干扰和其它无关信息过滤掉，尽可能地突出微弱的有用信号，再在微型计算机（45）及有关器件支持下，进入图象自动识别和过程自动诊断器（47）。

至此，必须就识别和诊断的原理加以说明，高速采集器（40）采集所得的数字序列或阵列本身还不能作为判断轴内缺陷的直接依据，还需从中提取有利于分类的各种特征。固然，可以借助某些数学方法从原始数据中寻找特征量，但这远不及分析图象的内在结构，总结肉眼识图的依据和各种不同波形的规律，从中概括出有效的特征量更直观明确。因此，准确提取富有特征意义的特征量是图象自动识别成败之关键，为保证这种特征量的精确性，设备的抗干扰性是很重要的因素。可将所采集的数字序列、即超声波回波波形进行分区处理列为始波区、被测区和底波区。借助始波区超声波回波脉冲振铃次数，先判断轮轴的材质好坏，通常大体分为三级即可，根据材质的等级自动调节增益，控制探伤灵敏度，然后再开始被测区的工作。在寻找特征波的同时，注意底波区的变化。传统的识别图象方法中仅有个别特征量，如超声波波峰幅值，而仅以此项作为判断的唯一依据是不够的，必须运用各种分类判断的数学方法把一定数量的特征量恰当地配合起来，清晰地烘托出所辩认的图象。本发明所提取的特征有以下几种：回波波形的顶峰值、回波波形的上限门阀值、回波波形的下限门阀值、回波波形的上限门阀宽度、回波波形的下限门阀宽度、回波波形的噪声门限和干扰容限等。依据以上各个特征量分别模出“外侧裂纹”、“内侧裂纹”、“晶粒粗大”和“接触不良”等各自数学模型，根据这些轮轴中经常出现的不允许存在的缺陷特征的模型，来判断被测体超声波回波图象的类别。

还必须进一步说明，图象的自动识别必须结合过程自动诊断，才能够准确完成微机控制自动探伤。本探测系统所要检测的是轮对压装部位的疲劳裂纹等，由于车轴轮对几何形状复杂，轮座锒入车轴不解体，车轴轮座锒入部的轮座与轮孔接触面经长时期摩擦腐蚀，透油透锈以及配轮轴时加工刀花粗糙和轮内表面缺陷等的存在都会造成不同程度的反射波。当这些毛病较轻时，可以不作为缺陷来处理，但是这些现象产生的反射波却对分辨危害较大缺陷横裂纹带来了很大困难，而这些反射波在对其它诸如板材、管材、棒材等的超声波探伤时是没有的，我们可将这些似是而非的缺陷反射波称之为“灰色噪声干扰”，对这些灰色噪声干扰元素的是与非，真与假的判断就显得比较困难了，除此之外，由于系统处于线性检测、动态采样、实时辨识以及现场的恶劣环境等，不可避免地还会出现某些干扰，这些干扰，我们称为“白色噪声干扰”。灰色噪声干扰是系统本身固有的，而白色噪声干扰则是在系统中随机发生的，这就要靠过程自动诊断，以区别真假。由于真正的缺陷如裂纹、晶粒粗大、或内部缺陷等决不会只呈现于某一点，它总会沿着轮轴的径向和轴向上有一定长度或深度的分布。超声波探伤仪（37）一旦发现有异常点，微型计算机（45）就会立即指挥机构对该异常点附近区域进行搜索性探测，综合处理后作出最终判断。

以下继续说明本发明的探测过程：

探测信号经过数据处理器（46）整理之后，进入图象自动识别和过程自动诊断器（47），经过识别诊断后的过程，依下列情况分述：

一、当轮轴（15）旋转一周后，仍没有发现其内部存在异常点的情况：

图象自动识别和过程自动诊断器（47）将信号输给判出结果器（48），判出结果器（48）发出“正常”信号传回给微型计算机（45），微型计算机（45）同时发出两束指令：

其一：经输出输入插口（35）→程序控制器（34）→输出输入三级隔离（33）→配电柜（18）。配电柜（18）控制滚轮减速器（3）停转，还控制各组弹性探测臂（10）停止沿导轨（16）的水平往复运动并恢复原位。

同时，程序控制器（34）还发出信号传给电子切换开关（14），使各组弹性探测臂（10）里的探头（20）停止工作，并使高速采集器接口（41）、高速采集器（40）、同步触发脉冲控制器（39）、超声波探伤仪（37）、增益自动控制器（38）都停止工作。

其二：经绘图仪接口（42）、由绘图仪（43）绘出正常波形图和图表，写出轮轴（15）的轴型、轴号、生产厂家代号，画出轮轴示意图，并标示出“OK    PASS”字样，表示合格通过。

微型计算机（45）还发出指令，由磁盘驱动器（49）、（50），将被测轮轴（15）被检过程的所有信号储存在磁带里，以便查询。

最后，由轮轴顶出机构（4）将轮轴（15）顶出滚轮（5），该轮轴的探伤过程完毕，系统进入下一个轮对探测的准备阶段。

二、当发现轮轴（15）中有异常点时：

微型计算机（45）发出命令，经输出输入接口（35）→程序控制器（34）→输出输入三级隔离（33）→配电柜（18），配电柜（18）控制滚轮减速器（3）和滚轮（5），使被测轮轴（15）暂时停转，假如这个异常信号是由弹性探测臂（10_b）探测出来的，就关闭另外三组探测臂（10_a、10_c、10_d），配电柜（18）又立即控制被测轮轴（15）作小角度的正反方向往复旋转，同时，探测臂（10_b）沿导轨（16）作短距离的水平往复运动，并进行搜索性探测工作，当探测臂（10_b）得到异常点处的三次数据时，信号再返回数据处理器（46）、图象自动识别和过程自动诊断器（47），进行综合比较，由判出结果器（48）作出大数判决，三中取二。

第一种情况：假如判定确属不允许缺陷：微型计算机（45）发出命令，轮轴（15）停转，探测臂（10_b）关闭复位。缺陷讯号经输出输入接口（35）→程序控制器（34）→输出输入三级隔离（33），指示缺陷声光报警（36）分别发出声和光的报警信号，同时监视器（44）显示缺陷部位“b”，讯号传给绘图仪接口（42），由绘图仪（43）绘出b位的缺陷裂纹波形图和图表，写出轮轴（15）的轴型、轴号、生产厂家代号，画出轮轴示意图，并标示出缺陷裂纹的部位，表示此被测轮轴为不合格品。

第二种情况：如果判出结果器（48）作出大数判决，三中取二，判定轮轴内的异常点缺陷为允许缺陷时，微型计算机（45）就发出命令，经输出输入接口（35）→程序控制器（34）→输入输出三级隔离器（33）→配电柜（18），控制轮轴（15）继续正常旋转，各组弹性探测臂（10）继续探伤，如无再发现异常，轮轴（15）转满一圈后，自动停转，各组探测机构（10）关闭，同时微型计算机（45）向绘图仪接口（42）发出讯号，绘图仪（43）自动绘出其波形图和图表，写出轴型、轴号、生产厂家代号，画出轮轴示意图，并标示出“OK    PASS”，表示合格通过。

微型计算机（45）发出指令，由磁盘驱动器（31）、（32）将被测轮轴（15）被检过程的所有信号储存在磁带里，以便查询。

最后，由轮轴顶出机构（4）将轮轴（15）顶出滚轮（5），该轮轴的探伤过程完毕，系统进入下一个轮对探测的准备阶段。

必须说明：假如该机构的微机控制系统失灵，一时不能使用时，为了不影响探测工作，操作者可以使用安装在机体（2）上的按钮站（17）来操纵各组弹性探测臂（10）正常探测工作，轮轴（15）均匀旋转，油泵机组（7）仍可以将油输往各组油路，偶合剂泵机组（12）也能输送偶合剂，这时，探测的波形由备用超声波探伤仪（9）显示，由操作者目测图形以判断缺陷。

一般来讲，探测出轮轴内部是否有缺陷，这并不是很困难的事，只需要发现探测仪上反映出的异常信号图形就可以了，但是最困难的是能否将这所有的缺陷信号加以准确的分辨;这种缺陷信号如果属于“真缺陷”，那么还要对这种“真缺陷”进行量的分析，例如“裂纹”，假如裂纹深度在质量标准允许限度之内，存有这种裂纹的轮轴仍然应该被识别判断为“合格品”。同时，还要辨别出因为“白色噪声”干扰、特别是因为“灰色噪声”干扰所造成的“假缺陷”信号。

也就是说，探伤设备对各种缺陷探测的漏探率达到0%，是比较容易的，而对各种缺陷的误探率达到0%就是极为困难的了。按铁道部门制定的技术要求，漏探率为0%，误判率应小于10%。

本发明的最优特点，就是能够排除白色和灰色噪声干扰的影响，准确判断出轮轴内缺陷的性质和位置，根据试验表明，本发明的漏探率已达到0%，误判率小于7%，完全附合技术要求。大大减轻了探测工作量，提高了工作效率。

Claims (5)

1、铁路轮轴超声波探伤机，其特征是由机体(2)、四组弹性探测臂(10)、轮轴顶出机构(4)、滚轮(5)、油泵机组(7)、偶合剂泵机组(12)、探测臂导轨(16)、蜗轮蜗杆(29)、微型电动机(31)、电子切换开关(14)、配电柜(18)、现场反馈器(32)、程序控制器(34)、缺陷声光报警器(36)、超声波探伤仪(37)、增益自动控制器(38)、同步触发脉冲控制器(39)高速采集器(40)、微型电子计算机(45)、数据处理器(46)、图象自动识别和过程自动诊断器(47)、判出结果器(48)、绘图仪(43)、磁盘驱动器(49)(50)及监视器(44)组成。

2、按权利要求1的铁路轮轴超声波探伤机，其特征是弹性探测臂（10）上装有丝杆（28）、蜗轮蜗杆（29）、还装有探头油缸（27）。

3、按权利要求2的铁路轮轴超声波探伤机，其特征是弹性探测臂（10）里，装有由导电弹簧（24）和导电座（23）组成的接触开关。

4、按权利要求3的铁路轮轴超声波探伤机，其特征是弹性探测臂（10）里，装有由探头弹簧（21）和复原弹簧（25）组成的二系弹性定位装置。

5、按权利要求4的铁路轮轴超声波探伤机，其特征是弹性探测臂（10）上装配的探头（20）是用一活动园销（30）与探头夹持杆（19）相连的。

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