用于鐵路接觸網(wǎng)零部件的便攜式超聲檢測(cè)儀設(shè)計(jì)

(中國(guó)鐵路上海局集團(tuán)有限公司 合肥供電段，合肥 230011)

目前，我國(guó)高速鐵路運(yùn)營(yíng)總里程已經(jīng)超過(guò)2.2×104km，隨著高速鐵路的快速發(fā)展，鐵路供電接觸網(wǎng)的安全檢測(cè)受到廣泛關(guān)注。一種典型的接觸網(wǎng)懸掛系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。接觸網(wǎng)在戶(hù)外服役，受雨水、冷熱交替等環(huán)境因素的影響，其零部件易發(fā)生老化和銹蝕等。列車(chē)高速運(yùn)行的過(guò)程中，會(huì)對(duì)接觸網(wǎng)懸掛裝置造成沖擊，這種反復(fù)的沖擊載荷增加了接觸網(wǎng)零部件產(chǎn)生故障的風(fēng)險(xiǎn)，關(guān)鍵的受力零部件因?yàn)殚L(zhǎng)期受到?jīng)_擊的影響，極容易產(chǎn)生缺陷，并引發(fā)事故。2014年7月，寧杭高鐵某區(qū)間先后兩次發(fā)生接觸網(wǎng)坍塌的嚴(yán)重事故，鐵路運(yùn)營(yíng)中斷，列車(chē)受損。兩次事故均由接觸網(wǎng)受力銷(xiāo)釘銹蝕斷裂引起。

在電氣化鐵路接觸網(wǎng)設(shè)備的日常巡視檢修中，已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)線夾、絕緣子等重要部件進(jìn)行快速準(zhǔn)確地檢測(cè)[1-3]。但對(duì)于螺栓、銷(xiāo)釘?shù)冗B接件和受力部件，目前的維護(hù)作業(yè)規(guī)程僅規(guī)定了對(duì)外觀進(jìn)行檢查。對(duì)于螺栓和銷(xiāo)釘?shù)攘悴考?，其主體均與孔和螺母等進(jìn)行裝配，外露的部分很少,所以目視檢查只能發(fā)現(xiàn)明顯的銹蝕，在不拆卸的情況下，無(wú)法發(fā)現(xiàn)零部件受力的關(guān)鍵部位是否存在缺陷,同時(shí)接觸網(wǎng)受力零部件數(shù)量多，而檢修天窗的時(shí)間又十分有限。

圖1 典型的接觸網(wǎng)懸掛系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

綜上所述，目前需要一種專(zhuān)用儀器，對(duì)接觸網(wǎng)零部件，尤其是受力部件進(jìn)行檢測(cè)與評(píng)估，便于在日常巡檢中及時(shí)發(fā)現(xiàn)缺陷和故障，保證鐵路的運(yùn)營(yíng)安全。超聲無(wú)損檢測(cè)技術(shù)具有諸多優(yōu)勢(shì)，但目前在相關(guān)領(lǐng)域尚未開(kāi)展接觸網(wǎng)零部件的超聲檢測(cè)方法研究。此外，現(xiàn)有超聲檢測(cè)儀的探頭頻率、帶寬和采樣率等性能無(wú)法滿(mǎn)足接觸網(wǎng)零部件的檢測(cè)需求，且軟件不能進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)快速自動(dòng)化檢測(cè)。

針對(duì)接觸網(wǎng)零部件的超聲無(wú)損檢測(cè)技術(shù)開(kāi)展了儀器研制工作。對(duì)具有人工裂紋和模擬自然裂紋的試件進(jìn)行了檢測(cè)，驗(yàn)證了超聲檢測(cè)方法的可行性。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果設(shè)計(jì)了用于接觸網(wǎng)零部件缺陷檢測(cè)的便攜式超聲檢測(cè)儀，其硬件具有高頻、高精度等優(yōu)點(diǎn)，軟件具有缺陷信號(hào)自動(dòng)辨識(shí)的功能，能夠滿(mǎn)足接觸網(wǎng)零部件檢測(cè)與維護(hù)工作的需求。

1 檢測(cè)方法

銷(xiāo)釘是接觸網(wǎng)的典型受力部件，用于連接錐套式終端錨固線夾與絕緣子，可持續(xù)承受約30 kN的載荷。相對(duì)螺栓等其他受力零部件，銷(xiāo)釘結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，承受載荷更大，且發(fā)生過(guò)斷裂事故，所以將其作為典型試件進(jìn)行研究。

銷(xiāo)釘裝配結(jié)構(gòu)示意如圖2所示。銷(xiāo)釘在工況下主要受剪應(yīng)力，理論極限載荷約為200 kN。在距離端面22，44 mm的兩個(gè)區(qū)域?yàn)閼?yīng)力集中處，容易發(fā)生斷裂。圖3為2014年寧杭高鐵事故現(xiàn)場(chǎng)斷裂銷(xiāo)釘?shù)臄嗝嬲掌?，可以看出斷口方向垂直于軸向，銹蝕面積達(dá)到截面積的40 %～50 %。

圖2 銷(xiāo)釘裝配結(jié)構(gòu)示意

首先對(duì)無(wú)缺陷的銷(xiāo)釘進(jìn)行檢測(cè)，研究銷(xiāo)孔對(duì)檢測(cè)的影響。使用中心頻率為5 MHz的縱波直探頭，由銷(xiāo)釘端面進(jìn)行自激自收的檢測(cè)，回波信號(hào)如圖4所示。圖4中，回波A～C依次為銷(xiāo)孔直接反射回波、銷(xiāo)孔二次反射回波和底面回波。銷(xiāo)釘材料為不銹鋼，縱波波速為5 700 m/s，根據(jù)波速和應(yīng)力集中位置相對(duì)端面的距離，可以計(jì)算出缺陷回波可能出現(xiàn)在激勵(lì)之后的7.7，15.4 μs兩個(gè)時(shí)間點(diǎn)附近，由圖4可知，這兩個(gè)范圍均不受銷(xiāo)孔和底面回波的影響。

圖4 無(wú)缺陷銷(xiāo)釘回波信號(hào)

通過(guò)檢測(cè)帶有不同深度人工裂紋的銷(xiāo)釘，測(cè)試超聲檢測(cè)對(duì)裂紋深度的分辨力。人工裂紋設(shè)置在兩個(gè)應(yīng)力集中的區(qū)域，即距離端面22，44 mm處。人工裂紋方向示意如圖5所示，考慮銷(xiāo)孔對(duì)超聲波傳播的影響，將裂紋方向設(shè)置為平行銷(xiāo)孔和垂直銷(xiāo)孔兩個(gè)方向，前者在檢測(cè)時(shí)不受銷(xiāo)孔的影響，而后者受銷(xiāo)孔的影響最大。

圖5 人工裂紋方向示意

圖6 平行銷(xiāo)孔缺陷的檢測(cè)結(jié)果

圖7 垂直銷(xiāo)孔缺陷的檢測(cè)結(jié)果

當(dāng)裂紋平行于銷(xiāo)孔時(shí)，能夠有效檢測(cè)的缺陷深度最小為2 mm，斷口面積占截面積的5.6%，檢測(cè)結(jié)果如圖6所示，圖中裂紋回波信號(hào)出現(xiàn)的時(shí)間與理論計(jì)算結(jié)果相吻合。當(dāng)裂紋垂直于銷(xiāo)孔時(shí)，能夠有效檢測(cè)的缺陷深度最小為4 mm，斷口面積占截面積的15.2 %，檢測(cè)結(jié)果如圖7所示，裂紋回波信號(hào)所在時(shí)間亦與理論計(jì)算結(jié)果相吻合。

當(dāng)裂紋深度達(dá)到可以被檢出的深度時(shí)，銷(xiāo)釘仍具有足夠的抗剪強(qiáng)度，且裂紋深度小于發(fā)生斷裂時(shí)的銹蝕深度。將帶有人工缺陷的銷(xiāo)釘裝配后，利用拉伸試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，當(dāng)施加并保持工況下的載荷(30 kN)時(shí)，銷(xiāo)釘未發(fā)生斷裂。通過(guò)上述試驗(yàn)可知，利用超聲檢測(cè)的方法可以在銷(xiāo)釘斷裂之前提前發(fā)現(xiàn)缺陷。

圖8 裂紋擴(kuò)展試件的斷面照片及其檢測(cè)結(jié)果

對(duì)裂紋進(jìn)行擴(kuò)展試驗(yàn)，模擬銷(xiāo)釘在服役過(guò)程中產(chǎn)生的自然裂紋，進(jìn)一步驗(yàn)證方案的可行性。試驗(yàn)對(duì)象為與銷(xiāo)釘同等直徑的鋁棒，首先對(duì)其加工一個(gè)微小的人工缺陷，然后通過(guò)疲勞試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行裂紋擴(kuò)展。對(duì)裂紋擴(kuò)展的試件進(jìn)行超聲檢測(cè)，對(duì)缺陷面進(jìn)行浸泡染色后，再將試件拉斷。圖8為裂紋擴(kuò)展試件的斷面照片及其檢測(cè)結(jié)果，染色處為裂紋擴(kuò)展區(qū)域，面積約為截面積的10 %。對(duì)比裂紋擴(kuò)展前后的回波信號(hào)，裂紋擴(kuò)展后回波中出現(xiàn)的波包為疲勞裂紋的反射回波，證明自然裂紋也能夠被有效檢出。

2 檢測(cè)儀的設(shè)計(jì)

2.1 檢測(cè)儀總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

對(duì)接觸網(wǎng)零部件進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，要求檢測(cè)儀具有較高的分辨率和靈敏度。試驗(yàn)中使用中心頻率為5 MHz的探頭進(jìn)行檢測(cè)，根據(jù)實(shí)際需求，探頭頻率將會(huì)提高至15 MHz以上，這要求儀器具有高頻寬帶的特性和較高的采樣率。結(jié)合前期試驗(yàn)，儀器主要設(shè)計(jì)指標(biāo)如表1所示。

表1 儀器主要設(shè)計(jì)指標(biāo)

儀器主要包括主控制器、超聲檢測(cè)電路、輸入輸出設(shè)備和電源等4部分，檢測(cè)儀結(jié)構(gòu)框圖如圖9所示。

圖9 檢測(cè)儀結(jié)構(gòu)框圖

以FPGA(現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列)為主控單元，采用ALTERA公司Cyclone IV系列EP4CE10F17A7，該器件屬于工業(yè)級(jí)應(yīng)用產(chǎn)品，片上資源主要有1.03 ×104個(gè)邏輯單元、2個(gè)鎖相環(huán)、180個(gè)通用I/O(輸入/輸出)等。外圍硬件包括：晶振、JTAG(聯(lián)合測(cè)試工作組)接口和EPCS(串行配置芯片)存儲(chǔ)器、SDRAM(同步動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器)和SRAM(靜態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器)寄存器。超聲檢測(cè)電路部分主要實(shí)現(xiàn)激勵(lì)超聲探頭，對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行放大濾波，以及對(duì)回波信號(hào)的高速數(shù)字化采集等功能。輸入輸出設(shè)備包括了鍵盤(pán)、顯示屏、SD卡存儲(chǔ)和蜂鳴器等。其中，F(xiàn)PGA驅(qū)動(dòng)顯示屏以25幀/s的頻率刷新顯示，SD卡(安全數(shù)碼卡)由集成了FAT32磁盤(pán)格式的專(zhuān)用控制芯片進(jìn)行文件的讀寫(xiě)，蜂鳴器用于發(fā)現(xiàn)缺陷時(shí)的報(bào)警。此外，儀器由電池供電，根據(jù)各個(gè)部分硬件對(duì)電源電壓和功率的需求，設(shè)計(jì)了專(zhuān)用的電源電路。程序有Verilog硬件邏輯程序和軟核CPU(中央處理器)操作軟件，除了驅(qū)動(dòng)上述硬件實(shí)現(xiàn)功能外，還能實(shí)現(xiàn)對(duì)缺陷有無(wú)的自動(dòng)辨識(shí)。

2.2 檢測(cè)儀電路設(shè)計(jì)

檢測(cè)儀的電路系統(tǒng)主要包括超聲波激勵(lì)電路、信號(hào)調(diào)理電路和信號(hào)采集電路等。

為了提高分辨率、抑制回波信號(hào)拖尾，提高激勵(lì)能量等[4]，采用雙極性脈沖信號(hào)激勵(lì)探頭。超聲激勵(lì)電路的原理示意如圖10(a)所示，場(chǎng)效應(yīng)Q1和Q2管選用TC6230，該器件集成了一對(duì)N/P溝道增強(qiáng)型場(chǎng)效應(yīng)管，兩個(gè)場(chǎng)效應(yīng)管的響應(yīng)時(shí)間等參數(shù)具有較高的一致性。場(chǎng)效應(yīng)管驅(qū)動(dòng)器選用MD1211，該器件有兩個(gè)驅(qū)動(dòng)通道。超聲激勵(lì)電路的時(shí)序圖如圖10(b)所示，當(dāng)A和B兩個(gè)通道按圖中的時(shí)序交替產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)脈沖信號(hào)時(shí)，就可以輸出幅值為200 V的雙極性脈沖信號(hào)，最高中心頻率大于20 MHz。此外，在換能器與MOS管(場(chǎng)效應(yīng)晶體管)之間串聯(lián)了二極管D1和 D2，以隔離噪聲[5]。

圖10 超聲激勵(lì)電路原理示意與激勵(lì)電路時(shí)序圖

信號(hào)調(diào)理與采集電路結(jié)構(gòu)示意如圖11所示。在自激自收的檢測(cè)方式下，高壓脈沖激勵(lì)信號(hào)和幅值較小的回波信號(hào)會(huì)通過(guò)同一端口進(jìn)入后級(jí)電路。為了將高壓脈沖與放大電路隔離，保護(hù)放大電路，利用二極管的電壓-電流特性，在放大電路的輸入端設(shè)置了限幅保護(hù)措施[6]。

圖11 信號(hào)調(diào)理與采集電路結(jié)構(gòu)示意

放大電路第一級(jí)為AD8065構(gòu)成的高通濾波器，用來(lái)隔離直流噪聲；第二級(jí)由兩個(gè)可變?cè)鲆娣糯笃鰽D603構(gòu)成程控放大[7]。單級(jí)放大器帶寬為90 MHz，增益可調(diào)范圍為-10～30 dB。由D/A(數(shù)字/模擬)轉(zhuǎn)換器TLC5615提供增益控制電壓，實(shí)現(xiàn)了放大電路增益的程序控制。兩級(jí)放大電路總的程序控制增益調(diào)節(jié)范圍為-20～60 dB。

根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，采樣率應(yīng)該在信號(hào)中心頻率的10倍以上，根據(jù)探頭的中心頻率和精度要求，選用2.5×105s-1,8 bit高速A/D轉(zhuǎn)換芯片AD9481進(jìn)行信號(hào)采集，AD9481的模擬信號(hào)為差分輸入，基于差分放大器AD8138設(shè)計(jì)了單端轉(zhuǎn)差分放大電路，該電路實(shí)際為放大電路的第三極。電路的輸入端根據(jù)AD603的輸出特性進(jìn)行了阻抗匹配[8]，通過(guò)增大反饋電阻進(jìn)行了增益補(bǔ)償，共模電壓通過(guò)引腳Vcom輸入，輸出端設(shè)計(jì)了低通濾波器。

2.3 檢測(cè)儀程序設(shè)計(jì)

程序包括硬件邏輯程序和操作軟件兩部分。硬件邏輯程序使用Verilog硬件描述語(yǔ)言編寫(xiě)，生成FPGA內(nèi)部的邏輯電路，可作為硬件電路的一部分，用來(lái)驅(qū)動(dòng)對(duì)時(shí)間精度和實(shí)時(shí)性要求高的硬件，包括脈沖激勵(lì)、高速A/D轉(zhuǎn)換和顯示屏驅(qū)動(dòng)等。此外，還包括一個(gè)由編譯軟件按照配置生成的軟核CPU。操作軟件由C語(yǔ)言編寫(xiě)，在軟核CPU中運(yùn)行，用來(lái)控制所有的硬件設(shè)備，并實(shí)現(xiàn)缺陷自動(dòng)識(shí)別算法。

為了提高檢測(cè)效率，針對(duì)不同的零部件編寫(xiě)相應(yīng)的缺陷自動(dòng)識(shí)別程序。以銷(xiāo)釘為例，銷(xiāo)釘?shù)牡酌婕庸ぞ炔桓?，且形狀存在差異，從而?duì)底面回波的幅值造成較大影響，所以無(wú)法以底面回波的幅值為參考來(lái)設(shè)定檢測(cè)儀的增益。為了解決上述問(wèn)題，選擇銷(xiāo)孔的二次回波作為參考信號(hào)，由圖6和圖7可知，該回波信號(hào)不受缺陷的影響，且幅值與缺陷回波接近。在檢測(cè)時(shí)，通過(guò)增益調(diào)節(jié)，將銷(xiāo)孔的二次回波信號(hào)放大至滿(mǎn)量程，此時(shí)缺陷回波信號(hào)也相應(yīng)被放大；再將被測(cè)范圍內(nèi)的信號(hào)幅值與預(yù)先設(shè)定的閾值做比較，就可以判定是否出現(xiàn)缺陷回波。

3 系統(tǒng)測(cè)試

硬件與軟件調(diào)試完成以后，對(duì)儀器進(jìn)行性能測(cè)試，為了便于觀察與處理信號(hào)，回波信號(hào)除顯示在屏幕上外，還通過(guò)JTAG接口由調(diào)試軟件讀取，同時(shí)通過(guò)SD卡進(jìn)行存儲(chǔ)，以驗(yàn)證數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的準(zhǔn)確性。首先對(duì)激勵(lì)接收功能進(jìn)行測(cè)試，驗(yàn)證電路在不同頻率下的性能。分別使用5，20 MHz的探頭在標(biāo)準(zhǔn)試塊上進(jìn)行試驗(yàn)，取得回波信號(hào)并進(jìn)行頻譜分析,測(cè)試結(jié)果如圖12所示，由頻譜圖可知，儀器能夠激勵(lì)探頭在中心頻率下工作，頻率能夠達(dá)到20 MHz，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)指標(biāo)。由時(shí)域波形可知，電路的信噪比較高，波形無(wú)失真，能夠滿(mǎn)足缺陷檢測(cè)的要求。

圖12 激勵(lì)接收測(cè)試結(jié)果

使用帶有人工缺陷的銷(xiāo)釘對(duì)儀器進(jìn)行檢測(cè)能力驗(yàn)證，圖13為銷(xiāo)釘上不同缺陷的檢測(cè)結(jié)果，可以看出缺陷回波信號(hào)清晰，信噪比較高。將回波信號(hào)檢測(cè)閾值設(shè)置為±0.3 V，當(dāng)出現(xiàn)缺陷回波時(shí)，程序能夠發(fā)出警報(bào)。以上測(cè)試證明了儀器可以有效地檢測(cè)出缺陷，能夠用于接觸網(wǎng)零部件的檢測(cè)。

圖13 銷(xiāo)釘上不同缺陷的檢測(cè)結(jié)果

螺栓是接觸網(wǎng)常用的受力緊固件，進(jìn)一步利用研制的檢測(cè)儀對(duì)兩種典型尺寸的螺栓進(jìn)行檢測(cè)。兩個(gè)被測(cè)試件分別為：① M18×50的螺栓，缺陷深度為螺紋牙底以下2 mm；② M18×60的螺栓，缺陷深度為螺紋牙底以下1.5 mm。檢測(cè)使用中心頻率為10 MHz的縱波探頭(Olympus V111)，由螺栓六角頭一端進(jìn)行檢測(cè)，螺栓缺陷及檢測(cè)方法示意如圖14所示。

圖14 螺栓缺陷及檢測(cè)方法示意

對(duì)螺栓進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，選擇螺栓另一端面的回波信號(hào)作為增益調(diào)整的參考信號(hào)。兩個(gè)試件的檢測(cè)結(jié)果如圖15所示，可以看出，檢測(cè)結(jié)果不受螺紋的影響，缺陷回波信號(hào)清晰。

圖15 兩個(gè)試件的檢測(cè)結(jié)果

4 結(jié)語(yǔ)

基于超聲無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，對(duì)接觸網(wǎng)零部件的缺陷檢測(cè)方法進(jìn)行了研究，針對(duì)典型試件銷(xiāo)釘進(jìn)行了試驗(yàn)分析。結(jié)果表明，利用超聲自激自收的檢測(cè)方法，能夠檢出的最小裂紋深度為2 mm。當(dāng)裂紋深度大于4 mm時(shí)，檢測(cè)不受銷(xiāo)孔的影響，缺陷檢出率接近100 %。通過(guò)對(duì)帶有模擬自然裂紋的試件進(jìn)行檢測(cè)，證明了該方法對(duì)零部件疲勞裂紋的檢測(cè)同樣有效。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果設(shè)計(jì)了用于接觸網(wǎng)零部件缺陷檢測(cè)的便攜式超聲檢測(cè)儀，儀器具有以下特點(diǎn)：① 以FPGA作為主控單元，運(yùn)用了軟核CPU，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，穩(wěn)定性好，升級(jí)維護(hù)方便；② 超聲探頭激勵(lì)方式為雙極型脈沖，可使用頻率高達(dá)20 MHz的探頭進(jìn)行檢測(cè)，激勵(lì)能量大，缺陷分辨能力強(qiáng)；③ 程序控制增益放大器具有90 MHz帶寬和-20～60 dB的增益調(diào)節(jié)范圍，且信噪比較高；④ 系統(tǒng)采樣率為2.5×105s-1，能夠精確采集回波信號(hào)，滿(mǎn)足了高頻和寬帶的應(yīng)用要求；⑤ 針對(duì)不同零部件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了缺陷回波自動(dòng)識(shí)別程序，能夠快速準(zhǔn)確地進(jìn)行檢測(cè)。

結(jié)果表明，便攜式超聲檢測(cè)儀工作穩(wěn)定，回波信號(hào)清晰，檢測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確，具有分辨率高、自動(dòng)化程度高等優(yōu)勢(shì)，能夠滿(mǎn)足工作現(xiàn)場(chǎng)的快速檢測(cè)需求，具有較好的應(yīng)用前景。