鋼軌焊縫相控陣自動(dòng)掃查探傷儀

徐平軍

摘要：現(xiàn)有的鋼軌焊縫超聲探傷工藝復(fù)雜，為了全面檢查焊縫，必須采用多種檢測(cè)方法進(jìn)行掃查，探頭的掃查軌跡復(fù)雜，手工操作勞動(dòng)強(qiáng)度大，掃查手法技巧要求高，常規(guī)超聲鋼軌探傷儀的回波波形對(duì)探頭的位置、角度、耦合及手法控制非常敏感，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)不同的檢測(cè)人員得出的檢測(cè)結(jié)果不一樣的情況，受人為因素影響比較大，同時(shí)由于檢測(cè)結(jié)果的缺乏圖像化處理，對(duì)缺陷的判決依靠操作人員的經(jīng)驗(yàn)，不能直觀的現(xiàn)實(shí)缺陷形狀，容易造成判斷的失誤，很大程度上依賴于檢測(cè)人員的豐富經(jīng)驗(yàn)，目前急需一款高效率、高檢出率、自動(dòng)化的超聲檢測(cè)設(shè)備，確保鐵路運(yùn)營(yíng)的安全。

關(guān)鍵詞：超聲波探傷儀;鋼軌探傷;焊縫探傷;相控陣;自動(dòng)掃查

1簡(jiǎn)介

本文即研發(fā)出一款專用于鋼軌焊縫帶有自動(dòng)掃查裝置的相控陣超聲波探傷儀器，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)滿足鋼軌焊縫檢測(cè)的專用軟硬件。在硬件上，開(kāi)發(fā)出滿足要求的相控陣儀器，設(shè)計(jì)合適的相控陣探頭、楔塊和掃查裝置;在軟件上，實(shí)現(xiàn)鋼軌焊縫和超聲相控陣聲束的仿真，將檢測(cè)出的缺陷直接顯示在鋼軌3D圖上，方便用戶判斷缺陷，減少漏檢和誤判。同時(shí)將鋼軌檢測(cè)工藝融入軟件中，取代人工掃查，提高檢測(cè)效率。

2產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案

2.1儀器構(gòu)成

鋼軌焊縫相控陣超聲儀器由相控陣儀器、鋼軌焊縫專業(yè)檢測(cè)軟件、自動(dòng)掃查架、串列掃查架幾部分組成。自動(dòng)化掃查架通過(guò)相控陣探頭線與相控陣儀器連接，設(shè)計(jì)采用2個(gè)16晶片和一個(gè)32晶片探頭相控陣探頭;探頭位置信息，運(yùn)動(dòng)控制通過(guò)USB串口連接相控陣儀器。

檢測(cè)工藝分為自動(dòng)化檢測(cè)、雙探頭檢測(cè)、相控陣人工復(fù)核、A型復(fù)核四個(gè)模塊。

2.1.1掃查架

自動(dòng)化掃查架設(shè)計(jì)2個(gè)16晶片相控陣探頭和一個(gè)32晶片相控陣探頭，固定位置轉(zhuǎn)角實(shí)現(xiàn)鋼軌焊縫覆蓋掃查。自動(dòng)化掃查架主要檢測(cè)焊縫核傷、橫向裂紋等，每個(gè)焊縫對(duì)稱掃查2次。

探頭布置圖如圖2、圖3所示，實(shí)際根據(jù)檢測(cè)效果微調(diào)。圖4/5/6是探頭在軌底覆蓋示意圖，厚度取軌底區(qū)域高度邊界，即軌底角一區(qū)高度最小12mm，最大15mm，軌底角二區(qū)高度最大高度22mm。圖7鋼軌軌頭覆蓋示意圖，圖8是軌腰覆蓋示意圖。

2.1.2掃查架運(yùn)動(dòng)過(guò)程

如圖9所示，整個(gè)檢測(cè)過(guò)程分5個(gè)步進(jìn)，具體運(yùn)動(dòng)方式如下：

開(kāi)始檢測(cè)前，探頭默認(rèn)位置，探頭1、探頭2、探頭3均在位置各自區(qū)域的位置1，探頭1、探頭2偏角處于左偏20°位置，探頭3不偏角;

開(kāi)始檢測(cè)，探頭1、探頭2、探頭3位置不移動(dòng)，探頭1和探頭2開(kāi)始偏角掃查，從右20°轉(zhuǎn)到左20°，探頭3完成左右偏角檢測(cè)后歸零;

Step1，探頭1、探頭2移動(dòng)到各自區(qū)域的位置3，探頭3位置不移動(dòng)，探頭1和探頭2開(kāi)始偏角掃查，從右20°轉(zhuǎn)到左20°，探頭3此時(shí)不檢測(cè);

Step2，探頭1、探頭2移動(dòng)到各自區(qū)域的位置4，探頭3移動(dòng)到位置2，探頭1和探頭2開(kāi)始偏角掃查，從左20°轉(zhuǎn)到右20°，探頭3不偏角檢測(cè)軌腰及軌底三角區(qū)區(qū)域;

Step3，探頭1、探頭2移動(dòng)到各自區(qū)域的位置3，探頭3位置不移動(dòng)，探頭1和探頭2開(kāi)始偏角掃查，從右20°轉(zhuǎn)到左20°，探頭3此時(shí)不檢測(cè);

歸位，探頭1、探頭2、探頭3移動(dòng)的各自區(qū)域的位置1，結(jié)束掃查。

2.1.3自動(dòng)化檢測(cè)過(guò)程：

2.1.4雙探頭檢測(cè)過(guò)程：

2.2軟件設(shè)計(jì)

2.2.1軟件界面功能基本樹(shù)狀圖：

2.2.2軟件操作流程：

2.2.3工藝設(shè)計(jì)流程如下：

2.2.4鋼軌焊縫檢測(cè)流程如下：

2.3用戶界面設(shè)計(jì)

為提高鋼軌焊縫檢測(cè)的效率，在設(shè)計(jì)檢測(cè)軟件用戶界面時(shí)，將用戶管理功能、檢測(cè)工藝流程、探頭校準(zhǔn)、相控陣扇掃、焊縫多個(gè)視角圖、數(shù)據(jù)分析等融入到軟件中，保證了軟件功能的強(qiáng)大和使用的便捷。

為便于用戶監(jiān)控和查看掃查過(guò)程，檢測(cè)主界面將多個(gè)常規(guī)探頭的條狀圖、A掃圖、多個(gè)相控陣的扇掃圖、鋼軌焊縫的3D圖、探頭動(dòng)態(tài)軌跡圖等都顯示在檢測(cè)界面上，便于用戶監(jiān)控掃查過(guò)程，在檢測(cè)到缺陷時(shí)，提供聲光報(bào)警。

2.4掃查裝置設(shè)計(jì)

匹配檢測(cè)工藝要求，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)滿足5個(gè)探頭沿指定路徑運(yùn)動(dòng)的掃查裝置：滿足探頭檢測(cè)過(guò)程中與鋼軌貼合良好的柔性耦合單元;滿足雙探頭法檢測(cè)過(guò)程中兩個(gè)探頭同步運(yùn)動(dòng)的傳動(dòng)單元;滿足自動(dòng)/手動(dòng)兩種掃查模式切換的離合單元;滿足本地開(kāi)關(guān)控制/無(wú)線遙控兩種控制模式的控制單元;減速電機(jī)輸出動(dòng)力，經(jīng)離合器后通過(guò)齒輪組傳遞至絲桿，并經(jīng)由絲桿傳遞至檢測(cè)臂，帶動(dòng)檢測(cè)臂同步運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)安裝在檢測(cè)臂上的探頭沿指定路徑運(yùn)動(dòng)。采用一級(jí)/多級(jí)彈性結(jié)構(gòu)和多自由度探頭夾具結(jié)構(gòu)確保探頭與鋼軌的良好貼合，配合傳動(dòng)系統(tǒng)工作，實(shí)現(xiàn)探頭與鋼軌柔性耦合，確保掃查過(guò)程中可靠檢測(cè);采用一字激光光標(biāo)標(biāo)示，掃查裝置定位簡(jiǎn)便、準(zhǔn)確;同時(shí)掃查裝置上配有高精度編碼器，確保了掃查時(shí)各探頭位置的精確反饋;純機(jī)械離合器實(shí)現(xiàn)自動(dòng)掃查和手工掃查兩種掃查方式，方便用戶手動(dòng)復(fù)核。

2.5儀器主機(jī)設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目結(jié)合相控陣超聲技術(shù)和常規(guī)超聲技術(shù)，多個(gè)相控陣探頭和多個(gè)常規(guī)通道A超采集的數(shù)據(jù)量很大，使得本系統(tǒng)必須要具備很強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力，為此，項(xiàng)目組選取了高性能的中央控制模塊;同時(shí)由于軟件用戶界面需要顯示各種成像圖，因此為本產(chǎn)品配備了高分辨率、大尺寸觸摸屏;此外儀器主機(jī)帶有網(wǎng)絡(luò)接口，用戶可連接到遠(yuǎn)程主機(jī)，進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸;考慮產(chǎn)品探傷現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)條件比較惡劣，在儀器主機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)各種接口做了防護(hù)設(shè)計(jì)，確保整套產(chǎn)品具有一定的防護(hù)等級(jí)，滿足現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)需求。

儀器主機(jī)選取了高性能的中央控制模塊，相控陣模塊為項(xiàng)目組專門(mén)研發(fā)的專業(yè)超聲電路板，儀器內(nèi)部總線采用USB高速標(biāo)準(zhǔn)，儀器軟件為項(xiàng)目組自主開(kāi)發(fā)的相控陣鋼軌焊縫檢測(cè)軟件方案。

項(xiàng)目方案中，硬件組成除了上述中央控制模塊與超聲模塊外，還包括電源接口板、儀器顯示屏、儀器操作面板、儀器機(jī)殼等部分設(shè)計(jì)，其中電源接口板安裝在機(jī)殼內(nèi)，提供電源供電，同時(shí)向主機(jī)、超聲模塊、鍵盤(pán)、報(bào)警等部件提供連接和中轉(zhuǎn);顯示采用工業(yè)級(jí)10.4寸高亮液晶顯示屏，分辨率達(dá)到1024×768，室外清晰可見(jiàn)，同時(shí)配備工業(yè)級(jí)觸摸屏解決方案;儀器的操作面板采用輕觸開(kāi)關(guān)構(gòu)成的鍵盤(pán)面板為主體，配合工業(yè)級(jí)觸摸屏，向用戶提供可靠方便的操作模式。

3結(jié)論

本相控陣鋼軌超聲探傷儀將超聲檢測(cè)領(lǐng)域最新的相控陣技術(shù)以及自動(dòng)化技術(shù)引入鋼軌焊縫檢測(cè)中，結(jié)合相控陣超聲技術(shù)和常規(guī)超聲技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，制定了適合鋼軌焊縫檢測(cè)的工藝，采用3個(gè)相控陣探頭和2個(gè)常規(guī)探頭確保整個(gè)焊縫全覆蓋檢測(cè);同時(shí)特制了專用掃查裝置，一次自動(dòng)掃查，即可實(shí)現(xiàn)整個(gè)焊縫的全覆蓋檢測(cè);在用戶界面上將A掃、條狀圖、相控陣S掃圖、鋼軌焊縫3D圖等集成顯示，輔助用戶判斷缺陷，將掃查實(shí)際工況和軟件仿真完美集合，用戶可實(shí)時(shí)監(jiān)控掃查，實(shí)現(xiàn)智能化檢測(cè)。

該相控陣鋼軌超聲探傷儀的成功研制解決了傳統(tǒng)鋼軌焊縫超聲檢測(cè)流程的復(fù)雜、檢測(cè)時(shí)間較長(zhǎng)、檢測(cè)結(jié)果依賴檢測(cè)人員的經(jīng)驗(yàn)水平、檢測(cè)結(jié)果不可追溯等問(wèn)題，為鐵路鋼軌焊縫檢測(cè)提供了一款高效可靠、功能強(qiáng)大、檢測(cè)優(yōu)異的儀器，鋼軌焊縫檢出率和檢測(cè)效率顯著提升，必將成為我們鐵路工務(wù)系統(tǒng)廣大一線操作者和管理者歡迎的產(chǎn)品。

參考文獻(xiàn)

[1]專著：鐵路職工崗位培訓(xùn)教材編審委員會(huì).鋼軌探傷工.北京：中國(guó)鐵道出版社，2014.

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[3]GB/T 32563，無(wú)損檢測(cè) 超聲檢測(cè) 相控陣超聲檢測(cè)方法[S].