一种动车组空心车轴超声波检测系统及其检测方法

摘要

一种动车组空心车轴超声波检测系统，主要包括：探杆模块、电机控制模块、UT(超声波探伤)模块以及用户软件。该系统的工作流程如下：登录用户软件后，配置检测轴型及检测参数，驱动两个电机模块运行。电机模块驱动旋转电机和进给电机，旋转电机带动探杆的旋转，进给电机通过铰链带动探杆的移动。探杆上不同位置安装着不同类型的多个探头。探头受控于UT模块，UT模块发送超声波后接收反射回来的超声波，并将超声波探伤数据上传至用户软件。通过用户软件的数据处理变换后，该系统能够显示A扫图并直观地绘画出B扫C扫图，从而能够迅速判断缺陷的存在与否、内部缺陷的位置和大小，同时具有存储、回放、查阅等其它功能。

说明书

技术领域

本发明涉及无损检测技术领域，更具体地说，涉及一种动车组空心车轴内部 缺陷超声波检测系统。

背景技术

动车组空心车轴作为列车的重要部件之一，空心车轴在实际运用中的运行受 载状态比较复杂，不仅承受制动力和钢轨的反作用力，而且承受来自线路的冲击 载荷和通过曲线时横向作用于轮缘的导向力。此外，车轴的各配合部位有着大小 不一的轴向力、径向力、剪切力、弯矩、扭矩等载荷的单独作用或共同作用，因 而车轴在列车运行过程中容易损毁。从普通的列车、特快列车、动车组再到高速 铁路，速度大大提高，在高速运行的状态下，空心车轴的要求越来越高，空心车 轴的内部小小裂纹或者缺陷给列车安全带来了巨大的安全隐患。动力轴如果出现 2毫米或超过2毫米的材质缺陷，就达到铁道部的报废标准；如不报废，继续使 用可能造成车辆断轴、脱轨颠覆。如果高铁动力车厢的动力轴出问题，列车可能 会脱轨，给人们的生命财产安全造成巨大的威胁。

目前，动车组空心车轴缺陷检测有两种方法：一种是基于电磁感应原理的涡 流检测法，另一种是超声波检测方法。涡流探伤是以交流电磁线圈在金属构件表 面感应产生涡流的无损探伤技术。它主要适用于导电的材料，包括铁磁性和非铁 磁性金属材料构件的缺陷检测。尽管在检测时不要求线圈与构件紧密接触，不需 需要使用藕合剂，容易实现检验自动化，但是涡流探伤仅适用于导电材料，只能 检测表面或近表面层的缺陷，不便使用于形状复杂的构件，不能检测空心车轴内 部缺陷。超声波探伤是利用超声波能够透入金属材料的深处，并由一截面进入另 一截面时，在界面边缘发生反射的特点来检查零件缺陷的一种方法，当超声波束 自零件表面由探头通至金属内部，遇到缺陷与零件底面时就分别发生反射波，根 据反射的回波强度判断内部缺陷的。

目前的超声波检测设备有日本的第一代产品HIS-3LF型和其后的改进型产 品SBA-60HS型超声波探伤设备。但是，它们超声波探头数目少、通道少，只能 检测外表面和近表面的周向裂纹，检测能力非常有限并且人工依赖程度高，主观 性强，因此误判率高。不仅如此，空心车轴轴型兼容性较差，不能实现实时A 扫B扫C扫显示，不能够实时切换，耗时长且效率低。

日本产品SBA-60HS型只有4个探头，4通道数，探伤能力较弱，只能检测 出外表附近周向裂纹，探测能力非常有限。在探测过程中，只能实现实时A扫 显示，回放B扫C扫显示，不能实时显示，必须探测结束后回放依靠人工判读 才能详细得出缺陷位置大小等信息。

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：设计一种动车 组空心轴超声波检测系统，使之具有兼容性强、检测范围广、精度高、误判率低、 人工依赖程度低的特点；能够实时A扫显示并能实时切换B扫C扫显示类型，回放 时也能够动态变换显示类型；对超声波的探伤数据进行颜色空间的映射，并用不 同颜色表示缺陷与否，不同深度表示缺陷大小；实时存储读取数据、快速绘制二 维图形，用户软件内存性能高度的优化；系统能够灵活配置轴型、检测范围等参 数，具有存储回放等功能；探杆探头的选型、安装；多用户登陆系统，不同权限 的分配。

本发明的技术方案为：一种动车组空心车轴超声波检测系统，本系统的主要 组成是安装探头的探杆模块、用于控制探杆进给和旋转的电机控制模块、用于探 伤接收上位机用户软件命令并收发超声波探伤数据的UT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用户软件。本系统的整个 结构如附图1所示。所述系统的检测步骤如下：

步骤1：登陆用户软件，获得管理员操作权限；检测UT设备和上位机基于 UDP和TCP协议的通信和电机控制模块的串口通信及其油泵是否正常，如果不 正常，将会提示相关错误，退出系统后查找相关错误并调试正常后，方可进入系 统；

步骤2：进入系统后，基于UDP协议对UT设备进行初始化设置，基于串口 协议对电机控制模块进行初始化，设置空心车轴的原点；用户界面绘出轴型轮廓 图和探杆位置；预置绘图RGB颜色空间；

步骤3：进入系统探伤界面，选择轴型、检测范围等参数，生成配置数据簇； 电机控制模块根据配置数据簇，探杆进给到探伤起点位置，进给过程中油泵给油， 确保探杆头和轴型空腔啮合，用户界面轴型轮廓空腔内的探杆根据实时位置重新 绘制，视觉上具有实时“移动”的效果，移动到探伤起点位置；根据选择的参数 对UT进行设置，等待探伤开始；

步骤4：探杆到达探伤起点、UT配置完毕后，探伤开始；电机模块驱动探 杆进给和旋转并给润滑油，使得探杆头在于轴型空腔内有效腔啮合情况下螺旋式 移动；用户界面空心车轴内部空腔内的探头，模拟旋转和进给，图中位置和实际 位置成比例对应；UT设备通过探头发送超声波，并接受超声波回波，经过UT 设备的初步整理后，基于TCP协议发送给上位机用户软件；原始超声波探伤数 据的接收流程如图2所示；

步骤5：上位机用户软件接收到探伤数据后，分类处理，转换A扫B扫C扫数 据；转换后的A扫B扫C扫每个通道数据，存储于各自移位寄存器中；读取选 择的A扫数据通道，将对应通道的移位寄存器中的数据送至界面的示波器予以 显示探伤波形；读取选择的显示类型和通道，提取移位寄存器中的数据后，根据 相关阈值，将超声波数据映射到RGB颜色空间，将预置的颜色空间中的数据替 换为超声波对应的RGB空间；超声波探伤数据至RGB空间映射流程如图3所 示；

所述探伤数据处理方法为：将所述探伤数据按通道分类，相同的通道进入不 同的数据处理线程；将接收到的一帧数据存储在数组，在用户界面示波器中显示 A扫图；将接收到的一帧数据取出最大值存入预置数组，旋转一周后得到数组， 即为C扫数据；旋转一周后，得到多帧探伤数据，提取对应点上的数据最大值 组成数组，即为B扫数据；

步骤6：改变相关阈值，观察B扫C扫绘制的图形，如果符合探伤缺陷范围 要求则继续探伤，否则可以停止探伤节省时间；探伤结束，保存以备回放；如果 停止探伤，UT停止发送超声波数据，探杆停止并移动到初始化位置；

步骤7：探伤完毕后，UT设备停止发送数据，探杆停止并移动到初始化位 置；提示保存以否，保存以备回放；如果保存，所有通道的探伤数据在阈值为 100％的条件下对应RGB空间数据保存于数据库中；回放读取数据库中探伤数据 流程如图4所示；

所述探伤结果的查阅方法为：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，阈值以下缺陷以黑色不同深度表示，阈值 以上缺陷以红色不同深度表示；

所述探伤数据和颜色映射方法为：以阈值为界限，阈值以下所述探伤数据的 大小对应RGB空间的值，探伤数据为0时对应RGB值为0xFFFFFF，颜色为白 色，探伤数据为临界阈值是对应RGB值为0x000000，颜色为黑色，其它探伤数 据值均匀对应颜色值；阈值界限以上对应红色，远离阈值颜色为深红，对应RGB 值为0xFF0000，靠近阈值颜色为浅红，对应RGB值为FFF0F0，其它探伤数据 值对应RGB空间后16位均匀分配。

步骤8：点击记录查询，选择查询日期范围，找到对应的文件，双击进入回 放模式；数据库中的各通道探伤数据预存至移位寄存器中，对应空心车轴轮廓图 绘制在面板上，在默认通道和阈值下绘制出B扫C扫图；根据实际需要，调节 阈值和显示类型通道，移位寄存器中的数据根据阈值映射到RGB空间，绘制探 伤图形，肉眼即可判断是否有红色区域，红色区域即为缺陷，也可以生成报表；

所述探伤结果绘图方法为：每一个探伤数据点对应绘图二维空间的两个像素 点；预置绘图空间，对应RGB值为0xFFFFFF颜色为白色；接收到探伤数据后， 经过处理映射后得到的数据点置换预置二维数组中对应的点；

步骤9：退出回放界面，点击安全退出；检查所有设备是否回复到正常位置， 如果未回复正常位置，则提示相关内容，人工选择回复正常后不再提示错误，退 出用户，关闭权限并退出整个系统。

本设计发明增加了探头数目，探头数目达到了7个。安装方式：45度的探 头分别轴向向前、轴向向后安装，两个70度的探头分别轴向向前、向后安装， 另外两个70度双晶探头分别周向向前、向后安装，0度单晶探头轴向安装。因 此，能探测出不同位置不同类型的缺陷，探测能力大为增强，周向裂纹、纵向裂 纹、内部缺陷都能够探测出，而且探测深度和SBA-60HS型相比大大增强。此外， 对不同的轴型兼容性有了很大的改善，能够兼容更多类型的动车组空心车轴。在 探伤过程中，能够实时查看A扫B扫C扫图，人工主观性依赖大大减小。对于 某一缺陷，可以实时查看位置大小等相关信息，能够迅速做出缺陷相关结论，决 定是否立即终止，而不用等待整个探伤过程结束后回放查阅来判读，对于批量探 伤大大节省了时间。本设计包括以下模块：探杆模块、电机控制模块、UT模块、 用户软件。

探杆模块是整个系统的最重要的组成部分之一。探杆是探头的载体，探杆带 动超声波探头以一定的速度螺旋式的前进，使得探头能够完整地扫描整个空心轴 内部。探杆上以不同的方式安装着不同类型的探头，这种特殊方式决定了探伤范 围的大小、探伤精度等。探头在UT的驱动下发送超声波探伤波束，探伤波束在 空心车轴内部遇到缺陷反射超声波回波，探头接收超声波回波。

电机控制模块包含两个直流电机，分别驱动探杆进给和旋转。在初始化和探 伤结束或者中断时，电机模块驱动电机带动探杆移动到初始起点位置。在探伤过 程中，两个电机分别以一定速度带动探杆螺旋式的前进，确保探头正常工作。

UT模块是整个系统的硬件核心。UT模块基于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模块连接着位于探杆的多路超声波探头， 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协议传送给用户软件，以待处理。

用户软件是整个系统的软件核心，也是人和系统交互的窗口。基于LabVIEW 开发。用户软件基于UDP协议发送指令给UT模块，UT模块实现对应操作，达 到用户软件对整个系统的控制。用户软件接收UT模块基于UDP协议返回的应 答代码和基于TCP协议的探伤原始数据，处理数据后以直观的方式显示给用户 查阅。数据处理的原理是将探伤数据分组后，按照数据大小映射到RGB颜色空 间，临时存储于内存中，查阅只是将其中需要的数据取出，并根据阈值将超过阈 值的数据对应的RGB空间按层次映射到RGB的红色谱，并绘制到窗口。探伤 结束后，内存中的数据按顺序存储到数据库，回放时按需查阅，动态绘制到窗口， 并不改变数据库中的数据。实时和回放时，窗口绘制的探伤图形能够准确表示出 缺陷的位置、大小和方向等信息，很容易地判断出缺陷与否，具有精度高、误判 率低、人工依赖少等优点。

本发明的有益效果为：(1)兼容性强、检测范围广、精度高、误判率低、 人工依赖程度低的特点；(2)能够实时A扫显示并能实时切换B扫C扫显示类 型，回放时也能够动态变换显示类型；(3)对超声波的探伤数据进行颜色空间 的映射，并用不同颜色表示缺陷与否，不同深度表示缺陷大小；(4)实时存储 读取数据、快速绘制二维图形，用户软件内存性能高度的优化；(5)该系统能 够显示A扫图并直观地绘画出B扫C扫图，灵活配置轴型、检测范围等参数， 从而能够迅速判断缺陷的存在与否、内部缺陷的位置和大小，同时具有存储、回 放、查阅等其它功能；(6)探杆探头的选型、安装；(7)多用户登陆系统，不 同权限的分配。

附图说明

图1是动车组空心车轴超声波检测系统结构示意图。

其中，1为空心轴，2为轴型空腔，3为超声波探头，4为控制箱，5为串口 通信，6为TCP、UDP通信，7为打印设备。

图2是原始超声波探伤数据的接收流程图。

图3是含阈值的超声波探伤数据至RGB空间映射流程图。

图4是回放读取数据库中探伤数据流程图。

图5是探杆上探头安装位置和方向示意图。

图6是用户软件的登陆界面示意图。

图7是空心车轴轴型查询界面示意图。

图8是用户软件轴型管理界面示意图。

图9是用户软件探伤过程中的界面示意图。

图10是用户软件记录查询的界面示意图。

图11是用户软件回放过程中的界面示意图。

图12是动车组空心车轴超声波检测系统另一结构示意图。

其中，11为探杆模块，12为电机控制模块，13为UT模块，14为用户软件。

具体实施方式

1、一种动车组空心车轴超声波检测系统的技术条件

在实际工程中，本技术条件适用于动车组空心车轴超声波检测系统。扫描螺 距设置范围：5mm；扫描转速设置范围：60r/min；系统的供电电压为AC220V， UT设备和电机控制模块的供电电压为DC12V；主声束扫查范围：动车车轴距离 轴端55～2220mm；周期脉冲触发角度设置范围：0.5°～5°；闸门阈值设置范 围：满幅度0％～100％；油箱内耦合剂温度范围：18℃～50℃；系统检测范 围：外表面、近表面及空心轴内部；检测缺陷类型：周向裂纹、纵向裂纹、内部 其它缺陷。

2、一种动车组空心车轴超声波检测系统的具体实施方式

如图1、12所示，动车组空心车轴超声波检测系统共包括四个部分：探杆模 块8、UT模块10、电机控制模块9、用户软件11。空心轴1的轴径有60mm和 30mm两种，因此探杆模块中的探杆也有两种轴径类型以对应相关轴型，确保探 杆上的探头和空心轴腔之间的啮合。两种不同尺寸探杆上的探头安装方式一样， 安装方式示意图如图5所示。探杆上安装7个超声波探头3，分别为45度双晶 探头2个，70度双晶探头4个，0度单晶探头1个。为了消除探伤的盲区和减少 漏判，以一种特别的方式安装：45度的探头分别轴向向前、向后安装，距离轴 端长度为42mm，角度分别为72°和-72°；70度的探头分别轴向向前、向后安 装，距离轴端长度为44mm，角度分别为144°和-144°；另外两个70度双晶探 头分别周向向前、向后安装，距离探杆轴端长度为87mm，角度分别为0度和80°； 0度单晶探头轴向安装，距离探杆轴端45mm，角度为0。超声波探头和轴型空 腔2之间的细小空间需要耦合剂来填充，确保探头和空心轴内壁的耦合，在初始 化过程中和探伤过程中减少探杆和轴壁之间的磨损，防止探头的损坏。耦合剂可 以采用机油即可保证系统的正常运转。

电机控制模块包括控制箱4与上位机用户软件通讯是基于串口通信5，对电 机的控制内部采用的PID控制，电压为DC12V，在电压恒定的情况下，电机稳 定受控。当电压不稳定时，会导致电机控制的超调或延时，大电流脉冲也可能烧 坏电机。为了确保探杆在运行过程中稳定移动，一般过程是加速达到匀速时的速 度则停止加速，保持匀速运行；停止探伤时，减速至速度为零。由于加速减速时 间短，因此瞬时冲量很大，为了保证探杆和探头的使用寿命，防止探头损坏，加 速度不超过30000inc/ms²。

UT模块和上位机用户软件通讯是基于UDP协议和TCP协议6。为了保证 通讯的稳定可靠，上位机设置为固定IP寻址方式，并将固定IP设置为 192.168.0.65，下位机UT设备出厂默认设置为192.168.0.55，基于TCP通信的上 位机端口为2001，下位机端口为2000，基于UDP协议的上位机和下位机端口均 为2000。

上位机软件是人和系统交互接口，间接控制着整个系统。打开用户软件，用 户名默认为admin，密码为123456，如图6所示。点击登录按钮，软件会自动检 测整个系统的运行状态，如果有异常会自动弹窗报错，只到异常排除，才可以进 入系统。进入系统后，选择用户管理子菜单，更改初始用户名和密码，防止用户 非法进入更改系统配置，也便于保密。查阅工具集合菜单中CRH轴型子菜单， 子菜单中包含各种轴型数据，如附图7所示。参数设置的功能是对探头和UT设 备检测参数的配置，已经默认配置完整，也可以根据实际情况进行配置。参数配 置示意图如图8所示。

探伤功能位于探伤操作的菜单中，进入探伤操作后，输入车号编次001，用 于区分各次的探伤。轴型选项总计有20种，选择轴型CRH2-动轴-A，表示选择 的轴型为CRH2型动车组动力轴，探测起点为A端(远探测仪端)后退探伤。 不同轴型对应不同的探测参数，此时参数选择CRH2-D-A-350，表示探测范围为 距离探测仪端100mm-1000mm。轴号选择为60，表示空心轴的轴腔直径为60mm， 轴位为50，班次选择默认值1。点击开始探伤，探伤开始，弹出探伤界面，如图 9所示。探伤界面左侧显示当前连接状态，包括上位机IP地址端口号，下位机 IP地址和端口号，以及默认阈值40％，探杆的进给量、圈数、圈数偏移量、默 认显示类型。上方4个示波器A扫显示当前默认通道的探伤状态，右上角可以 切换不同通道。界面中部可见对应轴型轮廓图和轴腔内的探杆位置和旋转状态。 界面下部分可见实时默认通道的探伤绘图，绘图的位置和探杆的位置是一一对应 的，改变阈值可见颜色的改变。左侧选择更改通道和显示类型B扫或C扫，绘 图区域无延时的改变，并继续实时跟随探杆头绘图。点击停止，弹窗提示是否需 要保存，点击保存则存储到数据库中。

如上所述，重复上述操作，开始探伤后不点击退出，只到探伤完毕系统自动 退出。进入记录查询子目录中，选择探伤日期，查找到相关记录，双击进入回放 模式。用户软件的记录查询示意图如图10所示。回放显示方式有3种：B-B模 式，表示各通道之间B扫图对比；C-C各通道之间C扫图对比；B-C各通道之 间B扫和C扫图对比。选择B-C显示模式，改变通道，绘图实时跟随改变，改 变阈值可见探伤绘图的颜色改变。点击工具菜单，选择对应轴型，根据图中的B 扫C扫对应坐标可以看出对应缺陷和绘图中的红色缺陷一一对应。回放显示示 意图如图11所示。

用户软件运行过程如下所述：探杆到达探伤起点、UT配置完毕后，探伤开 始；电机模块驱动探杆进给和旋转并给润滑油，使得探杆头在于轴型空腔内有效 腔啮合情况下螺旋式移动；用户界面空心车轴内部空腔内的探头，模拟旋转和进 给，图中位置和实际位置成比例对应；UT设备通过探头发送超声波，并接受超 声波回波，经过UT设备的初步整理后，基于TCP协议发送给上位机用户软件； 原始超声波探伤数据的接收流程如图2所示；

上位机用户软件接收到探伤数据后，分类处理，转换A扫B扫C扫数据； 上位机用户软件与打印设备7相连。转换后的A扫B扫C扫每个通道数据，存 储于各自移位寄存器中；读取选择的A扫数据通道，将对应通道的移位寄存器 中的数据送至界面的示波器予以显示探伤波形；读取选择的显示类型和通道，提 取移位寄存器中的数据后，根据相关阈值，将超声波数据映射到RGB颜色空间， 将预置的颜色空间中的数据替换为超声波对应的RGB空间；超声波探伤数据至 RGB空间映射流程如图3所示；

改变相关阈值，观察B扫C扫绘制的图形，如果符合探伤缺陷范围要求则 继续探伤，否则可以停止探伤节省时间；探伤结束，保存以备回放；如果停止探 伤，UT停止发送超声波数据，探杆停止并移动到初始化位置；

探伤完毕后，UT设备停止发送数据，探杆停止并移动到初始化位置；提示 保存以否，保存以备回放；如果保存，所有通道的探伤数据在阈值为100％的条 件下对应RGB空间数据保存于数据库中；回放读取数据库中探伤数据流程如图 4所示。

综上所述，一种动车组空心车轴超声波检测系统的结构简单，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。