火车轮裂纹自动在线无损检测系统研究

王川 邓旭辉

摘 要：火车轮作为火车的关键部位，铁道运输部门一直都非常重视火车轮裂纹检测及故障定位研究。自动在线无损检测系统是发现火车轮是否存在裂纹的有效手段，它可有效避免铁路行车事故。该文首先介绍自动在线无损检测系统的设计原理和方法，其次再介绍裂纹声波信号的特点，并根据裂纹声波的特点分析裂纹声波信号、介绍声波信号的识别方法，以准确判别火车轮裂纹声波，最后从自动在线无损检测系统的声发射原理简要介绍声发射信号的接收。

关键词：火车裂纹 自动在线无损检测系统 裂纹信号 声发射

中图分类号：TP274 文献标识碼：A 文章编号：1674-098X（2015）01（a）-0058-01

自动在线无损检测火车车轮的裂纹一直是我国铁道运输中的重要问题。火车车轮作为火车行走的结构，它通常处于恶劣的工作环境中。在工作状态下，车轮在撞击和摩擦等复杂的受力环境下容易出现磨损、裂纹等损坏问题。而且我国火车的车轮多为碾钢车轮，由于制作工艺的不完善，车轮本身就存在一定的制造缺陷[1]。在复杂的工作环境下，自身的制造缺陷会不断发展和扩大，最终导致车轮开裂，引起安全事故。因此，有必要研发出一套较为准确的检测火车轮裂纹的系统，降低安全事故几率。基于此，该研究者简要研究火车轮裂纹自动在线无损检测系统。

1 自动在线无损检测系统概述

1.1 自动在线无损检测系统设计的原理

自动在线无损检测的主要原理为声发射（Acoustic Emissions，AE），声发射是多数金属在塑性变形或者断裂时常见的物理现象[2]。即材料在内力、外力或者内外力同时作用下出现断裂或变形，存储在材料内部的应力应变能会以弹性波的形式向外释放。材料释放的弹性波具有很强的能力，且弹性波的存在范围很广。借助相应的高保真宽带传感器，就可以捕捉真实的声发射信号。

1.2 自动在线无损检测系统设计的方法

由于弹性波中的高频成分在传播过程中容易大量衰减，因而信号测量点的位置不能过大，否则收集的信号容易失真，造成高频成分衰减过多。此外，声波信号虽然是高频信号，但是频率响度较低，声波信号在空气中传播容易衰减而无法接受[3]。因此，声发射传感器需要补偿信号在空气传播过程中的衰减量，才能保证声波信号被正常传递至微处理器。检测系统必须使用高速采样器采集信号，并使用模拟电路对信号进行预处理。

2 声波信号的判别

2.1 裂纹声波信号的特点

声发射现场并非只发射裂纹声波信号，也发射其它很多噪声。因此，自动在线无损检测系统的另一核心技术设计为声波的判别。火车轮裂纹声波信号以导波的形式传播，这类损伤波可分为两大类。一是材料的内部出现裂纹，断裂与材料表面处于平行状态。这类裂纹的波形特征为高频带的伸缩波，幅度不饱和。二是发生于垂直材料平面的裂纹，或者偏离材料中心平面较大的裂纹。这类裂纹产生的应力波属于弯曲波模式，其幅度远远高于伸缩波[4]。

2.2 裂纹声波信号的识别

噪声信号与裂纹的声发射信号在波形、频率和幅度上有区别，而且裂纹信号在不同的时间达到传感器。因此，采用声发射技术可以有效地识别噪声和裂纹信号。由于噪声信号具有很强的随机性，需要根据损伤与噪声信号的波形特征，在采集前就应剔除噪声信号，并在处理损伤信号数据前，以分析软件实施进一步的去噪预处理。由于裂纹的伸缩波较大，它与噪声信号有很大的区别，通过模态声发射就可以明显区分裂纹信号和噪声信号。因而裂纹产生声发射信号与噪声信号有显著的差异。模态声发射分析的主要特征为模式波形和相应的频率成分，而这些特征可以作为区分裂纹信号和噪声信号的主要依据。

此外，高保真宽带传感器的使用可以较为真实的收集被检测火车轮裂纹的声发射伸缩波，但是在进行A/D转换前，声发射信号需要先经过相关硬件进行去噪处理，常用的方法为硬件滤波或者自适应噪声去噪[5]。硬件去噪后还需要进行软件去噪，即通过带通滤波去噪，达到提取真实裂纹信号的目的。

3 声发射信号的接收

自动在线无损检测系统的设计原理为声发射原理，而声发射参数技术中的声发射时间的主要参数包含撞击、上升、持续时间以及振铃计数、峰值幅度等等。宽带声发射传感器捕捉火车轮材料的声发射信号，并对信号进行去噪和滤波预处理，得到单纯的声发射信号。根据参数声发射的理论，采用统计的方法可从信号波形中提取振铃计数、上升时间等信号特征参数。再使用小波包分解声发射信号，可得到奇异点、模极大值点、间断点等反映裂纹特征的时频参数，所获得的参数可作为判别裂纹特征的向量。被检测的裂纹信号经过处理后均表现为行向量，并经DSP接口输入总线，处于实施监控状态的上位机再经串行口接收数据[6]。

4 结语

虽然在火车轮裂纹自动在线无损检测领域取得了较大的进步，我国技术仍存在许多不足。在人们对车速要求不断提高的情况下，人们对自动在线无损检测系统设计的要求也会更高。自动在线无损检测必然朝着便捷、高性能、高效率的方向发展，既满足人们对火车安全和可靠运行的要求，又满足国家经济效益和社会效益的追求。

参考文献

[1] 田双蜀.基于声学特性的裂纹缺陷检测方法研究[D].东北大学，2009.

[2] 王炳炎，侯力，孙明明，等.火车轮裂纹声发射源定位技术研究[J].机械，2007（2）.

[3] 张博南.铁道机车车辆车轮在线超声波自动检测系统的研究[D].北京交通大学，2013.

[4] 冷亚波.金属材料疲劳损伤的声发射特性研究[D].南昌大学，2013.

[5] 马官兵，张俊，李明，等.无损检测可靠性的研究进展[J].中国电力，2012（6）.

[6] A.Г.Bepxoгляд谢小海.铁路机车车辆车轮裂纹的红外线诊断[J].国外机车车辆工艺，2010（6）：33-34+40.