多轮对跟随式探伤系统设计

王 驰，郭前岗，周西峰

（南京邮电大学 自动化学院，江苏 南京 210023）

0 引言

多轮对跟随式探伤系统是使用超声探伤技术自动检测多组轮对的轮辋的周向、径向裂纹的跟随式探伤系统。其能够让列车在不落轮的状态下，同时对多个车轮进行探伤检测，综合评价车轮质量状态，及时发现危害性缺陷，更好地保障行车安全。其结构小巧，可随列车携带，方便安装与拆卸；其高效准确，只需将探测装置固定于要探测的车轮上，列车向前行走一段距离，便可对多个车轮完成一次探伤。探伤过程中每个探测装置通过无线传输的方式将探测数据传输给主机，由主机软件中的判伤系统对数据进行集中处理，形成精确的探伤报告；其操作简单，软件采用一键设置、自动探伤的设计，没有复杂的参数配置环节，并且有历史数据回看功能，便于操作工人使用与维护。

与传统的人工手持式探伤方式[1]相比，该系统的创新之处在于：（1）最大程度地释放了工作量，整个探伤过程只需一个操作工就可完成，并且最大程度地节约了探伤所耗费的时间；（2）上手简单，功能丰富。操作人员无需复杂的培训环节，只需记住操作流程，即可完成探伤操作，并且在该系统上有操作权限设置、历史查询和历史数据回放功能；（3）探伤结果精确直观。手持式探伤仪大多显示的是A扫图形，该系统采用A扫、B扫和三维图同时显示，更加直观并且避免了工作人员因为疏忽而未检测某些部位情况的出现。

1 系统总体架构

系统主要以显示处理平台和采集装置为核心，如图1所示，其中采集装置主要由UT单元和控制板单元组成，另外还有探头支架和耦合剂喷射装置，这些都将由系统携带的锂电池负责为其提供电源。显示处理平台主要是用来显示结果、参数设置、处理数据和自动判伤，它通过无线网的方式与UT单元和控制板通信，分别用于接收超声探伤数据、对UT单元进行参数配置和发送控制指令及接受状态信息等。检测过程中显示处理平台上实时显示所检测轮子的A扫和B扫图形，检测完成后显示处理平台将保存原始探伤数据、生成检测报告，并在数据库中备份检测信息。

图1 系统总体架构

2 系统硬件架构

2.1 系统硬件组成部分

系统硬件部分主要由接口控制器和UT控制器组成，如图2所示，其中接口控制器主要负责控制水泵的运行，以及监测位置传感器的状态。水泵主要是用来在探伤的过程中喷出耦合剂以利于探头与车轮的贴合来提高探伤准确性[2]，位置传感器用来确定探头支架是否紧贴车轮的轮廓避免装置脱落或跑偏对探伤带来影响。UT控制器主要用来高速采集探伤数据，并对数据进行压缩处理，编码器则用来记录探头在车轮上移动的位置信息以便确定伤痕在车轮上的位置。采集装置配备了无线通信功能，它可以通过WiFi连接到无线AP网络中，与特定IP地址的上位机取得连接并进行相互通信。

图2 跟随式探伤系统硬件结构图

2.2 系统硬件结构设计

系统硬件设计主要是支架部分的设计，它主要分为磁力底座、转动臂、探头阵列等。在目前实验测试阶段，由于车轮是独立的，需要加装固定装置将支架部分固定，固定装置将支架固定在钢轨上，其效果图如图3所示。

图3 测试使用的支架部分效果图

实验测试中使用的固定装置安装在铁轨上，用于固定支架。以后的现场应用中不包括此结构，支架可以通过磁力底座直接固定在列车的底座上。

磁力底座通过磁力开关在磁力的作用下固定在列车底座（固定装置）上，用于固定转动臂。磁力底座主要由两个磁力开关组成，其中一个磁力开关位置固定，另一个可以活动，以便于寻找合适的位置进行固定。当磁力开关处于打开状态时，具有一定的磁力可以吸附在金属表面固定支架，当磁力开关关闭后，磁力消失可以用于调整固定的位置。

转动臂具有两个自由度，可以方便地进行伸长和转动动作。其关节处采用旋钮可以方便拆卸和夹紧，关节处的贴合面采用波浪纹以防止夹紧后的滑动。

探头阵列主要用于固定超声波探头和喷水出口，将探头贴合到车轮的表面。探头阵列里主要有5个直探头和3个斜探头[3]，探头的分步情况为：直探头位于阵列中间两行，斜探头分布于两侧[4]。探头阵列上还装有3个接近开关、1个编码器和4个转轮，其中接近开关用于确认探头阵列放置到位；编码器用于确定车轮走过的距离；转轮用于车轮转动时跟随车轮转动使探头阵列相对固定而不发生转动或偏移。探头阵列效果图如图4所示。

图4 探头阵列效果图

3 系统软件架构

3.1 系统软件功能分析

软件系统主要实现系统自检、用户信息管理、数据接收、数据分析、显示结果、数据存储、自动判伤、输出检测报告等功能。软件功能分析如图5所示。

图5 软件功能分析框图

3.2 开发环境及运行环境

本系统拟采用NI公司的LabVIEW软件作为编程开发环境，主要完成数据处理、图形显示和数据管理功能。LabVIEW软件平台能够很好地支持数字图表（A扫图）、二维图形（B扫图）的显示，支持三维图形的处理和显示，同时LabVIEW也能很好地支持Microsoft Access和SQL数据库类型。

系统的运行环境为基于X86的Windows操作系统的控制主机，CPU要求双核以上，显卡要求为独立显卡以上。

3.3 软件方案

软件编程方面大致分为以下几点：

（1）根据列车车轮健康自动诊断系统的硬件平台选择移植合适的嵌入式操作系统[5]，搭建自动诊断系统的软件平台；

（2）了解采集单元的数据传输协议，编写软件实现软硬件单元的通信；

（3）选择合适的算法，经过仿真实验后，将算法应用到软件中，完善超声检测过程中缺陷的定性定量分析[6]，在软件中实现车轮的A扫和B扫显示；

（4）编写二维坐标到三维坐标的转化算法，在软件中实现缺陷的三维成像；

（5）实现软件对单个车轮的探伤后，再实现对一节车厢多个车轮的同时探伤，并能准确显示出探伤结果；

（6）根据高速列车车轮超声检测的适量数据，构建可以用于自动诊断的数据库，对经过缺陷定性定量处理的数据进行比对分析[7]，作出综合评价，最终对高速列车车轮的健康提供自动诊断的诊断报告；

（7）将高速列车车轮超声检测自动诊断的结果应用到列车车轮综合趋势分析[8]，完善高速列车车轮健康自动诊断系统的功能。

设计方案的软件工作流程如图6所示，主要分为准备工作和探伤检测两个环节。

图6 系统软件流程

在软件设计中还有如下几个重要环节：

（1）在三维缺陷图的显示方面，初步设想按照如下思路进行：

显示与操作界面模块接收到UT单元通过TCP协议传输的采样数据后，首先对数据包解析，将数据体和数据头帧分开并分别校验，校验通过后将解析的A扫的数据暂存到系统的缓存中，否则再次等待UT上传采样数据。待A扫数据暂存后，根据设定的阈值在绘制好轮廓的三维轮饼图的相应位置上标注出不同明暗程度或颜色的缺陷，轮饼图显示的流程图如图7所示。三维轮饼图可以通过LabVIEW绘图函数直接绘制，也可以通过将在AutoCAD或3DMAX中绘制后的三维图形添加到LabVIEW中，然后在此三维轮饼图的基础上绘制探伤后的车轮。

图7 轮饼图显示流程图

（2）在多组轮对同时探伤UT与上位机的通信上，初步设想按照如下思路进行：

首先了解UT采集单元的TCP协议，通过该协议对数据进行解析实现上位机与一台采集单元的通信，然后根据各个UT采集单元的不同的IP地址，实现与连接在交换机上的多个UT采集单元的通信。这相当于不同IP地址的UT采集单元访问上位机的服务器，这样就实现了同时对多个轮对进行采集的目的。

（3）对轮对探伤数据压缩算法的研究，初步设想按照如下思路进行：

首先研究多小波变换的基本理论和相关特性，对基于不同预处理方法的常用多小波分解重构并进行仿真对比[9]，选定轮对探伤数据压缩算法中需要用到的预处理方法和多小波类型。

其次通过比对分析，选定准备配合多小波变换进行算法设计的无损压缩算法，研究其基本理论。

然后依据选定的预处理方法、多小波类型以及无损压缩算法，设计一种多小波变换和无损压缩相结合的轮对探伤数据压缩算法，进行仿真对比实验。

最后依据所设计的压缩算法编写代码，将其应用到系统硬件平台中，根据实际情况进行调试，达到理想的压缩效果。

4 结论

本文从硬件组成、硬件架构和软件设计方面介绍了一种多轮对跟随式探伤系统的设计，该系统相比较于目前的列车车轮检测装置将大大提高其检测的效率和精确性，对列车的安全运行提供重要保障。同时希望该系统可以成为列车的一部分，这样就不再需要操作人员，列车在行进过程中就可以进行自动实时检测。该系统可以运用到各个领域轮子的探伤中，比如飞机、汽车等。

[1]沈玉娣，曹军义，现代无损检测技术[M].西安：西安交通大学出版社，2012.

[2]高静涛，戴立新，王泽勇.轮对状态动态检测系统应用综述[J].铁道技术监督，2009，37（7）：10-12.

[3]常青龙.基于ARM平台的超声波自动探伤硬件系统的研制[D].南京：南京航天航空大学，2008.

[4]师蔚.通过式轨道车辆车轮无损检测装置的研究[D].上海：同济大学，2005.

[5]沈大鹏.基于虚拟仪器的超声探伤系统[J].无损检测，2002，24（2）：64-65.

[6]赵阳，梅劲松，吕岑.机车车轮超声波探伤信号检测方法研究[J].计算机技术与发展，2013，23（2）：211-214.

[7]郑君.基于嵌入式系统超声波探伤的研究[D].北京：北京交通大学，2008.

[8]周荣.一种新型便携式超声波探伤系统的研制 [D].南京：南京航空航天大学，2007.

[9]沈毅.超声无损检测装置的研究与设计[D].南京：南京邮电大学，2011.