车轴车轮超声波探伤设备的原理与构成

摘要：本文对车轴车轮超声波探伤设备的目前现状、工作原理以及构成进行了阐述，介绍了铁路车辆的车轴车轮超声波探伤设备工作的原理及各项功能，并归纳了其特点，突出了其技术的重要性。更重要的是，本文探讨了该设备在实际运用中的科学性及其发展性，从而体现其在铁路车辆安全运行中的关键作用。

关键词：铁路车辆；车轴；车轮；超声波；探伤；原理；构成

引言

一方面随着我国铁路客车运输网络的快速扩张和列车运行速度的不断提升，铁路客车车辆车轴和车轮的运行状态直接关系到千万名乘客的生命安全和数以亿计的国家财产安全。另一方面铁路货车作为大宗货物运输的主要工具，车轴和车轮同样作为铁路货车的关键部件，承受着巨大的压力和磨损，容易出现疲劳缺陷。这些铁路车辆在长期运行过程中，车轴和车轮会因疲劳剥落、裂纹、磨损等因素产生性能退化等缺陷，严重威胁着铁路运输的安全运行，需要相关设备对铁路车辆的车轴和车轮进行疲劳缺陷的安全检测。

在当前无损检测方法中，射线、磁粉、超声、涡流和渗透等检测方式在各种检测设备中都有所应用，但受检测环境和检测便利性方面影响，磁粉检测和超声波检测成为检测车轴和车轮损伤的主流检测方式。而磁粉检测由于其需要施加磁悬液到物体表面，并且仅对于物体表面及近表面的缺陷具有较高的检测灵敏度，更多应用于车轴和车轮零件制成后的单体无损探伤检测。而超声波无损探伤检测由于其检测时无需对物体表面进行特殊处理，而且对于车轴和车轮的内部和表面缺陷，都能具有较好的检测灵敏度。所以超声波检测更适合铁路车辆的不落轮在线无损探伤检测。本文简单说明车轴车轮超声波在线无损探伤检测设备的工作原理与构成。

一、车轴车轮超声波探伤设备的工作原理

车轴车轮超声波无损检测设备的工作原理相对复杂，涉及到多个系统之间的协同工作。它不仅依赖于超声波检测装置和超声处理单元的检测处理系统，还需要外部执行机构的电源控制等功能。其中超声波检测装置按检测功能不同需要选用不同的检测探头，现使用比较多的为单晶、双晶和相控阵检测探头，主要区别为制作单个检测探头内布置的压电晶片数量不同，同时在控制、数据处理上也会有所不同。相控阵检测探头在功能和成本上要大大高于单晶和双晶检测探头，其内部多个压电晶片一般按一定的规律分布排列，然后按照设定的时间激发不同区域的压电晶片，晶片发射的超声波形成一个整体的波形面，能有效地控制超声波发射的形状和方向，实现超声波的波束扫描、偏转和聚焦，提供比单晶和双晶探头更强大的检测能力。但检测原理简单来说具有一致性，即利用电源使检测探头内的压电晶片产生超声波，超声波经由耦合介质进入探测物体内部，当遇到裂痕等缺陷的空气异质界面时会产生大部分反射回波，反射回的超声波经由同一或不同压电晶片接收后，根据超声处理单元分析，即可大致确认缺陷的位置、尺寸或判断缺陷的严重程度。

二、车轴车轮超声波探伤设备的构成

车轴车轮超声波探伤设备的构成主要可以分成四大部分，即超声检测处理系统、耦合介质供应系统、动作执行控制系统和附属配套。四大部分协同配合工作，共同实现车轴车轮超声波探伤设备的超声探伤功能。而车轴和车轮的超声波探伤设备在使用环境、实现形式和设备配置上又有所不同。

1、超声检测处理系统

超声检测处理系统主要包括超声波检测装置和超声处理单元两部分。

1.1、超声检测装置

超声波检测装置主要包括超声检测用的探头和装载探头的探头架。车轴超声波探伤设备和车轮超声波探伤设备所用的检测探头和探头架在结构和功能上又有着各自的特点。首先铁路动车组和铁路机车大多数使用的车轴为空心车轴，空心车轴的轴孔孔径通常为φ30mm、φ40mm、φ60mm、φ65mm和φ80mm这五种。这就要求车轴超声波检测装置需要进入车轴内孔进行探伤检测，所以车轴超声波探伤设备的探头架通常为圆柱形探头架，探测探头嵌入圆柱形探头架内部安装，这样圆柱形探头架便可伸入车轴内孔进行探伤作业。另外车轴产生的疲劳缺陷主要为内部体积缺陷或外表面横向裂纹缺陷，所以车轴超声波检测探头通常为向前向后单晶探头和0度双晶探头，0度双晶探头对内部体积缺陷检测具有较高灵敏度，向前向后单晶探头对外表面横向裂纹缺陷具有较高灵敏度。而铁路车辆的车轮缺陷主要集中在踏面及轮辋内部及内外侧面，所以需要对车轮的踏面和轮辋部位进行内部体积缺陷和外表面裂纹缺陷检测，车轮超声波探伤设备的探头架主要通过贴合车轮踏面和轮辋内侧面位置来对轮辋部位和踏面及轮缘的内部和外表面进行缺陷检测。因车轮外形较复杂，所需要使用的探头也更复杂数量更多。车轮超声波探伤的探头架主要配备有双晶探头、大角度单晶探头和相控阵探头。其中双晶探头主要检测轮辋部位疲劳缺陷，大角度单晶探头主要检测轮缘部分疲劳缺陷，而相控阵探头主要检测辐板内外侧的断裂疲劳缺陷。

1.2、超声处理单元

超声波检测探头仅作为超声波信号的发射和回收的采集工具，而要真正的实现超声波探伤作业的实际探伤作用，就必须对所收集信号进行分析处理，这就需要超声处理单元对信号进行分析处理，以达到转化为可解读显示的探伤结果的目的。超声处理单元按通道数和数据处理功能又有不同的类型，车轴探伤超声处理单元一般为8通道即可，而车轮探伤超声处理单元由于超声波探伤的探头数量较多，并且还有相控阵探伤检测探头的复杂数据处理，所以车轮探伤超声处理单元一般为128通道或256通道处理单元，并具备多通道数据同时传输处理功能。

2、耦合介质供应系统

超声波无损探伤检测的工作原理为超声波接触空气异质界面时会反射大部分的回波，而超声波检测探头与被检测车轮车轴表面如无特殊处理会形成空气异质界面，那么大部分超声波就无法进入到被检测车轮和车轴的内部，所以必须找到一种物质来填充到超声波检测探头和被检测车轴或车轮的接触表面，这种物质就是超声波检测的耦合介质，那么实际探伤过程中就需要配备耦合介质的供应系统。车轴和车轮检测的耦合介质因使用环境的不同也有所不同，因车轴检测时检测的是空心车轴的内孔，探头架从车轴内孔一端伸入进行探测，所以可以在车轴内孔形成相对封闭的环境，这就可以使用耦合油作为车轴检测时的耦合介质，可以很好地填充到探头和被检测车轴内孔表面，并具有一定的润滑作用。检测耦合油经由车轴内孔内回流到检测设备储油装置内，可循环重复利用，不会对环境造成污染。车轮检测时需要检测车轮的轮辋和踏面位置，所检测环境为开放环境，检测的耦合介质也无法完全回收利用，所以车轮检测时选择水作为检测的耦合介质，这样无需回收也不会对环境造成污染。耦合介质的供应系统除需配备耦合油或水的储存容器外，还要有供水或油的泵体、控制电磁阀、过滤装置以及输送管路等。

3、动作执行控制系统

车轴车轮超声波探伤设备作为整体设备应用于铁路车辆的不落轮在线无损检测，就要有完整的机构体系去执行探伤作业的所有动作。车轴车轮超声波探伤设备的动作执行控制系统主要包括三大部分：移动载体机构、探伤执行机构和电气控制系统。

3.1、移动载体机构

车轴车轮超声波探伤设备要对铁路车辆的每组车轴和车轮进行不落轮在线无损检测，这就需要车轴车轮超声波探伤设备能够自主移动到每组车轴和车轮的检测位置，每台设备都要配备车体框架和动力驱动装置。而车轴和车轮检测设备的车体框架和动力驱动形式由于使用场景不同又有所区别。车轴超声波探伤设备由于检测位置位于车轴的两端头位置，所以车轴检测设备位于铁路车辆的两侧平地上进行检测，而铁路车辆的两侧平地无固定轨道，且检测位置要对应车轴两端位置，车轴检测设备的动力驱动装置便需具备手动或自动的驱动和转向调整的功能。车轮超声波探伤设备要探伤检测每组轮对的踏面及内侧轮辋面，基于此位置检测的要求，车轮超声波探伤设备在检修地沟内更方便实现。在检修地沟内铺设轨道，车轮探伤设备可在轨道上行走，动力驱动装置具备前进、后退和停止等功能便可满足车轮超声波探伤的要求。

3.2、探伤执行机构

车轴和车轮超声波探伤设备的探伤执行机构也有所不同，车轴超声探伤为车轴内孔探伤，需要将探头架伸入车轴内孔，并且探头架探伤时需要对车轴进行360°扫描探伤，所以车轴探伤探头架配置旋转电机驱动探头架进行旋转运动，另外还有进给回退电机驱动探头架沿车轴轴向方向运动，实现检测整根车轴缺陷的功能。由于车轴长度较长，还要配备电缆和油管的放出和收回装置，保证探伤时探头架和线缆油路能正常收回到执行机构内部。车轮超声探伤设备是对车轮踏面和轮辋内侧面进行探伤，这样每个轮片就要两套探头架分别对踏面和轮辋进行探伤检测，每套探头架配有单独的贴靠机构将探头架运动到踏面和车轮内侧轮辋面的位置。车轮探伤检测也需要对车轮全周进行扫描探测，探测时车轮旋转大于360°才能检测完全，而只有将车轮举起才能旋转车轮。所以车轮探伤设备还配置了举升机构和车轮旋转机构及动力装置。铁路车辆的车轮与车厢重量多达几十吨，仅靠探伤设备本体无法支撑如此大重量，为解决此问题，车轮探伤设备还设计配备了勾爪展开机构，在探伤举轮时使勾爪搭接到铁路车辆的承载轨道上，这样设备的举升重量通过勾爪传递到铁路车辆的行走轨道上，满足了多达数十吨承载重量的要求。

3.3、电气控制系统

车轴和车轮超声波探伤设备的电气控制系统架构比较相似，主要有工控机、PLC控制模块组件、电源供应系统、操作终端系统、检测传感器和运动控制器等组成。各电气控制系统元器件与执行及探伤机构系统协同作用，实现探伤设备的探伤功能。

3.3.1、工控机

工控机是超声波探伤设备的大脑，负责处理探伤测试采集分析的信息，并将信息显示在操作终端，并接收人工操作的指令要求。同时，工控机还负责连接打印机打印探伤报告，以及与上位系统通讯，实现与其它系统的信息交互。

3.3.2、PLC控制模块组件

PLC控制模块组件是连接工控机与动作执行机构的中间组件，PLC编制控制程序控制各执行驱动机构的动作，并收集各传感器信号到位输入，根据传感器信号确定执行机构的动作位置点。

3.3.3、电源供应系统

车轴和车轮超声波探伤设备作为移动式探伤作业设备自然少不了电源供应系统，每台探伤设备都需配备独立的电池供电、充电机和开关电源的电源转换系统，保证各执行机构动力和控制电路的电源供应。

3.3.4、操作终端系统

车轴和车轮超声波探伤设备在探伤过程中和探伤后要实时显示探伤状态和探伤后的检测结果，以帮助探伤人员查看判断车轴和车轮缺陷情况，并且在探伤前要设置探伤检测参数，操作终端系统便可完成此部分功能。操作终端系统主要由显示终端设备、键盘和鼠标等组成。

3.3.5、检测传感器

检测传感器器通过与PLC控制模块组件相连接，将检测到的信号反馈给控制模块，帮助检测执行机构的到位情况等。检测传感器主要有接近式传感器、激光传感器和旋转编码器等。

3.3.6、运动控制器

作为车轴和车轮超声波探伤设备的关键组件，运动控制器通过与伺服系统的连接，确保探伤设备的各伺服电机执行机构的运动精度和稳定性。

4、附属配套

车轴车轮超声波探伤设备的附属配套主要有打印机、年度校验探头试块、日常和季度校验标定用标准试块、试样轴和试样轮等。打印机可以为车轴车轮超声波探伤设备在探伤完成需要探伤结果的报告输出时打印纸质的报告文件。超声波探伤设备作为检测设备在使用前要校验设备的检测准确性和灵敏度，以及设定一定的补偿值等，保证设备的正常检测功能。年度校验探头试块为超声波探伤设备在年度校验时的辅助配件，标准试块是车轴探伤设备在使用前校验和标定的辅助配件，试样轴是车轴探伤设备标定后验证用的辅助配件，而试样轮是车轮探伤设备标定和校验的辅助配件。

三、车轴车轮超声波探伤设备的发展趋势

随着现代社会各项科技水平的飞速发展，尤其是自动化及智能化技术的快速发展，车轴车轮超声波探伤设备的发展也越来越自动化和智能化，从开始的手动外部电源供电的探伤检测作业模式，发展到后来的低压电池供电的模式，方便了人工操作设备的流程，减少了人员重复插拔电源的重复性工作。而且现在机器人技术发展的日渐成熟，车轴车轮超声波探伤设备也引入了机器人的元素，将视觉技术、移动机器人和六轴机器人技术融入了车轴车轮超声波探伤设备内，搭配自主避障识别系统，使探伤设备实现了自主规划探伤路径，自主寻找探伤位置，自动对接探伤机构，自动探伤和自动数据上传的功能，使远程探伤、一键探伤成为了可能。同时，随着智能辅助判伤和云判伤概念的提出，使车轴和车轮探伤系统能够自动识别并标示出缺陷位置，减少了纯人工判伤的工作量和工作强度，并增加了判伤的准确性和减少了漏检率。现如今人工智能技术也不断完善，如将人工智能技术引入车轴车轮超声波探伤设备系统内，全路轮轴超声波探伤设备年均探伤轮轴约数百万条，探伤波形均能够实现云端上传功能，具备建立轮轴伤波、缺陷数据库的大数据基础，通过借助轮轴探伤人工智能网络分析及自我学习，反馈给现场的超声波探伤设备，达到轮轴缺陷完全自动发现、自动判定的程度，轮轴探伤工作将在大数据人工智能时代发生颠覆性的改变。

四、结语

铁路车辆的车轴车轮超声波探伤是保障铁路车辆安全运行的关键环节，是保障国家和人民生命财产安全的有力保证，车轴车轮超声波探伤设备作为轮轴超声波探伤的重要设备，肩负的责任和意义也非同一般，希望各车轴车轮超声波探伤设备的制造商，能够认识到各自所承担的这份荣耀与责任，充分发挥各自的优势，跟上时代科技进步发展的脚步，为铁路安全的事业提供有力的支持。

参考文献：

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[2] 赵科研，尚建伟. 铁路货车轮轴探伤存在的问题及建议[J]. 现代工业经济和信息化，2015（16）：48.