地铁车辆车轴新型超声波探伤仪的研究

地铁车辆车轴新型超声波探伤仪的研究

刘彬孙伟

（中车青岛四方机车车辆股份有限公司山东青岛266000）

摘要：地铁车辆车轴容易发生故障，这与其受力复杂，工作条件恶劣有关，而且若其发生裂纹后不及时处理就会造成车轴断裂，从而造成事故。所以对车轴进行探伤就显得尤为重要，不管是地铁车辆制造商还是车辆维修厂都需要对车轴进行超声波探伤，这样可了解车轴的状态。本文就将新型车轴超声波探伤仪的工作原理进行了阐述，并将其应用到的芯片以及相关技术进行了介绍。

关键词：地铁车辆；车轴；超声波探伤仪

微电脑车轴超声波探伤仪运用了众多的电路和芯片，像超声波发送、接收电路、衰减量显示电路、AD9850芯片等。其应用了数字合成技术，这样可以使超声波图像更加清晰、准确，而且其具有集成度高、响应速度快、探测精度高的特点，这样其较以前的探伤仪有了非常大的进步。本文将程胜波信号检测、处理以及缺陷识别中的新技术进行了介绍，这样其能够更有效的进行检测探伤从而尽早解决问题。

1.超声波探伤模块

1.1超声波发射电路

超声波探伤对超声波具有一定的要求，比如高分辨率、高稳定性，但现在所使用的模拟信号处理方式具有一定的局限，所以其采集到的图像质量较低[1]。本文基于DDS技术设计了超声波发射电路，其可使图像质量低的缺点得以克服。超声波发射电路的控制核心为单片机AT89S52，其通过并行输入将控制字写入AD9850。单片机的P0口连接到AD9850的并行口，而P1.1和P1.2连接AD9850的FQUD和WCLK，这样就能进行时序的控制[2]。超声波信号发射电路见图1。

图1超声波信号发射电路原理图

1.1超声波接收、放大电路

超声波在发送之后需要进行信号的接收与放大，这样可以对不同的探测工件进行探伤。首先将接收到的信号进行20dB的放大，然后使用3片AD603进行可调放大。AD603是具有低噪声影响、高频宽度、性能稳定等特点的运放，其可进行电压的可变增益，这样其能够代替很多固定的器件来进行电路的调整[3]。其管脚图如图2所示。

图2AD603管脚图

其采用电压控制增益方式，GPOS和GNEG之间的压差是控制电压，其变化范围为-0.5V~+0.5V。其输入口为高输入阻抗，对电压的要求很高，需要稳压源向其提供稳定的电压。

2.衰减量显示电路的设计

衰减量显示电路可将探伤工作衰减量进行直观、准确的显示，其由AT89S52进行控制，采用8位共阴极数码管进行显示。该电路和微处理器通过三根串行线进行连接，这样其印制板走线方便，而且占据资源小。其适用的范围非常广，能够通过RSET进行阻值的改变。

3.数据采样、处理模块

3.1AD转换电路

任何数据采集、使用传感器的系统都需要AD转换电路将模拟量转化为数字量。超声探伤仪采用高速数据采集与存储，其直接影响到超声波探伤仪的分辨率以及其对缺陷判断的准确性。该系统所采用的芯片为MAX1446芯片，其可达到的采样频率为60MHz。

3.2FPGA的选择与应用

FPGA是大规模可编程集成电路，其能够使电子产品可靠性更高、集成程度更高而且更小。FPGA主要进行采样数据的处理，像非实时性数据的压缩、提取、进行数字检波、实现软闸门实时报警等。在该超声波探伤仪中所使用的FPGA为EP1C20。

4.数据与电脑的通讯模块

FT245BM实现了并行I/O口协议和USB协议之间的转换，这在很大的程度上将硬件的设计与驱动程序的编写进行了省略，从而使该探伤仪更容易开发，也是USB外围设备的非常好的选择。其硬件电路图见图3。

图3硬件连接电路图

5.超声波探伤中需注意的问题

超声波探伤仪最好的分析方法就是使用、检测，这样可以更具体。通过试块来进行超声波的探伤，虽然能够在一定的程度上进行仿制，但其却存在一定的不同。

5.1试块的选材

车轴超声波检测中试块可进行其灵敏度的调整，这也可进行定位缺陷的检测。试块是检测中的基准，若基准不同，那么超声波检测的结果就不够准确。另外，不同型号的试块材料不同也会有不同的状况，这样就会导致性能上存在差异。所以在进行车轴实物与试块的对比时，首先要进行透声检测，选择材料均匀的试块。用直探头在轴颈上进行径向的透声检测，当反射波高度随距离增加而呈线性降低则可进行实物的对比试块。

5.2人工裂纹的不同

车轴实物与试块上人工模拟的裂纹制造方式不同，即便深度相同，人工裂纹的宽度、反射面状态也存在差异，这样反射回的波就不同。普通情况下，人工模拟裂纹地面近似线状，这样若裂纹为锯条锯断的裂纹，其反射的波更真实。人工裂纹的深度、平直度等都有非常大的可能对探伤产生影响。这样进行实物对比试块人工缺陷位置的设计需要符合疲劳裂纹出现的位置，而且人工裂纹的深度需要与超声波探伤仪的探伤状态相符。

5.3裂纹位置的差异

车辆轴型不同裂纹产生的位置也会不同，这样在实际的探伤过程中就需要依据轴型进行实物试块的设计分析。在探伤进行前要进行灵敏度的校准，这样能够使探伤较为准确。探伤灵敏度的调节也非常重要，灵敏度合适即可，不可过高也不过低，否则将会受到多种波形的干扰。

6.结束语

通过数字合成技术能够使超声波探伤仪所检测到的图像更加准确，而且这能够将很多弱点克服，像带宽、噪声等。另外该探伤仪需要进行抗干扰处理，这样才可使检测到的结果更加准确，这些设计主要是线路等硬件方面的设计，像注意高频元器件之间的连线、发热元件的安装位置、添加缓冲其隔离等。新型的探伤仪在很大的程度上提高了精度，减少了车轴判断的缺陷，其更方便进行使用。

参考文献：

[1]А.Н.Киреев，宋忠明.机车车辆轮对车轴超声波检测的改进[J].国外机车车辆工艺，2017（4）：35-39.

[2]刘威.机车车轴超声波探伤在检修作业中的应用[J].内蒙古科技与经济，2017（20）：84+88.

[3]单清群，何晓龙，曹春鹏，etal.铝合金结构件焊缝质量涡流及X射线检测对比研究[J].电焊机，2017（04）：28-32.