基于涡流检测原理的大型养路机械悬挂件裂纹探伤应用研究

崔北祥 中国铁路上海局集团有限公司上海大型养路机械运用检修段

1 研究背景及意义

大型养路机械作业装置多，悬挂件和焊结点多，作业中振动大，车辆运行转移频繁，在温湿度变化大的露天作业，这些因素造成应力集中部位裂纹和焊缝损伤发展快。大型养路机械现场检测不及时，隐性裂纹和未熔合焊缝可能导致连接部件逐步发展成贯通断裂，造成部件脱落，给铁路运输安全带来极大风险。因此需要对大型养路机械连接处的伤损和焊缝进行疲劳监测，预防事故发生。

现有的大型养路机械现场检修维护过程中，伤损、焊缝裂纹检查主要依靠人工检查。

人工检查是通过目视和敲击来判断，虽然具有简单、快速的特点，但在检修实践中也暴露出如下缺点：

①费时、费力，人工成本高；

②环境干扰大，依赖检测人员经验，判断准确性差；

③在车站沿线保养时，检查安全风险高，检查条件差；

④裂纹发展早期发现困难，不能对数据进行存储、分析、追溯，并且在发生时无法预警。

大型养路机械悬挂部件多，结构不规则，空间狭窄，在现场部件不拆解情况下开展检测，市场现有的涡流检测仪的探头都是短针式，且有效长度不可调整，作业人员很难完成大机狭窄部位测量。另外，大型养路机械在施工作业后，在沿线车站股道停留组织人员检查维护，劳动安全风险大，人员使用短针头式探头需要进入车底工作量大，风险高，操作极不方便，给作业人员测量过程带来很大困难。 鉴于以上原因，为保障大型养路机械上线运行安全，需要采用一种适用现场作业的新型裂纹检测工具代替人工检查方式。

2 大型养路机械作业现场车辆悬挂件伤损检测方式选择

2.1 大型养路机械悬挂装置构件伤损检测方案选择

目前，普遍运用的伤损、裂纹检测手段，主要是利用超声波检测、磁粉探伤技术、涡流探伤，但超声波和磁粉检测手段专业性强，表面清洁条件要求高，操作复杂，遗留磁粉和耦合剂造成污染，并且检查数据不便保存，无法适应现场快速准确判断需要。

涡流检测是近年来发展较快的一种无损检测技术， 它是以电磁感应为基础的检测技术，检测感应探头线圈对表面开口裂纹很灵敏，在表面涂层、潮湿和水底等恶劣环境下也能开展检测工作，判断裂纹的存在，特别适用于钢铁焊缝的疲劳裂纹和焊接时产生的表面应力裂纹的检测，检测系统可以根据工作条件设定阈值，提前预警，提早处置。

涡流传感器探查焊缝裂纹有如下优点：

①结构简单，可根据需要制成一体检测仪，操作直观简便；

②灵敏度高、频率响应特性好；

③没有特殊条件限制，适应大机野外作业快速辅助诊断。

2.2 涡流伤损检测原理

涡流伤损检测的原理：是基于电磁理论的无损检测方法，将激励线圈置于被测导体的上方，当线圈中通入交变电流时，就会在激励线圈周围产生一个交变的磁场φ1，磁场φ1就会被测导体表面感应出涡流电流。感应出的电流也会产生一个磁感应出的电流i 也会产生一个磁感应出的电流，i 也会产生一个磁场φ2，当被测导体表面存在裂纹时，磁场φ2的强度就会发生改变，磁场φ2会反作用于激励线圈，使得线圈的阻抗发生变化，通过分析阻抗的变化，就能得到被测导体的特定信息。

为适应大型养路机械现场检测需求，本文尝试研究一种手持便携式涡流检测工具，可以在现场对疑似伤损部件快速检测，辅助大机检查保养人员发现发展的裂纹，消除隐患。探头具有伸缩调节杆、角度可调整的涡流探伤工具，便于现场检查人员使用，快速检测焊缝、应力集中部位，快速诊断裂损情况，为大型养路机械上线运行安全提供专业化技术保障。

3 涡流手持杆状探伤仪设计方案

3.1 杆状可调节涡流检测工具结构

图1 杆状手持式伤损检测仪

杆状手持伤损检测工具（本文后文统称杆式检测仪）如图1 所示。检测工具由可调节由探头、调节机构、调节杆、握杆四部分组成，通过尾端电缆与主机箱连接，检修人员根据探测焊缝位置调整调节杆，锁紧螺钉在定位孔定位后，移动探头接近疑似裂损部位，可实现以下功能：

①检测焊缝和应力集中部位，数据采集和处理；

②可对检测灵敏度进行设置，设定报警门坎阈值；

③对探测疑似部位，可调整探头交变磁场频率；

④存储记录功能，对检测数据进行存储、显示。

伤损涡流检测系统实现手持式检测设备，体积小、重量轻、精度高、维护简单，具有良好的经济效益、社会效益。

3.2 实现检测控制的过程

3.2.1 伤损检测采集信号处理过程

根据大型养路机械应用检测适用等级，确定检测利用单片机控制产生交流电流源去驱动激励线圈，设定裂纹发展量与激励、检测传感器探头电磁值变化对应关系，获得线圈探头的测量值响应曲线；由信号检测调理检测线圈采集的信号，经混频电路解调出有效信号的幅值和相位差信息，微处理器进行分析处理，提取特征值，最终得到焊接处裂纹的信息。

由于检测线圈输出的信号很微弱，一般在mV 级别，而由裂纹引起的幅值变化更加微小，处于uV 级别，且信号中往往还包含诸多干扰信号。因此需要对检测线圈输出的信号进行放大滤波处理，系统利用两级放大电路对检测线圈输出的信号进行放大。再利用低通滤波电路滤除电路中的高频干扰，我们通过抑制干扰源、切断干扰传播路径，以及提高敏感元件抗干扰性能加以解决。探头检测示意图如图2 所示。

图2 探头检测示意图

如图2 所示，系统利用DDS 芯片产生高精度压控交流电流源信号，从而保证激励信号的准确度，测量系统通过将检测量与系统基准值进行比较，判断当前值是否超出监控系统设定范围（根据不同数据性质，可预先调整允许偏差值。

3.2.2 检测电路工作模式

设备自检进入工作状态后如图3，单片机通过采集检测点数据，与设定基准值比较后，可以选择各输入量数据存储、显示、报警，也可以选择综合组合状态处置，对检测结果进行处理，控制过程包括：设备底层驱动指令集、系统各部件流程控制程序、结果显示和处理程序等。

图3 检测流程图

3.2.3 检测系统的电路构成

图4为检测系统结构框图。杆式检测仪检测电路主要由涡流数据采集单元、数据处理单元、数据存储单元、显示单元和报警单元组成。检测人员使用杆状探头检测焊缝，数据采集单元将采集的数据实时传送给数据处理单元，数据处理单元根据检测结果与之前配置的异常判定标准进行比较，得到检测结果，通过嵌入式显示模块显示，在超出基准值时实时给出预警。

图4 检测系统控制结构框图

检测仪可调节相应参数，即时测量，探头角度可调整 ，涡流检测信号回放、分析、存盘、打印，可对各种金属部件和铁磁性焊缝裂纹检测。探伤工作准备时，检测人员可以在软件系统中对测量位置进行配置，为后续异常判定提供基准数据，包括基准值、上限值。检测工作开始时，由涡流传感器采集涡流磁场感应的电流变化，经过模数转换传送给信号处理器进行数据处理，并根据之前的配置，实时显示具体检测的数据波动趋势。如果检测到被测部件焊缝存在裂纹，超出设定限值会进行声光指示报警。检测仪的涡流检测信号可回放、分析、存盘、打印，检测仪可对各种金属部件和铁磁性焊缝裂纹检测。检测仪也可根据需要连接大数据平台，进行远程监控、分析，对检测探头获取的数据实时存储，调取分析。整体检测方案如图5所示。

图5 整体检测方案图

也可建立数据采集监控，进行远程监控、分析，对检测探头获取的数据实时存储，调取分析，探头可组合摄像头或测温设备，实现多项功能融合。

4 涡流手持杆状探伤仪试用实践

现已在上海大机运用检修段轨道车检修车间年修的大型养路机械P95 上进行试验，杆状探头能适应有限狭窄结构的焊缝，对确定的风险较高的38 处焊缝均能有效探查，可及率100%，数据如表1所示。

表1 检测数据

试验结果表明，本探伤仪预期检测效果得到验证，探伤设备具备实用价值。

5 总结和展望

本文对大型养路机械现场使用防裂损现状进行分析 ，结合大机现场运用需求，提出采取涡流检测方式解决大机现场人工伤损焊缝检查保养存在的不足，研究开发手持式杆状检测仪。

随着检修技术的发展，铁路安全要求的提高，大型养路机械现场维护保养精准化检修成为必然趋势，大机各部件结构状态数据化分析，本论文正是适应这一变化针对性研究。

在建立大机各部件焊缝快速检测的基础上，可以实现在线传输、分析，实现远程后台监控，时时分析，完成对伤损部位准确判定，达到状态全寿命管理，大型养路机械精确化维护也能随之建立。