动车铝合金横梁裂纹检测系统设计

孙晓红 崔云龙 张仁航 陈春俊 周林春 杨 岗

(1.中车青岛四方机车车辆股份有限公司 山东 青岛 266111；2.西南交通大学机械工程学院 四川 成都 610031)

动车底部铝合金横梁起着吊挂动车主回路设备、辅助回路设备、空调设备等的重要作用，其中辅助电源、污物箱、水箱等质量达数吨[1]。而动车线路运行时在交变载荷及多种环境耦合因素的作用下使得横梁极易产生疲劳裂纹或者使横梁原有的小缺陷扩展，如果由于铝合金横梁表面及近表面存在缺陷断裂而导致大重量的设备突然脱落，会直接影响列车的运行安全性，造成重大事故，因此进行横梁的裂纹检测极其必要。

现有检测方法必须先进行耗时的脱漆步骤再通过人工喷涂荧光渗透液的方法对其进行扫描，工作量大、渗透液具有一定毒性且只能对表面开放性裂纹进行探查，对闭合裂纹、浅表面和内部缺陷无法探查。在检测任务量日益增重的情况下，该方法无法满足快速、安全、准确的检测要求，因此需要开发更快速、高效、高准确度的自动化动车铝合金横梁检测系统。

1 涡流阵列

1.1 涡流检测原理

涡流检测(ECT)是无损检测领域的常规检测方法之一，是一种独特而低成本的高速大规模检测方法[2]。ECT技术的检测对象为导电体，在选定的频率下，通过线圈的交流电在线圈周围产生磁场；当线圈靠近被检工件时会产生感应涡流；被检工件中的缺陷干扰涡流的流通导致探头的磁耦合效果发生改变，从而通过测量线圈的阻抗变化即可分析被检工件的缺陷信息[3-4]。

涡流阵列(ECA)和ECT技术基本物理原理相同，具有与ECT相同的功能。由于ECA技术采用同一探头中多组线圈同时驱动的检测方式，使得ECA技术具有覆盖范围大、扫查速度快、检出概率高等优点， 且ECA技术还具有透过薄漆层进行检测的独特性能，与现有的渗透、磁粉等检测方式相比，完全省去了检测前去除漆层，检测后再重新上漆的步骤，因此特别适合恶劣工作环境下以及检测量大的检测任务[5]。

1.2 涡流检测设备

检测设备采用型号为FBB-051-500-032的奥林巴斯柔性阵列式涡流检测探头以及配套Omniscan MX探伤仪主机，如图1所示。探头的有效检测部分为柔性材料，可适应不同的检测型面，其上有两列共32个交错排列的感应线圈，有效检测长度为51 mm；探伤仪与探头通过线缆连接，实现对检测过程的实时监控。

图1 涡流探伤仪

1.3 涡流检测试验

试验样件采用与实际横梁相同的铝合金材料和涂层喷涂方式，并添加了10个人工裂纹以进行检测试验(见图2)，人工裂纹参数如表1所示。

图2 试验样件

表1 人工裂纹参数

试验结果表明:

(1)此涡流检测设备能有效检测该铝型材表面及近表面人工刻蚀2 mm×0.2 mm×0.5 mm及以上的缺陷。

(2)在成像显示上，涡流对裂纹长度方向上的改变较为敏感。

(3)在裂纹区域,可以看到阻抗图出现明显的波峰,在正常区域,阻抗图变化较为平缓,没有出现较大幅值。

(4)从成像结果可以看出非导电的涂层对检测结果没有影响。

2 检测系统总体设计

2.1 铝合金横梁

被检测横梁的纵向长度为3 000 mm，纵向上每隔200 mm有一个ø40 mm圆孔。其中：检测面为A、B、C、D、E、F、G、H；在A、B面和B、C面过渡的部分(对称的F、G、H一样)也需要尽可能检测。横梁的截面形状如图3所示。

图3 横梁截面

2.2 检测系统

检测系统[6-9]主要由检测装置和检测软件组成。检测装置搭载涡流检测探头悬挂于横梁上，检测软件控制机器人在横梁上的扫查进程和探头的方向、位置等，以及配合探伤仪主机实现检测结果分析、检测结果报告生成和存档。具体结构框图如图4所示。

图4 检测系统总体结构

3 检测装置

检测装置主要用于配合涡流探伤检查仪在无须去除表面涂层条件下实施的高可靠性的裂纹缺陷无损检测，此装置仅需少量的人为操作即可进行整个测量过程，减轻了工人工作压力，减少了必要工作时间。检测装置主要由挂载行走机构和测量模组组成，具体结构如图5所示。

图5 检测装置总体结构

3.1 挂载行走机构

挂载行走机构实现与横梁的安装连接与水平行走，主要包括支撑平台、定位装置、驱动装置等部分。支撑平台主要承载检测装置的各个结构；定位装置通过悬挂轮、压紧轮、锁扣装置和气缸共同作用实现装置的横向锁紧定位；驱动装置包含由电机驱动的2个驱动轮，实现检测装置沿梁纵向水平移动。

3.2 测量模组

测量模组用来安装阵列式涡流传感器，使用时安装在运动平台上，贴合横梁型面进行移动检测。模组共有两组，分别位于横梁两侧，单边的测量模组通过垂向、横向两组直线电机模组加探头工装处一个旋转电机组成，如图6(a)所示。直线电机控制探头的水平和垂向移动，旋转电机实现探头平面的俯仰方向控制，并确保探头的结构不会在俯仰运动过程中与横向模组产生干涉。

工装分两部分，一部分固定在探头的外壳上，通过将非有效测量部分弯曲，确保传感器的有效部分可朝向检测面。另一部分则安置在机器人本体旋转电机结构上。探头通过楔形卡槽与机器人本体的探头工装实现快拆。工装的顶部平面与探头传感器背面之间通过具备足够弹性的柔性材料进行缓冲。柔性材料与工装结构间设置两组贴片式微动开关，用于给控制探头平面向检测面贴合过程的电机提供到位的信号反馈，并在运动过程中确保探头平面始终与检测面表面贴紧，具体结构如图6(b)所示。

3.3 运动控制

检测装置的运动控制通过西门子S7-1200系列PLC+驱动器方式实现。电机全部采用伺服电机，可以实现精确的位置控制。运动过程中的坐标系原点为工件的端部A面顶端，自动扫查采用自顶向下横向扫查方式，如图7所示。

(a)单个测量模组 (b) 探头工装图6 测量模组

图7 扫查过程

4 检测软件

检测软件包括用户管理、项目管理、测试管理和报告管理4个部分。用户管理允许设置一个不可删除的root用户，具备用户的新增、删除和修改权限；项目管理是系统基本功能，包含项目新建、项目台账和条件检索；报告管理是系统的后处理模块，实现报告预览、下载等功能。

而测试管理属于该系统核心功能，包括自动测试和手动测试两种。其中，自动测试由软件直接启动机器人本体，在检测过程中发现缺陷时，通过软件上的暂停按钮触发确定是否要截图。检测过程中，机器人的实时坐标位置由机器人控制器直接给出，软件界面实时更新。人工测试模式则由人工取下探头后，自行操作探伤仪进行检测，完成后手动导入数据。在同一个检测中，所有缺陷条目将统一汇总形成最终的检测报告。

5 结论

此次研究设计了一套动铝合金横梁裂纹检测系统。设计了挂轮式检测装置以及检测控制分析软件。检测装置搭载2个阵列式涡流传感器悬挂于动车底部铝合金横梁上，在检测软件的控制下对横梁进行扫查，当检查出裂纹、缺陷时能输出报警信号并记录裂纹的位置信息和波形图，能自动生成检测结果报告，并存至检测结果数据库。该系统完全代替了原有的人工检测方式，实现了更快速、准确、自动化的动车底部铝合金横梁裂纹检测。