裂纹探伤仪

在铁轨上，一条细如发丝的裂纹都会引发车毁人亡的悲剧。因此，轮轴探伤的高精度仪器均由美、德、法等国外公司垄断，且每部售价高达百万元。一位武汉小伙却打破了外国人几十年的垄断格局，并让&ldquo 武汉造&rdquo 的这一高精度仪器出口。9月27日和28日在武汉国际会展中心举行的创业赶集会上，武汉小伙王伟贤将带着他的十几款专利产品，亮相展会。 　　王贤伟原是武汉铁路局下属公司的一名外聘员工，他仅用一根线加一台计算机，就能实现铁轨探伤。 　　2008年的一天，铁道部组织了一场&ldquo 探伤比武&rdquo ，看哪家公司能最精准地找到铁轨上的缺陷。当时的王贤伟在公司做软件，被通知加入项目小组。 　　王贤伟还清晰地记得，在探伤比赛中，自己的团队能凭波纹而不是设备输出数据就能看出设备缺陷，但外国公司虽有先进仪器却探不出问题。与此同时，王贤伟发现进口公司的误报率也比较高，可能一个轮子只有一个缺陷，而对方报十几个，甄别错误的能力很差。 　　从此，他便开始研究探伤仪器市场。他发现，面对国外发达国家对国内高技术出口的限制，铁路探伤领域已经被美国、德国、法国等国外公司瓜分垄断，价格也被哄抬得离谱。王贤伟说：&ldquo 老外的仪器给我们报价120万，其实成本只需5000元。&rdquo 　　面对如此暴利的市场，王贤伟看到了商机，于是他和另一个同学自筹资金，联合成立了武汉翰铁科技公司。在当时，国内同行业的公司仅有两家。 　　成立公司后，他将第一个产品定位在自己觉得容易的&ldquo 工艺转向架&rdquo 上，但依旧困难重重。最先遇到的问题是国外相关产品的驱动动力技术甚至装置都不出口到中国，对中国进行技术限制，怎么办?王贤伟知道，虽然可以绕道到国外购买，但成本之高肯定会让刚起步的小微公司难以承受。于是，他只能埋头搞技术攻关。 　　两年后，公司第一个核心产品终于从实验室里走出来，引起多家公司重点关注，一段时间内，该产品竟然脱销。当时同类外国技术可以把一列动车直线牵走，而他的产品可以让动车转弯!&ldquo 要知道，铁路领域内直线和拐弯起到的作用简直天差地别。此外，进口产品不能定制，我们的则可以定制，性价比高得多，为此吸引了大量客户。&rdquo 王贤伟说道。 　　凭借着80后组成的核心科研团队，王贤伟的公司已形成了铁路非标检修设备、超声波探伤设备的技术开发及轻钢结构工程三大系列产品，2011年通过了ISO9001认证。王贤伟说： &ldquo 国外设备能检测2毫米，我们的设备检测平均达到0.5毫米，精度提高4倍，相当于保险系数提高一大截&rdquo 。

HPI (High Performance Industrietechnik GmbH)总部位于奥地利兰斯霍芬，为轻金属行业开发、设计、制造和交付交钥匙设备。冶金制造商通常使用轻金属（如铝和镁）来生产轻型合金类产品。HPI为它的其中一个冶金客户创新并开发了一种用于无损材料检测的自动化电导率测量系统。HPI制造的电导率测量系统集成了我们的NORTEC™ 600涡流探伤仪，将我们的涡流探伤仪用于测量和测试以满足质量需求。制造一款以生产线速度验证电导率的系统HPI制造了一款系统来进行电导率测试，用于评估铝板的热处理状态。这些铝板最宽4,200 mm，最长33,000 mm，厚度范围为1 mm到210 mm 。这些铝板会被加工成铝镁合金半成品，供应给航空工业。这家冶金公司需要为其新的轧钢机组配备该系统，其中包括冷轧机、热轧机和板材热处理。其制造工艺要求采用内置的可靠NDT检验解决方案，在提高生产率的同时确保其材料符合国际公认的标准。HPI面临的挑战是开发这样一款系统：在保持一致的测试性能的同时，还需要实现高速测量铝板电导率。正在生产线辊道上运输的大型铝板为什么制造商需要测量金属电导率通过测量电导率能够确定材料允许电流通过的程度，即能够确定材料的电流传导性能。此测试使制造商能够收集有关物质成分的信息。通过这些测试数据，用户可以确定材料是否适合其预期用途。许多行业都在其质量控制和制造工艺中引入电导率测试。其目的是为了验证金属结构是否完整性，以便能够实现最终产品所需的耐用性和性能。必须测量飞机建造中使用的铝材电导率以了解其放电能力，从而确保铝材承受雷击等事件时的材料应力承受能力。电导率测试通过检测合金硬度的变化可以确认材料是否因热处理而受损，令其脆性增加。铝材的优点、缺点和典型缺陷铝材的密度低于其他常见金属。例如，钢材的密度大约比铝材高三分之一。由于重量轻、强度高，铝材是飞机制造的理想材料，一些统计数据估计，现代飞机制造中铝材占比为75–80%。因为主要由铝材制成，飞机可以承载更大的重量，并且更省燃油。铝合金的另一大优点是耐腐蚀性，这增加了飞机的耐用性。飞机经常受到恶劣天气和极端气候的影响，需要耐受从高空的冰冻温度到包括雪和暴雨在内的降水等因素。尽管铝材具有高度耐腐蚀性，但它也是一种化学活性金属，因此某些情况下也会发生腐蚀。铝制组件容易受到各种类型腐蚀，其中包括：表面点蚀晶间腐蚀剥离腐蚀应力腐蚀开裂（SCC）疲劳开裂微振磨损制造工艺（如机加工、成型、焊接或热处理）可能会在铝板（并因此在飞机零件上）留下应力。超过应力腐蚀阈值时，这种残余应力可能会在腐蚀性环境中导致开裂。涡流NDT技术在航空航天应用中的优势涡流无损检测(NDT)技术是一种非接触式金属零件检验方法。此技术广泛应用于航空和航天工业以及其他制造和维修环境中用于检验薄金属材料是否存在潜在的安全相关或质量相关问题。由于涡流检测(ECT)使用电磁耦合，不需要与零件直接接触，因此不需要耦合剂。EDT可用于执行以下检验：表面检验次表层检验（通常3-4 mm）涡流技术的优点：保留漆层和涂层进行检验（无需除漆）较少的表面处理（可以保留污垢进行检验）易于使用，只需较少的培训提供快速结果，适合高速检验和大型零件检验适用于任何导电材料，包括飞机上常用的金属，如铝、不锈钢和钢涡流检测设备的工作原理(A) 流入线圈的交流电产生磁场（蓝色）。(b) 当线圈置于导电材料附近时，会引发材料中产生涡流（红色）。(c) 零件中的缺陷会干扰涡流的路径。这种干扰可以用仪器测量。当交流电通过ECT探头总成中的一个或多个线圈，且探头靠近由导电材料制成的零件时，会产生交变磁场，将涡流引入零件。这个磁场会产生耦合效应。测试部件中的间断点或特性变化会改变涡流的流动，这会影响探头的工作感抗。探头可检测到材料厚度的变化或缺陷，如受检零件中的裂纹和腐蚀。这些变化以信号的相位和振幅反映在仪器屏幕上，然后由操作员进行解读。HPI的铝板电导率测量解决方案，时长04:48本视频展示了HPI解决方案的演示，该解决方案是用于铝板高速电导率测量的自动化系统。如您所见，NORTEC 600装置集成在扫描仪上的HPI系统中，该扫描仪在检测完轧辊将信息输入测量站之后将ECT探头在校准站和铝板上快速移动。（可参考国际公认标准ASTME 1004-02、MIL STD1537C、EN2004-1和AMS 2772F，以及航空航天行业的客户定制测试规范，为每个金属板预定义测量程序。”—《铝业时报》）集成NORTEC 600 ECT装置的铝板电导率测量系统HPI过去曾使用手动设备进行此类生产线测试；但随着速度和质量要求的提高，尤其是对于航空和航天行业，手动测试变得过时。 奥林巴斯的NORTEC 600涡流探伤仪通过与HPI的全自动检验系统相结合，以此提供了一个较为可靠并具有时间和成本效率的解决方案。HPI为此解决方案配置了自己的应用软件，基本上就是将NORTEC 600装置作为传感器集成到系统中。HPI之所以特别选择了NORTEC 600设备而不是其他涡流探伤仪，是因为该仪器提供了与可编程逻辑控制器(PLC)通信的接口。在电导率测量前后，系统会自动对每个金属板进行校准检查。由于其检测速度很快，手动测量需要花费数小时的数百个检测点仅需几分钟即可完成测量。HPI的客户使用其中两个系统，每个系统上配备两个NORTEC 600探伤仪。作为质量控制流程，电导率质量检查有助于改进HPI的热处理工艺和提高客户满意度。关于NORTEC 600涡流探伤仪NORTEC 600涡流探伤仪是一种便携式设备，采用了先进的数字电路。NORTEC 600装置可轻松无缝地集成到检验系统中。此装置的宗旨是让工业环境中的性能保持一致性。NORTEC 600规格和功能在设计时考虑到了HPI等集成商。设计满足IP66要求−10°C至50°C工作温度范围持续平衡滤波器带有扫频报警的带状图视图6 kHz测量速率通过NORTEC PC软件进行远程控制报警输出模拟输出数字输入质量控制用NDT设备HPI选择将奥林巴斯NORTEC 600涡流探伤仪集成到其自动化NDT解决方案中，是因为该探伤仪可以在不接触材料表面的情况下实现快速可靠的电导率测量。

成果名称动车组空心轴超声探伤仪器单位名称北京新联铁科技股份有限公司联系人王迎宽联系邮箱wangyingkuan@shenzhou-gaotie.com成果成熟度□正在研发 □已有样机 □通过小试 □通过中试 √ 可以量产合作方式□技术转让 □技术入股 □合作开发 √ 其他 自主研发成果简介： 1.关键技术 动车组空心车轴超声探伤仪器，主要由超声检测系统、数据处理和显示子系统、定位子系统、电气控制系统及机械整体构架等组成，其关键技术主要有以下几点。 （1）高速多通道嵌入式超声控制器及超声换能器 图1前置电子处理单元 前置电子处理单元是动车组空心车轴超声波探伤设备的核心部件，该单元由硬件检测电路、嵌入式CPU、A/D转换器、具备半导体散热的防护壳体及检测软件组成。其主要功能是发射脉冲激励晶片产生超声波、接收超声波信号同时对信号进行处理和数字转换，识别探头移动的三维距离，并把超声波数字信号、探头位置等检测与控制信息通过网络上传给控制计算机。采用多处理器技术、大容量缓存技术，可实时进行数据的压缩，数据传输速度快。该单元性能先进、结构紧凑、搞干扰能力强，达到国际先进水平。 图2不同型号的超声波换能器 完成了超声换能器的自主研制，其性能达到国外进口水平，部分参数优于国外探头，目前国内超声换能器完全能够取代进口产品。同时，为了解决检测空心车轴内表面缺陷的要求及30孔车轴须检测的纵向缺陷及内表面缺陷的要求，研制了专用的爬波探头和组合探头。 （2）超声耦合技术 本项目对超声耦合剂使用时的环境温度与耦合性能的关系作了大量研究，成功解决了因我国地域辽阔南北温差大带来的超声耦合问题。创新的耦合剂回收，既使得探头与空心车轴内表面的耦合压力稳定，又回收盈余的耦合剂，节省了检测成本。 新型动车组空心车轴超声波探伤设备采用动态耦合技术，在保证耦合效果的同时，极大的减小了耦合液的使用量，降低作业成本。动态耦合技术包含耦合液供给部分、耦合液回收部分、耦合液存放装置、密闭耦合部分。经过实际验证动态耦合技术耦合效果良好，满足动车组空心车轴超声波探伤需要，周向耦合能够控制在3dB以内。 （3）探伤软件 我公司经过两年时间的自主研发，完成了用于控制和监控动车组空心车轴超声波检测的软件系统，该软件基于.net开发，具有直观的图形控制界面，操作符合MW习惯，由多种不同的程序和动态链接库组成，可以在任何一台PC进行全功能操作。 探伤人员可以根据探伤过程中的A型显示方式的波形特征，对车轴上存在的缺陷的类型进行定性分析。A型显示是一种实时的显示方式，设备在扫查过程中无法满足探伤人员分析的需要，为此我们专门设计了探伤扫描图像的离线A显示，将探伤扫查过程的数据存储到上位机中，在探伤扫查完成之后，可以通过调用存储的数据实现A型显示的再现，满足探伤人员分析的需要，同时数据可以永久的存储在数据存储介质中，随时供探伤人员调取、分析。 图3 探伤软件的开发 （4）高速旋转探杆系统 图4 60mm—65mm探杆系统 第一、独创的密封式旋转油腔技术，使耦合油存储在密闭的空间内，保证了极佳的耦合效果，并且能够很好的保护探头，有效解决了原有探杆系统耦合不良的问题。 第二、在探杆旋转油腔内创新设计了耦合油回收系统，使该探杆具备供油和吸油双油路系统，耦合压力稳定，确保耦合油液一直停留在旋转密封油腔内，探杆的其他部分与油液分离。解决了原来整体探杆浸泡在油液中，导致部分电子部件因漏油失灵的故障。 第三、创新设计了探杆进给运动导向滑轮，保证探杆和空心轴内孔的同心度，使探伤过程运行平稳，确保探头在周向运动过程中耦合的稳定性。 第四、更加高效的完成空心车轴缺陷的扫查工作。探杆前端旋转部分采用全新的探头布局技术,具有平衡性好、回转定心准确等优点。独创的密封式旋转油腔技术，使耦合油存储在密闭的空间内，保证了极佳的耦合效果，并且能够很好的保护探头，解决了国外其它厂家探杆系统普遍存在的耦合问题。探杆采用耦合油回收技术，设置有供油和吸油双系统，耦合压力恒定，密封性好，可保证探杆不进油。 （5）集成化的控制系统 控制系统是集数字I/O、模拟I/O、电机及其位置控制于一体的控制单元，具有体积小、高抗震性、安装方便等优点，可满足移动设备的特殊要求。 新型动车组空心车轴超声波探伤设备的设计、研发是一个系统的工程，其包括机械、电气、软件、超声波各方面知识。针对设备的研制，项目组设计了专用的实验平台并根据各测试项目的不同，制定了全面、有效的评价方案。实验平台涵盖机械、电气、软件、超声波等各方面的实验内容，评价技术科学有效能够客观的反映出各子系统的真实状态。 目前投入使用的平台有行走机构跑合实验平台、连续检测实验平台、探杆综合性能测试平台、油路系统实验平台等 （6）连挂传动系统 新型设计的助力平衡机构，结构科学、操作简单、大大的降低了操作人员的劳动强度，一个操作人员即可完成探伤扫查作业。快速锁紧装置可以迅速的将进给连挂系统连接到被检测的空心车轴上。与车体采用一体化设计，重量轻、效率高，方便使用人员操作。能兼容不同规格的探杆系统，满足不同车型探伤作业需求。 该机构由探杆的推进及旋转系统、链条传动系统、机械平衡臂和连挂装置组成。该设计能够保证耦合油液回到车体油箱，一体化结构使探杆系统由车体机械平衡臂支撑，悬挂后车轴轴端所受的悬挂重力非常小，能有效避免轴端压盖及轴端螺纹的损坏。采用快速锁紧装置，能将设备连接盘与适配器快速连挂、锁紧，人工连挂非常轻便，有效减轻了劳动强度，提高作业效率。 该机构可兼容30～110毫米直径探杆系统，可分别检测不同内孔直径的动车组空心车轴。通过更换不同的探杆系统放置筒并借助定位机构方便的进行切换，很好的解决了设备的兼容性问题。 图5快速锁紧装置 图6进给装置及助力平衡机构 2.技术先进性 该成果为为国内首创，与国外同类设备相比，在兼容性、探伤扫查时间、探伤精度、适用范围等方面均有显著优势，为国际领先水平，关键参数对比情况见下表。本项目是唯一通过铁路总公司（原铁道部）技术评审的成果。我公司通过本成果的实施，获得了中国铁路总公司2项技术标准立项，为《动车组空心车轴超声波探伤设备 第1部分：自动式》、《动车组空心车轴超声波探伤设备 第2部分：便携式》，目前报批稿已完成，预计2016年发布。 3.技术创新点 （1）兼容性创新 本成果针对CRH系列各型动车组从Ф30mm到Ф110mm的空心车轴探伤需求，研发了多种探头阵列系统和多种车轴适配器，可以兼容不同孔径，满足不同型号的动车组的使用需求，填补了国内空白。 （2）高分辨力探头 采用压电复合材料晶片，具有高灵敏度、高分辨力、高机电耦合系数和高介电常数的特点，有效提高了外围电路阻抗匹配率，具有较高的能量转换效率，主要技术指标达到国际先进水平。 （3）高精度探头组合 采用多个不同声束方向、位置排布的探头，可对动车组的整根车轴进行无盲区扫查并发现车轴外表面的横向、纵向及材质缺陷，检测缺陷类型和精度达到国际先进水平。 （4）高集成度精密探杆 自主设计制造了全世界第一根Ф30mm八通道探杆，满足国产新造CRH380系列空心车轴检测要求，在长客和青岛庞巴迪使用良好，填补了国际空白。 （5）数据管理与远程诊断 开发了动车组空心车轴探伤管理信息数据平台，可从探伤设备收发数据并存储到数据中心，实现探伤数据统一管理与远程诊断，提高了动车组空心车轴探伤的智能化水平。 4.性能指标 （1）适应环境温度：0℃～＋45℃； （2）系统检测灵敏度：1mm深度周向缺陷可检出，体积缺陷Ф2mm平底孔当量可检出； （3）单轴扫查时间：4分钟； （4）超声波通道数量：8通道； （5）探头频率：4MHz； （6）可测轴孔径：可检测Ф30mm、Ф39mm、Ф40mm、Ф60mm、Ф65mm、Ф80mm、Ф110mm空心车轴； （7）最大检测长度：2705mm； （8）探伤扫查探头转动速率：20～150rpm可调； （9）检测螺距：1～10mm可调； （10）最大功率：1.49kw。 5.应用研发 本成果已经形成了批量生产工艺，具备了产业化条件，目前销量已达150余台/套，在全国北京、上海、广州、济南等18个铁路局进行推广应用，占据了动车组空心车轴检修领域90%的市场份额，客户反映良好。 随着项目产业化的实施，我公司开发了动车组空心车轴探伤管理信息数据平台，可以适用于全国各铁路局、动车检修基地、动车所对动车组空心车轴探伤数据进行统一管理，为铁路局各级人员提供决策数据支持、检修预警、台帐管理、作业监控、作业质量评价等功能。 我公司还在本成果的技术基础上，研发适用于机车、地铁等其他轨道交通车辆的车轴超声探伤设备，拟将产品推广到轨道交通的更多领域。应用前景： 1.成果主要用途 本成果针对我国动车组运行密度大、里程长、环境复杂多样，车轴型式多样、速度等级不一、运用质量及检测要求高等特点，研发了兼容各型动车组空心车轴超声波探伤关键技术，能够满足目前所有车型空心车轴的裂纹和材质缺陷检测的需求，兼顾CRH系列各型动车组空心车轴的检测应用，形成了我国轨道列车空心车轴无损探伤体系，解决了我国动车组空心车轴无在役运行缺陷检测的重大问题。 2.适用领域 本成果属于轨道交通领域，适用于动车组空心车轴的出厂检验及在役检修，主要应用在动车检修基地、动车运用所、主机厂等单位。 3.市场预测 本成果是轨道交通行业的配套产业，近几年，我国轨道交通行业投资规模巨大，一大批动车检修基地、动车运用所的建设及改造工程正在进行。未来我国铁路行业仍将保持高速发展态势，预计在“十三五”期间，我国还将新建27个动车运用所，2个动车检修基地，2个和谐型大功率检修基地。伴随城际铁路的发展也将有一批检修所建设。 铁路行业的快速发展，路网规模的进一步扩大，将推动18个路局对车辆段、机务段的更新改造，检修设备的投入是车辆段、机务段的更新改造的重点，这就推动了本行业的快速发展，预计2016—2020年，铁路机车车辆检修设备市场规模约177亿元。 按照铁道部运输局制定的运装管验[2011]175号文件中关于公布《动车运用所关键设备技术条件》的《空心车轴超声波探伤设备技术条件》的要求，以及TG/CL 127-2013《铁路动车组运用维修规程》，动车运用检修必须进行空心轴超声探伤。截止2014年底，中国CRH系列动车组拥有量1411组、13696辆，未来3-5年CRH系列动车组将很快达到2000组、约20000辆，对项目产品的需求量会更多。我国有52个动车运用所，对空心轴探伤机的需求量很高，按照每个运用所配套10台项目产品，项目产品需求量约为520台/套。知识产权及项目获奖情况： 1.知识产权 本成果申请国内发明专利4项，授权2项；获得实用新型专利授权22项，外观设计专利授权1项，取得软件著作权2项。已取得知识产权情况如下： 1 一种空心车轴探伤机的远程监控系统 发明专利 201110243207.8 授权 2 采用活动轨段的轨道车辆车轮探伤系统和方法 发明专利 201310030813.0 授权 3 空心轴探伤探杆 实用新型 201020167088.3 授权 4 超声波探伤用适配器 实用新型 201020296334.5 授权 5 便携式空心车轴超声波探伤仪 实用新型 201120317637.5 授权 6 空心轴超声波探伤用对比试样轴 实用新型 201120317632.2 授权 7 空心轴探伤探杆耦合剂工作状态观察装置 实用新型 201120300835.0 授权 8 空心车轴超声波探伤机探杆防撞保护装置 实用新型 201120300843.5 授权 9 一种防止空心车轴探伤探杆进油的密封结构 实用新型 201120270160.X 授权 10 一种空心车轴超声波探伤校验体 实用新型 201120269956.3 授权 11 确保探伤机进给机构与空心车轴同心连接的连接装置 实用新型 201120269978.X 授权 12 空心轴内部缺陷距离深度补偿定量检测试块 实用新型 201220118848.0 授权 13 一种用于动车空心轴超声波探伤机适配连接装置 实用新型 201320705173.4 授权 14 一种探伤机进给链条 实用新型201320705314.2 授权 15 一种能够改善探头耦合性能的探头支架装置 实用新型 201520173657.8 授权 16 旋转油腔式探杆 实用新型 201520173382.8 授权 17 格莱圈安装工具 实用新型 201520173696.8 授权 18 一种探伤机行走传动装置和探伤机行走装置 实用新型 201520367334.2 授权 19 用于空心车轴超声波探伤的适配器 实用新型 201520431630.4 授权 20 空心车轴探伤装置 实用新型 201520602798.7 授权 21 探杆的密封联接装置 实用新型 201520586904.7 授权 22 空心轴探伤机线缆收集装置 实用新型 201520532309.5 授权 23 动车组空心车轴超声波探伤探头 实用新型 201520589322.4 授权 24 移动式动车组空心车轴超声波探伤车 外观设计 201130285883.2 授权 25 XHAT-M系列空心轴探伤信息化接口软件 软著 2010SR054488 授权 26 SUN-1型动车组空心车轴超声波探伤机检测软件[简称：SUN]V1.1.3 软著 2014SR088883 授权 2.所获奖励及科技计划 本成果所获荣誉奖励情况详见下表。 1 首都科技条件平台仪器开发培育项目 新型动车组空心轴超声探伤仪器的产业化培育 2 北京市科学技术二等奖 兼容各型动车组空心车轴超声波探伤关键技术研究及应用 3 上海铁路局科学技术进步一等奖 动车组空心车轴超声波探伤专用探头国产化 4 国家火炬计划产业化示范项目 兼容各型动车组车轴超声波探伤机产业化项目 5 国家重点新产品 空心车轴超声波探伤机