基于无线分体轮沿式探头阵列的钢轨探伤装置与方法制造方法及图纸

本发明专利技术提供一种基于无线分体轮沿式探头阵列的钢轨探伤装置及方法，装置包括多个探轮、连接杆、支撑体和一个后台处理系统。每个探轮包括轮沿(即探轮边缘)、探轮内护板、探轮外护板，以及探轮电路模块，轮沿由若干个轮沿片并列平铺而成，轮沿片由轮沿片片基和透声外膜叠加而成，轮沿片片基嵌入若干个单发多收探头阵列和压力传感器。所述方法把轮沿式探头阵列采集得到的超声回波信号通过短距离高速无线传输给后台进行快速高效地处理，后台处理系统进行探伤检测处理以及结果显示。本发明专利技术缩短了探头与钢轨间的距离，可以提高探测精度和列车的行进速度，探测端探测信号的发送接收和后台处理分开，使得探伤装置的探测端结构简单，安装拆卸方便。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及超声波无损探测技术和无线通信技术，具体涉及利用无线分体轮沿式探头阵列装置来进行钢轨探伤的方法。
技术介绍
我国铁路运输效率居全球第一，以全球6%的营运里程完成25%以上的运量，铁路运输系统异常繁忙，列车运行间隔只有十几分钟。我国铁路线路状态较复杂，超期服役钢轨数量大，超负荷的运营使得铁路钢轨损伤发生率极高，直接危及运输和行车安全。钢轨轨头内部横向疲劳裂纹(俗称核伤)曾引起许多断轨事故。为了确保铁路运营的安全性和乘坐的舒适性，根据我国钢轨探伤作业标准，需要定期对线路进行检修，平均每年每条线路需检测5?10遍以上，由此可见，我国钢轨检修与养护工作量巨大，急需高效、低成本的钢轨探伤设备。在役钢轨探伤主要检查钢轨在使用中产生的各种疲劳缺陷和伤损，主要包括钢轨核伤、钢轨接头伤损、钢轨水平裂纹、钢轨纵向裂纹、钢轨轨底裂纹以及钢轨焊接接头伤损等，其中钢轨核伤是危害性最大的伤损，也是探伤的主要项目。在役钢轨探伤需要在行进中检测，一旦发现问题及时进行钢轨更换，确保运营安全；同时由于铁路运营里程长，检测量大，户外环境复杂，因此在技术上对钢轨探伤有比较高的要求。在役钢轨探伤方法主要有电磁涡流法、超声检测法、射线、磁粉、渗透等探伤方式。电磁涡流法只能检测金属导体的表面或近表面缺陷，检测深度很浅，难以满足钢轨核伤的检测要求。超声检测法可以检测钢轨内部伤损，与其它探伤方法(如射线、磁粉、渗透等探伤方式)相比，超声波检测钢轨伤损具有灵敏度高、检测速度快、定位准确等优点，已成为国内外钢轨探伤广泛采用的主流手段。目前，用于钢轨探伤的小型超声探测设备主要以手动推车滑动式探伤仪为主，超声探头固定在探伤车上，通过不同角度的多个斜探头和直探头联合检测，能对轨头和轨腰的核伤、螺孔裂纹、轨腰轨底纵向裂纹伤损探伤。在结构上，采用滑动式结构，探头与钢轨直接接触，探伤时紧贴钢轨运行，信号游程短，损耗低，探测准确度高。但由于是滑动前行检测，摩擦严重，因此探测速度慢，检测速度只有2-3公里/小时，工作效率低下。而在美国、瑞士、英国、日本等发达国家广泛应用的钢轨探伤设备是机动超声钢轨探伤设备，其技术水平较高。从探头结构上看可分为轮式探头与滑靴式探头。轮式探头结构像一个车轮，由探头支架和探轮外膜组成，探头支架安装在轮轴上用于固定超声波探头，探轮外膜由透声树脂材料制作，用于包裹整个内腔的透声耦合液。探头支架上一般安装五个超声波探头，探头一般置于轮内中间，向钢轨发射三种不同方向和不同频率的超声波。探伤时，探轮外膜随车运动向前滚动，而其中的超声波探头不动，以保持超声波的发射和接收方向不变。滑靴式探头则由超声波探头和撬板组合而成，多个超声波探头按不同角度嵌入撬板内，探伤时，超声波探头随撬板沿钢轨轨道面滑动。早期因为轮式探头设计和制作技术比较落后，适应性差，滑靴式探头曾占上风。最近十几年，轮式探头质量明显提高，所以轮式探头又逐渐成了主流。总结当前普遍使用的轮式超声波探头的特点，存在以下缺点和不足: (I)轮式结构的超声探头位于轮子的中间处于轮内耦合液中，超声波从探头发射出去后经历轮内耦合液、探轮外膜和水等多层介质，穿越距离长，经往复透射和反射导致信号损耗大，信号微弱，检测灵敏度低。(2)不能支持比较高的运行速度。超声波在耦合液中传播速度较慢(声速约为钢中的1/3)，回波将滞后一段时间才能被超声探头准确接收。因此，为避免超声回波信号丢失，检测速度不能太快，不能支持比较高的运行速度。为缩短回波延时，可减少探轮直径，从而减少超声波在耦合液中的传播时间，但是直径变小，探轮表面线速度会变高，会令轮内耦合液自身出现扰动而升温干扰声波传输，出现无数杂反射波，令探伤难以进行。(3)移动性不好，需要订制专门的探伤车。轮式超声波探头发射短脉冲波，发射时间短，脉冲幅度高，因此需要较高的发射能量，所以探头和后端系统必须通过有线电缆连接来提供高压驱动，使得整套系统成为庞大的整体，不方便移动，需要订制专门的探伤车。(4 )受轮式空间限制，每个探轮通常只能安装5-7个探头，探头数量少，探伤精度难以进一步提高；且探头个数有限，会导致接收信号的能力有限，容易发生漏检。(5)易损件消耗量大，维护成本高。现有透声树脂材料制作的探轮外膜每个单价上千元，而且因为需要包裹大量耦合液体，所以轮胎面出现微小的损伤就需要更换。我国铁路干线有3万公里(均为复线，不包括各城市地铁、轻轨及近5万公里的支线)，若全部改用大型探伤车检测，年检按最低6次计。钢轨探伤车同时使用4个探轮，按每个探轮IOOkm使用极限计算，仅仅探轮外膜消耗每年就高达上千万元。
技术实现思路
针对目前普遍使用的轮式超声波探头为主的钢轨探伤设备受到其设计原理和结构上的限制，如超声探头位于轮子中间导致信号穿越路径长、损耗大，高压驱动探头使得探头和后端系统必须有线连接导致需要定制探伤车以及没有采取阵列探头等，存在检测速度上的瓶颈和检测欠精准等问题，本专利技术提出一种基于无线分体轮沿式探头阵列的钢轨探伤装置，该装置把多个单发多收阵列放置于轮沿(即探轮边缘)，缩短探测距离，提高探测精度和运行速度；把轮沿式探头阵列采集得到的超声回波信号通过短距离高速无线传输给后台进行快速高效地处理，通过探测端探测信号的发送接收和后台处理分开，使得新设计的钢轨探伤装置的探测端结构简单，安装拆卸方便，同时，后台高精度的探测算法得以用高性能计算来实现以此提高检测精度。本专利技术通过如下技术方案实现: 基于无线分体轮沿式探头阵列的钢轨探伤装置包括多个探轮、连接杆、支撑体和一个后台处理系统。所述探轮包括轮沿、探轮内护板、探轮外护板，以及探轮电路模块。轮沿直接和钢轨的轨头接触；探轮外护板是指在轮沿外侧的保护板，探轮内护板是指在轮沿内侧的保护板，这两块保护板主要是卡住轮沿片，起保护作用；探轮电路模块置于探轮内护板中间的电路卡槽内。探轮主要完成探测信号的发送和采集，不作承载重量之用，多个探轮通过连接杆和支撑体挂在一辆探伤车上或者是运营列车上，可以双轨同时探测。后台处理系统对探轮获取的探测数据进行探伤检测处理以及结果显示。作为上述基于无线分体轮沿式探头阵列的钢轨探伤装置的优化方案，所述轮沿由若干个轮沿片并列平铺而成，所述轮沿片由轮沿片片基和透声外膜叠加而成，轮沿片片基嵌入若干个超声探头，超声探头呈多阵列排列，每个阵列可以是圆阵、方阵等，每个阵列的中心探头为发送探头，周围的为接收探头；探头倾斜度(超声波探头与钢轨横截面的夹角)有O。、30°飞O。、60° ^80°三种，每个阵列的探头倾斜度一致。采用0°倾斜角布置的探头阵列一般位于多阵列排列的中部，用来探测轨头、轨腰和轨底的水平裂纹和纵裂纹；采用30°飞0°和60° 10°倾斜角布置的探头阵列位于与钢轨长度方向平行的两侧；30°飞0°倾斜角布置的探头用来探测轨腰及螺栓孔处的损伤；60° ^80°倾斜角布置的探头则用来发现轨头内的核伤或横裂。作为上述基于无线分体轮沿式探头阵列的钢轨探伤装置的优化方案，倾斜角为0°超声波探头的超声波频率为:3-4ΜΗζ，其波束反射面位于轨底底面；倾斜角为30°飞0°的超声波探头的超声波频率为2~3ΜΗζ，其波束反射面同样位于轨底底面；倾斜角为60° ^80°的超声波探头的超声波频率为4-5ΜΗ本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于无线分体轮沿式探头阵列的钢轨探伤装置，其特征在于包括多个探轮、连接杆、支撑体和一个后台处理系统，其中探轮包括铺设有若干个轮沿片的轮沿、探轮内护板、探轮外护板，以及探轮电路模块，探轮电路模块置于探轮内护板中间的电路卡槽内，探轮主要完成探测信号的发送和采集，不作承载重量之用，多个探轮通过连接杆和支撑体挂在一辆探伤车上或者是运营列车上，可以双轨同时探测，后台处理系统对探轮获取的探测数据进行探伤检测处理以及结果显示。

【技术特征摘要】
2013.11.06 CN 201310543595.01.一种基于无线分体轮沿式探头阵列的钢轨探伤装置，其特征在于包括多个探轮、连接杆、支撑体和一个后台处理系统，其中探轮包括铺设有若干个轮沿片的轮沿、探轮内护板、探轮外护板，以及探轮电路模块，探轮电路模块置于探轮内护板中间的电路卡槽内，探轮主要完成探测信号的发送和采集，不作承载重量之用，多个探轮通过连接杆和支撑体挂在一辆探伤车上或者是运营列车上，可以双轨同时探测，后台处理系统对探轮获取的探测数据进行探伤检测处理以及结果显示。2.根据权利要求1所述的基于无线分体轮沿式探头阵列的钢轨探伤装置，其特征在于所述轮沿由若干个轮沿片并列平铺而成，所述轮沿片由轮沿片片基和透声外膜叠加而成，轮沿片片基嵌入若干个超声探头，超声探头呈多阵列排列，每个阵列可以是圆阵、方阵等，每个阵列的中心探头为发送探头，周围的为接收探头；探头倾斜度(超声波探头与钢轨横截面的夹角)有O。、30°飞O。、60° ^80°三种，每个阵列的探头倾斜度一致，采用0°倾斜角布置的探头阵列一般位于多阵列排列的中部，发射频率为3~4MHz，用来探测轨头、轨腰和轨底的水平裂纹和纵裂纹；采用30°飞0°和60° 10°倾斜角布置的探头阵列位于与钢轨长度方向平行的两侧，30°60°倾斜角布置的探头，发射频率为2~3MHz的超声波，用来探测轨腰及螺栓孔处的损伤；60° ^80°倾斜角布置的探头，发射频率为4-5ΜΗζ的超声波，则用来发现轨头内的核伤或横裂，所述轮沿片片基还布有压力传感器，其置于轮沿片片基的中部，负责检测轮沿片的压力状态；轮沿片片基采用橡胶材料，轮沿片片基与透声外膜之间的缝隙用透声耦合液填充。3.根据权利要求1所述的基于无线分体轮沿式探头阵列的钢轨探伤装置，其特征在于所述探轮电路模块包括电池、超声波收发电路和探轮无线通信模块以及探轮电路模块各个单元之间的连接电缆，所述电池分别与超声波收发电路和探轮无线通信模块连接，也与轮沿片片基的探头阵列相连，超声波收发电路与轮沿片片基的探头阵列连接；超声波收发电路将连续多频调制超声波信号转发给轮沿片片基的探头阵列中相应的超声波探头，超声波收发电路还缓存各个超声波探头接收到的反射波信号，探轮无线通信模块将后台处理系统产生的连续多频调制超声波信号传送至超声波收发电路，同时将各超声波探头接收的反射波信号及压力传感器的信号传送给后台处理系统进行处理，所述电池采用微型电池，微型电池用弹性材料与超声波收发电路、探轮无线通信模块一起固定在探轮内护板中间的电路卡槽内，放置探轮电路模块的位于探轮内护板中间的电路卡槽和连接杆相通。4.根据权利要求1所述的基于无线分体轮沿式探头阵列的钢轨探伤装置，其特征在于所述后台处理系统包括后台无线通信模块、处理模块、显示模块、人机交互模块，后台无线通信模块与探轮中的探轮电路模块的探轮无线通信模块相对应，放置于连接杆内，进行短距离的无线通信；处理模块是对轮沿式探头阵列采集得到的超声回波信号进行快速高效地处理，检测有无伤损以及伤损的位置；显示模块实时对检测的情况进行显示，以及对伤损位置、形状、伤损类别进行显示；人机交互模块可以对发送信号的时长参数、显示的控制参数、检测的结果存储进行人工控制。5.根据权利要求1所述的基于无线...

【专利技术属性】
技术研发人员：韦岗，曹燕，杨萃，
申请(专利权)人：广州丰谱信息技术有限公司，
类型：发明
国别省市：广东;44