專利名稱：鋼軌踏面缺陷快速掃查方法及其裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及超聲檢測技術，具體說就是一種鋼軌踏面缺陷快速掃 查方法及其裝置。(二) 背景技術鐵路是國民經濟的大動脈，鐵路安全對于社會經濟建設的健康發 展和社會協調穩定具有舉足輕重的作用。安全運輸是鐵路永恒的主 題。然而，隨著高速和混合重負荷越來越普遍，鋼軌損傷越來越嚴重，鋼軌缺陷形式很多，其中滾動接觸疲勞(rolling contact fatigue,簡寫 作RCF)導致的鋼軌龜裂現象是影響行車安全的重要因素。RCF導致 的鋼軌缺陷一般產生于鋼軌踏面并不斷擴大，而且不易發現。嚴重的 時候造成鋼軌解裂，發生重大的安全事故。現有的鋼軌檢測技術主要以壓電超聲檢測為主，主要是向鋼軌內 部垂直或者傾斜一定角度發射超聲波信號，通過對超聲反射回波信號 分析得到鋼軌內部缺陷信息。這種檢測方式可以對鋼軌內部缺陷進行 較為全面的檢測。然而，該技術在檢測時依賴聲耦合劑。耦合劑的存 在使得裝置體積增大，復雜度增加，并且限制了檢測速度以及單次檢 測距離。目前壓電超聲的檢測方法還遠遠達不到列車的運行速度，檢 測速度慢，占道嚴重。此外，鋼軌踏面缺陷屬于一種表面缺陷，而壓 電超聲存在盲區，對于表面缺陷敏感度較差。然而，由于RCF導致 的踏面缺陷是鋼軌核傷產生和擴大的主要源頭，壓電超聲的檢測方法 無法提前發現踏面損傷，檢測人員不能及時對缺陷鋼軌采取有效措 施，給安全帶來隱患。為了彌補壓電超聲檢測對鋼軌踏面缺陷敏感度較低的不足，國內 外學者研究了基于渦流方法的鋼軌檢測裝置。渦流檢測雖然可以檢測 出踏面缺陷，但該方法屬于逐點檢測，檢測速度慢。電磁超聲技術是一種新型的無損檢測技術，與傳統的壓電超聲相 比，該技術無需使用聲耦合劑，結構簡單，可以適應更高速度的鋼軌 檢測。而且，電磁超聲換能器可以方便發出各種類型的超聲波，設計 靈活方便。超聲表面波在鋼軌中的傳播速度約3000m/s，傳播過程衰 減小，對表面和近表面缺陷敏感性很高，可以實現鋼軌踏面缺陷的快 速掃查。
發明內容本發明的目的在于提供一種能夠檢測鋼軌踏面缺陷，可以滿足列 車提速和高速電氣化鐵路發展需要的鋼軌踏面缺陷快速掃查方法及 其裝置。本發明一種鋼軌踏面缺陷快速掃查裝置，它是由超聲檢測單元7、電路系統9、存儲單元5和顯示單元6組成的。超聲檢測單元7連接 電路系統9，電路系統9分別連接存儲單元5和顯示單元6。本發明一種鋼軌踏面缺陷快速掃查裝置，還具有以下技術特征(1) 所述的電路系統9包括發射電路1、接收電路2、 AD轉換 電路3和微處理器4。發射電路1連接微處理器4，微處理器4連接 AD轉換電路3，、 AD轉換電路3連接接收電路2。(2) 所述的超聲檢測單元7由超聲探頭A和超聲探頭B組成， 超聲探頭A和超聲探頭B安置在鋼軌踏面。本發明一種鋼軌踏面缺陷快速掃查方法，工作步驟如下步驟一將超聲檢測單元7安置在鋼軌踏面上； 步驟二檢測系統初始化；步驟三微處理器4發出控制信號給發射電路1，信號為脈沖串的形式，頻率500kHz，持續時間16^s;步驟四發射電路1驅動超聲探頭A發出超聲表面波，驅動電 流100A;步驟五超聲表面波在鋼軌踏面沿鋼軌長度方向傳播，遇到缺陷會發生反射以及在前進的方向上產生衰減，通過超聲探頭A可以接收到反射回波，超聲探頭B可以接收到透射波；步驟六超聲探頭A、超聲探頭B接收的超聲信號經接收電路2 進行放大濾波，然后由AD轉換電路3在微控制器4的控制下將該信號采集并暫存在微處理器4的內存單元中；步驟七微處理器4對采集到的超聲探頭A、超聲探頭B的信號 進行快速數字信號處理，提取缺陷特征；步驟八微處理器4將根據超聲探頭A的反射回波信號確定缺
陷的有無、位置；步驟九微處理器4將根據超聲探頭A接收信號中缺陷回波的 大小和超聲探頭B接收的透射信號衰減的大小，對缺陷的大小進行步驟十微處理器4將處理結果在顯示單元6上實時顯示； 步驟十一微處理器4將處理前后的數據存儲在存儲單元5中； 步驟十二返回運行步驟三。本發明一種鋼軌踏面缺陷快速掃査方法及其裝置，通過電磁超聲 表面波檢測鋼軌踏面缺陷，達到以下效果(1) 能夠有效檢測出鋼軌踏面缺陷， 一次檢測距離遠，檢測效率高；(2) 使用電磁超聲技術實現鋼軌踏面缺陷檢測，檢測無需使用聲耦合劑，無需配備復雜的機械結構和盛裝耦合劑的容器，檢測裝置結構簡單化；(3) 使用反射法和透射法相結合的方式，對缺陷大小進行量化 的精度高；(4) 由于無需聲耦合劑，可以適應的溫度范圍寬，環境適應能力強。本發明所述的一種鋼軌踏面缺陷快速掃查裝置，可以實現對鋼軌 缺陷的在線和在役檢測。(四)
圖1為本發明的總體結構框圖； 圖2為本發明的超聲檢測原理圖；圖3為本發明的超聲表面波激發mm圖；圖4為本發明的檢測無缺陷時探頭波形示意圖； 圖5為本發明的檢測有缺陷時探頭波形示意圖。
具體實施方式
下面結合附圖對本發明作進一步說明。實施例1，結合圖1，本發明一種鋼軌踏面缺陷快速掃查裝置， 它是由超聲檢測單元(7)、電路系統(9)、存儲單元(5)和顯示單 元(6)組成的。超聲檢測單元(7)連接電路系統(9)，電路系統(9)
分別連接存儲單元(5)和顯示單元(6)。所述的電路系統(9)包括 發射電路(1)、接收電路(2)、 AD轉換電路(3)和微處理器(4)。 發射電路(1)連接微處理器(4)，微處理器(4)連接AD轉換電路 (3)， AD轉換電路(3)連接接收電路(2)。所述的超聲檢測單元7 由超聲探頭A和超聲探頭B組成，超聲探頭A和超聲探頭B安置在 鋼軌踏面。本發明一種鋼軌踏面缺陷快速掃查方法，工作步驟如下 步驟一將超聲檢測單元(7)安置在鋼軌踏面上； 步驟二檢測系統初始化；步驟三微處理器(4)發出控制信號給發射電路(1)，信號為脈沖串的形式，頻率500kHz，持續時間16ps;步驟四發射電路(1)驅動超聲探頭A發出超聲表面波，驅動 電流100A;步驟五超聲表面波在鋼軌踏面沿鋼軌長度方向傳播，遇到缺陷會發生反射以及在前進的方向上產生衰減，通過超聲探頭A可以接收到反射回波，超聲探頭B可以接收到透射波；步驟六:超聲探頭A、超聲探頭B接收的超聲信號經接收電路(2) 進行放大濾波，然后由AD轉換電路(3)在微控制器(4)的控制下 將該信號采集并暫存在微處理器(4)的內存單元中；步驟七微處理器(4)對采集到的超聲探頭A、超聲探頭B的 信號進行快速數字信號處理，提取缺陷特征；步驟八微處理器(4)將根據超聲探頭A的反射回波信號確定 缺陷的有無、位置；步驟九微處理器(4)將根據超聲探頭A接收信號中缺陷回波 的大小和超聲探頭B接收的透射信號衰減的大小，對缺陷的大小進 行量化；步驟十微處理器(4)將處理結果在顯示單元(6)上實時顯示; 步驟十一微處理器(4)將處理前后的數據存儲在存儲單元(5)中；步驟十二返回運行步驟三。實施例2，結合圖2，所述的超聲檢測單元(7)由具有收發一
體功能的超聲探頭A和具有接收功能的超聲探頭B組成，具有一發 兩收功能。其中超聲探頭A根據相控陣技術設計，可以保證向一邊 發射超聲表面波，避免向兩個方向發射超聲波引起缺陷識別的誤判。 檢測裝置工作過程如下微處理器(4)發出控制信號給發射電 路(1)，發射電路(1)驅動超聲探頭A發出超聲表面波。超聲表面波在鋼軌中傳播，傳播速度約3000m/s，當遇到缺陷時會產生衰減。 超聲探頭A接收反射回波，超聲探頭B接收透射回波，超聲波在鋼 軌踏面傳播路徑如圖2所示。超聲探頭A和超聲探頭B接收到的超 聲信號經接收電路(2)調理后，由AD轉換電路(3)采集后暫存在 微處理器(4)的內存單元中。微處理器(4)將兩個探頭接收到的信 號經快速數字信號處理，提取缺陷特征。微處理器(4)將根據超聲 探頭A的反射回波信號確定缺陷的有無，如果有缺陷，將進一步根 據缺陷回波時間確定缺陷位置，根據反射回波的強度并結合超聲探頭 B中信號衰減的大小對該缺陷大小進行量化。最后，微處理器(4) 將處理結果通過顯示單元(6)進行實時顯示，并將處理前后的數據 存儲在存儲單元(5)中。實施例3，結合圖2、圖3，本發明所述的超聲表面波的工作原理 是，利用特制的曲折線圈，可方便地產生沿被測物表面傳播的超聲表 面波。如圖2所示，將超聲換能器安放在鋼軌踏面上，向發射線圈中 通以周期變換的電流，踏面便可產生沿鋼軌長度方向傳播的超聲表面 波；超聲波遇到缺陷會產生反射和在前進方向上產生衰減，通過測量 反射回波的時間和強度以及測量透射波的衰減程度即可方便地確定 缺陷的位置和大小。超聲表面波在鋼軌中的傳播速度約3000m/s，傳 播過程衰減小，可以實現鋼軌踏面缺陷的快速掃査。實施例4，結合圖2、圖4、圖5，本發明所述的鋼軌踏面缺陷快 速掃査裝置，超聲檢測單元由兩個超聲探頭組成——超聲探頭A和 超聲探頭B，其中超聲探頭A既做發射又做接收，超聲探頭B做接 收使用。在進行檢測之前，首先將超聲探頭A、 B放置在沒有缺陷的 鋼軌踏面，記錄此時超聲探頭B接收到的透射波的幅值。在實際檢 測時，當超聲探頭A、 B之間沒有缺陷時，此時超聲探頭A將沒有回 波信號，超聲探頭B接收到的透射波不會有衰減，如圖4所示；當
超聲探頭A、 B之間有缺陷時，此時超聲探頭A將接收到由缺陷帶來 的反射回波，超聲探頭B接收到的透射波強度將比在沒缺陷時有一定程度的衰減，如圖5所示。測量探頭A接收到的缺陷反射回波信 號出現的時間即可計算得到缺陷的位置；測量探頭A接收到的缺陷 反射回波信號的強度并結合探頭B接收到的透射波衰減的程度即可 對缺陷大小進行量化。實施例5，本發明所述的鋼軌踏面缺陷快速掃查裝置，電磁超聲 探頭表面有一層0.5 mm厚的耐磨層，并且保證探頭到鋼軌表面有 lmm的提離距離，用以保護電磁超聲線圈不會因磨損而損壞。對于在役鋼軌的檢測，需要對缺陷位置進行標定。由于每根鋼軌 長度已知(一般為25m)，可以通過鋼軌焊縫以及配備里程輪來對裝 置在鋼軌上的行進路程進行標定，從而保證對鋼軌缺陷的精確定位。
權利要求
1. 一種鋼軌踏面缺陷快速掃查裝置，它是由超聲檢測單元(7)、電路系統(9)、存儲單元(5)和顯示單元(6)組成的；其特征在于超聲檢測單元(7)連接電路系統(9)，電路系統(9)分別連接存儲單元(5)和顯示單元(6)。
2. 根據權利要求1所述的一種鋼軌踏面缺陷快速掃查裝置，所述 的電路系統(9)包括發射電路(1)、接收電路(2)、 AD轉換電路(3) 和微處理器(4);其特征在于發射電路(1)連接微處理器(4)， 微處理器(4)連接AD轉換電路(3)， AD轉換電路(3)連接接收電 路(2)。 '
3. 根據權利要求1所述的一種鋼軌踏面缺陷快速掃查裝置，所述 的超聲檢測單元(7)由超聲探頭A和超聲探頭B組成；其特征在于 超聲探頭A和超聲探頭B安置在鋼軌踏面。
4. 一種鋼軌踏面缺陷快速掃查方法，工作步驟如下 步驟一將超聲檢測單元(7)安置在鋼軌踏面上； 步驟二檢測系統初始化；步驟三微處理器(4)發出控制信號給發射電路(1)，信號為脈沖串的形式，頻率500kHz，持續時間16ps;步驟四發射電路(1)驅動超聲探頭A發出超聲表面波，驅動 電流100A;步驟五超聲表面波在鋼軌踏面沿鋼軌長度方向傳播，遇到缺陷會發生反射以及在前進的方向上產生衰減，通過超聲探頭A可以接 收到反射回波，超聲探頭(B)可以接收到透射波；步驟六:超聲探頭A、超聲探頭B接收的超聲信號經接收電路(2) 進行放大濾波，然后由AD轉換電路(3)在微控制器(4)的控制下 將該信號采集并暫存在微處理器(4)的內存單元中；步驟七微處理器(4)對采集到的超聲探頭A、超聲探頭B的 信號進行快速數字信號處理，提取缺陷特征；步驟八微處理器(4)將根據超聲探頭A的反射回波信號確定 缺陷的有無、位置；步驟九微處理器(4)將根據超聲探頭A接收信號中缺陷回波 的大小和超聲探頭B接收的透射信號衰減的大小，對缺陷的大小進 行量化；步驟十微處理器(4)將處理結果在顯示單元(6)上實時顯示; 步驟十一微處理器(4)將處理前后的數據存儲在存儲單元(5)中；步驟十二返回運行步驟三。
全文摘要
本發明屬于電磁超聲無損檢測領域，提供一種鋼軌踏面缺陷快速掃查方法及其裝置。目的在于解決現有鋼軌檢測方式中對表面缺陷不敏感、檢測速度慢等問題，滿足高速電氣化鐵路發展的需要。裝置由探頭、電路系統、存儲單元和顯示單元組成。檢測裝置使用電磁超聲表面波，通過一發兩收的探頭模式，使用脈沖反射法和透射法相結合的方式，對缺陷量化精度高。該檢測方法無需使用聲耦合劑，結構簡單，環境適應能力強，能夠實現對鋼軌踏面缺陷的快速掃查。
文檔編號G01N29/04GK101398411SQ20081013748
公開日2009年4月1日 申請日期2008年11月7日 優先權日2008年11月7日
發明者馮劍釗, 劉貴棟, 冰 李, 汪開燦, 王淑娟, 翟國富, 超 黃 申請人:哈爾濱工業大學