雙軌自動探傷系統的制作方法

專利名稱：雙軌自動探傷系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種鋼軌探傷系統，尤其是結合超聲波掃描的一種雙軌自動探傷系統。
背景技術：
列車在加速和制動過程中以及通過鋼軌接縫、彎道和道岔時，對鋼軌造成摩擦、擠壓、彎曲和沖擊作用，在這些反復的作用下，鋼軌極易產生損傷。目前，我國鐵路運輸繁忙， 線路狀況較差，鋼軌傷損率較高，鋼軌因傷損折斷的情況時有發生，直接危及行車安全。為保障鐵路行車安全，防止、監視傷損的發生、發展，鐵路的工務部門對鋼軌傷損檢測和整治非常重視，制訂了相關技術規章和辦法，對鋼軌進行探傷檢測。目前我國進行鋼軌探傷時主要采取兩種方式一種是采用從國外進口的大型探傷車；另外一種是使用小型人工探傷車。相較小型人工探傷車，大型探傷車檢測效率、檢測精度高，但是價格昂貴，而且不適合中國軌道交通的國情。由于此種探傷車通常需要專門修建一條與鋼軌連通的軌道線，供其停放和上軌檢測使用，上軌后沿固定線路進行探測，但是我國鐵路運輸繁忙，很多路段沒有空余時間給大型探傷車上軌探傷。故此，當前我國的鋼軌探傷工作仍處于以手推式探傷小車為主，大型探傷車為輔的局面。隨著我國各種客運專線和滬寧、滬杭高速城際鐵路開通運營，客運專線和高速鐵路線路養修體制頒布實施，傳統手推式探傷小車在列車間隙上軌進行檢測的模式已不能適應養修體制變化需要。為此鐵路部門提出采用“天窗”作業方式，即對某區間線路提供1-3小時的作業時間，在此期間沒有列車運行。在這種情況下，傳統手推式探傷小車的檢測效率低的弊端就顯得尤為突出。而若采用大型探傷車，則因價格昂貴而受配置數量限制，難以有效開展工作。 而且以上述的“天窗”作業中作業時間為基準，采用大型探傷車需要沿途布置很多用于停放的軌道線，增加了大量的基礎建設成本。因此，現場實際使用中急需開發一種性價比較高的探傷系統，該種系統檢測效率應明顯高于傳統手推式探傷小車，但造價又要遠低于鋼軌探傷車，上下軌方便，能全面替代手推車，又是鋼軌探傷車的有效輔助。

發明內容
本發明的目的是根據上述現有技術的不足之處，提供一種結合超聲波掃描的雙軌自動探傷系統，可實現鋼軌的超聲波自動探傷和定位，特別適用于檢測鋼軌頭部橫向疲勞裂紋(核傷)、螺栓孔裂紋、腰部斜裂紋和鋼軌縱向水平裂紋等損傷。本發明目的的實現由以下技術方案完成
一種雙軌自動探傷系統，包括用于列車鋼軌上行進的基礎車架，其特征在于所述探傷系統還包括伺服子系統、探傷子系統和電氣控制子系統，所述電氣控制子系統控制連接有驅動電機、探傷子系統和伺服子系統；所述的伺服子系統包括耦合噴淋機構和兩個伺服對中機構，所述耦合噴淋機構設于所述基礎車架上，所述二伺服對中機構分別安裝于所述基礎車架兩側；所述探傷子系統包括超聲波探輪及其控制電路，所述超聲波探輪可垂直移動式設置于所述伺服對中機構的滑塊上，并貼合所述列車鋼軌，所述滑塊連接有滑塊電機，并通過該滑塊電機驅動在伺服對中機構上水平移動。所述伺服對中機構以一支架為其主體，該支架與所述基礎車架側面固定連接，并固定連接所述滑塊電機；所述支架上包含有一水平設置的滑桿，所述滑塊可活動套裝于所述滑桿上；所述滑塊上螺紋配合一可垂向調節螺桿，所述垂向調節螺桿底端固定連接一探輪架，所述探輪架固定連接所述超聲波探輪及驅動所述超聲波探輪轉動的轉向電機。所述伺服對中機構還包括導向輪架和導向輪，在所述支架上包含一水平設置的導向桿，所述導向輪架可活動式套裝于所述導向桿上，所述導向輪架和所述支架間連接有至少一彈簧，所述導向輪架上設置所述導向輪，所述導向輪一端設有環狀凸緣，所述端部環狀凸緣與所述列車鋼軌貼合，導向輪行走于列車鋼軌上。所述的導向輪架上設置有縱向導向犁，所述導向犁的長度大于道岔有害空間的長度。所述基礎車架兩側通過傳動軸連接有置于列車鋼軌上的主走行輪，所述的傳動軸由二實心軸和一空心軸套組成，所述的兩根實心軸外端分別固定所述主走行輪，其內端分別可活動式插裝于所述的空心軸套兩端，并通過銷軸和平鍵相固定；所述的基礎車架底部、 于所述主走行輪之間設置有若干輔助走行輪。 所述的主走行輪輪轂外側設置有聚氨酯層。道岔由轉轍器、連接部分、轍叉及護軌組成，根翼軌的最窄處到轍叉心的最尖端之間有一段空隙為道岔有害空間。本發明的優點是在效率上高于傳統的手推式探傷小車，小車整車機構簡單，在造價上遠低于大型探傷車；實現了數據采集、處理自動化，能夠連續對鋼軌進行損傷檢測，具備一定的損傷判定功能，避免了人為因素影響；該自動探傷系統結構緊湊、重量較輕、便于攜帶、操作簡便、檢測效率高，提高了軌道的檢修質量，最大限度地減少安全隱患。


圖1是本發明的系統結構圖； 圖2是本發明的總體示意圖3是本發明的驅動子系統中伸縮傳動軸的結構圖4為圖3局部放大示意圖5是本發明的主走行輪的結構圖6是本發明的伺服對中機構的結構圖I ；
圖7為圖6局部放大示意圖8是本發明的伺服對中機構的結構圖II ；
圖9是本發明的伺服對中機構的結構圖III ；
圖10是本發明的探傷子系統的結構圖11是本發明的電氣控制圖。
具體實施例方式以下結合附圖通過實施例對本發明特征及其它相關特征作進一步詳細說明，以便于同行業技術人員的理解
如圖1-11所示，圖中標記1-83分別為伺服子系統1、導向輪2、導向鐵犁3、伺服對中機構4、耦合噴淋機構5、電氣控制子系統6、操作臺7、驅動部分8、反饋部分9、控制電路10、 信號處理與顯示電路11、模擬電路12、超聲波探輪13、探傷子系統14、驅動子系統15、主走行輪16、輔助走行輪17、伸縮傳動軸18、基礎車架19、遮陽篷20、數據顯示屏21、防護欄22、 底架23、鋼軌M、控制箱25、電瓶沈、水箱27、手持式操作盒觀、實心軸四、空心軸套30、軸承座31、內六角螺釘32、雙平鍵33、銷軸34、軸端鎖緊套35、密封環36、輪轂37、聚氨酯層 38、鎖緊螺母39、開口銷40、主支架41、連接支架42、防護罩43、導向輪架44、滑塊45、垂向調節螺桿46、導向桿47、探輪架48、滑塊電機49、彈簧50、蝸輪蝸桿組合51、步進電機52、 超聲波發射與接收模塊53、通道選擇模塊M、信號調理模塊55、A/D采集模塊56、DSP芯片 57、數據顯示模塊58、雙口 RAM59、R0M60、USB/RS232接口 61、MCU芯片62、外設63、行走轉向開關64、運行速度顯示碼表65、安裝版66、信號線67、傳感器68、底座支架69、氣泵70、進出線面板71、襯墊72、電氣控制箱73、氣泵控制按鈕74、電源開關75、有機玻璃擋風罩76、 重載連接器77、傳動鏈78、限位開關79、角位移編碼器80、零位開關81、行走電機82、探頭 83。實施例如圖1、圖2所示，本發明包括伺服子系統1、驅動子系統15、探傷子系統 14和電氣控制子系統6四個子系統。其中伺服子系統1主要包括導向輪2、導向鐵犁3、伺服對中機構4和耦合噴淋機構5 ；驅動子系統15主要包括基礎車架19、伸縮傳動軸18、主走行輪16及輔助走行輪17 ； 探傷子系統14主要包括超聲波探輪13、模擬電路12、信號處理與顯示電路11和控制電路 10四個部分；電氣控制子系統6主要由操作臺7、驅動部分8和反饋部分9組成。伺服子系統1、驅動子系統15、探傷子系統14和電氣控制子系統均各自作為一個獨立單元驅動，為了避免電磁干擾，探傷子系統14獨立于其它子系統供電；伺服子系統1、驅動子系統15、探傷子系統14通過總線連接到電氣控制子系統6的操作臺7，操作臺7實時控制各部件的工作情況。如圖2所示，基礎車架19作為伺服子系統1、探傷子系統14和電氣控制子系統6 的安裝平臺，包括底架23、防護欄22、遮陽篷20和踏板(圖中被遮擋)，其中遮陽篷20、防護欄22、探傷子系統14的數據顯示屏21、手持式操作盒洲、水箱27和電瓶沈等都被安裝在大小為1500mmX 600mm的底架23上，伺服子系統1的伺服對中機構4安裝在底架23的左、 右兩側居中位置，并可以拆卸搬運；驅動子系統15的伸縮傳動軸18通過主走行輪16在鋼軌M上行走，輔助走行輪17位于底架23的前后端，每一端各對稱設置有兩個；為了節省空間，耦合噴淋機構5的水箱27前后分布，分別對兩側的噴嘴提供耦合液，同時可以作為操作人員的座位。伸縮傳動軸18通過無刷永磁直流行走電機82驅動，采用四個12VX ^Ah電瓶26作為動力源，為了行走的時候穩定，兩個一組分別在底架23前后分布。為了防止電磁干擾，驅動子系統15和伺服子系統1獨立于探傷子系統14進行控制，為了雙軌自動探傷系統運行平穩，將其控制箱25安置在底架23前端。各個子系統采用可拆除、模塊化的方式連接在基礎車架上，操作人員按照前后方式安排座位，通過蓄電池作為動力，電機和鏈條傳動對整套系統進行操作。如圖3-4所示，為了便于整體系統的搬運，驅動子系統15采用伸縮傳動軸的方式，當伸縮傳動軸18處于圖中所示的伸長狀態I時，通過主走行輪16在鋼軌M上行走，實現在鋼軌上的探傷和行走；當伸縮傳動軸18處于圖中所示的收縮狀態II時，通過輔助走行輪 17實現在地面的搬運和行走，同時可以減小搬運空間。伸縮傳動軸18主要由兩根實心軸 29和空心軸套30伸縮組成，將兩根實心軸四分別插入空心軸套30的兩端并且通過雙平鍵 33進行固定和傳動。伸縮傳動軸18在伸長和縮短狀態的定位通過安裝在實心軸四銷軸孔中的銷軸34實現，并通過設置在空心軸套30兩端的軸端鎖緊套35和內六角螺釘32進行鎖緊。實心軸四和空心軸套30之間通過油脂進行潤滑，并通過軸端縮緊套35處的密封環 10進行密封。整個傳動伸縮軸18通過軸承座31連接在底架23上。如圖5所示，主走行輪16的輪轂37由鋁合金材料組成，外表面附著聚氨酯層38， 具有絕緣、高承載、高動態負荷、耐磨、低噪音和輕質的特點。主走行輪16通過鎖緊螺母39 和開口銷40固定在伸縮傳動軸18的實心軸四兩端上。如圖6-9所示的伺服對中機構，伺服對中機構4以一支架為其主體，該支架分為主支架41和連接支架42，主支架41通過連接支架42與驅動子系統15中的底架23連接。 為了防塵、防水，在主支架41上端安裝了防護罩43。主支架41上水平設置有滑桿及導向桿47，而超聲波探輪13被安裝在了伺服對中機構4的滑塊45上，而滑塊45則可活動連接在滑桿上。導向輪架44通過連接件固定連接在主支架41上；導向輪2通過導向輪架44連接在了主支架41上，并能沿著貫穿導向輪架44和主支架41的導向桿47的滑道，達到緊貼軌道工作面的效果，保證了超聲波探輪13能夠時刻在鋼軌M的中心線上運行。導向鐵犁 3的一端安裝在了導向輪架44上，隨著導向輪2沿軌道橫向運動，其長度大于道岔有害空間的長度，可以防止伺服對中機構4在過道岔有害空間時發生脫軌掉道等情況的發生。伺服對中機構4能保證輪超聲波探輪13的全方位調節控制，具體全方位調節控制方式如下 活動連接在主支架41上的滑塊45使超聲波探輪13獨立于導向輪2在軸向左右移動，滑塊 45由滑塊電機49驅動；通過安裝在滑塊45上的垂向調節螺桿46的調節，使超聲波探輪13 可進行上下調節；設置在主支架41上的滑塊電機49能夠對超聲波探輪13進行橫向水平調節，并通過位于導向輪架44和主支架41之間的彈簧50的預緊作用，使導向輪內法蘭面時刻緊貼軌道的工作面，保證了超聲波探輪能夠時刻在鋼軌的中心線上運行；通過將超聲波探輪13鉸接探輪架48，旋轉調節設置于探輪架上的電機52，電機52與渦輪蝸桿組合51連接并驅動蝸輪蝸桿組合51，使超聲波探輪13相對于鋼軌M軌面在徑向作左右擺動，實現角度調節，確保超聲波探輪與鋼軌M頂面耦合良好。如圖8所示，整個探傷子系統由超聲波探輪13、模擬電路12、信號處理與顯示電路 11和控制電路10組成。超聲波探輪13的輪子由透聲樹脂材料制作，內充透聲液，軸上裝固定9個探頭83，其中包括70度探頭6個、37. 5度探頭2個、0度探頭1個以及其他安裝探頭的附件。超聲波回波的信號調理通過模擬電路12實現，包括超聲波的發射與接收模塊 53、通道選擇模塊M和信號調理模塊55。信號處理與顯示電路11基于DSP技術設計和制造，包括A/D采集模塊56、DSP芯片57、數據顯示模塊58和雙口 RAM59。為了提高系統的實時性，采用高速MCU芯片62與DSP芯片57構成一個主從系統，這樣DSP芯片57僅僅需要完成復雜的算法，控制采集外部數據、輸出控制信號和完成人機交互的工作交由MCU芯片 62完成。使用雙口 RAM59作為DSP芯片57與MCU芯片62之間的通訊媒體，可以快速可靠的實現大量數據的傳遞。
如圖9所示，探傷子系統工14作時，耦合噴淋機構5和伺服對中機構4保證超聲波探輪13與鋼軌M的頂面對中與耦合良好。超聲波探輪13隨探傷系統的運動而轉動，而其中的探頭83芯不動，以保持聲波的發射和接收方向不變。超聲波發射與接收模塊53向鋼軌M發出和接收返回的連續脈沖超聲波束，通過定期產生選擇超聲通道的編碼信號，使通道選擇模塊M中的十八路超聲通道輪流被選通。通過信號調理模塊55中的換能器將接收到的回波信號轉化為電信號，在經過放大與整形，送入高速A/D采集模塊56。經A/D采集模塊56轉換后的數字化數據送入DSP芯片57內部進行各種算法處理，將記錄下回波信號的波程、峰值及脈沖重復周期的序號，形成數據文件送到數據顯示模塊58 ；定期將處理過的數據存入雙口 RAM59供MCU芯片62讀取，MCU芯片62再將其轉存到R0M60中，可將探傷結果通過USB/RS232接口 61轉存到其他計算機中，便于探傷完成后進一步分析和處理。在探傷檢測過程中，可通過鍵盤、鼠標等外設63對顯示部分實時控制和對檢測參數進行實時調整。如圖1、2所示，電氣控制子系統由操作臺7、驅動部分8和反饋部分9組成。操作臺7將各個子系統作為一個獨立單元進行控制，通過可編程控制器作為控制系統核心，來控制各個子系統的運行；操作人員通過手持式操作盒觀發出指令給可編程控制器，實現人機對話。如圖1、2、9所示，驅動部分8將各個子系統作為一個獨立單元進行驅動。對于伺服子系統1的伺服對中機構4，采用高精度的直線運動步進電機52驅動，超聲波探輪13可以沿鋼軌面徑向傾角調整，調整角度士3-5度，水平移動士 IOmm ；而對于整個雙軌自動探傷系統的前后移動，采用無刷永磁直流電機通過傳動鏈對伸縮傳動軸18上的鏈輪進行驅動， 經測試，本雙軌自動探傷系統運行速度可以達到15-20公里/小時，一次充電可行駛50公里。如圖1所示，反饋部分9主要采用限位開關79、角位移編碼器80和零位開關81等實現運動的反饋，克服步進電機52失步和機械安裝間隙等誤差，從而提高系統跟蹤和定位精度。如圖11所示，電氣控制箱73安裝在底座支架69上，電子元器件的安裝板66裝在電氣控制箱73內。控制箱73上分別裝有運行速度顯示碼表65、行走轉向開關64、電源開關75和氣泵控制按鈕74。控制箱73上安裝一個脫卸式的有機玻璃擋風罩76，擋風罩76 與控制箱73的連接處貼有防水密封條。速度顯示碼表65通過信號線67和伸縮傳動軸18 上的傳感器68連接，用于反饋雙軌自動探傷系統當前的運行速度。控制箱73側面開有進出線面板71，面板上安裝8個重載連接器77，其中9芯1個，4芯4個，2芯2個，其余2個連接器只安裝底座，并用悶頭封住，以作備用，安裝板66上開6個4mm的螺孔，面板處貼有襯墊72。控制箱73和設備之間的連接均通過重載連接器77連接，并安裝了連接器底座，內裝公頭針芯，連接線均為母頭孔芯。手持式操作盒觀、氣泵70、步進電機52和蓄電池沈等均通過進出線面板71與安裝板66上的控制電路連接。本發明雙軌自動探傷系統滿足以下的運行技術性能 行進速度15-20km/h，一次連續完成50km的鋼軌探傷能力。具有操作簡便、上下線路方便的特點，承載2-3人探傷作業。能檢測43_75kg鋼軌核傷、螺孔裂紋、斜(水平)裂紋等常見傷損。
以B型顯示為主兼具A型顯示功能，能實現實時檢測與判傷。0°探頭83探測IlOmm底面，波高80%時，靈敏度余量不低于36dB，37°和70°探頭83探測Φ 3*65mm橫通孔，波高80%時靈敏度余量不低于40dB。工作環境溫度-15 — 45°C
應當指出，對于本領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理的前提下，還可以做出若干變形和改進，比如對機械傳動結構的變更，也屬于本發明的保護范圍。
權利要求
1.一種雙軌自動探傷系統，包括用于列車鋼軌上行進的基礎車架，其特征在于所述探傷系統還包括伺服子系統、探傷子系統和電氣控制子系統，所述電氣控制子系統控制連接有驅動電機、探傷子系統和伺服子系統；所述的伺服子系統包括耦合噴淋機構和兩個伺服對中機構，所述耦合噴淋機構設于所述基礎車架上，所述二伺服對中機構分別安裝于所述基礎車架兩側；所述探傷子系統包括超聲波探輪及其控制電路，所述超聲波探輪可垂直移動式設置于所述伺服對中機構的滑塊上，并貼合所述列車鋼軌，所述滑塊連接有滑塊電機，并通過該滑塊電機驅動在伺服對中機構上水平移動。
2.如權利要求1所述的一種雙軌自動探傷系統，其特征在于所述伺服對中機構以一支架為其主體，該支架與所述基礎車架側面固定連接，并固定連接所述滑塊電機；所述支架上包含有一水平設置的滑桿，所述滑塊可活動套裝于所述滑桿上；所述滑塊上螺紋配合一可垂向調節螺桿，所述垂向調節螺桿底端固定連接一探輪架，所述探輪架固定連接所述超聲波探輪及驅動所述超聲波探輪轉動的轉向電機。
3.如權利要求2所述的一種雙軌自動探傷系統，其特征在于所述伺服對中機構還包括導向輪架和導向輪，在所述支架上包含一水平設置的導向桿，所述導向輪架可活動式套裝于所述導向桿上，所述導向輪架和所述支架間連接有至少一彈簧，所述導向輪架上設置所述導向輪，所述導向輪一端設有環狀凸緣，所述端部環狀凸緣與所述列車鋼軌貼合，導向輪行走于列車鋼軌上。
4.如權利要求3所述的一種雙軌自動探傷系統，其特征在于所述的導向輪架上設置有縱向導向犁，所述導向犁的長度大于道岔有害空間的長度。
5.如權利要求1所述的一種雙軌自動探傷系統，其特征在于所述基礎車架兩側通過傳動軸連接有置于列車鋼軌上的主走行輪，所述的傳動軸由二實心軸和一空心軸套組成， 所述的兩根實心軸外端分別固定所述主走行輪，其內端分別可活動式插裝于所述的空心軸套兩端；所述的基礎車架底部、于所述主走行輪之間設置有若干輔助走行輪。
6.如權利要求1所述的一種雙軌自動探傷系統，其特征在于所述的主走行輪輪轂外側設置有聚氨酯層。
全文摘要
本發明涉及鋼軌探傷技術，尤其是一種雙軌自動探傷系統。該系統包括用于列車鋼軌上行進的基礎車架，其特征在于所述探傷系統還包括伺服子系統、探傷子系統和電氣控制子系統，所述電氣控制子系統控制連接有驅動電機、探傷子系統和伺服子系統；所述的伺服子系統包括耦合噴淋機構和兩個伺服對中機構，所述耦合噴淋機構設于所述基礎車架上，所述探傷子系統包括超聲波探輪及其控制電路，所述超聲波探輪可垂直移動式設置于所述伺服對中機構的滑塊上，并貼合所述列車鋼軌，所述滑塊連接有滑塊電機，并通過該滑塊電機驅動在伺服對中機構上水平移動。其優點是該自動探傷系統結構緊湊、重量較輕、便于攜帶、操作簡便、檢測效率高，提高了軌道的檢修質量，最大限度地減少安全隱患。
文檔編號G01N29/04GK102445495SQ201110297408
公開日2012年5月9日 申請日期2011年9月29日 優先權日2011年9月29日
發明者匡俊, 徐偉人, 朱繼東, 杜新光, 楊祖表, 胡雄偉, 陸旭紅, 陳志遠, 龔佩毅 申請人:上海鐵路局科學技術研究所, 中國船舶重工集團公司第七○二研究所