CN101149358A

CN101149358A - 火车车轮表面自动电磁超声检测装置和方法

Info

Publication number: CN101149358A
Application number: CNA2007101768174A
Authority: CN
Inventors: 贾慧明; 范弘; 童凯; 岳东平; 刘涛; 张建卫; 张伟代
Original assignee: Central Iron and Steel Research Institute
Current assignee: Central Iron and Steel Research Institute
Priority date: 2007-11-05
Filing date: 2007-11-05
Publication date: 2008-03-26

Abstract

本发明涉及一种火车车轮表面自动电磁超声检测装置和方法，该装置由电磁超声换能器和电磁超声探伤仪等构成。它通过安装在钢轨上电磁超声换能器测量火车经过时车轮踏面和车轮轮缘的信号，并经连接线路输入电磁超声探伤仪，经过对信号处理和甄别，判断车轮表面是否有缺陷，实现自动检测。在检测过程中火车不需要停顿，不占用时间，对行驶中的列车车轮自动探伤，通过电磁超声探伤仪对接收检测信号的甄别和判断，及时发现车轮表面上的缺陷。

Description

火车车轮表面自动电磁超声检测装置和方法

技术领域

本发明属于火车车轮表面探伤技术领域，特别涉及一种火车车轮表面自动电磁超声检测装置和方法。

背景技术

火车车轮是机车和车辆的重要运动和承载部件，其质量优劣对保证火车的安全运行起着至关重要的作用，一旦引发事故，往往是灾难性的。1998年6月德国高速列车发生了轰动世界的列车倾覆事故(范弘等，《火车车轮超声探伤技术研究与开发》，钢铁，2000，(12)：60-63)，造成大量的人员伤亡和财产损失，而导致此次事故的主要原因，经事故后分析是火车轮表面上产生的缺陷失察所致。在同年8月，我国江岸554-8081次货车发生脱轨事故，其诱因同样是火车轮表面的缺陷。由此可见，火车轮表面缺陷是引发事故的巨大隐患。

引发铁路列车事故的车轮缺陷的主要原因是，在车轮用钢的冶炼和加工过程中，往往会在车轮的表面和内部产生一些气孔、砂眼、夹杂物和划痕等缺陷。由于这些缺陷的存在，在车轮运行过程中会造成应力集中。在应力集中区域金属的承载能力较小，极易延展出裂纹；在连续承载情况下，裂纹不继扩展，在车轮表面产生剥离和掉块。车轮一旦出现表面剥离和掉块，一方面可能会在火车连续重载下使缺陷扩展，最终导致车轮“崩轮”而使列车跨塌；另一方面可能会由于行车中的振动，使车轴的负荷加大，严重时即导致车轴的断裂，列车倾覆。

目前，国内外对车轮的质量检测通常采用压电超声波探伤法。压电超声纵波法用于车轮表面探伤存在着局限性：首先是对径向缺陷的检测灵敏度低，而径向缺陷恰恰是导致车轮剥离甚至崩裂的致命缺陷；其次是压电超声探伤法离不开液态耦合介质，若想在机车不用解体的情况下对车轮进行全面检查是非常困难的。更重要的是，对于压电超声纵波法，车轮表面及近表面区域属于检测盲区。

因此，可以对行驶中的列车车轮实现自动检测，及时发现车轮表面上的缺陷，避免事故的发生是十分重要的。

电磁超声探伤是近年来发展起来的新兴无损检测技术。由于电磁超声探伤法具有不使用耦合剂、快速、灵敏等一系列优点，所以将这一技术用于行驶车轮表面的检查是惟一可行的方案。例如，中国实用新型专利(申请号：2000320111599.3，申请日2003.11.20)公开了一种“铁路机车、车辆车轮踏面在线自动化探伤装置”，是对火车车轮踏面进行检测。另外，本申请的申请人于2006年10月20日申请的实用新型专利200620134118.4，为“火车车轮踏面电磁超声探头装置”，它提供了一种火车车轮踏面电磁超声，但是上述申请均没有提供对于火车车轮表面的电磁超声全自动检测的装置和方法。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种火车车轮表面自动电磁超声检测装置，可通过计算机控制、全自动的完成火车车轮表面的电磁超声检测。

本发明的另一个目的是提供一种火车车轮表面自动电磁超声检测方法。

为了实现上述目的，本发明是这样实现的：

一种火车车轮表面自动电磁超声检测装置，包括电磁超声换能器，火车车轮经过时触发电磁超声换能器产生的超声波经过连接线路输入电磁超声探伤仪，该电磁超声探伤仪包括如下部件：

计算机(11)，

脉冲发生器(12)：由计算机(11)控制产生连续的方脉冲，

脉冲串产生器(13)：将脉冲发生器(12)产生的连续脉冲切割成脉冲串，

功率放大器(14)：使脉冲串增加能量，并馈电给电磁超声换能器15，

其中，从电磁超声换能器(15)获得的带有车轮表面质量信息的检测信号首先经前置放大器(16)进行放大，然后送检波器(17)做解调处理；

解调后的检测信号通过衰减器(18)增减幅度，再经视频放大器(19)最终放大后输入计算机11，计算机11完成对信号的甄别，判断是否具有有害缺陷，并将检测结果进行显示、分类、编辑、统计和存储。

电磁超声换能器(15)包括至少以下两种换能器：车轮踏面换能器(1)和车轮轮缘换能器(2)，它们分别紧贴固定在钢轨的外侧面和内侧面。

所述的电磁超声探伤仪中，计算机(11)通过D/A连接脉冲发生器(12)。

所述的车轮踏面换能器(1)包括扁平线圈(3)、壳体(4)、钕铁硼磁铁(5)和弹簧(6)；壳体(4)下部为平板，其上有用于固定车轮踏面换能器(1)的安装孔；钕铁硼磁铁(5)安装在壳体(4)中的弹簧(6)上面。

弹簧(6)向上顶推磁铁(5)和扁平线圈(3)，使扁平线圈(3)贴近车轮踏面。

所述的车轮轮缘换能器(2)包括曲面线圈(7)、壳体(8)、钕铁硼磁铁(9)和弹簧(10)；壳体(8)下部为平板，其上有用于固定车轮轮缘换能器(2)的安装孔，钕铁硼磁铁(9)安装在壳体(8)中的弹簧(10)上面。

弹簧(10)作向上顶推磁铁(9)和曲面线圈(7)，使曲面线圈(7)贴近车轮轮缘。

上述的壳体是不锈钢材料。

所述衰减器(18)通过I/O连接计算机(11)。

一种火车车轮表面自动电磁超声检测方法，是火车车轮经过时触发电磁超声换能器产生的超声波经过连接线路输入电磁超声探伤仪，执行如下步骤：

计算机(11)控制脉冲发生器(12)产生连续的方脉冲，

脉冲串产生器(13)将脉冲发生器(12)产生的连续脉冲切割成脉冲串，

功率放大器(14)使脉冲串增加能量，并馈电给电磁超声换能器15，

从电磁超声换能器(15)获得的带有车轮表面质量信息的检测信号首先经前置放大器(16)进行放大，然后送检波器(17)做解调处理；

解调后的检测信号通过衰减器(18)增减幅度，再经视频放大器(19)最终放大后输入计算机(11)，计算机(11)完成对信号的甄别，判断是否具有有害缺陷，并将检测结果进行显示、分类、编辑、统计和存储。

计算机(11)通过D/A控制脉冲发生器(12)。

所述衰减器(18)的增减调节通过I/O控制进行。

本发明用于火车车轮表面的自动检测时可以做到：

①无需对车轮表面进行逐点扫查，在换能器与车轮接触的瞬间，超声波既可在车轮内传播数周，完成对整个车轮表面的检查；

②能检测出车轮表面和近表面内的缺陷；

③能检测出车轮表面长15mm深1mm的裂纹；

④全自动检测，无需操作人员判伤。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：不像传统的压电超声探伤那样需要使用液态耦合介质，不需要额外增加辅助装置，不需要特殊的机械动作，只将电磁超声换能器安装在铁道线上即可。在检测过程中火车不需要停顿，不占用时间。列车行驶中的车轮表面自动探伤可以从根本上改变行驶车轮的运行状况，减少由于车轮缺陷造成的事故。

附图说明

图1为本发明火车车轮表面自动电磁超声检测装置的电磁超声探伤仪的电路组成框图。

图2为图1中电磁超声换能器15(分别为车轮踏面换能器1和车轮轮缘换能器2)的安装示意图。

图3为图2中车轮踏面换能器1的机械结构示意图。

图4为图2中车轮轮缘换能器2的机械结构示意图。

上述附图中：

1车轮踏面换能器 2车轮轮缘换能器 3扁平线圈 4、8壳体

5、9钕铁硼磁铁 6、10弹簧 7曲面线圈

11计算机 12脉冲发生器 13脉冲串产生器

14功率放大器 15电磁超声换能器 16前置放大器

17检波器 18衰减器 19视频放大器

TRIG-触发器 A/D-模数转换 D/A数摸转换

I/O-输入输出控制 CRT-显示器 HDD-硬盘存储器

CD-ROM-光盘驱动器 R32-计算机 R32接口。

具体实施方式

下面结合附图介绍本发明的实施例。

本发明的火车车轮表面自动电磁超声检测装置由电磁超声换能器和电磁超声探伤仪组成。

本发明的检测装置的组成框图如图1所示。由计算机11控制D/A在脉冲发生器12处产生连续的方脉冲；脉冲串产生器13将脉冲发生器12产生的连续脉冲切割成脉冲串；功率放大器14使脉冲串增加能量，并馈电给电磁超声换能器15；从电磁超声换能器15获得的带有车轮表面质量信息的检测信号首先经前置放大器16进行放大；然后送检波器17做解调处理；解调后的检测信号通过衰减器18增减幅度，以适应计算机11对信号幅度的处理要求；衰减器18的增减调节通过I/O控制进行；经过衰减器18调节的检测信号再经视频放大器19的最终放大处理后，做A/D转换送交计算机11。计算机11完成对信号的甄别，判断是否具有有害缺陷，并将检测结果进行显示、分类、编辑、统计和存储。

计算机11对检测信号进行甄别、判断是否有缺陷的方法是：在电磁超声波传播的时间域内设定报警闸门，当超声波的回波信号高于报警闸门时，即判断为有缺陷存在，并即时驱动仪器的声、光报警器给出报警。与此同时，将缺陷的信号波形存储在计算机硬盘(HDD)中，一并存储的还有车轮的编号和序号等，使检测结果与问题车轮相对应。以上功能均由计算机软件实现、完成。

TRIG→I/O的功能是：在钢轨旁靠近电磁超声换能器处安装一接近开关(或光电开关)，当每一车轮滚过换能器时，接近开关(或光电开关)便给出一个触发(TRIG)信号，通过I/O通知计算机车轮的达到，计算机在车轮接触换能器的短暂时间(即TRIG给出信号)内，对探测信号进行甄别和判断。待下一个车轮到达时，计算机做同样工作。依此类推。在各车轮到达换能器的间隔时间内，计算机不对信号进行判断、处理。

11→D/A→TRIG的电路的作用是：计算机11控制D/A使之给出一个精准的电平，该电平作为脉冲发生器(或压控振荡器)的输入使其产生一个固定频率的脉冲波。以每个脉冲的上升沿作为触发(TRIG)指令，通知将脉冲发生器12产生的连续脉冲切割成脉冲串。由此便产生了每隔一定时间间隔发射出一段脉冲串。该脉冲串经功率放大器14增加能量后，馈电给电磁超声换能器15。

本发明的电磁超声换能器15包括两种换能器，如图2所示，一个为车轮踏面换能器1，另一个为车轮轮缘换能器2，它们分别安装在钢轨的外侧面和内侧面，分别探测车轮踏面上的缺陷和车轮轮缘上的缺陷。

车轮踏面换能器1和车轮轮缘换能器2在钢轨上的安装方法如图2所示。首先将钢轨的“轨头”外侧和内侧分别挖掉一块形成一个缺口，并使挖掉部分恰与“轨腰”平齐。然后将换能器放入缺口中，紧贴钢轨侧壁加以固定。

本发明中的车轮踏面换能器1的构成如图3所示，它由扁平线圈3、壳体4、钕铁硼磁铁5和弹簧6组成。壳体4采用不锈钢材料制作，壳体下部为平板，其上有用于固定换能器的安装孔。钕铁硼磁铁5安装于壳体4中弹簧6的上面。弹簧6起作向上顶推磁铁5和扁平线圈3的作用，使扁平线圈3尽量贴近车轮踏面。

本发明中的车轮轮缘换能器2的构成如图4所示，它由曲面线圈7、壳体8、钕铁硼磁铁9和弹簧10组成。壳体8采用不锈钢材料制作，壳体下部为平板，其上有用于固定换能器的安装孔。钕铁硼磁铁9安装于壳体8中弹簧10的上面。弹簧10起作向上顶推磁铁9和曲面线圈7的作用，使曲面线圈7尽量贴近车轮轮缘。

Claims

1.一种火车车轮表面自动电磁超声检测装置，包括电磁超声换能器，其特征是：火车车轮经过时触发电磁超声换能器产生的超声波经过连接线路输入电磁超声探伤仪，该电磁超声探伤仪包括如下部件：

计算机(11)，

脉冲发生器(12)：由计算机(11)控制产生连续的方脉冲，

2.根据权利要求1所述的检测装置，其特征是：电磁超声换能器(15)包括至少以下两种换能器：车轮踏面换能器(1)和车轮轮缘换能器(2)，它们分别紧贴固定在钢轨的外侧面和内侧面。

3.根据权利要求1所述的检测装置，其特征是：所述的电磁超声探伤仪中，计算机(11)通过D/A连接脉冲发生器(12)。

4.根据权利要求2所述的检测装置，其特征是：所述的车轮踏面换能器(1)包括扁平线圈(3)、壳体(4)、钕铁硼磁铁(5)和弹簧(6)；壳体(4)下部为平板，其上有用于固定车轮踏面换能器(1)的安装孔；钕铁硼磁铁(5)安装在壳体(4)中的弹簧(6)上面。

5.根据权利要求4所述的检测装置，其特征是：弹簧(6)向上顶推磁铁(5)和扁平线圈(3)，使扁平线圈(3)贴近车轮踏面。

6.根据权利要求2所述的检测装置，其特征是：所述的车轮轮缘换能器(2)包括曲面线圈(7)、壳体(8)、钕铁硼磁铁(9)和弹簧(10)；壳体(8)下部为平板，其上有用于固定车轮轮缘换能器(2)的安装孔，钕铁硼磁铁(9)安装在壳体(8)中的弹簧(10)上面。

7.根据权利要求6所述的检测装置，其特征是：弹簧(10)作向上顶推磁铁(9)和曲面线圈(7)，使曲面线圈(7)贴近车轮轮缘。

8.根据权利要求4或6所述的检测装置，其特征是：上述的壳体是不锈钢材料。

9.根据权利要求1所述的检测装置，其特征是：所述衰减器(18)通过I/O连接计算机(11)。

10.一种火车车轮表面自动电磁超声检测方法，是火车车轮经过时触发电磁超声换能器产生的超声波经过连接线路输入电磁超声探伤仪，其特征是：执行如下步骤：

计算机(11)控制脉冲发生器(12)产生连续的方脉冲，

11.根据权利要求10所述的检测方法，其特征是：计算机(11)通过D/A控制脉冲发生器(12)。

12.根据权利要求10所述的检测方法，其特征是：所述衰减器(18)的增减调节通过I/O控制进行。