CN101398411B - 钢轨踏面缺陷快速扫查方法及其装置 - Google Patents

钢轨踏面缺陷快速扫查方法及其装置 Download PDF

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Abstract

本发明属于电磁超声无损检测领域，提供一种钢轨踏面缺陷快速扫查方法及其装置。目的在于解决现有钢轨检测方式中对表面缺陷不敏感、检测速度慢等问题，满足高速电气化铁路发展的需要。装置由探头、电路***、存储单元和显示单元组成。检测装置使用电磁超声表面波，通过一发两收的探头模式，使用脉冲反射法和透射法相结合的方式，对缺陷量化精度高。该检测方法无需使用声耦合剂，结构简单，环境适应能力强，能够实现对钢轨踏面缺陷的快速扫查。

Description

钢轨踏面缺陷快速扫查方法及其装置
(一)技术领域
本发明涉及超声检测技术，具体说就是一种钢轨踏面缺陷快速扫查方法及其装置。
(二)背景技术
铁路是国民经济的大动脉，铁路安全对于社会经济建设的健康发展和社会协调稳定具有举足轻重的作用。安全运输是铁路永恒的主题。然而，随着高速和混合重负荷越来越普遍，钢轨损伤越来越严重，钢轨缺陷形式很多，其中滚动接触疲劳(rolling contact fatigue，简写作RCF)导致的钢轨龟裂现象是影响行车安全的重要因素。RCF导致的钢轨缺陷一般产生于钢轨踏面并不断扩大，而且不易发现。严重的时候造成钢轨解裂，发生重大的安全事故。
现有的钢轨检测技术主要以压电超声检测为主，主要是向钢轨内部垂直或者倾斜一定角度发射超声波信号，通过对超声反射回波信号分析得到钢轨内部缺陷信息。这种检测方式可以对钢轨内部缺陷进行较为全面的检测。然而，该技术在检测时依赖声耦合剂。耦合剂的存在使得装置体积增大，复杂度增加，并且限制了检测速度以及单次检测距离。目前压电超声的检测方法还远远达不到列车的运行速度，检测速度慢，占道严重。此外，钢轨踏面缺陷属于一种表面缺陷，而压电超声存在盲区，对于表面缺陷敏感度较差。然而，由于RCF导致的踏面缺陷是钢轨核伤产生和扩大的主要源头，压电超声的检测方法无法提前发现踏面损伤，检测人员不能及时对缺陷钢轨采取有效措施，给安全带来隐患。
为了弥补压电超声检测对钢轨踏面缺陷敏感度较低的不足，国内外学者研究了基于涡流方法的钢轨检测装置。涡流检测虽然可以检测出踏面缺陷，但该方法属于逐点检测，检测速度慢。
电磁超声技术是一种新型的无损检测技术，与传统的压电超声相比，该技术无需使用声耦合剂，结构简单，可以适应更高速度的钢轨检测。而且，电磁超声换能器可以方便发出各种类型的超声波，设计灵活方便。超声表面波在钢轨中的传播速度约3000m/s，传播过程衰减小，对表面和近表面缺陷敏感性很高，可以实现钢轨踏面缺陷的快速扫查。
(三)发明内容
本发明的目的在于提供一种能够检测钢轨踏面缺陷，可以满足列车提速和高速电气化铁路发展需要的钢轨踏面缺陷快速扫查方法及其装置。
本发明一种钢轨踏面缺陷快速扫查装置，它是由超声检测单元7、电路***9、存储单元5和显示单元6组成的。超声检测单元7连接电路***9，电路***9分别连接存储单元5和显示单元6。
本发明一种钢轨踏面缺陷快速扫查装置，还具有以下技术特征：
(1)所述的电路***9包括发射电路1、接收电路2、AD转换电路3和微处理器4。发射电路1连接微处理器4，微处理器4连接AD转换电路3，、AD转换电路3连接接收电路2。
(2)所述的超声检测单元7由超声探头A和超声探头B组成，超声探头A和超声探头B安置在钢轨踏面。
本发明一种钢轨踏面缺陷快速扫查方法，工作步骤如下：
步骤一：将超声检测单元7安置在钢轨踏面上；
步骤二：检测***初始化；
步骤三：微处理器4发出控制信号给发射电路1，信号为脉冲串的形式，频率500kHz，持续时间16μs；
步骤四：发射电路1驱动超声探头A发出超声表面波，驱动电流100A；
步骤五：超声表面波在钢轨踏面沿钢轨长度方向传播，遇到缺陷会发生反射以及在前进的方向上产生衰减，通过超声探头A可以接收到反射回波，超声探头B可以接收到透射波；
步骤六：超声探头A、超声探头B接收的超声信号经接收电路2进行放大滤波，然后由AD转换电路3在微控制器4的控制下将该信号采集并暂存在微处理器4的内存单元中；
步骤七：微处理器4对采集到的超声探头A、超声探头B的信号进行快速数字信号处理，提取缺陷特征；
步骤八：微处理器4将根据超声探头A的反射回波信号确定缺陷的有无、位置；
步骤九：微处理器4将根据超声探头A接收信号中缺陷回波的大小和超声探头B接收的透射信号衰减的大小，对缺陷的大小进行量化；
步骤十：微处理器4将处理结果在显示单元6上实时显示；
步骤十一：微处理器4将处理前后的数据存储在存储单元5中；
步骤十二：返回运行步骤三。
本发明一种钢轨踏面缺陷快速扫查方法及其装置，通过电磁超声表面波检测钢轨踏面缺陷，达到以下效果：
(1)能够有效检测出钢轨踏面缺陷，一次检测距离远，检测效率高；
(2)使用电磁超声技术实现钢轨踏面缺陷检测，检测无需使用声耦合剂，无需配备复杂的机械结构和盛装耦合剂的容器，检测装置结构简单化；
(3)使用反射法和透射法相结合的方式，对缺陷大小进行量化的精度高；
(4)由于无需声耦合剂，可以适应的温度范围宽，环境适应能力强。
本发明所述的一种钢轨踏面缺陷快速扫查装置，可以实现对钢轨缺陷的在线和在役检测。
(四)附图说明
图1为本发明的总体结构框图；
图2为本发明的超声检测原理图；
图3为本发明的超声表面波激发原理图；
图4为本发明的检测无缺陷时探头波形示意图；
图5为本发明的检测有缺陷时探头波形示意图。
(五)具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
实施例1，结合图1，本发明一种钢轨踏面缺陷快速扫查装置，它是由超声检测单元(7)、电路***(9)、存储单元(5)和显示单元(6)组成的。超声检测单元(7)连接电路***(9)，电路***(9)分别连接存储单元(5)和显示单元(6)。所述的电路***(9)包括发射电路(1)、接收电路(2)、AD转换电路(3)和微处理器(4)。发射电路(1)连接微处理器(4)，微处理器(4)连接AD转换电路(3)，AD转换电路(3)连接接收电路(2)。所述的超声检测单元7由超声探头A和超声探头B组成，超声探头A和超声探头B安置在钢轨踏面。
本发明一种钢轨踏面缺陷快速扫查方法，工作步骤如下：
步骤一：将超声检测单元(7)安置在钢轨踏面上；
步骤二：检测***初始化；
步骤三：微处理器(4)发出控制信号给发射电路(1)，信号为脉冲串的形式，频率500kHz，持续时间16μs；
步骤四：发射电路(1)驱动超声探头A发出超声表面波，驱动电流100A；
步骤五：超声表面波在钢轨踏面沿钢轨长度方向传播，遇到缺陷会发生反射以及在前进的方向上产生衰减，通过超声探头A可以接收到反射回波，超声探头B可以接收到透射波；
步骤六：超声探头A、超声探头B接收的超声信号经接收电路(2)进行放大滤波，然后由AD转换电路(3)在微控制器(4)的控制下将该信号采集并暂存在微处理器(4)的内存单元中；
步骤七：微处理器(4)对采集到的超声探头A、超声探头B的信号进行快速数字信号处理，提取缺陷特征；
步骤八：微处理器(4)将根据超声探头A的反射回波信号确定缺陷的有无、位置；
步骤九：微处理器(4)将根据超声探头A接收信号中缺陷回波的大小和超声探头B接收的透射信号衰减的大小，对缺陷的大小进行量化；
步骤十：微处理器(4)将处理结果在显示单元(6)上实时显示；
步骤十一：微处理器(4)将处理前后的数据存储在存储单元(5)中；
步骤十二：返回运行步骤三。
实施例2，结合图2，所述的超声检测单元(7)由具有收发一体功能的超声探头A和具有接收功能的超声探头B组成，具有一发两收功能。其中超声探头A根据相控阵技术设计，可以保证向一边发射超声表面波，避免向两个方向发射超声波引起缺陷识别的误判。
检测装置工作过程如下：微处理器(4)发出控制信号给发射电路(1)，发射电路(1)驱动超声探头A发出超声表面波。超声表面波在钢轨中传播，传播速度约3000m/s，当遇到缺陷时会产生衰减。超声探头A接收反射回波，超声探头B接收透射回波，超声波在钢轨踏面传播路径如图2所示。超声探头A和超声探头B接收到的超声信号经接收电路(2)调理后，由AD转换电路(3)采集后暂存在微处理器(4)的内存单元中。微处理器(4)将两个探头接收到的信号经快速数字信号处理，提取缺陷特征。微处理器(4)将根据超声探头A的反射回波信号确定缺陷的有无，如果有缺陷，将进一步根据缺陷回波时间确定缺陷位置，根据反射回波的强度并结合超声探头B中信号衰减的大小对该缺陷大小进行量化。最后，微处理器(4)将处理结果通过显示单元(6)进行实时显示，并将处理前后的数据存储在存储单元(5)中。
实施例3，结合图2、图3，本发明所述的超声表面波的工作原理是，利用特制的曲折线圈，可方便地产生沿被测物表面传播的超声表面波。如图2所示，将超声换能器安放在钢轨踏面上，向发射线圈中通以周期变换的电流，踏面便可产生沿钢轨长度方向传播的超声表面波；超声波遇到缺陷会产生反射和在前进方向上产生衰减，通过测量反射回波的时间和强度以及测量透射波的衰减程度即可方便地确定缺陷的位置和大小。超声表面波在钢轨中的传播速度约3000m/s，传播过程衰减小，可以实现钢轨踏面缺陷的快速扫查。
实施例4，结合图2、图4、图5，本发明所述的钢轨踏面缺陷快速扫查装置，超声检测单元由两个超声探头组成——超声探头A和超声探头B，其中超声探头A既做发射又做接收，超声探头B做接收使用。在进行检测之前，首先将超声探头A、B放置在没有缺陷的钢轨踏面，记录此时超声探头B接收到的透射波的幅值。在实际检测时，当超声探头A、B之间没有缺陷时，此时超声探头A将没有回波信号，超声探头B接收到的透射波不会有衰减，如图4所示；当超声探头A、B之间有缺陷时，此时超声探头A将接收到由缺陷带来的反射回波，超声探头B接收到的透射波强度将比在没缺陷时有一定程度的衰减，如图5所示。测量探头A接收到的缺陷反射回波信号出现的时间即可计算得到缺陷的位置；测量探头A接收到的缺陷反射回波信号的强度并结合探头B接收到的透射波衰减的程度即可对缺陷大小进行量化。
实施例5，本发明所述的钢轨踏面缺陷快速扫查装置，电磁超声探头表面有一层0.5mm厚的耐磨层，并且保证探头到钢轨表面有1mm的提离距离，用以保护电磁超声线圈不会因磨损而损坏。
对于在役钢轨的检测，需要对缺陷位置进行标定。由于每根钢轨长度已知(一般为25m)，可以通过钢轨焊缝以及配备里程轮来对装置在钢轨上的行进路程进行标定，从而保证对钢轨缺陷的精确定位。

Claims (1)

1.一种钢轨踏面缺陷快速扫查方法，工作步骤如下：
步骤一：将超声检测单元(7)安置在钢轨踏面上；
步骤二：检测***初始化；
步骤三：微处理器(4)发出控制信号给发射电路(1)，信号为脉冲串的形式，频率500kHz，持续时间16μs；
步骤四：发射电路(1)驱动超声探头A发出超声表面波，驱动电流100A；
步骤五：超声表面波在钢轨踏面沿钢轨长度方向传播，遇到缺陷会发生反射以及在前进的方向上产生衰减，通过超声探头A可以接收到反射回波，超声探头(B)可以接收到透射波；
步骤六：超声探头A、超声探头B接收的超声信号经接收电路(2)进行放大滤波，然后由AD转换电路(3)在微控制器(4)的控制下将该信号采集并暂存在微处理器(4)的内存单元中；
步骤七：微处理器(4)对采集到的超声探头A、超声探头B的信号进行快速数字信号处理，提取缺陷特征；
步骤八：微处理器(4)将根据超声探头A的反射回波信号确定缺陷的有无、位置；
步骤九：微处理器(4)将根据超声探头A接收信号中缺陷回波的大小和超声探头B接收的透射信号衰减的大小，对缺陷的大小进行量化；
步骤十：微处理器(4)将处理结果在显示单元(6)上实时显示；
步骤十一：微处理器(4)将处理前后的数据存储在存储单元(5)中；
步骤十二：返回运行步骤三。
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