CN102043015B - 长距离探测钢轨轨底缺陷的超声导波装置及方法 - Google Patents

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Abstract

一种长距离探测钢轨轨底缺陷的超声导波装置，包括计算机、数据采集卡、检测信号放大器、任意波形发生器，功率放大器、转换开关、导波阵列探头。其特征是计算机是装置的控制中心，计算机控制任意波形发生器产生中心频率为所选检测频率的单音频信号，经功率放大器后送至导波阵列探头，在钢轨轨底中激励垂直弯曲模式导波。在转换开关调控下，导波阵列探头接收缺陷反射回波信号经过检测信号放大器和数据采集卡送至计算机处理和显示。本发明实现对钢轨轨底缺陷的快速无损检测。

Description

长距离探测钢轨轨底缺陷的超声导波装置及方法
技术领域
本发明涉及一种探测钢轨轨底缺陷的装置及方法，尤其涉及一种长距离探测钢轨轨底缺陷的装置及方法。
背景技术
 目前世界各国铁路钢轨主要采用钢轨超声自动探伤车和手推式钢轨超声探伤小车进行检测。钢轨超声探伤车的技术是采用0度纵波探头和37度、45度、70度等角度的横波探头组合对钢轨轨头轨腰进行探测，在技术上采用的是属于体波模式的超声纵横波检测方法。线路钢轨通过弹扣、金属垫片作用于轨底板而固定在枕木上，轨底板距道砟很近，在一些偏远路段钢轨轨底板甚至被道砟和沙土掩盖。现有的钢轨超声探伤车无法对钢轨轨底缺陷如轨底横向裂纹、核伤等进行检测。因此，我国铁路标准只要求对钢轨轨头、轨腰和轨腰向下延展的轨底三角区进行超声探查，对于轨底边沿不作要求，仅在人工巡道发现伤损后，进行手动超声探伤。随着我国铁路提速重载战略的不断深入，重载快速列车对钢轨的冲击不断增大，轨底横向裂纹的发生不断增加，钢轨轨底横向裂纹已成为引起钢轨断裂的一个重要因素，给铁路运输安全造成严重的威胁。
多年来，对钢轨轨底横向裂纹的快速探测与鉴别一直没有成熟的探伤工艺，如何快速有效地发现钢轨轨底横向裂纹并及时进行处理，已成为线路钢轨超声探伤工作的主要难题。
与固体中的超声体波如纵波和横波不同，超声导波是指在一定长度、任意截面固体声波导中传播的一类弹性波。超声导波具有频散和多模式两个主要特点。频散主要表现在，导波随传播距离的增加，回波波包逐渐扩大，幅度逐渐减小的现象；多模式指在声波导中有不止一个模式的波在传播。常见和经典的弹性固体中的超声导波有板中的导波也成为板波，以及圆管中的导波。
与常规的超声体纵横波检测技术不同，超声导波检测技术具有一处激发，大面积和大范围传播的优势，因此适合于长距离快速检测。超声导波检测技术在板材和管道的无损检测中得到成功应用。
发明内容
本发明的目的在于提供了一种长距离探测钢轨轨底缺陷的装置及方法，从而解决目前线路钢轨的轨底无法进行快速无损检测的问题。
本发明是这样来实现的，它包括计算机、数据采集卡、检测信号放大器、任意波形发生器，功率放大器、转换开关、导波阵列探头，其特征是计算机连接数据采集卡和任意波形发生器，数据采集卡连接检测信号放大器，任意波形发生器连接功率放大器，功率放大器连接转换开关，转换开关连接导波阵列探头和检测信号放大器。 
长距离探测钢轨轨底缺陷的超声导波方法，方法步骤为：
1）根据钢轨型号及轨底板几何尺寸，计算钢轨轨底弯曲模式导波的群速度频散曲线，在50~80kHz频率范围内确定激励频率进行检测；
2）将所选检测频率值输入计算机，计算机控制任意波形发生器产生同样的中心频率为所选检测频率的3~7周期的单音频信号，该信号送至功率放大器放大后，再由转换开关传输至与之相连的导波阵列探头，在钢轨轨底中激励垂直弯曲模式超声导波；
3）若无缺陷，则无任何缺陷反射回波存在，表明由阵列探头位置向前一段距离（≤20米）内钢轨轨底无缺陷，检测结束，可移动导波阵列探头继续下一段长距离的检测；若有缺陷存在，则由导波阵列探头接收缺陷反射回波信号，该信号经转换开关传输至检测信号放大器，信号放大后送至数据采集卡，并送计算机处理和显示；
4）通过检测回波波形读取其中激励波包、缺陷回波波包，由波峰所在位置确定缺陷回波与激励波包之间的时间间隔t，乘以由频散曲线获得的在所选检测频率下垂直弯曲模式导波的声速v，即可得到缺陷距离阵列导波探头的距离：l=v×t/2。根据缺陷回波波峰幅值与人工缺陷反射回波峰值的关系曲线，可以得到缺陷的当量大小。
本发明的技术效果是：能快速和长距离的进行钢轨轨底缺陷的超声导波探伤，对缺陷的当量大小进行准确判断。
附图说明
图1为本发明的结构方框图。
在图中，1、计算机 2、任意波形发生器3、功率放大器4、转换开关5、导波阵列探头6、检测信号放大器7、数据采集卡。
具体实施方式
如图1所示，本发明是这样来实现的，计算机（1）连接数据采集卡（7）和任意波形发生器（2），数据采集卡（7）连接检测信号放大器（6），任意波形发生器（2）连接功率放大器（3），功率放大器（3）连接转换开关（4），转换开关(4)连接导波阵列探头(5)和检测信号放大器（6）。超声导波阵列探头（5）由四个低频率超声高阻尼分探头组成，低频超声导波阵列探头(5)垂直放置于钢轨轨底一侧，各分探头中心间距为                                               
Figure 2011100218648100002DEST_PATH_IMAGE001
，其中
Figure 366497DEST_PATH_IMAGE001
为导波波长。各分探头组装在探头匣中，探头匣表层采用一定厚度的钢板，检测时用手按住探头并通过钢板重量形成压块，使低频超声导波阵列探头（5）与钢轨轨底板面保持良好耦合。低频超声导波阵列探头（5）后部为吸声层，使产生的导波只向前方传播。在50~80kHz频率范围内，选择一检测频率，并以此为中心频率产生3~7周期的脉冲正弦波，经过功率放大后激励导波阵列探头。在钢轨轨底面激发出垂直弯曲模式导波，在以上激发条件下，钢轨轨底中激发产生的垂直弯曲模式导波传播距离远，对轨底缺陷敏感，能快速检测钢轨轨底缺陷，探测钢轨轨底左侧缺陷时，将阵列探头放置于钢轨轨底左侧；检测右侧钢轨轨底时，则将阵列探头放置于右侧轨底。激励信号经过功率放大后同时施加于四个分探头激发振动，在钢轨轨底中产生垂直弯曲模式导波，四个分探头同时接收由缺陷反射回的导波信号，通过转换开关（4）后进行合成并送检测信号放大器（6）进行信号线性放大，根据激励波和缺陷回波时间，以及缺陷回波波包幅值可以实现钢轨轨底缺陷的定位和当量定量。

Claims (1)

1.一种长距离探测钢轨轨底缺陷的超声导波检测方法，该方法是按以下步骤来实现检测的：
1）通过激发垂直弯曲振动模式导波对钢轨轨底缺陷进行长距离无损检测；根据钢轨型号及轨底板几何尺寸，计算钢轨轨底弯曲模式导波的群速度频散曲线，在50~80kHz频率范围内确定激励频率进行检测；
2）将所选检测频率值输入计算机（1），计算机（1）控制任意波形发生器（2）产生同样的中心频率为所选检测频率的3~7周期的单音频信号，该信号送至功率放大器（3）放大后，再由转换开关（4）传输至与之相连的导波阵列探头，在钢轨轨底中激励垂直弯曲模式超声导波；
3）若无缺陷，则无任何缺陷反射回波存在，表明由阵列探头位置向前一段小于等于20米的距离内钢轨轨底无缺陷，检测结束，可移动导波阵列探头继续下一段长距离的检测；若有缺陷存在，则由导波阵列探头接收缺陷反射回波信号，该信号经转换开关（4）传输至检测信号放大器（6），信号放大后送至数据采集卡（7），并送计算机（1）处理和显示；
4）通过检测回波波形读取其中激励波包、缺陷回波波包，由波峰所在位置确定缺陷回波与激励波包之间的时间间隔t，乘以由频散曲线获得的在所选检测频率下垂直弯曲模式导波的声速v，即可得到缺陷距离阵列导波探头的距离：l=v×t/2；根据缺陷回波波峰幅值与人工缺陷反射回波峰值的关系曲线，可以得到缺陷的当量大小。
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