CN103760237A - 一种空心轴超声探伤装置 - Google Patents

Abstract

一种空心轴超声探伤装置，包括超声波探头、超声波收发单元、控制器和探头移动单元。超声波探头由一个或多个沿轴向顺序排列的超声波晶片组构成，超声波晶片组由多个呈柱状或拟柱状分布的超声波振源晶片组成；超声波收发单元按照控制器设定的时间顺序、频率和脉冲宽度激发超声波震源晶片产生超声波，同时，超声波收发单元按照控制器设定的时间顺序从超声波振源晶片接收超声回波信号，实现绕圆周电子旋转扫查，超声波探头在空心轴内部探伤时不需要机械旋转扫查。该装置可以应用于高速铁路空心轴等具有通孔型结构的零件的缺陷无损检测，检测效率高，且机械结构简单，使用方便。

Description

一种空心轴超声探伤装置

技术领域

本发明涉及超声波检测技术领域，尤其涉及一种空心轴超声波探伤装置的结构设计。

背景技术

我国高速铁路发展进入了一个新的快速发展阶段，随着高速铁路运营里程和速度的不断提升，铁路车辆上各个零部件的检测方法和检测手段也需要得到进一步的提升，以保障运行安全。高速铁路车辆的车轴一般采用空心轴，现有的空心轴缺陷超声波探伤装置，如公开号为CN201984056、CN202351214、CN202230058的中国专利，均采用带有旋转电机的探头，每个探头上安装有单晶或双晶的直探头和斜探头，通过旋转电机带动探头载体绕轴心旋转扫查探伤，通过移动机构使探头在空心轴内部沿轴向移动，由于空心轴内部空间较为狭窄，且机械转动过程产生的电噪声和机械振动等对探伤过程也会产生一定的影响，探伤速度受限于机械式的扫查方式，因此急需提供一种新型的非机械旋转式空心轴超声波探伤装置以克服上述现有装置的缺陷。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种空心轴超声探伤装置，通过该装置，超声波探头可以不需要进行机械转动扫查，通过该装置提供的柱形或拟柱形阵列式的超声波探头，实现径向方向上的电子旋转扫查，可以降低机械转动带来的电噪声和机械振动等问题，简化装置的机械结构，提高探伤的工作效率，提高探伤的灵敏度。

本发明设计的一种空心轴超声探伤装置，包括超声波探头、超声波收发单元、控制器和探头移动单元；所述超声波探头在空心轴的内部沿轴向移动，所述超声波探头包括至少一个沿轴向顺序连接的超声波晶片组和导声单元，每个超声波晶片组包括至少一个呈柱状或拟柱状并且环绕空心轴的轴心线分布的超声波振源晶片，超声波振源晶片与导声单元紧密接触，导声单元与空心轴的内孔表面紧密接触，所述导声单元由导声楔块和耦合液组成或完全由耦合液构成；所述超声波探头的两端还固定安装有防止耦合液外漏的密封圈；每个超声波振源晶片均与超声波收发单元连接，超声波收发单元与控制器通过有线电缆连接或无线通信中的一种或多种的组合方式传输信号，超声波收发单元激发各个超声波振源晶片产生超声波，同时超声波收发单元从各个超声波振源晶片接收超声回波信号，超声波收发单元将超声回波信号传送给控制器；探头移动单元与超声波探头连接，同时也与控制器连接，探头移动单元根据控制器的控制指令带动超声波探头在空心轴的内部沿轴向移动。

所述超声波振源晶片在振动方向上的截面为矩形、梯形或三角形，平行于振动方向上的侧剖面为平面、凸面或凹面。

所述超声波探头上固定安装有检测超声波探头绕轴心线偏转角度的倾角传感器，倾角传感器与控制器通过有线电缆连接或无线通信的方式传输信号。

所述空心轴超声探伤装置还包括耦合液循环泵，所述耦合液循环泵通过液体管路与导声单元连接，耦合液循环泵安装在空心轴外部或安装在超声波探头上。

所述空心轴超声探伤装置还包括显示器和用户交互单元，显示器与控制器通过有线电缆或无线通信的方式连接，用户交互单元采用键盘、鼠标、按钮开关和触控屏幕中的一种或几种的组合，用户交互单元与控制器通过有线电缆连接或无线通信的方式传输信号。

所述探头移动单元为推拉杆式结构，包括推拉杆、推进动力装置和位移传感器；推拉杆的一端与超声波探头固定连接，另一端与推进动力装置固定连接；推进动力装置带动推拉杆沿轴向移动，超声波探头在推拉杆的带动下在空心轴内部沿轴向移动；推进动力装置与控制器通过有线电缆连接或无线通信的方式传输信号；位移传感器与推拉杆、推进动力装置或超声波探头中的一个或多个部件连接，测量探头移动单元的轴向位移量，并与控制器通过有线电缆或无线通信的方式传输信号；所述位移传感器采用旋转编码器、拉线编码器或加速度传感器中的一种或多种的组合。

所述推拉杆采用长直光杆、柔性软管、丝杠和多节连杆中的一种或几种的组合，推进动力装置采用油缸、气缸或电动机。

所述探头移动单元也可为腱绳拉动式结构，包括腱绳、滑轮机构、拉绳动力装置和位移传感器；所述拉绳动力装置包括绕绳桶和电机，腱绳的一端与超声波探头固定连接，另一端通过滑轮机构与绕绳桶固定连接；电机的输出轴与绕绳桶固定连接；位移传感器与腱绳、滑轮机构或拉绳动力装置连接，测量探头移动单元的轴向位移量，并与控制器通过有线电缆或无线通信的方式传输信号；所述位移传感器采用旋转编码器、拉线编码器或加速度传感器中的一种或多种的组合。

所述探头移动单元为高压充气式结构，包括密封环、进气阀、排气阀、气泵、回收绳和位移传感器；密封环固定在空心轴的一端，进气阀的一端与气泵的出气孔通过气体管路连接，另一端与密封环通过气体管路连接，排气阀与密封环之间通过气体管路连接；回收绳的一端与超声波探头固定连接，另一端与密封环固定连接；位移传感器与超声波探头连接，测量超声波探头的轴向位移量，并与控制器通过有线电缆或无线通信的方式传输信号；所述位移传感器采用旋转编码器、拉线编码器或加速度传感器中的一种或多种的组合。

本发明与现有技术相比，具有以下优点和突出性效果：

本发明所采用的超声波探头是一种柱形或拟柱形阵列式的超声波探头，该超声波探头中包括至少一个超声波晶片组，每一个超声波晶片组中的超声波振源晶片呈柱状或拟柱状绕轴心线分布，超声波收发单元按照控制器指定的时间顺序、频率和脉冲宽度激发各个超声波振源晶片产生超声波，同时以一定的时间顺序和采样时间长度从各个超声波振源晶片接收超声回波信号，并将该信号传送给控制器，从而实现绕圆周方向的径向超声探伤，不再需要机械式旋转扫查，可以降低机械转动带来的电噪声和机械振动等问题，简化装置的机械结构，提高探伤的工作效率，提高探伤的灵敏度。

附图说明

图1是本发明所述空心轴探伤装置的***结构示意图。

图2是本发明所述超声波探头的第一种实施例。

图3是本发明所述超声波探头的第二种实施例。

图4是本发明所述超声波探头的第三种实施例。

图5是本发明所述超声波探头的第四种实施例。

图6是图3所示实施例的A‐A剖视图。

图7是图5所示实施例的B‐B剖视图。

图8是本发明所述推拉杆式的探头移动单元结构图。

图9是本发明所述腱绳拉动式的探头移动单元结构图。

图10是本发明所述高压充气式的探头移动单元结构图。

1‐超声波探头；          10‐超声波晶片组；       10A‐第一超声波晶片组；

10B‐第二超声波晶片组；  10C‐第三超声波晶片组；  11‐超声波振源晶片；

11A‐第一组超声波振源晶片；

11B‐第二组超声波振源晶片；

11C‐第三组超声波振源晶片；

12‐导声单元；          13‐密封圈，             14‐基底，

16‐倾角传感器，

2‐超声波收发单元，

3‐控制器，

4‐探头移动单元，       411‐推拉杆，            412‐推进动力装置，

421‐腱绳，             422‐滑轮机构，          423‐拉绳动力装置，

424‐绕绳桶，           425‐电机，              431‐密封环，

432‐进气阀，           433‐排气阀，            434‐气泵，

435‐回收绳，

5‐位移传感器，

6‐耦合液循环泵，

7‐显示器，             8‐用户交互单元，

9‐空心轴。

具体实施方式

下面结合附图以及实施例进一步详细说明本发明具体结构、工作原理的内容。

本发明所述空心轴探伤装置的一种实施例，如图1、图2、图6、图9所示，是该装置的一种实施例的***结构图，包括超声波探头1、超声波收发单元2、控制器3和探头移动单元4；所述超声波探头1在空心轴9的内部沿轴向移动，超声波探头1包括三个超声波晶片组10和一个导声单元12，其中超声波晶片组，即第一超声波晶片组10A，第二超声波晶片组10B和第三超声波晶片组10C，每一个超声波晶片组均包含多个超声波振源晶片11，其中第一组超声波振源晶片11A绕空心轴9的轴心线呈圆台形分布，第二组超声波振源晶片11B绕空心轴9的轴心线呈圆柱形分布，第三组超声波振源晶片11C绕空心轴9的轴心线呈圆台形分布，第一组超声波振源晶片11A和第二组超声波振源晶片11C发射超声的轴向波数相向传播，每一个超声波振源晶片11均与导声单元12紧密接触，导声单元12与空心轴9的内孔表面紧密接触，本实施例中，导声单元12由导声楔块121和耦合液122组成，导声楔块12采用有机玻璃制作，耦合液122为机油，耦合液122位于导声楔块和空心轴9的内空表面之间，所述超声波探头1的两端还固定安装有防止耦合液122外漏的密封圈13；每个超声波振源晶片11均与超声波收发单元2连接，超声波收发单元2与控制器3通过有线电缆连接的方式传输信号，超声波收发单元2按照控制器3设定的时间顺序、频率和脉冲宽度参数激发每个超声波振源晶片11产生超声波，使发射声波在轴内部的不同径向位置和周向偏转角度处产生聚焦，实现径向和轴向两个方向上的动态电子扫查，同时超声波收发单元2按照控制器3设定的时间顺序和采样时间长度从各个超声波振源晶片11接收超声回波信号；超声波收发单元2将超声回波信号传送给控制器3；探头移动单元4与超声波探头1连接，同时也与控制器3连接，探头移动单元4根据控制器3的控制指令带动超声波探头1在空心轴9的内部沿轴向移动。

所述超声波振源晶片11在振动方向上的截面为矩形、梯形或三角形，平行于振动方向上的侧剖面为平面、凸面或凹面。本实施例中，如图3和图6所示，超声波振源晶片11的振动方向上的截面为矩形，平行于振动方向上的侧剖面为平面的方式。

如图8所示，本实施例中，所述探头移动单元4为推拉杆式结构，包括推拉杆411、推进动力装置412和位移传感器5；推拉杆411的一端与超声波探头1固定连接，另一端与推进动力装置412固定连接；推进动力装置412带动推拉杆411沿轴向移动，超声波探头1在推拉杆411的带动下在空心轴9内部沿轴向移动；推进动力装置412与控制器3通过有线电缆连接或无线通信的方式传输信号；位移传感器5与推进动力装置412连接，测量探头移动单元4的轴向位移量，并与控制器3通过有线电缆的方式传输信号，位移传感器5采用编码器。此外，探头移动单元4还可以采用腱绳拉动式或高压充气式的结构，将在后面结合图9和图10予以说明。

如图1所示，本实施例中的空心轴超声探伤装置还包括显示器7和用户交互单元8，显示器7与控制器3通过有线电缆或无线通信的方式连接，用户交互单元8采用键盘、鼠标和触控屏幕的组合，用户交互单元8与控制器3通过有线电缆连接的方式传输信号。

所述超声波探头1的另外三种实施例，如图3、图4和图5所示，如图3所示的实施例，超声波探头1由一个超声波晶片组10构成，该超声波晶片组10包含多个超声波振源晶片11，超声波振源晶片11绕空心轴9的轴心线呈柱状分布，如图4所述的实施例，超声波探头1由三个超声波晶片组10组成，其中第一超声波晶片组10A和第三超声波晶片组10C均采用圆台形分布，分别包括多个超声波振源晶片11A和多个超声波振源晶片11C，第一组超声波振源晶片11A和第三组超声波振源晶片11C发射超声的轴向波数背向传播，如图5所示的实施例，超声波探头1由一个超声波晶片组10组成，该超声波晶片组10包括多个绕空心轴9的轴心呈圆台形分布的超声波振源晶片11。如图5和图7所示的实施例中的超声波振源晶片11的振动方向上的截面为梯形，平行于振动方向上的侧剖面为凹面。

如图9所示，是本发明装置中探伤移动单元4的第二种实施例，本实施例的探头移动单元4采用腱绳拉动式，包括腱绳421、滑轮机构422、拉绳动力装置423和位移传感器5；所述拉绳动力装置423包括绕绳桶424和电机425，腱绳421的一端与超声波探头1固定连接，另一端通过滑轮机构422与绕绳桶423固定连接；电机425与绕绳桶423固定连接；位移传感器5采用旋转编码器，固定在滑轮机构422上，并与控制器3通过有线电缆或无线通信的方式传输信号。

如图10所示，是本发明装置中探头移动单元4的第三种实施例，本实施例中的探头移动单元4采用高压充气式，包括密封环431、进气阀432、排气阀433、气泵434、回收绳435和位移传感器5，密封环431固定在空心轴9的一端，进气阀432的一端与气泵434的出气孔通过气管连接，另一端与密封环431通过气管连接，排气阀433与密封环431之间通过气管连接；回收绳435的一端与超声波探头1固定连接，另一端与密封环431固定连接；位移传感器5采用加速度传感器，并固定在超声波探头1上，位移传感器5与控制器3通过有线电缆或无线通信的方式传输信号。

如图9和图10所示的两种实施例中，超声波探头1上均固定安装有检测超声波探头1绕轴心线偏转角度的倾角传感器16，倾角传感器16与控制器3通过有线电缆连接的方式传输信号。

如图10所示的实施例，空心轴超声探伤装置还包括耦合液循环泵6，所述耦合液循环泵6通过液体管路与导声单元12连接，耦合液循环泵6采用微小型循环泵安装在超声波探头1上。

本发明利用的超声波探头是一种阵列式超声波探头，该超声波探头中包括至少一个超声波晶片组，每一个超声波晶片组中的超声波振源晶片呈柱状或拟柱状分布，通过超声波收发单元按照一定的时间顺序激发各个超声波振源晶片产生超声波，同时以一定的时间顺序从各个超声波振源晶片接收超声信号，并将该信号传送给控制器，从而实现超声波探头在空心轴内部电子旋转扫查，检测缺陷，不再需要采用机械旋转实现超声波探头的扫查探伤，可以简化装置的机械结构，提高探伤的工作效率，有助于提高检测的精度和灵敏度。

Claims (9)

1.一种空心轴超声探伤装置，其特征在于：包括超声波探头（1）、超声波收发单元（2）、控制器（3）和探头移动单元（4）；所述超声波探头（1）在空心轴（9）的内部沿轴向移动，所述超声波探头（1）包括至少一个沿轴向顺序连接的超声波晶片组（10）和至少一个导声单元（12），每个超声波晶片组（10）包括至少一个呈柱状或拟柱状并且环绕空心轴（9）的轴心线分布的超声波振源晶片（11），超声波振源晶片（11）与导声单元（12）紧密接触，导声单元（12）与空心轴（9）的内孔表面紧密接触，所述导声单元（12）由导声楔块（121）和耦合液（122）组成或完全由耦合液（122）组成；所述超声波探头（1）的两端还固定安装有防止耦合液（122）外漏的密封圈（13）；每个超声波振源晶片（11）均与超声波收发单元（2）连接，超声波收发单元（2）与控制器（3）通过有线电缆连接或无线通信中的一种或多种的组合方式传输信号，超声波收发单元（2）激发各个超声波振源晶片（11）产生超声波，同时超声波收发单元（2）从各个超声波振源晶片（11）接收超声回波信号，超声波收发单元（2）将超声回波信号传送给控制器（3）；探头移动单元（4）与超声波探头（1）连接，同时也与控制器（3）连接，探头移动单元（4）根据控制器（3）的控制指令带动超声波探头（1）在空心轴（9）的内部沿轴向移动。

2.根据权利要求1所述空心轴超声探伤装置，其特征在于：所述超声波振源晶片（11）在振动方向上的截面为矩形、梯形或三角形，平行于振动方向上的侧剖面为平面、凸面或凹面。

3.根据权利要求1所述空心轴超声探伤装置，其特征在于：所述超声波探头（1）上固定安装有检测超声波探头（1）绕轴心线偏转角度的倾角传感器（16），倾角传感器（16）与控制器（3）通过有线电缆连接或无线通信的方式传输信号。

4.根据权利要求1所述空心轴超声探伤装置，其特征在于：所述空心轴超声探伤装置还包括耦合液循环泵（6），所述耦合液循环泵（6）通过液体管路与导声单元（12）连接，耦合液循环泵（6）安装在空心轴（9）外部或安装在超声波探头（1）上。

5.根据权利要求1所述空心轴超声探伤装置，其特征在于：所述空心轴超声探伤装置还包括显示器（7）和用户交互单元（8），显示器（7）与控制器（3）通过有线电缆或无线通信的方式连接，用户交互单元（8）采用键盘、鼠标、按钮开关和触控屏幕中的一种或几种的组合，用户交互单元（8）与控制器（3）通过有线电缆连接或无线通信的方式传输信号。

6.根据权利要求1～5任一权利要求所述空心轴超声探伤装置，其特征在于：所述探头移动单元（4）为推拉杆式结构，包括推拉杆（411）、推进动力装置（412）和位移传感器（5）；推拉杆（411）的一端与超声波探头（1）固定连接，另一端与推进动力装置（412）固定连接；推进动力装置（412）带动推拉杆（411）沿轴向移动，超声波探头（1）在推拉杆（411）的带动下在空心轴（9）内部沿轴向移动；推进动力装置（412）与控制器（3）通过有线电缆连接或无线通信的方式传输信号；位移传感器（5）与推拉杆（411）、推进动力装置（412）或超声波探头（1）相连接，测量探头移动单元（4）的轴向位移量，并与控制器（3）通过有线电缆或无线通信的方式传输信号；所述位移传感器（5）采用旋转编码器、拉线编码器和加速度传感器中的一种或多种的组合。

7.根据权利要求6所述空心轴超声探伤装置，其特征在于：所述推拉杆（411）采用长直光杆、柔性软管、丝杠和多节连杆中的一种或几种的组合，推进动力装置（412）采用油缸、气缸或电动机。

8.根据权利要求1～5任一权利要求所述空心轴超声探伤装置，其特征在于：所述探头移动单元（4）为腱绳拉动式结构，包括腱绳（421）、滑轮机构（422）、拉绳动力装置（423）和位移传感器（5）；所述拉绳动力装置（423）包括绕绳桶（424）和电机（425），腱绳（421）的一端与超声波探头（1）固定连接，另一端通过滑轮机构（422）与绕绳桶（423）固定连接；电机（425）的输出轴与绕绳桶（423）固定连接；位移传感器（5）与腱绳（421）、滑轮机构（422）或拉绳动力装置（423）连接，测量探头移动单元（4）的轴向位移量，并与控制器（3）通过有线电缆或无线通信的方式传输信号；所述位移传感器（5）采用旋转编码器、拉线编码器和加速度传感器中的一种或多种的组合。

9.根据权利要求1～5任一权利要求所述空心轴超声探伤装置，其特征在于：所述探头移动单元（4）为高压充气式结构，包括密封环（431）、进气阀（432）、排气阀（433）、气泵（434）、回收绳（435）和位移传感器（5）；密封环（431）固定在空心轴（9）的一端，进气阀（432）的一端与气泵（434）的出气孔通过气体管路连接，另一端与密封环（431）通过气体管路连接，排气阀（433）与密封环（431）之间通过气体管路连接；回收绳（435）的一端与超声波探头（1）固定连接，另一端与密封环（431）固定连接；位移传感器（5）与超声波探头（1）连接，测量超声波探头（1）的轴向位移量，并与控制器（3）通过有线电缆或无线通信的方式传输信号；所述位移传感器（5）采用旋转编码器、拉线编码器和加速度传感器中的一种或多种的组合。

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