CN109164174A - 一种动态无损检测crtsⅱ型板式无砟轨道离缝的方法及装置 - Google Patents

一种动态无损检测crtsⅱ型板式无砟轨道离缝的方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种动态无损检测CRTSⅡ型板式无砟轨道离缝的方法及装置，所述方法是首先使超声波脉冲发射接收器产生为汉宁窗调制的正弦波激励信号，并使该激励信号经前置放大器放大后驱动一空气耦合超声发射换能器将电信号转换为超声波入射CRTSⅡ型板式无砟轨道板，然后由一空气耦合超声接收换能器采集导波回波信号，经后置放大器放大和A/D转换后传输给超声波脉冲发射接收器，再由超声波脉冲发射接收器将接收到的导波回波数字信号传输给计算机，由计算机采用MATLAB软件进行信号处理分析后，根据得到的首波幅值与预设阀值的大小比较以判断是否存在离缝缺陷。本发明可实现高效、无损、实时检测出CRTSⅡ型板式无砟轨道的离缝缺陷。

Description

一种动态无损检测CRTSⅡ型板式无砟轨道离缝的方法及装置
技术领域
本发明是涉及一种动态无损检测CRTS Ⅱ型板式无砟轨道离缝的方法及装置，属于轨道无损检测技术领域。
背景技术
自1999年我国建设第一条高铁即秦沈客运专线以来，高速铁路在我国迅猛发展，截至2017年底，我国高铁营业里程已超过2万多公里。CRTS Ⅱ型板式无砟轨道主要是由轨道板与CA砂浆层和支撑层(底座板)粘接而成，是一种经过改进的博格板式无砟轨道结构，具有制造和安装铺设简单等优点，是我国高速铁路引进、消化、吸收、再创新的成果之一，因此随着我国高速铁路的迅速发展，该种轨道结构的运用越来越广泛。
但由于CA砂浆层与其余两层材料的属性不同，因此在长期复杂的列车载荷和环境温度场作用下，各层材料会发生不同程度的变形，从而会产生各种脱粘离缝等损伤，以致会严重影响列车运行的稳定性和平顺性，而稳定性和平顺性恰恰是保证高铁快速和安全运营的重要前提条件，将直接关系到列车的正常运营和乘客的人身安全。而目前针对CRTS Ⅱ型板式无砟轨道离缝的检测主要是依靠人工巡道和接触式检测技术，由于轨道交通用于可供线路检修维护的有效天窗时间仅为2-3小时，且高速铁路的线程又很长，若采用现有的检测手段不仅耗费大量人力物力，而且效率十分低下，检测维护成本很高，以致不能满足轨道安全预警需求，因此研发一种可高效、动态无损检测CRTS Ⅱ型板式无砟轨道离缝的方法及装置将具有重要意义和价值。
发明内容
针对现有技术存在的上述问题和需求，本发明的目的是提供一种动态无损检测CRTS Ⅱ型板式无砟轨道离缝的方法及装置，以实现高效、无损、实时检测出CRTS Ⅱ型板式无砟轨道的离缝缺陷，为高铁的安全运营提供及时预警和有力保障。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种动态无损检测CRTS Ⅱ型板式无砟轨道离缝的方法，是首先使超声波脉冲发射接收器产生为汉宁窗调制的正弦波激励信号，并使该激励信号经前置放大器放大后驱动一空气耦合超声发射换能器将电信号转换为超声波入射CRTS Ⅱ型板式无砟轨道板，然后由一空气耦合超声接收换能器采集导波回波信号，经后置放大器放大和A/D转换后传输给超声波脉冲发射接收器，再由超声波脉冲发射接收器将接收到的导波回波数字信号传输给计算机，由计算机采用MATLAB软件进行信号处理分析后，根据得到的首波幅值Hmax与预设阀值H阀值的大小比较以判断是否存在离缝缺陷，具体为：若Hmax＞H阀值，则判断为存在离缝缺陷；反之，若Hmax＜H阀值，则判断为无离缝缺陷。
一种动态无损检测CRTS Ⅱ型板式无砟轨道离缝的装置，包括：轨检小车及设置在轨检小车上的超声波脉冲发射接收器和计算机，所述超声波脉冲发射接收器与计算机信号连接；其特征在于：还包括一前置放大器、一空气耦合超声发射换能器、一空气耦合超声接收换能器和一后置放大器，所述超声波脉冲发射接收器的发射接口与前置放大器信号连接，所述前置放大器与空气耦合超声发射换能器信号连接，所述空气耦合超声接收换能器与后置放大器信号连接，所述后置放大器与超声波脉冲发射接收器的接收接口信号连接；且所述空气耦合超声发射换能器和空气耦合超声接收换能器分别与一自适应位移反馈调节装置相连接，所述自适应位移反馈调节装置均固定连接在轨检小车的前端。
一种实施方案，所述自适应位移反馈调节装置包括安装板，在所述安装板上固设有一转动电机，所述空气耦合超声发射换能器和空气耦合超声接收换能器分别固定安装在与其相对应的转动电机的转轴上；在空气耦合超声发射换能器和空气耦合超声接收换能器上分别安装有两个左右对称的激光位移传感器，每两个左右对称的激光位移传感器均与一连接座固定连接，所述连接座与其对应的转动电机的转轴固定连接；并且，在每个安装板的左或右侧面上安装有垂向位移传感器，所述安装板分别与一纵向位移调节机构滑动连接，所述纵向位移调节机构分别与一横向位移调节机构滑动连接。
进一步实施方案，所述纵向位移调节机构包括纵向支架和纵向电动丝杆调节机构，所述横向位移调节机构包括横向支架和横向电动丝杆调节机构，所述安装板分别与一纵向支架上下滑动连接，所述纵向支架分别与一横向支架横向滑动连接，所述横向支架均固定连接在轨检小车的前端。
进一步实施方案，所述纵向电动丝杆调节机构和横向电动丝杆调节机构均是由驱动电机、一端固定在驱动电机输出端的丝杆和与丝杆螺纹连接的滑块连接件组成。
一种优选方案，在轨检小车的前端还设有导向机构，构成导向机构的导向轮与钢轨滚动连接。
一种优选方案，在轨检小车上还设有移动电源。
一种优选方案，在轨检小车上还设有无线网络模块。
一种优选方案，在轨检小车上还设有***。
一种优选方案，在轨检小车上还设有摄像仪。
与现有技术相比，本发明具有如下有益技术效果：
1)、采用的空气耦合超声发射换能器和空气耦合超声接收换能器，既对轨道不产生污染，又实现了非接触式无损检测；
2)、实现了一发一收的动态式检测，无需布置大量传感器即可实现对全线路先进行粗略扫描，当判断存在离缝损伤区域后再进行精细扫描的检测方式，提高了检测效率，降低了检测成本，且有利于大量节省检测时间，可满足轨道交通检修维护天窗时间短的特点；
3)、基于超声导波的检测技术，对离缝损伤检测有较高的敏感性、分辨率和准确性，并可实现可视化显示，结果直观可靠；
4)、尤其是，所述的自适应位移反馈调节装置不仅能有效避免因轨道不平顺等因素对激发特定模态导波的影响，还能有效避免检测行驶过程中承轨台、道岔以及变轨时钢轨对空气耦合超声发射换能器和空气耦合超声接收换能器所产生的影响，可保证检测作业的安全性和检测结果的准确性；
综上所述，本发明可实现高效、无损、实时检测出CRTS Ⅱ型板式无砟轨道的离缝缺陷，能为高铁的安全运营提供及时预警和有力保障，可为后续轨道维修工作提供有力支撑；因此，本发明相对于现有技术，具有显著进步性和应用价值。
附图说明
图1为实施例提供的一种动态无损检测CRTS Ⅱ型板式无砟轨道离缝的装置的立体结构示意图；
图2为实施例所述装置用于检测工作时的状态图；
图3为实施例所述装置的工作原理框图。
图中标号示意如下：1、轨检小车；2、超声波脉冲发射接收器；3、计算机；4、前置放大器；5、空气耦合超声发射换能器；6、空气耦合超声接收换能器；7、后置放大器；8a、与空气耦合超声发射换能器相连接的自适应位移反馈调节装置；8b、与空气耦合超声接收换能器相连接的自适应位移反馈调节装置；81a/81b、安装板；82a/82b、转动电机；83a/83b、激光位移传感器；84a/84b、连接座；85a/85b、垂向位移传感器；86a/86b、纵向位移调节机构；861a/861b、纵向支架；862a/862b、纵向电动丝杆调节机构；87a/87b、横向位移调节机构；871a/871b、横向支架；872a/872b、横向电动丝杆调节机构；9、导向机构；91、导向轮；92、导向杆；93、连接臂；10、钢轨；11、移动电源；12、无线网络模块；13、***；14、摄像仪；15、CRTS Ⅱ型板式无砟轨道板；16、远程终端；17、自行走动力机构；18、座椅。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步详细描述。
实施例
请参阅图1和图2所示：本实施例提供的一种动态无损检测CRTS Ⅱ型板式无砟轨道离缝的装置，包括：轨检小车1及设置在轨检小车1上的超声波脉冲发射接收器2和计算机3，还包括一前置放大器4、一空气耦合超声发射换能器5、一空气耦合超声接收换能器6和一后置放大器7，所述空气耦合超声发射换能器5与一自适应位移反馈调节装置8a相连接，所述空气耦合超声接收换能器6与一自适应位移反馈调节装置8b相连接，所述自适应位移反馈调节装置8a和8b均固定连接在轨检小车1的前端。
所述自适应位移反馈调节装置8a/8b包括安装板81a/81b，在所述安装板81a/81b上固设有一转动电机82a/82b，所述空气耦合超声发射换能器5固定安装在与其相对应的转动电机82a的转轴上，所述空气耦合超声接收换能器6固定安装在与其相对应的转动电机82b的转轴上；在空气耦合超声发射换能器5上安装有两个左右对称的激光位移传感器83a，在空气耦合超声接收换能器6上安装有两个左右对称的激光位移传感器83b，激光位移传感器83a/83b与连接座84a/84b固定连接，所述连接座84a/84b与其对应的转动电机82a/82b的转轴固定连接；并且，在安装板81a/81b的左或右侧面上安装有垂向位移传感器85a/85b，所述安装板81a/81b与一纵向位移调节机构86a/86b滑动连接，所述纵向位移调节机构86a/86b与一横向位移调节机构87a/87b滑动连接。所述纵向位移调节机构86a/86b包括纵向支架861a/861b和纵向电动丝杆调节机构862a/862b，所述横向位移调节机构87a/87b包括横向支架871a/871b和横向电动丝杆调节机构872a/872b，所述安装板81a/81b与纵向支架861a/861b上下滑动连接，所述纵向支架861a/861b与横向支架871a/871b横向滑动连接，所述横向支架871a/871b固定连接在轨检小车1的前端；
所述纵向电动丝杆调节机构862a/862b和横向电动丝杆调节机构872a/872b均是由驱动电机、一端固定在驱动电机输出端的丝杆和与丝杆螺纹连接的滑块连接件组成，由于此组成结构为已知技术，故在图中未详细示出。
通过安装在空气耦合超声发射换能器5上的两个左右对称的激光位移传感器83a所检测的位移差异，即可判断空气耦合超声发射换能器5的倾斜情况，例如：若位于左侧的激光位移传感器83a所检测的位移值小于位于右侧的激光位移传感器83a所检测的位移值，即可判断空气耦合超声发射换能器5向左倾斜，此时通过调节转动电机82a顺时针旋转即可调节空气耦合超声发射换能器5的倾斜角度，使空气耦合超声发射换能器5的发射端面调节到与CRTS Ⅱ型板式无砟轨道板15的表面保持在预设的角度范围内；同理，通过安装在空气耦合超声接收换能器6上的两个左右对称的激光位移传感器83b所检测的位移差异，即可判断空气耦合超声接收换能器6的倾斜情况，然后通过调节转动电机82b顺时针或逆时针旋转即可调节空气耦合超声接收换能器6的倾斜角度，使空气耦合超声接收换能器6的接收端面与CRTS Ⅱ型板式无砟轨道板15的表面保持在预设的角度范围内。
另外，通过垂向位移传感器85a和纵向位移调节机构86a可使空气耦合超声发射换能器5的发射端面与CRTS Ⅱ型板式无砟轨道板15的表面间的垂直距离保持在预设的范围内；同理，通过垂向位移传感器85b和纵向位移调节机构86b可使空气耦合超声接收换能器6的接收端面与CRTS Ⅱ型板式无砟轨道板15的表面间的垂直距离保持在预设的范围内。
还有，通过横向位移调节机构87a和87b可调节空气耦合超声发射换能器5与空气耦合超声接收换能器6之间的间距，从而可调节每次扫描检测的范围以实现粗略扫描或精细扫描(空气耦合超声发射换能器5与空气耦合超声接收换能器6之间的间距越小，扫描检测的精度越高)。
在轨检小车1的前端还设有导向机构9，构成导向机构9的导向轮91与钢轨10滚动连接，构成导向机构9的导向杆92通过连接臂93固定安装在横向支架871b的底部，以对轨检小车1的行驶方向起到导向作用。
另外，在轨检小车1上还设有移动电源11，以实现对所述装置进行移动供电。
在轨检小车1上还设有无线网络模块12，以实现与远程终端(图中未示出)进行无线通讯连接。
在轨检小车1上还设有***13，如GPS***，以采集所检测轨道线路的位置信息。
在轨检小车1上还设有摄像仪14，以采集轨道板编号信息。
请参阅图3所示：所述超声波脉冲发射接收器2的发射接口与前置放大器4信号连接，所述前置放大器4与空气耦合超声发射换能器5信号连接，所述空气耦合超声接收换能器6与后置放大器7信号连接，所述后置放大器7与超声波脉冲发射接收器2的接收接口信号连接，所述超声波脉冲发射接收器2与计算机3信号连接，所述计算机3与无线网络模块12通讯连接，所述无线网络模块12与远程终端16无线通讯连接，所述***13和摄像仪14均与计算机3信号连接。
采用本实施例所述装置实现动态无损检测CRTS Ⅱ型板式无砟轨道离缝的方法如下：
首先，使计算机3安装MATLAB软件，然后进行参数设置使超声波脉冲发射接收器2产生为汉宁窗调制的正弦波激励信号，并使该激励信号经前置放大器4放大后驱动空气耦合超声发射换能器5将电信号转换为超声波入射CRTS Ⅱ型板式无砟轨道板15，然后由空气耦合超声接收换能器6采集导波回波信号，经后置放大器7放大和A/D转换后传输给超声波脉冲发射接收器2，再由超声波脉冲发射接收器2将接收到的导波回波数字信号传输给计算机3，由计算机3采用MATLAB软件进行信号处理分析后，根据得到的首波幅值Hmax与预设阀值H阀值的大小比较以判断是否存在离缝缺陷，具体为：若Hmax＞H阀值，则判断为存在离缝缺陷；反之，若Hmax＜H阀值，则判断为无离缝缺陷。因为基于能量泄漏原理，当结构层界面粘接完好时，导波将会依次向下层传播，伴随导波能量向下层泄漏，从而该处导波信号能量幅值大幅降低；反之，当某处存在离缝损伤时，在该结构层界面使导波能量向下层传播减弱，从而该处导波信号能量幅值不变或仅有少量降低，离缝损伤越大，幅值越大，故依据接收的导波回波幅值可判断离缝损伤的有无及大小。
所述阀值H阀值是通过采用上述装置和方法预先对无缺陷同规格标准CRTS Ⅱ型板式无砟轨道进行数次扫描实验，对数次获得的导波回波信号经MATLAB软件进行信号处理分析后得到的首波幅值求平均值得到。
文中所述的“首波幅值”是指接收到的回波信号的前半个周期的波幅值。
本发明所述的轨检小车1设有自行走动力机构17，为现有技术；另外，本发明所述装置可实现遥控检测操作，也可在轨检小车1上设置座椅18，由检测员坐在轨检小车1上人工进行检测操作。
综上所述可见，本发明可实现高效、无损、实时检测出CRTS Ⅱ型板式无砟轨道的离缝缺陷，可保证检测作业的安全性和检测结果的准确性，能为高铁的安全运营提供及时预警和有力保障，可为后续轨道维修工作提供有力支撑；因此，本发明相对于现有技术，具有显著进步性和应用价值。
最后有必要在此指出的是：以上所述仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种动态无损检测CRTSⅡ型板式无砟轨道离缝的方法，其特征在于：首先使超声波脉冲发射接收器产生为汉宁窗调制的正弦波激励信号，并使该激励信号经前置放大器放大后驱动一空气耦合超声发射换能器将电信号转换为超声波入射CRTSⅡ型板式无砟轨道板，然后由一空气耦合超声接收换能器采集导波回波信号，经后置放大器放大和A/D转换后传输给超声波脉冲发射接收器，再由超声波脉冲发射接收器将接收到的导波回波数字信号传输给计算机，由计算机采用MATLAB软件进行信号处理分析后，根据得到的首波幅值Hmax与预设阀值H阀值的大小比较以判断是否存在离缝缺陷，具体为：若Hmax＞H阀值，则判断为存在离缝缺陷；反之，若Hmax＜H阀值，则判断为无离缝缺陷。
2.一种动态无损检测CRTSⅡ型板式无砟轨道离缝的装置，包括：轨检小车及设置在轨检小车上的超声波脉冲发射接收器和计算机，所述超声波脉冲发射接收器与计算机信号连接；其特征在于：还包括一前置放大器、一空气耦合超声发射换能器、一空气耦合超声接收换能器和一后置放大器，所述超声波脉冲发射接收器的发射接口与前置放大器信号连接，所述前置放大器与空气耦合超声发射换能器信号连接，所述空气耦合超声接收换能器与后置放大器信号连接，所述后置放大器与超声波脉冲发射接收器的接收接口信号连接；且所述空气耦合超声发射换能器和空气耦合超声接收换能器分别与一自适应位移反馈调节装置相连接，所述自适应位移反馈调节装置均固定连接在轨检小车的前端。
3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于：所述自适应位移反馈调节装置包括安装板，在所述安装板上固设有一转动电机，所述空气耦合超声发射换能器和空气耦合超声接收换能器分别固定安装在与其相对应的转动电机的转轴上；在空气耦合超声发射换能器和空气耦合超声接收换能器上分别安装有两个左右对称的激光位移传感器，每两个左右对称的激光位移传感器均与一连接座固定连接，所述连接座与其对应的转动电机的转轴固定连接；并且，在每个安装板的左或右侧面上安装有垂向位移传感器，所述安装板分别与一纵向位移调节机构滑动连接，所述纵向位移调节机构分别与一横向位移调节机构滑动连接。
4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于：所述纵向位移调节机构包括纵向支架和纵向电动丝杆调节机构，所述横向位移调节机构包括横向支架和横向电动丝杆调节机构，所述安装板分别与一纵向支架上下滑动连接，所述纵向支架分别与一横向支架横向滑动连接，所述横向支架均固定连接在轨检小车的前端。
5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于：所述纵向电动丝杆调节机构和横向电动丝杆调节机构均是由驱动电机、一端固定在驱动电机输出端的丝杆和与丝杆螺纹连接的滑块连接件组成。
6.根据权利要求2所述的装置，其特征在于：在轨检小车的前端还设有导向机构，构成导向机构的导向轮与钢轨滚动连接。
7.根据权利要求2所述的装置，其特征在于：在轨检小车上还设有移动电源。
8.根据权利要求2所述的装置，其特征在于：在轨检小车上还设有无线网络模块。
9.根据权利要求2所述的装置，其特征在于：在轨检小车上还设有***。
10.根据权利要求2所述的装置，其特征在于：在轨检小车上还设有摄像仪。
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