CN207215758U - 高速铁路轨下结构缺陷快速无损检测车 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种高速铁路轨下结构缺陷快速无损检测车，它的信号发射单元、信号接收单元、超磁致换能器和轮毂式振动传感器均设置在轨道监测车上，轮毂式振动传感器的信号输出端连接信号接收单元的信号输入端，轮毂式振动传感器用于在轨道监测车对铁路轨道进行检测时在被测无砟轨道板上滚动并检测被测无砟轨道板上反射的振动信号，信号发射单元的信号输出端连接超磁致换能器的信号输入端；超磁致换能器的振动信号发射端与轮毂式振动传感器位于同一条直线，轮毂式振动传感器中的中心轮能在被测无砟轨道板上沿铁路线路方向滚动。本实用新型无需使用任何耦合剂，结构简单，环境适应力强，能够实现对高速铁路无砟轨道轨下结构缺陷快速扫查。

Description

高速铁路轨下结构缺陷快速无损检测车

技术领域

本实用新型涉及高速铁路轨下结构服役状态及缺陷无损检测技术领域，具体涉及一种高速铁路轨下结构缺陷快速无损检测车。

背景技术

我国高铁正式投运时间尚短，无砟轨道病害检测方法研究相对滞后，高铁路基由于其结构复杂，相应的病害与缺陷形式多样，其中无砟轨道支承层底部脱空严重威胁高铁运行安全。目前仅有北京交通大学和各铁路设计院开展过无砟轨道路基病害检测工作。

无砟轨道结构无损检测目前主要采用探地雷达和冲击弹性波检测两种方法，因无砟轨道路基通常整体混凝土封闭，支承层底部与基床之间的空隙很小，有的可能只有毫米，探地雷达探测分辨率低，达不到查清无碴轨道支承层底部毫米级脱空状态的要求；另外，混凝土支承层底部中含有钢筋，对雷达电磁波信号造成屏蔽，影响支承层底部脱空状态的探测精度。冲击弹性波法是铁道第四勘察设计院集团公司提出的有效探测无砟轨道支承层底部脱空的方法(专利号：ZL2015 1 0019699.0)，该方法不受不受钢筋屏蔽影响，通过弹性波波形特征、频谱特征判识无砟轨道支承层是否脱空，目前该方法采用人工小锤敲击激发，点测方式采集数据，敲击激发能量不稳定、测点测量精度差、工作效率低，不能满足高铁快速检测的要求，因此有必要对冲击弹性波检测装置进行改进，研究快速的检测装置。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种高速铁路轨下结构缺陷快速无损检测车，该检测装置无需使用任何耦合剂，结构简单，环境适应力强，能够实现对高速铁路无砟轨道轨下结构缺陷快速扫查。

为解决上述技术问题，本实用新型公开的一种高速铁路轨下结构缺陷快速无损检测车，其特征在于，它包括轨道监测车、信号发射单元、信号接收单元、超磁致换能器、轮毂式振动传感器，所述信号发射单元、信号接收单元、超磁致换能器和轮毂式振动传感器均设置在轨道监测车上，所述超磁致换能器用于垂直向下在被测无砟轨道板上激发500HZ～10kHZ的高频弹性波信号；所述轮毂式振动传感器的信号输出端连接信号接收单元的信号输入端，所述轮毂式振动传感器用于在轨道监测车对铁路轨道进行检测时在被测无砟轨道板上滚动并检测被测无砟轨道板上反射的振动信号，所述信号发射单元的信号输出端连接超磁致换能器的信号输入端；所述超磁致换能器的振动信号发射端与轮毂式振动传感器位于同一条直线，所述轮毂式振动传感器中的中心轮能在被测无砟轨道板上沿铁路线路方向滚动。

本实用新型的有益效果：

(1)与传统冲击弹性波法比较，本实用新型提出采用超磁致换能器代替传统手工小锤作为激发源，超磁致换能器是采用超大磁致伸缩材料棒为基本结构，适用于大体积混凝土等结构无损检测信号发射源。其特点是发射功率大、频带宽、重复性好、余振小、延时短而固定、转换效率高、体积小的特点，适用于无砟轨道支承层底部脱空检测要求。

(2)与传统冲击弹性波法比较，本实用新型提出轮毂式传感器代替单个传感器接收振动信号，即将多个振动传感器等角度内置于轮毂中，实现连续滚动测量，极大的加快了测试速度。

(3)与传统冲击弹性波法人工单点数据采集比较，本实用新型提出快速无损检测方式实现自动连续滚动式测量，检测效率高，特别适合于运营高速铁路天窗时间作业。

附图说明

图1为本实用新型工作状态结构示意图。

图2为本实用新型中高铁无砟轨道无损检测测线布置示意图；

其中，1—轨道监测车、2—超磁致换能器、3—轮毂式振动传感器、4—信号发射单元、5—信号接收单元、6—模数转换***、7—处理器、8—存储单元、9—显示单元、10—被测无砟轨道板、11—测线、12—CA砂浆层、13—支承层、14—辅助运行轮

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步的详细说明：

本实用新型的一种高速铁路轨下结构缺陷快速无损检测车，如图1和2所示，它包括轨道监测车1(配有四个辅助运行轮14)、信号发射单元4、信号接收单元5、超磁致换能器2、轮毂式振动传感器3，所述信号发射单元4、信号接收单元5、超磁致换能器2和轮毂式振动传感器3均设置在轨道监测车1上，所述超磁致换能器2用于垂直向下在被测无砟轨道板10上激发500HZ～10kHZ的高频弹性波信号(轨下混凝土结构缺陷较小一般呈几毫米厚度，弹性波频率达到500HZ～10kHZ范围才能有效分辨缺陷，选择弹性波的原因是电磁波由于受轨道板钢筋网的干扰，缺乏适用性，超声波检测时需要耦合剂，检测效率慢)；所述轮毂式振动传感器3的信号输出端连接信号接收单元5的信号输入端，所述轮毂式振动传感器3用于在轨道监测车1对铁路轨道进行检测时在被测无砟轨道板10上滚动并检测被测无砟轨道板10上反射的振动信号，所述信号发射单元4的信号输出端连接超磁致换能器2的信号输入端；所述超磁致换能器2的振动信号发射端与轮毂式振动传感器3位于同一条直线，所述轮毂式振动传感器3中的中心轮能在被测无砟轨道板10上沿铁路线路方向滚动。

上述技术方案中，所述轮毂式振动传感器3由四个振动传感器和中心轮组成，四个振动传感器沿周向按90度间隔均匀内嵌于中心轮的轮面上，探测轨道板下方1m内混凝土装置4个振动传感器的效果最佳，四个振动传感器的信号输出端均连接信号接收单元5的信号输入端。

上述技术方案中，所述超磁致换能器2的振动信号发射端与轮毂式振动传感器3之间的间距范围为0.05～0.2m。通过调整激发和接收的间距，可以有效压制弹性波的多次反射影响。

上述技术方案中，轮毂式振动传感器3采集反射波信号的采集时间为1～2ms。所述轮毂式振动传感器3在轨道监测车1对铁路轨道进行检测时在被测无砟轨道板10上滚动并检测被测无砟轨道板10上反射的振动信号。

本实用新型在工作时，与远端的模数转换***6、处理器7、存储单元8和显示单元9协同工作，其中，所述处理器7的振动控制信号输出端通过信号发射单元4连接超磁致换能器2的信号输入端，信号接收单元5的信号输出端连接模数转换***6的信号输入端，模数转换***6的信号输出端连接处理器7的振动反射信号输入端，所述处理器7的数据存储端连接存储单元8的数据存储端，所述处理器7的显示信号输出端连接显示单元9的信号输入端。处理器7具有控制信号发射单元4和信号接收单元5的功能，具有实时冲击弹性波波形显示和频谱分析的功能。

本实用新型在工作中通过超磁致换能器2作为激振源在无砟轨道板上激发高频弹性波信号，弹性波信号在遇到支承层底部空洞、脱空面等疏松介质时会产生反射，通过轮毂式传感器接收无砟轨道下方反射信号，通过对接收到反射信号并进行相应的频谱和图像处理，即可识别无砟轨道下部结构缺陷或病害位置，达到高速铁路轨下结构缺陷快速无损检测的目的。

常规的冲击弹性波检测方法在运营高铁无砟轨道下方结构缺陷无损检测中存在两个不足：1、人工小锤激发能量不稳定、余振大，易受干扰；2、运营高铁检测是在高铁维修天窗时间实施，维修天窗时间一般在3个小时以内，常规冲击弹性波检测仪为单点测量方式，采集数据耗时长、检波器耦合难、工作效率低。

针对第一点不足，本实用新型提出采用超磁致换能器2代替传统手工小锤作为激发源，超磁致换能器2是采用超大磁致伸缩材料棒为基本结构，适用于大体积混凝土等结构无损检测信号发射源。其特点是发射功率大、频带宽、重复性好、余振小、延时短而固定、转换效率高、体积小的特点，适用于无砟轨道支承层底部脱空检测要求。

针对第二点不足，本实用新型提出轮毂式振动传感器3接收振动信号，即将多个振动传感器等角度内置于轮毂中，实现连续滚动测量，极大的加快了测试速度。

本实用新型的工作过程包括如下步骤：

步骤1：将所述轨道监测车1设置在被测无砟轨道板10上；

步骤2：处理器7发出振动控制信号，振动控制信号通过信号发射单元4输送给超磁致换能器2，超磁致换能器2根据接收的振动控制信号垂直向下在被测无砟轨道板10上激发500HZ～10kHZ的高频弹性波信号；

步骤3：由超磁致换能器2激发的高频弹性波信号在遇到被测无砟轨道板10下方多层混凝土构件离缝、不密实缺陷以及CA砂浆层脱空面这些疏松介质时会产生向上的反射波，轮毂式振动传感器3采集反射波信号，并将采集到的反射波信号通过信号接收单元5输送给处理器7；

步骤4：处理器7首先对反射波信号进行希尔伯特黄变换(用于压制低频和高频随机噪声)，然后通过依次对希尔伯特黄变换结果进行数字滤波、卓越频谱分析、弹性波在轨下多层混泥土构件中的传播速度分析处理，得到弹性波雷达剖面图和卓越频谱图，通过对弹性波雷达剖面图和卓越频谱图进行人工分析即可识别被测无砟轨道板10下方的CA砂浆层12和支承层13是否存在无砟轨道板离缝、混凝土不密实或支承层底部脱空缺陷，及缺陷深度位置。

上述技术方案中，通过对弹性波雷达剖面图和卓越频谱图进行人工分析时，对于被测无砟轨道板10下方结构良好的路段，弹性波雷达剖面图波形完整有规律，呈正常衰减形态，卓越频谱图表现为主频稳定、整体成单峰形态，对于测无砟轨道板10下方结构存在无砟轨道板离缝、混凝土不密实或支承层底部脱空缺陷的情况，弹性波雷达剖面图表现为波形紊乱、同相轴不连续特征，卓越频谱图表现为主频下降、呈现多峰形态特征。

上述技术方案的步骤1中，所述轨道监测车1设置在被测无砟轨道板10上时轮毂式振动传感器3中的一个振动传感器帖在被测无砟轨道板10上；

所述步骤4后还包括步骤5：轨道监测车1沿轨道向前移动轮毂式振动传感器3中心轮周长的1/4，然后重复步骤2～4的检查操作。

上述技术方案中，在被测无砟轨道板10上沿线路方向并排平行划出5～8条测线11(测线11越密，横向分辨率越高，但受制于轨道的影响，一般只能布置5～8条。具体单个测线11相当于2维沿铁轨方向的剖面扫描，多个测线均匀分布在轨道板上，有利于3维整体评价轨道板下方多层混凝土结构完整性)，如图2所示，对每一条测线均按步骤1～步骤5的方法进行检测操作。

上述技术方案中，处理器7对所采集的反射波信号，进行回放，数据检查，对数据质量差，震动信号紊乱的数据段重新检测。数据检查完毕，处理器7可对采集数据实时数据处理，具有以下功能：噪声压制、频谱分析、相关分析、滤波处理、弹性波雷达剖面图、快速平面成像、3D图形显示。检测成果图有以下形式：弹性波雷达剖面图、频谱分析图，结构缺陷快速平面成像。通过分析弹性波雷达剖面图、频谱分析图、结构缺陷快速平面成像可识别无砟轨道下部结构缺陷或病害位置。对于无砟轨道下部结构良好的路段，检测的波形完整有规律，呈正常衰减形态，频谱上主频稳定、整体成单峰形态，对于无砟轨道下部结构存在孔洞，裂缝等缺陷，检测的波形紊乱，频谱上主频下降、呈现多峰形态。

上述技术方案的步骤3中，轮毂式振动传感器3采集反射波信号的采集时间为1～2ms。

本说明书未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (5)

1.一种高速铁路轨下结构缺陷快速无损检测车，其特征在于，它包括轨道监测车(1)、信号发射单元(4)、信号接收单元(5)、超磁致换能器(2)、轮毂式振动传感器(3)，所述信号发射单元(4)、信号接收单元(5)、超磁致换能器(2)和轮毂式振动传感器(3)均设置在轨道监测车(1)上，所述超磁致换能器(2)用于垂直向下在被测无砟轨道板(10)上激发500HZ～10kHZ的高频弹性波信号；所述轮毂式振动传感器(3)的信号输出端连接信号接收单元(5)的信号输入端，所述轮毂式振动传感器(3)用于在轨道监测车(1)对铁路轨道进行检测时在被测无砟轨道板(10)上滚动并检测被测无砟轨道板(10)上反射的振动信号，所述信号发射单元(4)的信号输出端连接超磁致换能器(2)的信号输入端；所述超磁致换能器(2)的振动信号发射端与轮毂式振动传感器(3)位于同一条直线，所述轮毂式振动传感器(3)中的中心轮能在被测无砟轨道板(10)上沿铁路线路方向滚动。

2.根据权利要求1所述的高速铁路轨下结构缺陷快速无损检测车，其特征在于：所述轮毂式振动传感器(3)由四个振动传感器和中心轮组成，四个振动传感器沿周向按90度间隔均匀内嵌于中心轮的轮面上。

3.根据权利要求1所述的高速铁路轨下结构缺陷快速无损检测车，其特征在于：所述超磁致换能器(2)的振动信号发射端与轮毂式振动传感器(3)之间的间距范围为0.05～0.2m。

4.根据权利要求1所述的高速铁路轨下结构缺陷快速无损检测车，其特征在于：轮毂式振动传感器(3)采集反射波信号的采集时间为1～2ms。

5.根据权利要求2所述的高速铁路轨下结构缺陷快速无损检测车，其特征在于：所述四个振动传感器的信号输出端均连接信号接收单元(5)的信号输入端。