CN211107453U - 一种用于道岔尖轨全截面监测的压电式导波换能器检测装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种用于道岔尖轨全截面监测的压电式导波换能器检测装置。底部防护外壳安装在尖轨轨底的下表面，左右侧防护外壳分别安装在轨腰两侧并贴合在轨腰和轨底的上表面；底部防护外壳、左侧防护外壳、右侧防护外壳中分别装多个压电换能器，分别在尖轨的轨底、轨头侧面、轨腰的两侧侧面，压电换能器与尖轨之间用耦合剂耦合，压电换能器底部均装有背衬垫片；压电换能器线路防水接头密封排出。本实用新型是针对于道岔尖轨的特殊截面设计的压电式导波换能器，可以用来监测道岔尖轨全截面的伤损情况。

Description

一种用于道岔尖轨全截面监测的压电式导波换能器检测装置

技术领域

本实用新型涉及一种导波传感器，尤其涉及一种用于道岔尖轨全截面监测的压电式导波换能器检测装置。

背景技术

随着我国经济的快速发展，铁路运输占据了重要的角色。至2018年底，我国的铁路总里程已突破13.1万公里以上。高速铁路的快速发展对于铁路***的安全性要求也日益增加。道岔尖轨作为铁轨***中的活动部件，在列车高速运行中承受着剧烈的侧向压力，复杂的工作环境使其成为铁轨***中的薄弱环节，道岔尖轨中的损伤从轨底、轨腰和轨头都有可能出现，且生长迅速，如未能及时发现，后果极为严重。当前我国铁轨检测的常规手段为超声探伤和人工巡检。超声探伤难以适用于道岔尖轨中轨头截面过窄的区域，人工巡检只能发现尖轨形态上变化以及表面的缺陷。两种方法都为逐点式检测，费时费力。利用超声导波长距离传播和全断面覆盖的特点可实现道岔尖轨的全断面覆盖在线监测。适应现场的工况，安装的换能器应当集中紧凑，轻便紧凑，拆装方便。

近些年，导波检测已应用于管道、电缆、铁轨检测等各个领域，但其用于尖轨全截面伤损监测的情况还很少。实用新型专利公开号为201820031299.0的技术方案仅利用压电晶振片的压电换能器来检测钢轨轨底伤损。

专利号为201620379048.2的实用新型专利公开了一种用于超声波实时断轨监测***的压电换能器。该换能器安装在轨腰位置，监测精度仅能够达到判别钢轨是否断裂的程度，无法实现细小缺陷在及时预警。对于道岔全断面监测难以适用。目前，尚无一种针对道岔尖轨全断面监测的高集成度、拆装方便的换能器。

实用新型内容

本实用新型的目的是克服背景技术领域的不足，提供了一种用于道岔尖轨全截面监测的压电式导波换能器检测装置，专门针对道岔尖轨全断面监测、高度集成，安装牢固。

本实用新型技术方案如下：

本实用新型包括底部防护外壳、左侧防护外壳和右侧防护外壳；底部防护壳装在尖轨轨底的下表面，左侧防护外壳、右侧防护外壳分别安装在尖轨轨腰的两侧，并贴合在轨腰以及轨底的上表面；第一压电换能器安装在左侧防护外壳顶部内且垂直接触于尖轨轨头侧面布置，第二压电换能器安装在左侧防护外壳中部内且垂直接触在尖轨轨腰的侧面，第七压电换能器安装在右侧防护外壳中部内且垂直接触在尖轨轨腰的侧面，且第二压电换能器和第七压电换能器对称分布在尖轨轨腰的两侧；第三压电换能器、第四压电换能器、第五压电换能器和第七压电换能器安装在底部防护外壳中部内且垂直接触在尖轨底部的下表面，第三压电换能器、第四压电换能器、第五压电换能器和第七压电换能器沿垂直尖轨方向的水平方向间隔均布在尖轨底部的下表面；左防水接头、底防水接头、右防水接头均通过螺纹分别安装在左侧防护外壳、底部防护外壳和右侧防护外壳上；左侧防护外壳内的第一压电换能器、第二压电换能器的输出线通过存有防水胶的内部排线管路汇集到四芯线排线口，四芯线排线口通过左防水接头密封防水处理穿设出左侧防护外壳；底部防护外壳和右侧防护外壳内部结构同理。

底部防护外壳内的第三压电换能器、第四压电换能器、第五压电换能器和第七压电换能器的输出线通过存有防水胶的内部排线管路汇集到底八芯线排线口，底八芯线排线口通过底防水接头密封防水处理穿设出底部防护外壳；右侧防护外壳内的第七压电换能器的输出线连接到右两芯线排线口，右两芯线排线口通过右防水接头密封防水处理穿设出右侧防护外壳。

通过尖轨左侧轨腰处的第一压电换能器和第二压电换能器，尖轨右侧轨腰处的第七压电换能器以及尖轨底部轨底处的第三压电换能器、第四压电换能器、第五压电换能器和第六压电换能器组合实现尖轨全截面覆盖检测。

左侧防护外壳、右侧防护外壳和底部防护外壳均设有芯线接出口，出口处设有左防水接头、底防水接头、右防水接头保持密封，将每个防护壳内每个压电换能器的导线一并引出。

每个压电换能器底部与各自的外壳内壁接触处均设有背衬垫片，使压电换能器能紧顶轨面，保证压电换能器与尖轨轨面的贴合性。

所述的左侧防护外壳、右侧防护外壳的外侧部分别通过各自的紧固螺栓和紧固螺栓联接在底部防护外壳的两侧，且左侧防护外壳、右侧防护外壳内表面外形贴合尖轨的侧面形状。

各个压电换能器的探头表面均涂有耦合剂，探头通过耦合剂粘贴接触在尖轨的表面。

本实用新型的压电换能器与尖轨的耦合方式是耦合剂，耦合剂如双组份的环氧胶。

本实用新型实验中发现尖轨与正常铁轨不同，其上下面、侧面均有不同程度受力，伤损也有极大概率出现在轨腰与轨头上，对轨底的监测并不能保障列车的安全。因此本实用新型多个压电换能器分别布置不同的特定位置处进行同时检测监测。

通常的轨道实时检测只安装一个压电换能器，当多个压电换能器同时布置检测时会存在相互影响干扰的问题，而本实用新型通过控制不同换能器激发信号频率、幅值、延迟不同，使每个换能器可激发和接收特定模态的导波，解决了多个压电换能器同时布置并检测时的影响干扰技术问题，实现了多个压电换能器同时协同工作。

本实用新型的有益效果是：

本实用新型可以采集不同位置的尖轨导波检测结果，可安装在轨头轨腰轨底不同位置协同工作。每个换能器均可激发接收特定模态的导波，不同模态导波对尖轨中缺陷的位置、形状敏感度有差异，能够用于帮助对缺陷进行更准确的定位和判断。

所有换能器协同工作时的信号可覆盖整个尖轨截面，实现定量化监测。若本实用新型能有效的实施，可以在尖轨全截面上激发导波，用于全截面的伤损检测；该换能器采用组合式结构，易于安装、方便携带，可适用于多种条件下的工作要求。

若在一定区域内铁路网尖轨处均安装本实用新型所述传感器，可构成监测网络，实时对尖轨伤损情况进行监测，从而及时做好防护措施，进而减少经济损失。

附图说明

图1是本实用新型的装配结构剖视图。

图中：左侧防护外壳1、第一压电换能器2、左背衬垫片3、防水胶4、左防水接头5、左四芯线排线口6、第二压电换能器7、螺栓8、底部防护外壳9、第三压电换能器10、底背衬垫片11、第四压电换能器12、底防水接头13、底八芯线排线口14、第五压电换能器15、第六压电换能器16、紧固螺栓17、右侧防护外壳18、右两芯线排线口19、右防水接头20、右背衬垫片21、第七压电换能器22、尖轨23。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步说明。

如图1所示，具体实施包括底部防护外壳9、左侧防护外壳1和右侧防护外壳18；左侧防护外壳1、右侧防护外壳18的外侧部分别通过各自的螺栓8 和紧固螺栓17联接在底部防护外壳9的两侧，且左侧防护外壳1、右侧防护外壳18内表面外形贴合尖轨的侧面形状。

底部防护壳9装在尖轨23轨底的下表面，左侧防护外壳1、右侧防护外壳18分别安装在尖轨23轨腰的两侧，并贴合在轨腰以及轨底的上表面；左侧防护外壳1内包含第一压电换能器2、第二压电换能器7、左背衬垫片3、左防水接头5和左四芯线排线口6；底部防护外壳9内包含第三压电换能器10、第四压电换能器12、第五压电换能器15、第六压电换能器16、底背衬垫片11、底防水接头13和底八芯线排线口14；右侧防护外壳18内包含第七压电换能器22、右背衬垫片21、右防水接头20和右两芯线排线口19。

如图1所示，第一压电换能器2安装在左侧防护外壳1顶部内且垂直接触于尖轨23轨头侧面布置，第二压电换能器7安装在左侧防护外壳1中部内且垂直接触在尖轨23轨腰的侧面，第七压电换能器22安装在右侧防护外壳18 中部内且垂直接触在尖轨23轨腰的侧面，且第二压电换能器7和第七压电换能器22对称分布在尖轨23轨腰的两侧；第三压电换能器10、第四压电换能器12、第五压电换能器15和第六压电换能器16安装在底部防护外壳9中部内且垂直接触在尖轨23底部的下表面，第三压电换能器10、第四压电换能器 12、第五压电换能器15和第六压电换能器16沿垂直尖轨23方向的水平方向间隔均布在尖轨23底部的下表面。

左防水接头5、底防水接头13、右防水接头20均通过螺纹分别安装在左侧防护外壳1、底部防护外壳9和右侧防护外壳18上；左侧防护外壳1内的第一压电换能器2、第二压电换能器7的输出线通过存有防水胶4的内部排线管路汇集到四芯线排线口6，四芯线排线口6通过左防水接头5密封防水处理穿设出左侧防护外壳1，连接到外部的接收器；底部防护外壳9和右侧防护外壳内部结构同理。

底部防护外壳9内的第三压电换能器10、第四压电换能器12、第五压电换能器15和第六压电换能器16的输出线通过存有防水胶4的内部排线管路汇集到底八芯线排线口14，底八芯线排线口14通过底防水接头13密封防水处理穿设出底部防护外壳9，连接到外部的接收器；右侧防护外壳18内的第七压电换能器22的输出线连接到右两芯线排线口19，右两芯线排线口19通过右防水接头20密封防水处理穿设出右侧防护外壳18，连接到外部的接收器。

左侧防护外壳1、右侧防护外壳18和底部防护外壳9均设有芯线接出口，出口处设有左防水接头5、底防水接头13、右防水接头20保持密封，将每个防护壳内每个压电换能器的导线一并引出，防护壳的线路管道内也存有防水胶。

左防水接头5、底防水接头13、右防水接头20根部均有切制螺纹，并通过螺纹联接在左侧防护外壳1、底部防护外壳9、右侧防护外壳18上。

每个压电换能器底部与各自的外壳内壁接触处均设有背衬垫片，左侧防护外壳1、右侧防护外壳18和底部防护外壳9的背衬垫片对应分别为左背衬垫片 3、底背衬垫片11和右背衬垫片21，使压电换能器能紧顶轨面，保证压电换能器与尖轨23轨面的贴合性。

如图1所示，本实用新型是一种组合式的结构，使用时可以先从尖轨23 下方安装底部保护外壳9，将左侧防护外壳1、右侧防护外壳18置于尖轨23 侧方并向中间推挤，拧紧紧固螺栓就可以使各外壳固定在尖轨上，压电换能器上的耦合剂可使换能器固定在尖轨表面，背衬垫片可使换能器能紧顶尖轨表面。

本实用新型的实施工作过程如下：

将本实用新型所述的压电式导波换能器的左侧防护外壳1、底部防护外壳 9、右侧防护外壳18中装入对应数量的压电换能器，在换能器与外壳接触处塞上背衬垫片，并将换能器置于对应预制的孔中并依靠与外壳间摩擦力固定其位置，在换能器探头处涂上耦合剂，从而保证换能器能够粘在尖轨表面。

在安装前，先用打磨机在尖轨预监测表面进行打磨除锈，提高监测精度。左侧防护外壳中的换能器2垂直于轨头侧面，换能器7与换能器22在垂直于轨腰中部表面对称布置，底部防护外壳中的四个换能器沿尖轨截面中线对称布置。防水接头通过螺纹连接在左侧防护外壳1、右侧防护外壳18和底部防护外壳9上，并将换能器的芯线通过充满防水胶的内部线路，最后从防水接头中集中引出。将底部防护外壳9上表面贴紧尖轨轨底下表面，使换能器充分和尖轨23轨底相接触并粘合。然后将左侧防护外壳1和右侧防护外壳18贴在轨腰两侧并使其螺纹孔与底部防护外壳9对应螺纹孔对齐，由于左侧防护外壳1 和右侧防护外壳18的外形曲线与尖轨轨腰曲线相吻合，从而可保证其内部各压电换能器能垂直于轨面。拧紧左侧防护外壳1、右侧防护外壳18和底部防护外壳9对应螺纹孔上联接的四个紧固螺栓，所述的压电式导波换能器即可固定在尖轨上。由于各背衬垫片的挤压力与换能器表面耦合剂的作用，每个压电换能器均可粘在尖轨23表面并与之保持良好的压力接触。

由于逆压电效应，压电换能器在通入电流后，即产生导波。导波沿尖轨进行传播的过程中遇到缺陷会产生反射，将沿着相反路径传播并被换能器所接收，由于正压电效应，在压电换能器会产生相应的电位差。根据时间差和波速可算出尖轨缺陷的位置，回波信号的电压高低也反映缺陷的大小。将三个保护壳的防水接头处芯线引出接入导波仪对应的通道中，使之通入导波仪的电源并连接至计算机，即可监测每个换能器的信号。每个换能器的激发和接收的导波模态互不相同，不同模态导波对缺陷敏感度也不同，每个换能器对尖轨的监测结果有差异。具体实施通过查看和比较可疑缺陷不同方位处的换能器信号，对缺陷的各个方向尺寸大小和位置做进一步判断。如换能器2检测到尖轨轨头轨腰连接处有缺陷，然后继续调用轨腰处换能器7和22来分析这两个换能器发出的导波在此疑似缺陷处的监测信号，对缺陷的形状位置和大小进行更为准确的判断。同时，由于不同换能器的收发导波信号模态均为特定设置的，且对不同缺陷敏感度不同，因此信号优良互补，且并不会产生信号间的相互干扰。

七个换能器的监测信号可以完全覆盖整个尖轨截面，因此综合所有的收发信号即可实现尖轨截面的缺陷监测。其中左侧防护外壳和右侧防护外壳内的三个压电换能器信号可良好的覆盖轨头轨腰处截面，底部防护外壳内的四个压电换能器信号可以完整覆盖轨底处截面。

由此，本实用新型的针对于道岔尖轨的特殊截面设计的压电式导波换能器检测装置，可以用来准确监测道岔尖轨全截面的伤损情况。

上述的实施只是用来解释本实用新型，本实用新型的具体实施包括但不限于上述提到的实施，在本实用新型的权利要求范围内对本实用新型的任何修改都属于本实用新型的保护范围。

Claims (6)

1.一种用于道岔尖轨全截面监测的压电式导波换能器检测装置，其特征在于：包括底部防护外壳(9)、左侧防护外壳(1)和右侧防护外壳(18)；底部防护外壳(9)装在尖轨(23)轨底的下表面，左侧防护外壳(1)、右侧防护外壳(18)分别安装在尖轨(23)轨腰的两侧，并贴合在轨腰以及轨底的上表面；第一压电换能器(2)安装在左侧防护外壳(1)顶部内且垂直接触于尖轨(23)轨头侧面布置，第二压电换能器(7)安装在左侧防护外壳(1)中部内且垂直接触在尖轨(23)轨腰的侧面，第七压电换能器(22)安装在右侧防护外壳(18)中部内且垂直接触在尖轨(23)轨腰的侧面，且第二压电换能器(7)和第七压电换能器(22)对称分布在尖轨(23)轨腰的两侧；第三压电换能器(10)、第四压电换能器(12)、第五压电换能器(15)和第六压电换能器(16)安装在底部防护外壳(9)中部内且垂直接触在尖轨(23)底部的下表面，第三压电换能器(10)、第四压电换能器(12)、第五压电换能器(15)和第六压电换能器(16)沿垂直尖轨(23)方向的水平方向间隔均布在尖轨(23)底部的下表面；左防水接头(5)、底防水接头(13)、右防水接头(20)均通过螺纹分别安装在左侧防护外壳(1)、底部防护外壳(9)和右侧防护外壳(18)上；左侧防护外壳(1)内的第一压电换能器(2)、第二压电换能器(7)的输出线通过存有防水胶(4)的内部排线管路汇集到四芯线排线口(6)，四芯线排线口(6)通过左防水接头(5)密封防水处理穿设出左侧防护外壳(1)。

2.根据权利要求1所述的一种用于道岔尖轨全截面监测的压电式导波换能器检测装置，其特征在于：底部防护外壳(9)内的第三压电换能器(10)、第四压电换能器(12)、第五压电换能器(15)和第六压电换能器(16)的输出线通过存有防水胶(4)的内部排线管路汇集到底八芯线排线口(14)，底八芯线排线口(14)通过底防水接头(13)密封防水处理穿设出底部防护外壳(9)；右侧防护外壳(18)内的第七压电换能器(22)的输出线连接到右两芯线排线口(19)，右两芯线排线口(19)通过右防水接头(20)密封防水处理穿设出右侧防护外壳(18)。

3.根据权利要求1所述的一种用于道岔尖轨全截面监测的压电式导波换能器检测装置，其特征在于：通过尖轨(23)左侧轨腰处的第一压电换能器(2)和第二压电换能器(7)，尖轨(23)右侧轨腰处的第七压电换能器(22)以及尖轨(23)底部轨底处的第三压电换能器(10)、第四压电换能器(12)、第五压电换能器(15)和第六压电换能器(16)组合实现尖轨(23)全截面覆盖检测。

4.根据权利要求1所述的一种用于道岔尖轨全截面监测的压电式导波换能器检测装置，其特征在于：左侧防护外壳(1)、右侧防护外壳(18)和底部防护外壳(9)均设有芯线接出口，出口处设有左防水接头(5)、底防水接头(13)、右防水接头(20)保持密封，将每个防护壳内每个压电换能器的导线一并引出。

5.根据权利要求1所述的一种用于道岔尖轨全截面监测的压电式导波换能器检测装置，其特征在于：每个压电换能器底部与各自的外壳内壁接触处均设有背衬垫片，使压电换能器能紧顶轨面。

6.根据权利要求1所述的一种用于道岔尖轨全截面监测的压电式导波换能器检测装置，其特征在于：所述的左侧防护外壳(1)、右侧防护外壳(18)的外侧部分别通过各自的螺栓(8)和紧固螺栓(17)联接在底部防护外壳(9)的两侧，且左侧防护外壳(1)、右侧防护外壳(18)内表面外形贴合尖轨的侧面形状。

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