CN101639463B

CN101639463B - 一种基于相控阵探头的机车车辆车轮缺陷检测装置

Info

Publication number: CN101639463B
Application number: CN2009101643360A
Authority: CN
Inventors: 王黎; 高晓蓉; 王泽勇; 赵全柯; 杨凯; 张渝; 彭建平; 彭朝勇; 赵波
Original assignee: Beijing Lead Time Science & Technology Co Ltd
Current assignee: Chengdu Tiean Technology Co., Ltd.
Priority date: 2009-09-03
Filing date: 2009-09-03
Publication date: 2011-01-19
Anticipated expiration: 2029-09-03
Also published as: CN101639463A

Abstract

一种基于相控阵探头的机车车辆车轮缺陷检测装置：与控制机构相连的探头支架上连接有超声波相控阵探头，相控阵探头置于轮对的踏面上，轮对踏面的下部置于顶转轮装置的顶轮和转轮上；超声波相控阵探头的与数据处理及控制计算机相连；相控阵探头为二个；左、右探头等距离地远离轮缘，而与车轮滚动圆的轴向距离为0～10mm；左探头和右探头的在车轮滚动圆上相距的弧长为220～400mm；左探头和右探头的轴线与车轮滚动圆面的扭转角度相同，该扭转角度为0～30度。该装置能够从踏面上在线自动化检测车轮轮幅缺陷，检测效率高，检测结果准确，且其结构简单，使用操作方便。

Description

一种基于相控阵探头的机车车辆车轮缺陷检测装置

技术领域

本发明涉及到一种机车车辆车轮轮辐区域超声波探伤检测装置。

背景技术

车轮是包括动车组在内的机车车辆走行系统的关键部件，其基本结构如图1所示，包括：轮缘63、踏面64、轮辋62、轮辐61、辐板孔611、轮毂60。车轮6的内部状态和表面的裂纹直接关系到行车安全。铁路提速的大发展以及高速动车组的快速建设，对车轮的质量提出了更高的要求。为避免有缺陷的车轮在运行时发生事故，确保列车行驶的安全，需要对车轮轮辋和轮辐部分进行探伤。同时，为提高高速列车的运营效率，要求对车轮轮辋轮辐进行不拆卸轮对的在线式检测(探伤)。车轮探伤目前较有效的方法是超声波检测，其原理是：如果介质即车轮中有气孔、裂纹、分层等缺陷(缺陷中有气体)或夹杂，超声波传播到介质与缺陷的界面处时，就会全部或部分反射。反射回来的超声波被探头接收，可以根据波形的变化特征判断缺陷在工件的深度、位置和形状。超声波探伤优点是检测厚度大、灵敏度高、速度快、成本低、对人体无害，能对缺陷进行定位和定量，适合轮辋轮辐的无损探伤。

由于车轮轮辋62部分距离踏面64的距离较小，而且结构差别不大，因此轮辋62部分的探伤与轮辐区域相比更容易；而轮辐61区域结构复杂且离踏面64表面距离较远，要检测整个轮辐61区域需要的探头数量大，对探头布局要求严格，尤其是在线式检测的空间约束更大。目前尚无对轮辐61区域进行在线自动化检测的简单有效方法。

发明内容

本发明的目的就是提供一种基于相控阵探头的机车车辆车轮缺陷检测装置，该装置能够从踏面上在线自动化检测车轮轮幅区域各点的缺陷，检测效率高，检测结果准确，且其结构简单，使用操作方便。

本发明实现其发明目的，所采用的技术方案是，一种基于相控阵探头的机车车辆车轮缺陷检测装置，其结构特点是：

与控制机构相连的探头支架上连接有超声波相控阵探头，相控阵探头置于轮对的踏面上，轮对踏面的下部置于顶转轮装置的顶轮和转轮上；超声波相控阵探头与数据处理及控制计算机相连；

所述的相控阵探头有左、右两个，左探头和右探头等距离地远离轮缘，而与车轮滚动圆的轴向距离为0～10mm；左探头和右探头的在车轮滚动圆上相距的弧长为220～600mm；左探头和右探头的轴线与车轮滚动圆面的扭转角度相同，该扭转角度为0～30度。

本发明的工作过程和工作原理是：

利用顶转轮装置将轮对向上顶起，再由控制机构将探头支架置于轮对的踏面上，从而使相控阵探头按设定位置分布在车轮的踏面上；顶转轮装置驱动转轮转动，带动轮对相对于探头作圆周运动。完成车轮踏面表面的湿润后，相控阵探头自动一次性的完成对轮辐区域不同深度、不同方向的缺陷检测，其超声检测的工作原理如下：

每个超声波相控阵探头由多个阵元组成，工作时，数据处理及控制计算机根据几何声程差，计算出可使各阵元的发射声束在聚焦点聚焦的各阵元激励信号所需的延时时间。再以该设定的延迟时间顺序激励各阵元，使各阵元按设定的延时规律依次发射出超声波，在设定的聚集点处相干叠加增强，在聚集点以外区域叠加减弱，甚至抵消。接收聚焦和上述的发射聚焦为互逆的过程，遵守相同的几何聚焦延迟规律即各阵元接收检测回波信号，按照相同的聚焦时间延迟量进行延迟，由数据处理及控制计算机将各延迟后的信号求和，作为检测回波信号，该检测信号主要来自焦点和焦点附近的回波信号，聚焦区域外的回波信号则减弱甚至抵消，从而实现接收聚焦；这样即完成对聚焦点和焦点附近的探伤检测。通过对聚焦点的偏转变换，可以实现对车轮不同位置的扫描探伤检测。

本发明的左探头和右探头组成的探头对可以有以下两种工作方式：

方式一：周向缺陷的检测

左探头和右探头一个发射信号、另一个接收信号。当车轮轮幅中存在周向缺陷时，一侧的发射信号传播到该周向缺陷时，由于该缺陷对超声波的阻碍作用，超声波将以左探头和右探头中间的车轮半径为对称轴，向另一侧反射，而被另一侧的探头接收。因此，此种方式下可以检测车轮轮幅中的周向缺陷。同时，由于两个探头的发射聚焦点和接收聚焦点设定于两个探头的对称轴线上，即两探头正中间的车轮半径也即检测半径上，数据处理及控制计算机控制左右探头的聚焦点变化，可实现该半径线上从车轮圆心处至轮幅与轮辋交界处的周向缺陷的扫描探测，当车轮旋转一周后，即可完成整个轮幅区域的周向缺陷扫描检测。并且由于一探头的发射路径和另一探头的接收路径位于检测半径的两侧且指向检测半径，避开了位于检测半径上的幅孔对检测信号的反射阻挡，可有效地实现检测半径上幅孔与车轮圆心之间的缺陷的检测。

由于左探头和右探头等距离地远离轮缘，而与车轮滚动圆的轴向距离为0～10mm，并配合左探头和右探头的轴线与车轮滚动圆面的扭转角度的调整，使其反射信号和接收信号也能避开轮幅轮辋交界处的凹槽及曲线幅板内陷处的阻挡，而实现对凹槽及曲线幅板下方缺陷的有效检测。

方式二：径向缺陷的检测

左探头和右探头均既发射信号又接收信号。当车轮轮幅中缺陷的方向与发射方向相垂直时，这种缺陷通常为径向或接近径向的缺陷，此时，探头发射的信号将沿相同的路径反射回同一探头而被接收。数据处理及控制计算机通过设定和调整两个探头的发射及接收聚焦点，可实现轮幅区域的径向或接近径向的缺陷的扫描探测，当车轮旋转一周后，即可完成整个轮幅区域的径向缺陷扫描检测。

同样，通过调整左探头和右探头与车轮滚动圆的轴向距离并配合左探头和右探头的轴线与车轮滚动圆面的扭转角度的调整，使其信号也能避开轮幅轮辋交界处的凹槽及曲线幅板内陷处的阻挡，而实现对凹槽及曲线幅板下方缺陷的有效检测。

以上两种工作方式可以单独进行，也可交替进行，从而实现整个轮幅区域内周向和/或径向缺陷的检测。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

一、采用普通的超声波探头进行，需要分布众多的探头进行检测，而受在线检测空间的约束，其制备安装难度极大。而本发明仅需在车轮的踏面上用探头支架固定左右两个相控探头，用顶转轮装置将轮对顶起，利用相控阵探头的偏转和聚焦，在线式、自动地实现对车轮轮幅区域各点的扫描检测，所需探头数量少，结构简单，占用空间小，方便实施在线检测。

由于相控阵探头接收处理的检测信号是在聚焦点处的信号，其信号强度远高于非聚焦点的信号强度，也高于普通探头的信号强度，故其检测信号的信噪比高，检测结果的精度高，可靠性强。

二、采用左、右探头分别从检测半径两侧分别发射和接收信号，避开了位于检测半径上的幅孔对检测信号的反射阻挡，能有效地实现检测半径上幅孔与车轮圆心之间的周向缺陷的检测。同时左、右探头自发自收信号，也能有效实现对径向或接近径向缺陷的检测。并且由于左探头和右探头等距离地远离轮缘，而与车轮滚动圆的轴向相隔0～10mm的距离，同时还可通过扭转左右探头与滚动圆的扭转角度的调整，这样本发明可避开轮幅轮辋交界处的凹槽及曲线幅板内陷处对检测信号的阻挡，能够对凹槽及曲线幅板下方及曲线幅板不同深度的缺陷的有效检测。因此，本发明实现了现有技术中所无法检测部位的缺陷的检测。

上述的相控阵探头还有一个中探头，该中探头位于左、右探头之间。

中探头的超声波发射路径和接收路径均与检测半径方向重叠，可以近距离地检测轮辋、轮辋和轮幅交界处的周向或接近周向缺陷；同时它能检测轮幅区域中，辐板孔上方区域及无辐板孔阻挡的检测半径上的周向缺陷。使本装置能够更全面地检测到车轮轮幅及轮辋的缺陷。

上述的左、中、右探头的阵列换能器的阵元数目为16～128个晶片。

下面结合附图和具体的实施方式对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

图1是车轮的剖视结构示意图。

图2是本发明实施例工作在方式一时的结构示意及检测原理图。

图3是本发明实施例工作在方式二时的结构示意及检测原理图。

图4是本发明实施例未画探头支架的俯视结构示意图。

图5是本发明实施例的中间探头对直线幅板的车轮缺陷检测剖面的聚焦、扫描示意图。

图6是本发明实施例的右(左)探头对直线幅板的车轮缺陷检测剖面的聚焦、扫描示意图。

图7是本发明实施例的右(左)探头对曲线幅板的车轮缺陷检测剖面的聚焦、扫描示意图。

具体实施方式

实施例

图2、3、4示出，本发明的一种具体实施方式为：一种基于相控阵探头的机车车辆车轮缺陷检测装置，该设备的与控制机构相连的探头支架56上连接有超声波相控阵探头，相控阵探头置于轮对的两车轮6的踏面64上，车轮踏面64的下部置于顶转轮装置的顶轮91和转轮92上；超声波相控阵探头与数据处理及控制计算机相连；

相控阵探头有左、右两个11、12，左探头11和右探头12分别位于车轮6垂向直径的左侧和右侧，二者在车轮滚动圆69上相距的弧长为220～600mm；且左探头11和右探头12位于踏面64上远离轮缘63的一侧，与车轮滚动圆69的轴向距离相等，均为0～10mm；左探头11和右探头12的阵列方向与车轮滚动圆69的扭转角度α相同，该扭转角度α为0～30度。

图2、3、4示出，本例相控阵探头还有一个中探头13，该中探头13位于左、右探头11、12之间。

左、中、右探头11、13、12的阵列换能器的阵元数目为16～128个晶片。

图2及图1还示出了左、右探头11、12工作在方式一时对车轮轮幅61进行周向缺陷70检测的原理。图中，左探头11和右探头12一个发射信号、另一个接收信号。当车轮6轮幅61中存在周向缺陷70时，一侧的发射信号传播到该周向缺陷70时，由于该缺陷70对超声波的阻碍作用，超声波将以左探头11和右探头12中间的车轮半径80为对称轴，向另一侧反射，而被另一侧的探头接收。因此，此种方式下可以检测车轮轮幅61中的周向缺陷70。同时，由于两个探头11、12的发射聚焦点和接收聚焦点设定于两个探头的对称轴线上，即两探头正中间的车轮半径80也即检测半径80上，数据处理及控制计算机控制左右探头的聚焦点变化，可实现该半径线80上从圆心处至轮幅61与轮辋62交界处的周向缺陷70的扫描探测，当车轮6在顶转轮装置的驱动下，旋转一周后，即可完成整个轮幅61区域周向缺陷70的扫描检测。并且由于一探头的发射路径和另一探头的接收路径位于检测半径80的两侧且指向检测半径80，避开了位于检测半径80上的幅孔611对检测信号的反射阻挡，可有效地实现检测半径80上幅孔611与车轮6圆心之间的缺陷的检测。

左、右探头11、12工作在方式二时，对车轮轮幅61进行径向缺陷检测71的原理参见图3及图1：左探头11和右探头12均既发射信号又接收信号。车轮轮幅61中径向缺陷71的方向与发射方向相垂直时，探头11或12发射的信号将沿相同的路径反射回同一探头11或12而被接收。数据处理及控制计算机通过设定和调整两个探头11和12的发射角A及聚焦点，可实现轮幅61区域的径向或接近径向的径向缺陷71的扫描探测，当车轮6旋转一周后，即可完成整个轮幅61区域的径向缺陷71扫描检测。

图5示出，中探头13的阵列换能器各阵元沿中探头所在车轮6半径方向，依次触发并以同一聚集深度(长度)发射到车轮6中，可以覆盖轮辐61、轮辐61轮辋62交接区域，及所在半径上未被轮幅孔61阻挡部分的轮辐61区域的周向缺陷检测。

图6示出，利用左、右探头11、12能检测普通探头很难检测到的缺陷，例如直辐板凹槽结构下方缺陷73。

图7示出，利用左、右探头11、12可以检测曲线辐板角深处的缺陷74。

Claims

1.一种基于相控阵探头的机车车辆车轮缺陷检测装置，其特征在于：

与控制机构相连的探头支架(56)上连接有超声波相控阵探头，相控阵探头置于轮对的两车轮的踏面上，车轮踏面的下部置于顶转轮装置的顶轮(91)和转轮(92)上；超声波相控阵探头与数据处理及控制计算机相连；

所述的相控阵探头有左、右两个(11、12)，左探头(11)和右探头(12)分别位于车轮(6)垂向直径的左侧和右侧，二者在车轮滚动圆(69)上相距的弧长为220～600mm；且左探头(11)和右探头(12)位于踏面(64)上远离轮缘(63)的一侧，与车轮滚动圆(69)的轴向距离相等，均为0～10mm；左探头(11)和右探头(12)的阵列方向与车轮滚动圆(69)的扭转角度(α)相同，该扭转角度(α)为0～30度。

2.如权利要求1所述的一种基于相控阵探头的机车车辆车轮缺陷检测装置，其特征在于：所述的相控阵探头还有一个中探头(13)，该中探头(13)位于左、右探头(11、12)之间。

3.如权利要求2所述的一种基于相控阵探头的机车车辆车轮缺陷检测装置，其特征在于：所述的左、中、右探头(11、13、12)的阵列换能器的阵元数目为16～128个晶片。