CN101666781B - 一种机车车辆车轮轮辐缺陷超声波检测装置 - Google Patents

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一种机车车辆车轮轮辐缺陷超声波检测装置，其超声波探头包括四对单发、单收的探头及六个收发一体的探头。四对探头中每个探头的发射角或接收角均为15～33°，扭转角为5～35°，各对探头按设定位置排列；六个收发一体探头中：二个直探头，分别设置在滚动圆的两侧，与滚动圆的轴向距离为1-8mm；二个斜探头，其发射角与滚动圆面平行，距离滚动圆的轴向距离为1-8mm；二个发射角为0～10°的探头，分别设置于滚动圆旁的两侧，且与滚动圆的轴向距离均为1-4mm。该装置能够对各类车轮轮辐的缺陷进行全方位的检测；检测过程不需人工参与，检出率高；检测方法简单，检测结果可靠。

Description

一种机车车辆车轮轮辐缺陷超声波检测装置
技术领域
本发明涉及到一种机车车辆车轮轮辐缺陷超声波检测装置。
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5所示，包括：轮缘12、踏面14、轮辋11、轮辐15、轮辐辐板孔17、轮毂18。车轮1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大量开行，对车轮的质量提出了更高的要求。为确保轮对质量，保证列车行驶安全，需要对车轮轮辋和轮辐部位进行定期探伤。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。
由于车轮轮辋部分距离踏面的距离较小，而且结构差别不大，因此轮辋部分的探伤与轮辐区域相比更容易；而轮辐区域结构复杂且离踏面表面距离较远，要检测整个轮辐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。目前尚无对轮辐区域进行在线自动化检测的简单有效方法。
车轮的轮辐有多种结构，对其结构特点进行归纳总结，现有车轮的轮辐有以下几种类型：直线型、曲线型、带有辐板孔、带有凹槽。图3中的车轮的轮辐为直线型、带辐板孔17、带凹槽67；图4中的车轮轮辐为曲线型轮辐。这两种车轮轮辐包含了现有动车组的车轮轮辐的所有特征。由于轮辐区域结构复杂、离踏面表面距离较远，现有技术中还没有利用超声波对车轮轮辐进行缺陷检测。
发明内容
本发明的目的就是提供一种机车车辆车轮轮辐缺陷超声波检测装置，该装置能够对各类车轮轮辐的缺陷进行全方位的检测；检测过程不需人工参与，检出率高；检测方法简单，检测结果可靠。
本发明实现其发明目的，所采用的技术方案是：一种机车车辆车轮轮辐缺陷超声波检测装置，包括与控制机构相连的探头支架上连接有超声波探头，超声波探头置于轮对的车轮踏面上，车轮踏面的下部置于顶转轮装置的顶轮和转轮上；超声波探头与数据采集、数据处理及控制计算机相连；其结构特点是：
超声波探头为六个收发一体的探头以及由发射探头和接收探头构成的四对探头；
其中：四对探头中每个探头的发射角或接收角范围均为15～33°发射角或接收角与滚动圆间的夹角即扭转角的范围均为5～35°，每对探头中发射探头的发射角和接收探头的接收角相同，扭转角也相同；第一对探头、第三对探头的发射探头和接收探头在踏面上相距的弧长范围为160-220mm，第二对探头、第四对探头的发射探头和接收探头在踏面上相距的弧长范围为280-340mm；第一、第二对探头分布在滚动圆旁靠近轮缘一侧，距离滚动圆1-10mm，第三、第四对探头分布在滚动圆旁靠近轮缘一侧，距离滚动圆1-25mm；
所述的六个收发一体探头中：
二个直探头，其中一个设置于滚动圆旁靠近轮缘一侧，另一个设置在滚动圆旁远离轮缘一侧，与滚动圆的轴向距离均为1-8mm；
二个斜探头，其发射角与滚动圆面平行，距离滚动圆的轴向距离为1-8mm的位置；
二个发射角0～10°探头，，其中一个探头设置于滚动圆旁靠近轮缘一侧，其发射线方向偏离轮缘侧，另一个探头设置在滚动圆旁远离轮缘一侧，其发射线方向指向轮缘侧，且与滚动圆的轴向距离均为1-4mm。
本发明的工作过程和工作原理是：
利用顶转轮装置的顶轮将轮对向上顶起，再由控制机构将探头支架及超声波探头置于轮对的车轮踏面上，使超声波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，带动轮对的两车轮相对于探头作圆周运动。完成车轮踏面表面的湿润后，多个超声波探头相互配合，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。各超声波探头实现对轮辐区域检测的工作原理如下：
一、四对发射角、接收角为15～33°的探头：
每对探头中发射探头的发射角和接收探头的接收角相同，且发射角与滚动圆间的夹角即扭转角相同。一侧的发射探头和另一侧的接收探头一个发射信号、另一个接收信号，形成发射、接收的V字型超声波路径。当车轮轮辐中存在周向缺陷时，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反射作用，超声波将以发射探头和接收探头中间的车轮半径为对称轴，向另一侧反射，而被另一侧的接收探头接收。因此每对探头配合可以检测车轮轮辐中检测半径上发射路径和接收路径交点处的位置区域的周向缺陷。当车轮旋转一周后，即可完成整个轮辐区域与踏面距离特定位置区域的周向缺陷扫描检测。
由于四对探头中第一对探头、第三对探头的发射探头和接收探头在踏面上相距的弧长范围为160-220mm，，其发射路径和接收路径在检测半径上的交点位于离踏面较近的辐板孔以上的位置，从而可检测离踏面较近的辐孔以上位置区域内的周向缺陷；第二对探头、第四对探头的发射探头和接收探头在踏面上相距的弧长范围为310-370mm，其发射路径和接收路径在检测半径上的交点位于离踏面较远的辐板孔以下的位置，则可以离踏面较远的辐孔以下位置区域内的周向缺陷。
同时，由于第一、第二对探头在踏面滚动圆的远离轮缘一侧(即外侧)，因此，该两对探头可检测车轮滚动圆外侧截面上的周向缺陷；而第三、第四对探头在踏面滚动圆的靠近轮缘一侧(即内侧)，该两对探头则可检测车轮滚动圆内侧截面上的周向缺陷。
调整四对探头的发射角与车轮滚动圆面的扭转角度，使其发射角与滚动圆面不再平行，能够避开轮辐轮辋交界处的整圈凹槽及曲线辐板内陷处的阻挡，而实现对凹槽及曲线辐板下方缺陷的有效检测。
二、二个收发一体的直探头：
其发射路径从探头指向车轮圆心，接收路径反向，也即其检测路径与车轮半径方向重叠。当车轮轮辐中存在周向缺陷时，发射信号传播到该周向缺陷时，由于该缺陷对超声波的反射作用，超声波将沿原路反射回探头，而检测出该周向缺陷。因此，可以近距离地检测轮辋、轮辋和轮辐交界处缺陷；同时它也可检测轮辐区域中，辐板孔上方及无辐板孔的检测半径上的周向缺陷。且由于这两个探头分别位于滚动圆两侧，因此，这两个探头可以检测出分布在滚动圆平面两侧没有辐板孔阻挡的位置区域处的周向缺陷。
三、二个收发一体的斜探头：
二个收发一体的斜探头可以检测与超声波发射路径垂直的缺陷，即可以检测与车轮周向线具有大夹角的缺陷。斜探头距离滚动圆的轴向距离为1-8mm的位置，因此它可以检测轮辐中的径向缺陷。
四、二个收发一体的发射角0～10°探头：
二个探头的发射角为0～10°，且一个探头的发射线与车轮滚动圆面的夹角前倾0～10°，另一个探头的发射线与车轮滚动圆面的夹角后倾0～10°。这样，二个探头的超声波发射路径将指向具有凹槽结构的轮辐的凹槽下方以及曲线轮辐较深的位置区域，检测出该区域范围内的周向缺陷。
因此，结合利用以上的四对探头以及六个收发一体的超声波探头，可实现带凹槽、带辐板孔、曲线型结构的车轮整个轮辐区域内的周向缺陷、径向缺陷、轴向缺陷的综合、全面检测。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
利用探头支架上的四对单发、单收的15～33°探头，实现轮辐辐板孔上、下方位置区域的周向缺陷的检测，同时也能避开轮辋轮辐交界处的整圈凹槽及曲线辐板内陷处的阻挡，而实现对凹槽及曲线辐板下方缺陷的有效检测；利用二个收发一体的直探头，检测出分布在滚动圆平面两侧没有辐板孔位置区域处的轮辐周向、轴向缺陷；二个收发一体的斜探头，检测轮辐径向和与径向成一定角度的缺陷；二个收发一体的发射角0～10°探头，检测出具有凹槽结构的轮辐的凹槽下方的轮辐周向缺陷以及曲线轮辐较深处的周向缺陷。因此，利用十四个探头，可完整地检测出各种类型机车车辆轮辐区域内的周向、径向和轴向缺陷，从而实现轮辐区域的全方位检测。通过旋转车轮一周、自动化的完成轮辐区域的缺陷检测，检测过程不需人工参与，检测效率高，检测结果可靠。
总之，本发明解决了对包括动车组在内的机车车辆的车轮只能检测轮辋区域缺陷不能检测轮辐区域缺陷的难题；可对轮辐区域的各类缺陷进行检测；适应中国各型动车组车轮及机车车辆车轮的特殊结构，为我国列车的运行安全提供了保障。
上述的超声波探头通过探头夹具与探头支架相连，探头夹具上还设置有供水口，探头夹具与探头支架之间设有弹簧减震机构。
通过供水口可以更方便地实现对车轮踏面表面的湿润、耦合处理；探头夹具及减震弹簧机构可使探头在不同直径车轮上都可以与踏面表面贴合紧密，同时减小摩擦，保证检测有效、可靠进行，同时也使本发明可以适应不同直径的车轮。
下面结合附图和具体的实施方式对本发明作进一步的详细说明。
附图说明
图1是本发明实施例未画出车轮下半部分(包括顶转轮装置)的正视结构示意及轮辐中的径向、周向缺陷的检测原理图。
图2是图1的俯视图。
图3是本发明实施例的去掉探头支架及所有探头后的缩小的正视结构示意。
图4是本发明实施例的发射角0～10°探头，检测凹槽结构轮辐的周向缺陷时的半剖视示意图。
图5是本发明实施例的发射角0～10°探头，检测曲线型轮辐较深处的周向缺陷时的半剖视示意图。
图6是本发明实施例的检测对象(车轮)的缩小的剖视结构示意图。
具体实施方式
实施例
图1-6示出，本发明的一种具体实施方式为：一种机车车辆车轮轮辐缺陷超声波检测装置，包括与控制机构相连的探头支架97上连接有超声波阵探头，超声波探头置于轮对的车轮1踏面14上，车轮轮缘12的下部置于顶转轮装置的顶轮91和转轮92上；超声波探头与数据采集、数据处理及控制计算机相连。超声波探头为由发射探头、接收探头组成的四对探头及六个收发一体的探头，其中：四对探头中每个探头的发射角或接收角范围均为15～33°发射角或接收角与滚动圆间的夹角即扭转角的范围均为5～35°，每对探头中发射探头的发射角和接收探头的接收角相同，扭转角也相同；第一对探头21A，21B、第三对探头23A，23B的发射探头和接收探头在踏面上相距的弧长范围为160-220mm，第二对探头22A，22B、第四对探头24A，24B的发射探头和接收探头在踏面上相距的弧长范围为310-370mm；第一、第二对探头21A和21B、22A和22B分布在滚动圆16旁靠近轮缘12一侧，距离滚动圆161-10mm，第三、第四对探头23A和23B、24A和24B分布在滚动圆16旁靠近轮缘12一侧，距离滚动圆161-25mm；
六个收发一体探头中：
二个直探头31A、31B，其中一个设置于滚动圆16旁靠近轮缘一侧，另一个设置在滚动圆16旁远离轮缘12一侧，与滚动圆16的轴向距离均为1-8mm；
二个斜探头32A、32B，其发射角α31A，α31B与滚动圆16面平行，距离滚动圆16的轴向距离为1-8mm的位置；
二个发射角0～10°探头33A、33B，且发射角α33A，α33B与滚动圆面的扭转角β33A，β33B为90°，其中一个探头33B设置于滚动圆16旁靠近轮缘12一侧，其发射线方向偏离轮缘12侧，另一个探头33A设置在滚动圆16旁远离轮缘12一侧，其发射线方向指向轮缘12侧，且与滚动圆16的轴向距离均为1-4mm。
超声波探头通过探头夹具98与探头支架97相连，探头夹具98上还设置有供水口，探头夹具98与探头支架97之间设有弹簧减震机构。
图4示出，本例中的两个发射角0～10°探头33A、33B以0°发射时，其发射的超声波分别检测到轮辋轮辐交接处的周向缺陷，探头33A检测到周向缺陷59以及滚动圆16基线附近的缺陷47，探头33B检测到缺陷40以及滚动圆基线16附近的缺陷49。
图1给出了四对探头21A和21B、22A和22B、23A和23B、24A和24B的发射角α21A，α21B，α22A，α22B，α23A，α23B，α24A，α24B均为30°，扭转角β21A，β21B，β22A，β22B，β23A，β23B，β24A，β24B为30°的检测情形。四对探头能检测辐板孔17上方和辐板孔17下方的缺陷。第一对探头21A和21B检测到滚动圆外侧的缺陷41，第二对探头22A和22B检测到滚动圆内侧的缺陷42；第四对探头24A和24B检测到滚动圆外侧的缺陷43，第三对探头23A和23B检测到滚动圆内侧的缺陷44。
图1中，具体给出了二个收发一体斜探头32A、32B，其发射角α32A，α32B均为45°时的检测情形，能检测出轮辐15较薄处的径向缺陷57，58。
图4、5具体给出了二个发射角0～10°探头33A、33B，其发射角α33A，α33B为4°时的检测情形示意：二个探头的超声波发射路径将指向具有凹槽结构的轮辐辐辐凹槽下方位置区域，探头33A、33B分别检测出该区域范围内的周向缺陷69，68；也可检测曲线轮辐15较深处的周向裂纹70。图1还给出了，当二个发射角0-10°探头33A、33B以0°发射时的检测情形，可检测出无辐板孔17遮挡处下方的周向缺陷45、46。

Claims (2)

1.一种机车车辆车轮轮辐缺陷超声波检测装置，包括与控制机构相连的探头支架(97)上连接有超声波探头，超声波探头在检测时置于轮对的车轮(1)踏面(14)上，车轮踏面(14)的轮缘(12)下部置于顶转轮装置的顶轮(91)和转轮(92)上；超声波探头与数据采集、数据处理及控制计算机相连；其特征在于：
所述的超声波探头为六个收发一体的探头以及由发射探头和接收探头构成的四对探头；
其中：四对探头中每个探头的发射角或接收角范围均为15～33°，发射角或接收角与滚动圆间的夹角即扭转角的范围均为5～35°，每对探头中发射探头的发射角和接收探头的接收角相同，扭转角也相同；第一对探头(21A，21B)、第三对探头(23A，23B)的发射探头和接收探头在踏面上相距的弧长范围为160-220mm，第二对探头(22A，22B)、第四对探头(24A，24B)的发射探头和接收探头在踏面上相距的弧长范围为280-340mm；第一、第二对探头(21A和21B、22A和22B)分布在滚动圆(16)旁远离轮缘(12)一侧，距离滚动圆(16)1-10mm，第三、第四对探头(23A和23B、24A和24B)分布在滚动圆(16)旁靠近轮缘(12)一侧，距离滚动圆(16)1-25mm；
所述的六个收发一体探头中：
二个直探头(31A、31B)，其中一个设置于滚动圆(16)旁靠近轮缘一侧，另一个设置在滚动圆(16)旁远离轮缘(12)一侧，与滚动圆(16)的轴向距离均为1-8mm；
二个斜探头(32A、32B)，其发射角(α31A，α31B)与滚动圆(16)面平行，距离滚动圆(16)的轴向距离为1-8mm的位置；
二个发射角0～10°探头(33A、33B)，其中一个探头(33B)设置于滚动圆(16)旁靠近轮缘(12)一侧，其发射线方向偏离轮缘(12)侧，另一个探头(33A)设置在滚动圆(16)旁远离轮缘(12)一侧，其发射线方向指向轮缘(12)侧，且与滚动圆(16)的轴向距离均为1-4mm。
2.如权利要求1所述的一种机车车辆车轮轮辐缺陷超声波检测装置，其特征在于：所述的超声波探头通过探头夹具(98)与探头支架(97)相连，探头夹具(98)上还设置有供水口，探头夹具(98)与探头支架(97)之间设有弹簧减震机构。
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