CN101706475A - 一种列车车轮轮箍在线检测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于电磁超声无损检测领域，公布了一种列车车轮轮箍在线检测装置及方法。目的在于解决现有车轮轮箍检测方式中各种问题，满足高速电气化铁路发展的需要。装置由电磁超声探头阵列、前置箱和控制处理单元三部分组成。检测装置使用电磁超声垂直入射体波，采用脉冲反射法，通过收发一体化的探头，对车轮轮箍缺陷量化精度高。该检测方法无需使用声耦合剂，不需要对钢轨进行切割加工，结构简单，环境适应能力强，可实现对车轮轮箍缺陷的高效、精确、全面在线检测。

Description

一种列车车轮轮箍在线检测装置及方法

(一)技术领域

本发明涉及电磁超声检测技术，具体说就是一种列车车轮轮箍在线检测装置及方法。

(二)背景技术

列车车轮在运行一定的时间后，在车轮轮箍踏面及内部会产生擦伤、剥离、龟裂、磨损和裂纹等缺陷，为了保证行车安全，必须及时对其进行修复或更换。近年来，伴随列车车速的逐年提高，这类隐患的危险性日益增大，因此车轮的无损检测特别是在线无损检测受到各国的高度重视。我国正处在列车不断提速的过程中，对车轮的安全性也提出了更高的要求，所以迫切需要研制一种既能在出厂时对车轮全面检查，也能对运动中的车轮进行在线检测的方法。无损检测技术中对金属的常规探伤方法主要采用压电超声探伤和磁粉探伤，这两种方法虽然简单，但是它们在运用到车轮探伤时都存在一些缺限：(1)它们都难以探测到车轮轮箍踏面和近表面连续壳层内的缺陷，而轮箍踏面和近表面的擦伤、剥离、裂纹等缺陷恰恰是危及行车安全的重大因素；(2)它们在探伤时大多需要对车轮进行解体，在解体状态下，沿车轮表面连续扫查才能实现车轮的连续探伤，这样就无法实现动态在线检测；(3)压电式超声波探伤，往往需要声耦合剂才能实现与被测件之间的良好耦合，另外，该技术对被测件的表面质量要求较高，所以难以应用于高温、高速和粗糙表面的检测环境。随着我国现代化铁路的建设和列车提速的要求，迫切需要一种能对车轮轮箍进行全面、精确、高效的在线检测装置。

电磁超声换能器(Electromagnetic acoustic transducer，简称EMAT)诞生于20世纪60年代。与传统的压电式换能器相比，该技术具有明显的优势：(1)与被测物无接触而省去声耦合剂，测量的可重复性好；(2)对试件表面的要求不高，无需对试件进行预处理，因此检测效率大大提高；(3)可以方便地产生多种类型的超声波；(4)该技术对人体及环境无危害，是环保型技术。超声波在车轮中传播衰减小，对缺陷的敏感度很高，可以实现车轮轮箍缺陷地有效检测。例如，中国实用新型专利(申请号200320111599.3，申请日2003.11.20)公开了一种“铁路机车、车辆车轮踏面在线自动化探伤装置”，所述的探伤装置由探头、前置箱、计算机和固定座等几部分组成，可以对车轮轮箍表面以下15mm的范围进行检测；中国发明专利(申请号：200710176817.4，申请日期：2007.11.5)公开了“一种火车车轮表面自动电磁超声检测装置和方法”，该装置主要由车轮踏面换能器、车轮轮缘换能器、计算机、脉冲发生器、脉冲串产生器、功率放大器、检波器以及机械装置等组成，可以对车轮踏面及近表面进行检测。两个申请均描述了对车轮踏面检测的装置和方法，但由于均采用电磁超声表面波对车轮进行检测，因而其检测范围仅局限于车轮轮箍踏面下一定范围内，并不能实现车轮轮箍整体的全面检测。

(三)发明内容

本发明的目的在于提供一种无需使用声耦合剂、无需配备复杂的机械结构和盛装耦合剂的容器、检测装置结构简单、对缺陷大小量化精度高的列车车轮轮箍在线检测装置及方法.

本发明的目的是这样实现的：所述的列车车轮轮箍在线检测装置，它是由电磁超声探头阵列、前置箱和控制处理单元组成的，电磁超声探头阵列通过屏蔽线连接前置箱，前置箱通过屏蔽线连接控制处理单元。

本发明还有以下技术特征：

(1)所述的前置箱包括功率放大电路、接收电路、升压电路和转换开关，转换开关分别连接接收电路和功率放大电路，功率放大电路连接升压电路。

(2)所述的控制处理单元包括数据采集电路、微处理器、存储电路和显示电路，数据采集电路连接微处理器，微处理器分别连接存储电路和显示电路。

(3)所述的电磁超声探头阵列包括40个电磁超声发射/接收探头，每段钢轨上分布20个探头。该探头可以进行超声波的发射和接收。

本发明一种列车车轮轮箍在线检测方法，步骤如下：

步骤一：将电磁超声探头阵列通过机械装置固定安装在钢轨上，并与前置箱和控制处理单元连接；

步骤二：车轮到来时，触发微处理器工作发出控制信号给D类功率放大电路，信号为脉冲串的形式，频率1MHz，持续时间5us；

步骤三：功率放大电路驱动电磁超声探头发射电磁超声垂直入射体波；

步骤四：垂直入射体波在车轮轮箍中传播，当遇到缺陷时，部分能量会发生反射，其余能量会继续传播，遇到端面时发生反射，再通过电磁超声探头进行接收；

步骤五：电磁超声探头接收的超声信号经接收电路进行放大滤波，然后由数据采集电路在微处理器的控制下将该信号采集并暂存在微处理器的内存单元中；

步骤六：微处理器对采集到电磁超声回波信号进行快速数字信号处理，提取缺陷特征；

步骤七：微处理器将根据反射回波信号确定缺陷的有无，并对其大小进行量化；

步骤八：微处理器将处理结果在显示电路上实时显示；并将处理前后的数据存储在存储电路中；

步骤九：返回运行步骤二。

本发明一种列车车轮轮箍在线检测装置及方法，通过电磁超声垂直入射体波检测车轮轮箍缺陷，可以实现车轮轮箍缺陷精确、高速的检测。本发明使用电磁超声技术实现车轮轮箍缺陷检测，检测过程无需使用声耦合剂，无需配备复杂的机械结构和盛装耦合剂的容器，检测装置结构简单；使用一个收发一体的电磁超声探头对车轮轮箍缺陷进行检测，通过端面反射波和缺陷反射波进行双重检测，对缺陷大小进行量化的精度高；采用垂直入射体波对车轮轮箍进行检测，其探头结构简单，不需要对钢轨进行加工切割，有效的保证了钢轨的承载能力。本发明可以实现对车轮轮箍缺陷地全面、在线检测。

(四)附图说明

图1为本发明的总体结构框图；

图2为本发明的安装位置俯视图；

图3为本发明的检测无缺陷时探头波形示意图；

图4为本发明的检测有缺陷时探头波形示意图；

(五)具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

实施例1，结合图1、图2、图3，本发明一种列车车轮轮箍在线检测装置，它是由电磁超声探头阵列(9)、前置箱(2)和控制处理单元(4)组成的，电磁超声探头阵列(9)通过屏蔽线连接前置箱(2)，前置箱通过屏蔽线连接控制处理单元(4)。

本发明还有以下技术特征：

所述的前置箱包括功率放大电路、接收电路、升压电路和转换开关，转换开关分别连接接收电路和功率放大电路，功率放大电路连接升压电路。

所述的控制处理单元包括数据采集电路、微处理器、存储电路和显示电路，数据采集电路连接微处理器，微处理器分别连接存储电路和显示电路。

所述的电磁超声探头阵列包括40个电磁超声发射/接收探头，每段钢轨上分布20个探头。该探头可以进行超声波的发射和接收。

本发明一种列车车轮轮箍在线检测方法，步骤如下：

步骤一：将电磁超声探头阵列通过机械装置固定安装在钢轨上，并与前置箱和控制处理单元连接；

步骤二：车轮到来时，触发微处理器工作发出控制信号给D类功率放大电路，信号为脉冲串的形式，频率1MHz，持续时间5us；

步骤三：功率放大电路驱动电磁超声探头发射电磁超声垂直入射体波；

步骤四：垂直入射体波在车轮轮箍中传播，当遇到缺陷时，部分能量会发生反射，其余能量会继续传播，遇到端面时发生反射，再通过电磁超声探头进行接收；

步骤五：电磁超声探头接收的超声信号经接收电路进行放大滤波，然后由数据采集电路在微处理器的控制下将该信号采集并暂存在微处理器的内存单元中；

步骤六：微处理器对采集到电磁超声回波信号进行快速数字信号处理，提取缺陷特征；

步骤七：微处理器将根据反射回波信号确定缺陷的有无，并对其大小进行量化；

步骤八：微处理器将处理结果在显示电路上实时显示；并将处理前后的数据存储在存储电路中；

步骤九：返回运行步骤二。

实施例2，结合图2、图3，本发明一种列车车轮轮箍在线检测装置及方法，所述的超声检测探头是一个具有收发一体功能的电磁超声探头.检测装置工作过程如下：微处理器(4)发出控制信号给D类功率放大电路(6)，D类功率放大电路(6)驱动电磁超声探头发出垂直入射体波.垂直入射体波在车轮轮箍中传播，传播速度约3000m/s，当遇到缺陷时部分能量会发生发射，其余能量继续传播遇到端面时会发生反射.电磁超声探头对缺陷反射回波和端面反射回波进行接收.超声波在车轮轮箍传播路径如图3所示.超声探头接收到的超声信号经接收电路(1)调理后，由数据采集电路(3)采集后暂存在微处理器(4)的内存单元中.微处理器(4)将超声探头接收到的信号经快速数字信号处理，提取缺陷特征.微处理器(4)将根据探头的缺陷反射回波信号确定缺陷的有无，如果有缺陷，将进一步根据缺陷回波时间确定缺陷位置，根据缺陷反射回波的强度并结合探头端面发射回波信号衰减的大小对该缺陷大小进行量化.最后，微处理器(4)将处理结果通过显示电路(7)进行实时显示，并将处理前后的数据存储在存储电路(8)中.

实施例3，结合图2、图3、图4，本发明一种列车车轮轮箍在线检测装置及方法，所述的每个探头均可以发射、接收超声波，在进行检测之前，首先将电磁超声探头安装到钢轨上，并利用其对无缺陷的车轮轮箍进行检测，记录此时超声探头接收到的超声波幅值。在实际检测时，如图4所示，若车轮轮箍内部有缺陷，超声波遇到缺陷时，部分能量会发生反射，超声探头将接收到缺陷反射回波信号，同时剩余能量会继续传播，遇到端面会发生反射，超声探头同时可以接收到端面反射回波。通过测量超声探头接收到的缺陷反射回波信号的有无、强度并结合超声探头接收到的端面反射波衰减的程度，即可对缺陷大小及类型进行量化。

Claims (5)

1.一种列车车轮轮箍在线检测装置，它是由电磁超声探头阵列(9)、前置箱(2)和控制处理单元(4)组成的，其特征在于：电磁超声探头阵列(9)通过屏蔽线连接前置箱(2)，前置箱通过屏蔽线连接控制处理单元(4)。

2.根据权利要求1所述的一种列车车轮轮箍在线检测装置，其特征在于：所述的前置箱(2)包括功率放大电路(6)、接收电路(1)、升压电路(13)和转换开关(12)，转换开关(12)分别连接接收电路(1)和功率放大电路(6)，功率放大电路(6)连接升压电路(13)。

3.根据权利要求1所述的一种列车车轮轮箍在线检测装置，其特征在于：所述的控制处理单元(4)包括数据采集电路(3)、微处理器(5)、存储电路(7)和显示电路(8)，数据采集电路(3)连接微处理器(5)，微处理器(5)分别连接存储电路(7)和显示电路(8)。

4.根据权利要求1所述的一种列车车轮轮箍在线检测装置，其特征在于：所述的电磁超声探头阵列(9)包括40个电磁超声发射/接收探头，每段钢轨上分布20个探头。每个探头均可以进行超声波的发射和接收。

5.一种列车车轮轮箍在线检测方法，其特征在于：步骤如下：

步骤一：将电磁超声探头阵列(9)通过机械装置固定安装到钢轨(11)上，并与前置箱(2)和控制处理单元(4)连接；

步骤二：列车到来时，触发微处理器(5)工作发出控制信号给功率放大电路(6)，信号为脉冲串的形式，频率1MHz，持续时间5us；

步骤三：功率放大电路(6)驱动电磁超声探头发射电磁超声垂直入射体波；

步骤四：垂直入射体波在车轮轮箍中传播，当遇到缺陷时，部分能量会发生反射，其余能量会继续传播，遇到端面时发生反射，再通过电磁超声探头进行接收；

步骤五：电磁超声探头接收的超声信号经接收电路(1)进行放大滤波，然后由数据采集电路(3)在微处理器(5)的控制下将该信号采集并暂存在微处理器(5)的内存单元中；

步骤六：微处理器(5)对采集到电磁超声回波信号进行快速数字信号处理，提取缺陷特征；

步骤七：微处理器(5)将根据反射回波信号确定缺陷的有无，并对其大小进行量化；

步骤八：微处理器(5)将处理结果在显示电路(8)上实时显示；并将处理前后的数据存储在存储电路(7)中；

步骤九：返回运行步骤二。

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