CN102445495A - 双轨自动探伤系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及钢轨探伤技术，尤其是一种双轨自动探伤系统。该系统包括用于列车钢轨上行进的基础车架，其特征在于：所述探伤系统还包括伺服子系统、探伤子系统和电气控制子系统，所述电气控制子系统控制连接有驱动电机、探伤子系统和伺服子系统；所述的伺服子系统包括耦合喷淋机构和两个伺服对中机构，所述耦合喷淋机构设于所述基础车架上，所述探伤子系统包括超声波探轮及其控制电路，所述超声波探轮可垂直移动式设置于所述伺服对中机构的滑块上，并贴合所述列车钢轨，所述滑块连接有滑块电机，并通过该滑块电机驱动在伺服对中机构上水平移动。其优点是：该自动探伤系统结构紧凑、重量较轻、便于携带、操作简便、检测效率高，提高了轨道的检修质量，最大限度地减少安全隐患。

Description

双轨自动探伤系统

技术领域

本发明涉及一种钢轨探伤系统，尤其是结合超声波扫描的一种双轨自动探伤系统。

背景技术

列车在加速和制动过程中以及通过钢轨接缝、弯道和道岔时，对钢轨造成摩擦、挤压、弯曲和冲击作用，在这些反复的作用下，钢轨极易产生损伤。目前，我国铁路运输繁忙，线路状况较差，钢轨伤损率较高，钢轨因伤损折断的情况时有发生，直接危及行车安全。为保障铁路行车安全，防止、监视伤损的发生、发展，铁路的工务部门对钢轨伤损检测和整治非常重视，制订了相关技术规章和办法，对钢轨进行探伤检测。

目前我国进行钢轨探伤时主要采取两种方式：一种是采用从国外进口的大型探伤车；另外一种是使用小型人工探伤车。相较小型人工探伤车，大型探伤车检测效率、检测精度高，但是价格昂贵，而且不适合中国轨道交通的国情。由于此种探伤车通常需要专门修建一条与钢轨连通的轨道线，供其停放和上轨检测使用，上轨后沿固定线路进行探测，但是我国铁路运输繁忙，很多路段没有空余时间给大型探伤车上轨探伤。故此，当前我国的钢轨探伤工作仍处于以手推式探伤小车为主, 大型探伤车为辅的局面。随着我国各种客运专线和沪宁、沪杭高速城际铁路开通运营，客运专线和高速铁路线路养修体制颁布实施，传统手推式探伤小车在列车间隙上轨进行检测的模式已不能适应养修体制变化需要。

为此铁路部门提出采用“天窗”作业方式，即对某区间线路提供1-3小时的作业时间，在此期间没有列车运行。在这种情况下，传统手推式探伤小车的检测效率低的弊端就显得尤为突出。而若采用大型探伤车，则因价格昂贵而受配置数量限制，难以有效开展工作。而且以上述的“天窗”作业中作业时间为基准，采用大型探伤车需要沿途布置很多用于停放的轨道线，增加了大量的基础建设成本。因此，现场实际使用中急需开发一种性价比较高的探伤系统，该种系统检测效率应明显高于传统手推式探伤小车，但造价又要远低于钢轨探伤车，上下轨方便，能全面替代手推车，又是钢轨探伤车的有效辅助。

发明内容

本发明的目的是根据上述现有技术的不足之处，提供一种结合超声波扫描的双轨自动探伤系统，可实现钢轨的超声波自动探伤和定位，特别适用于检测钢轨头部横向疲劳裂纹（核伤）、螺栓孔裂纹、腰部斜裂纹和钢轨纵向水平裂纹等损伤。

本发明目的的实现由以下技术方案完成： 

一种双轨自动探伤系统，包括用于列车钢轨上行进的基础车架，其特征在于：所述探伤系统还包括伺服子系统、探伤子系统和电气控制子系统，所述电气控制子系统控制连接有驱动电机、探伤子系统和伺服子系统；所述的伺服子系统包括耦合喷淋机构和两个伺服对中机构，所述耦合喷淋机构设于所述基础车架上，所述二伺服对中机构分别安装于所述基础车架两侧；所述探伤子系统包括超声波探轮及其控制电路，所述超声波探轮可垂直移动式设置于所述伺服对中机构的滑块上，并贴合所述列车钢轨，所述滑块连接有滑块电机，并通过该滑块电机驱动在伺服对中机构上水平移动。 

所述伺服对中机构以一支架为其主体，该支架与所述基础车架侧面固定连接，并固定连接所述滑块电机；所述支架上包含有一水平设置的滑杆，所述滑块可活动套装于所述滑杆上；所述滑块上螺纹配合一可垂向调节螺杆，所述垂向调节螺杆底端固定连接一探轮架，所述探轮架固定连接所述超声波探轮及驱动所述超声波探轮转动的转向电机。

所述伺服对中机构还包括导向轮架和导向轮，在所述支架上包含一水平设置的导向杆，所述导向轮架可活动式套装于所述导向杆上，所述导向轮架和所述支架间连接有至少一弹簧，所述导向轮架上设置所述导向轮，所述导向轮一端设有环状凸缘，所述端部环状凸缘与所述列车钢轨贴合，导向轮行走于列车钢轨上。

所述的导向轮架上设置有纵向导向犁，所述导向犁的长度大于道岔有害空间的长度。

所述基础车架两侧通过传动轴连接有置于列车钢轨上的主走行轮，所述的传动轴由二实心轴和一空心轴套组成，所述的两根实心轴外端分别固定所述主走行轮，其内端分别可活动式插装于所述的空心轴套两端，并通过销轴和平键相固定；所述的基础车架底部、于所述主走行轮之间设置有若干辅助走行轮。

所述的主走行轮轮毂外侧设置有聚氨酯层。

道岔由转辙器、连接部分、辙叉及护轨组成，根翼轨的最窄处到辙叉心的最尖端之间有一段空隙为道岔有害空间。

本发明的优点是：在效率上高于传统的手推式探伤小车，小车整车机构简单，在造价上远低于大型探伤车；实现了数据采集、处理自动化，能够连续对钢轨进行损伤检测，具备一定的损伤判定功能，避免了人为因素影响；该自动探伤系统结构紧凑、重量较轻、便于携带、操作简便、检测效率高，提高了轨道的检修质量，最大限度地减少安全隐患。

附图说明

图1是本发明的系统结构图；

图2是本发明的总体示意图；

图3是本发明的驱动子系统中伸缩传动轴的结构图；

图4为图3局部放大示意图；

图5是本发明的主走行轮的结构图；

图6是本发明的伺服对中机构的结构图I；

图7为图6局部放大示意图；

图8是本发明的伺服对中机构的结构图II；

图9是本发明的伺服对中机构的结构图III；

图10是本发明的探伤子系统的结构图；

图11是本发明的电气控制图。

具体实施方式

以下结合附图通过实施例对本发明特征及其它相关特征作进一步详细说明，以便于同行业技术人员的理解：

如图1-11所示，图中标记1-83分别为：伺服子系统1、导向轮2、导向铁犁3、伺服对中机构4、耦合喷淋机构5、电气控制子系统6、操作台7、驱动部分8、反馈部分9、控制电路10、信号处理与显示电路11、模拟电路12、超声波探轮13、探伤子系统14、驱动子系统15、主走行轮16、辅助走行轮17、伸缩传动轴18、基础车架19、遮阳篷20、数据显示屏21、防护栏22、底架23、钢轨24、控制箱25、电瓶26、水箱27、手持式操作盒28、实心轴29、空心轴套30、轴承座31、内六角螺钉32、双平键33、销轴34、轴端锁紧套35、密封环36、轮毂37、聚氨酯层38、锁紧螺母39、开口销40、主支架41、连接支架42、防护罩43、导向轮架44、滑块45、垂向调节螺杆46、导向杆47、探轮架48、滑块电机49、弹簧50、蜗轮蜗杆组合51、步进电机52、超声波发射与接收模块53、通道选择模块54、信号调理模块55、A/D采集模块56、DSP芯片57、数据显示模块58、双口RAM59、ROM60、USB/RS232接口61、MCU芯片62、外设63、行走转向开关64、运行速度显示码表65、安装版66、信号线67、传感器68、底座支架69、气泵70、进出线面板71、衬垫72、电气控制箱73、气泵控制按钮74、电源开关75、有机玻璃挡风罩76、重载连接器77、传动链78、限位开关79、角位移编码器80、零位开关81、行走电机82、探头83。

实施例：如图1、图2所示，本发明包括伺服子系统1、驱动子系统15、探伤子系统14和电气控制子系统6四个子系统。

其中伺服子系统1主要包括导向轮2、导向铁犁3、伺服对中机构4和耦合喷淋机构5；驱动子系统15主要包括基础车架19、伸缩传动轴18、主走行轮16及辅助走行轮17；探伤子系统14主要包括超声波探轮13、模拟电路12、信号处理与显示电路11和控制电路10四个部分；电气控制子系统6主要由操作台7、驱动部分8和反馈部分9组成。伺服子系统1、驱动子系统15、探伤子系统14和电气控制子系统均各自作为一个独立单元驱动，为了避免电磁干扰，探伤子系统14独立于其它子系统供电；伺服子系统1、驱动子系统15、探伤子系统14通过总线连接到电气控制子系统6的操作台7，操作台7实时控制各部件的工作情况。

如图2所示，基础车架19作为伺服子系统1、探伤子系统14和电气控制子系统6的安装平台，包括底架23、防护栏22、遮阳篷20和踏板（图中被遮挡），其中遮阳篷20、防护栏22、探伤子系统14的数据显示屏21、手持式操作盒28、水箱27和电瓶26等都被安装在大小为1500mm×600mm的底架23上，伺服子系统1的伺服对中机构4安装在底架23的左、右两侧居中位置，并可以拆卸搬运；驱动子系统15的伸缩传动轴18通过主走行轮16在钢轨24上行走，辅助走行轮17位于底架23的前后端，每一端各对称设置有两个；为了节省空间，耦合喷淋机构5的水箱27前后分布，分别对两侧的喷嘴提供耦合液，同时可以作为操作人员的座位。伸缩传动轴18通过无刷永磁直流行走电机82驱动，采用四个12V×28Ah电瓶26作为动力源，为了行走的时候稳定，两个一组分别在底架23前后分布。为了防止电磁干扰，驱动子系统15和伺服子系统1独立于探伤子系统14进行控制，为了双轨自动探伤系统运行平稳，将其控制箱25安置在底架23前端。各个子系统采用可拆除、模块化的方式连接在基础车架上，操作人员按照前后方式安排座位，通过蓄电池作为动力，电机和链条传动对整套系统进行操作。

如图3-4所示，为了便于整体系统的搬运，驱动子系统15采用伸缩传动轴的方式，当伸缩传动轴18处于图中所示的伸长状态I时，通过主走行轮16在钢轨24上行走，实现在钢轨上的探伤和行走；当伸缩传动轴18处于图中所示的收缩状态II时，通过辅助走行轮17实现在地面的搬运和行走，同时可以减小搬运空间。伸缩传动轴18主要由两根实心轴29和空心轴套30伸缩组成，将两根实心轴29分别插入空心轴套30的两端并且通过双平键33进行固定和传动。伸缩传动轴18在伸长和缩短状态的定位通过安装在实心轴29销轴孔中的销轴34实现，并通过设置在空心轴套30两端的轴端锁紧套35和内六角螺钉32进行锁紧。实心轴29和空心轴套30之间通过油脂进行润滑，并通过轴端缩紧套35处的密封环10进行密封。整个传动伸缩轴18通过轴承座31连接在底架23上。

如图5所示，主走行轮16的轮毂37由铝合金材料组成，外表面附着聚氨酯层38，具有绝缘、高承载、高动态负荷、耐磨、低噪音和轻质的特点。主走行轮16通过锁紧螺母39和开口销40固定在伸缩传动轴18的实心轴29两端上。

如图6-9所示的伺服对中机构，伺服对中机构4以一支架为其主体，该支架分为主支架41和连接支架42，主支架41通过连接支架42与驱动子系统15中的底架23连接。为了防尘、防水，在主支架41上端安装了防护罩43。主支架41上水平设置有滑杆及导向杆47，而超声波探轮13被安装在了伺服对中机构4的滑块45上，而滑块45则可活动连接在滑杆上。导向轮架44通过连接件固定连接在主支架41上；导向轮2通过导向轮架44连接在了主支架41上，并能沿着贯穿导向轮架44和主支架41的导向杆47的滑道，达到紧贴轨道工作面的效果，保证了超声波探轮13能够时刻在钢轨24的中心线上运行。导向铁犁3的一端安装在了导向轮架44上，随着导向轮2沿轨道横向运动，其长度大于道岔有害空间的长度，可以防止伺服对中机构4在过道岔有害空间时发生脱轨掉道等情况的发生。伺服对中机构4能保证轮超声波探轮13的全方位调节控制，具体全方位调节控制方式如下：活动连接在主支架41上的滑块45使超声波探轮13独立于导向轮2在轴向左右移动，滑块45由滑块电机49驱动；通过安装在滑块45上的垂向调节螺杆46的调节，使超声波探轮13可进行上下调节；设置在主支架41上的滑块电机49能够对超声波探轮13进行横向水平调节，并通过位于导向轮架44和主支架41之间的弹簧50的预紧作用，使导向轮内法兰面时刻紧贴轨道的工作面，保证了超声波探轮能够时刻在钢轨的中心线上运行；通过将超声波探轮13铰接探轮架48，旋转调节设置于探轮架上的电机52，电机52与涡轮蜗杆组合51连接并驱动蜗轮蜗杆组合51，使超声波探轮13相对于钢轨24轨面在径向作左右摆动，实现角度调节，确保超声波探轮与钢轨24顶面耦合良好。

如图8所示，整个探伤子系统由超声波探轮13、模拟电路12、信号处理与显示电路11和控制电路10组成。超声波探轮13的轮子由透声树脂材料制作，内充透声液，轴上装固定9个探头83，其中包括：70度探头6个、37.5度探头2个、0度探头1个以及其他安装探头的附件。超声波回波的信号调理通过模拟电路12实现，包括超声波的发射与接收模块53、通道选择模块54和信号调理模块55。信号处理与显示电路11基于DSP技术设计和制造，包括A/D采集模块56、DSP芯片57、数据显示模块58和双口RAM59。为了提高系统的实时性，采用高速MCU芯片62与DSP芯片57构成一个主从系统，这样DSP芯片57仅仅需要完成复杂的算法，控制采集外部数据、输出控制信号和完成人机交互的工作交由MCU芯片62完成。使用双口RAM59作为DSP芯片57与MCU芯片62之间的通讯媒体，可以快速可靠的实现大量数据的传递。

如图9所示，探伤子系统工14作时，耦合喷淋机构5和伺服对中机构4保证超声波探轮13与钢轨24的顶面对中与耦合良好。超声波探轮13随探伤系统的运动而转动，而其中的探头83芯不动，以保持声波的发射和接收方向不变。超声波发射与接收模块53向钢轨24发出和接收返回的连续脉冲超声波束，通过定期产生选择超声通道的编码信号，使通道选择模块54中的十八路超声通道轮流被选通。通过信号调理模块55中的换能器将接收到的回波信号转化为电信号，在经过放大与整形，送入高速A/D采集模块56。经A/D采集模块56转换后的数字化数据送入DSP芯片57内部进行各种算法处理，将记录下回波信号的波程、峰值及脉冲重复周期的序号，形成数据文件送到数据显示模块58；定期将处理过的数据存入双口RAM59供MCU芯片62读取，MCU芯片62再将其转存到ROM60中，可将探伤结果通过USB/RS232接口61转存到其他计算机中，便于探伤完成后进一步分析和处理。在探伤检测过程中，可通过键盘、鼠标等外设63对显示部分实时控制和对检测参数进行实时调整。

如图1、2所示，电气控制子系统由操作台7、驱动部分8和反馈部分9组成。操作台7将各个子系统作为一个独立单元进行控制，通过可编程控制器作为控制系统核心，来控制各个子系统的运行；操作人员通过手持式操作盒28发出指令给可编程控制器，实现人机对话。

如图1、2、9所示，驱动部分8将各个子系统作为一个独立单元进行驱动。对于伺服子系统1的伺服对中机构4，采用高精度的直线运动步进电机52驱动，超声波探轮13可以沿钢轨面径向倾角调整，调整角度±3-5度，水平移动±10mm；而对于整个双轨自动探伤系统的前后移动，采用无刷永磁直流电机通过传动链对伸缩传动轴18上的链轮进行驱动，经测试，本双轨自动探伤系统运行速度可以达到15-20公里/小时，一次充电可行驶50公里。

如图1所示，反馈部分9主要采用限位开关79、角位移编码器80和零位开关81等实现运动的反馈，克服步进电机52失步和机械安装间隙等误差，从而提高系统跟踪和定位精度。

如图11所示，电气控制箱73安装在底座支架69上，电子元器件的安装板66装在电气控制箱73内。控制箱73上分别装有运行速度显示码表65、行走转向开关64、电源开关75和气泵控制按钮74。控制箱73上安装一个脱卸式的有机玻璃挡风罩76，挡风罩76与控制箱73的连接处贴有防水密封条。速度显示码表65通过信号线67和伸缩传动轴18上的传感器68连接，用于反馈双轨自动探伤系统当前的运行速度。控制箱73侧面开有进出线面板71，面板上安装8个重载连接器77，其中9芯1个，4芯4个，2芯2个，其余2个连接器只安装底座，并用闷头封住，以作备用，安装板66上开6个4mm的螺孔，面板处贴有衬垫72。控制箱73和设备之间的连接均通过重载连接器77连接，并安装了连接器底座，内装公头针芯，连接线均为母头孔芯。手持式操作盒28、气泵70、步进电机52和蓄电池26等均通过进出线面板71与安装板66上的控制电路连接。

本发明双轨自动探伤系统满足以下的运行技术性能： 

行进速度：15-20km/h，一次连续完成50km的钢轨探伤能力。

具有操作简便、上下线路方便的特点，承载2-3人探伤作业。

能检测43-75kg钢轨核伤、螺孔裂纹、斜（水平）裂纹等常见伤损。

以B型显示为主兼具A型显示功能，能实现实时检测与判伤。

0°探头83探测110mm底面，波高80%时，灵敏度余量不低于36dB，37°和70°探头83探测Φ3*65mm横通孔，波高80%时灵敏度余量不低于40dB。

工作环境温度：-15—45℃ 

应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干变形和改进，比如对机械传动结构的变更，也属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种双轨自动探伤系统，包括用于列车钢轨上行进的基础车架，其特征在于：所述探伤系统还包括伺服子系统、探伤子系统和电气控制子系统，所述电气控制子系统控制连接有驱动电机、探伤子系统和伺服子系统；所述的伺服子系统包括耦合喷淋机构和两个伺服对中机构，所述耦合喷淋机构设于所述基础车架上，所述二伺服对中机构分别安装于所述基础车架两侧；所述探伤子系统包括超声波探轮及其控制电路，所述超声波探轮可垂直移动式设置于所述伺服对中机构的滑块上，并贴合所述列车钢轨，所述滑块连接有滑块电机，并通过该滑块电机驱动在伺服对中机构上水平移动。

2.如权利要求1所述的一种双轨自动探伤系统，其特征在于：所述伺服对中机构以一支架为其主体，该支架与所述基础车架侧面固定连接，并固定连接所述滑块电机；所述支架上包含有一水平设置的滑杆，所述滑块可活动套装于所述滑杆上；所述滑块上螺纹配合一可垂向调节螺杆，所述垂向调节螺杆底端固定连接一探轮架，所述探轮架固定连接所述超声波探轮及驱动所述超声波探轮转动的转向电机。

3.如权利要求2所述的一种双轨自动探伤系统，其特征在于：所述伺服对中机构还包括导向轮架和导向轮，在所述支架上包含一水平设置的导向杆，所述导向轮架可活动式套装于所述导向杆上，所述导向轮架和所述支架间连接有至少一弹簧，所述导向轮架上设置所述导向轮，所述导向轮一端设有环状凸缘，所述端部环状凸缘与所述列车钢轨贴合，导向轮行走于列车钢轨上。

4.如权利要求3所述的一种双轨自动探伤系统，其特征在于：所述的导向轮架上设置有纵向导向犁，所述导向犁的长度大于道岔有害空间的长度。

5.如权利要求1所述的一种双轨自动探伤系统，其特征在于：所述基础车架两侧通过传动轴连接有置于列车钢轨上的主走行轮，所述的传动轴由二实心轴和一空心轴套组成，所述的两根实心轴外端分别固定所述主走行轮，其内端分别可活动式插装于所述的空心轴套两端；所述的基础车架底部、于所述主走行轮之间设置有若干辅助走行轮。

6.如权利要求1所述的一种双轨自动探伤系统，其特征在于：所述的主走行轮轮毂外侧设置有聚氨酯层。

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