CN102564363B - 高速列车车轮踏面缺陷检测的多探头电磁超声检测装置及其检测方法 - Google Patents

Abstract

高速列车车轮踏面缺陷检测的多探头电磁超声检测装置及其检测方法，它涉及一种列车车轮踏面缺陷检测装置及其检测方法。它为解决现有采用电磁超声技术的检测装置及检测方法无法实现对高速列车车轮踏面缺陷检测的问题而提出。检测方法：一、计算探头的个数及间距；二、将探头安装在钢轨上，三、车轮进入检测区，探头产生超声表面波；四：探头接收返回信号；五：探头将接收到的超声信号经数据采集装置发送给中心控制处理装置；六：中心控制处理装置处理，确定车轮踏面是否存在缺陷；七：检测完毕后等下一个车轮，重复执行三至六；它具有实时检测高速列车车轮踏面缺陷的优点。它可广泛用于各种需要对高速列车车轮踏面缺陷检测的场合。

Description

高速列车车轮踏面缺陷检测的多探头电磁超声检测装置及其检测方法

技术领域

本发明涉及电磁超声检测技术，具体涉及一种高速列车车轮踏面缺陷检测装置及其检测方法。

背景技术

轮对是列车运行中极为重要的部件，不仅承受列车及其负载的重量，而且还要通过与钢轨相接触的踏面部分传递机车运行所需的驱动力和制动力。因此，列车轮对踏面必须保持良好的技术状态，否则会严重影响行车安全。然而，由于制造工艺不良、装配不合理、紧急制动等多种因素，轮对踏面在运行一段时间后会产生擦伤、剥离、裂纹等缺陷。这些缺陷中，裂纹的影响最为严重。浅层裂纹是导致前两种缺陷的直接原因，而且一旦裂纹深度超过6mm，列车则将面临车轮迅速崩裂的危险。尤其是近年来，伴随我国高铁的大力发展，列车速度的不断攀升，轮对踏面缺陷所造成的后果越来越引人关注。因此，研制一种高速列车车轮踏面缺陷的在线检测装置就显得十分重要和迫切。

目前，车轮踏面缺陷的无损检测方法主要有压电超声法和光电法。压电超声法存在以下不足：1、压电超声很难检测车轮踏面及近踏面缺陷，而车轮踏面及近踏面的擦伤、剥离及裂纹却恰恰是车轮崩溃的最主要因素；2、利用压电超声进行检测时需要耦合剂，以保证探头和车轮踏面的良好耦合；3、压电超声检测时必须对车轮踏面进行必要的处理，保证良好的车轮踏面质量，从而保证超声探头与车轮踏面的良好耦合。而光电法采用图像处理的方法对车轮踏面缺陷进行检测，其也存在着无法对车轮近表面的缺陷进行检测的不足，而且检测速度也无法保证。因此，目前这两种方法很难实现高速列车车轮踏面及近踏面缺陷的在线实时检测。

电磁超声技术是近年来越来越引人关注的一种无损检测技术，如专利号为ZL200320111599.3，发明名称为《铁路机车、车辆车轮踏面在线自动化探伤装置》的中国实用新型专利和申请号为200710176817.4，发明名称为《一种火车车轮表面自动电磁超声检测装置和方法》的中国发明专利，专利号为ZL200610021238.8，发明名称为《机车车辆轮对缺陷在线动态监测用电磁超声换能器》的中国发明专利，上述三个专利申请均描述了采用电磁超声技术对车轮踏面检测的装置和方法，但由于其检测装置及检测方式的限制，仅适用于低速列车车轮踏面缺陷的在线检测，无法满足高速列车车轮踏面的缺陷检测。专利申请号为201010588350.6，发明名称为《高速列车轮对动态检测系统》的中国发明专利虽然提到了高速列车轮对动态检测，但是其是利用激光传感器来实现的，其通过检测列车通过前后钢轨发生的弯曲变形度和激光光束的偏移量，结合轮轨关系计算出轮对的信息；这种检测系统虽然可以实现对列车轮对踏面缺陷的检测，但是由于其是采用对激光接收器的输出电压进行分析，进而推导得到轮对踏面信息的方式来实现的，所以这种检测系统存在着受外界环境因素影响大，检测轮对踏面信息不准确的问题。

发明内容

本发明为了解决现有采用电磁超声技术的检测装置及检测方法无法实现对高速列车车轮踏面缺陷检测的问题；而提出的高速列车车轮踏面缺陷检测的多探头电磁超声检测装置及其检测方法。

高速列车车轮踏面缺陷检测的多探头电磁超声检测装置，所述检测装置由2n个相同的超声表面波探头、一个数据采集装置和一个中心控制处理装置组成；超声表面波探头的数据信号输出端通过数据总线与数据采集装置的数据信号输入端相连，所述数据采集装置的数据信号输出端与中心控制处理装置的数据信号输入端相连；所述2n个相同的超声表面波探头均分为两组、并分别设置在钢轨左右两根单轨上，所述超声表面波探头(1)包括踏面板(1-1)、箱体(1-2)、弹簧(1-3)、永磁体(1-4)、工字型永磁体槽(1-5)、电磁超声线圈(1-6)、两个相同的接近传感器(1-7)、前置触发电路(1-8)和箱体顶盖(1-11)；所述永磁体(1-4)固定装设在工字型永磁体槽(1-5)内部，所述踏面板(1-1)固定装设在工字型永磁体槽(1-5)上，所述踏面板(1-1)的下表面朝向工字型永磁体槽(1-5)内部的永磁体(1-4)；所述踏面板(1-1)中心处设置有电磁超声线圈槽，所述电磁超声线圈(1-6)固定装设在踏面板(1-1)中心处的电磁超声线圈槽内部；所述箱体顶盖(1-11)固定装设在箱体(1-2)上，所述箱体顶盖(1-11)的中心处设置有通孔，所述工字型永磁体槽(1-5)通过箱体顶盖(1-11)中心处的通孔可上下滑动地装设在箱体(1-2)上，所述弹簧(1-3)装设在箱体(1-2)内部，所述弹簧(1-3)的一端固定设置在工字型永磁体槽(1-5)下表面上，所述弹簧(1-3)的另一端固定设置在箱体(1-2)内部的底面上；所述前置触发电路(1-8)固定装设在箱体(1-2)内部，所述两个相同的接近传感器(1-7)均嵌装在踏面板(1-1)上表面上，所述两个接近传感器(1-7)沿车轮行进方向分别装设在电磁超声线圈(1-6)的两侧；所述两个接近传感器(1-7)的触发信号输出端分别与前置触发电路(1-8)的触发信号输入端相连，所述超声表面波探头(1)固定装设在钢轨(4)侧面，所述踏面板(1-1)与钢轨(4)的轨面位于同一水平面上，所述超声表面波探头(1)采用可独立发射及接收超声表面波的电磁超声探头。

应用上述的高速列车车轮踏面缺陷检测的多探头电磁超声检测装置实现高速列车车轮踏面缺陷的检测方法，所述检测方法由如下步骤实现：

步骤一：根据被检测列车的额定运行速度v，计算得到单根钢轨上超声表面波探头的个数n以及单根钢轨上超声表面波探头的间距L；

步骤二：根据步骤一计算得到单根钢轨上超声表面波探头的个数n及间距L，将超声表面波探头固定安装在钢轨上，所述超声表面波探头的数据信号输出端通过线缆与数据采集装置的数据信号输入端相连；所述数据采集装置的数据信号输出端与中心控制处理装置的数据信号输入端连接；

步骤三：通过超声表面波探头中的接近传感器检测列车的车轮是否进入检测区，当检测到列车车轮进入到检测区时，所述接近传感器产生触发信号使超声表面波探头开始工作，所述超声表面波探头在待检测的车轮踏面产生超声表面波；

步骤四：所述超声表面波在待检测的车轮踏面中传播，当车轮踏面存在缺陷时，超声表面波会发生反射或散射，缺陷的反射信号被超声表面波探头接收得到；

步骤五：所述超声表面波探头接收到的超声信号经放大后发送给数据采集装置；所述数据采集装置将接收到的超声信号发送给中心控制处理装置；

步骤六：所述中心控制处理装置对接收到的超声信号进行处理，确定车轮踏面是否存在缺陷；若车轮踏面存在缺陷，则通过发生反射或散射的超声信号来提取该缺陷特征并对缺陷大小进行量化；

步骤七：检测完毕后等待下一个待检测车轮，重复执行步骤三至步骤六完成下一个带检测车轮的检测。

本发明具有实时检测高速列车车轮踏面缺陷的优点。本发明采用电磁超声技术是近年来越来越引人关注的一种无损检测技术，利用该技术可以方便地产生超声表面波，超声表面波有以下优势：1、超声表面波沿传播路径衰减较小，检测距离长；2、超声表面波在沿车轮踏面传播时，质点振动遍及车轮踏面，可以检测到车轮踏面的缺陷；3、电磁超声是一种非接触式无损检测方式，可用于高速检测；4、电磁超声探头通过电磁耦合产生表面波，不需要耦合剂；5、超声表面波的检测精度和检测范围受自身频率的影响，因此，可以通过调节频率实现踏面和不同深度的近表面缺陷的检测。本发明可广泛用于各种需要对高速列车车轮踏面缺陷检测的场合。

附图说明

图1为本发明所述高速列车车轮踏面缺陷检测的多探头电磁超声检测装置的结构示意图；图2为本发明所述超声表面波探头1的结构示意图；图3为超声表面波探头1的纵剖视图；图4为超声表面波探头1装设在钢轨4上的俯视图；图5为超声表面波探头1装设在钢轨4上的前视图；图6为本发明所述电磁超声线圈1-6，钢轨4和列车车轮踏面的装设配合图；图7为本发明所述电磁超声线圈1-6和列车车轮踏面的装设展开图；图8为单个超声表面波探头1检测范围示意图，图中阴影部分为单超声表面波探头1的检测范围；图9为四个超声表面波探头1对车轮踏面进行无盲区检测的检测点及其检测范围；a、b、c、d检测范围分别对应检测点a、b、c、d；图10为列车车速最高为180km/h时四个超声表面波探头1在单根钢轨4上的装设位置示意图，Z的取值为360mm；图11为列车车速最高为270km/h时二十个超声表面波探头1对车轮踏面进行无盲区检测的检测点及其检测范围示意图；A至T检测范围分别对应检测点A-T；图12为检测列车最高速度为270km/h时二十个超声表面波探头1的排布示意图；X取值为286mm，Y取值为429mm；图13为所述检测方法步骤四当车轮踏面存在缺陷时，接收到带有故障信号的波形示意图；图中e表示故障信号。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1说明本实施方式，本实施方式用于高速列车车轮踏面缺陷检测的多探头电磁超声检测装置，所述检测装置由2n个相同的超声表面波探头1、一个数据采集装置2和一个中心控制处理装置3组成；超声表面波探头1的数据信号输出端通过数据总线与数据采集装置2的数据信号输入端相连，所述数据采集装置2的数据信号输出端与中心控制处理装置3的数据信号输入端相连；所述2n个相同的超声表面波探头1均分为两组、并分别设置在钢轨4左右两根单轨上。

具体实施方式二：结合图2至图5说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一的不同点在于所述超声表面波探头1包括踏面板1-1、箱体1-2、弹簧1-3、永磁体1-4、工字型永磁体槽1-5、电磁超声线圈1-6、两个相同的接近传感器1-7、前置触发电路1-8和箱体顶盖1-11；所述永磁体1-4固定装设在工字型永磁体槽1-5内部，所述踏面板1-1固定装设在工字型永磁体槽1-5上，所述踏面板1-1的下表面朝向工字型永磁体槽1-5内部的永磁体1-4；所述踏面板1-1中心处设置有电磁超声线圈槽，所述电磁超声线圈1-6固定装设在踏面板1-1中心处的电磁超声线圈槽内部；所述箱体顶盖1-11固定装设在箱体1-2上，所述箱体顶盖1-11的中心处设置有通孔，所述工字型永磁体槽1-5通过箱体顶盖1-11中心处的通孔可上下滑动地装设在箱体1-2上，所述弹簧1-3装设在箱体1-2内部，所述弹簧1-3的一端固定设置在工字型永磁体槽1-5下表面上，所述弹簧1-3的另一端固定设置在箱体1-2内部的底面上；所述前置触发电路1-8固定装设在箱体1-2内部，所述两个相同的接近传感器1-7均嵌装在踏面板1-1上表面上，所述两个接近传感器1-7沿车轮行进方向分别装设在电磁超声线圈1-6的两侧；所述两个接近传感器1-7的触发信号输出端分别与前置触发电路1-8的触发信号输入端相连，所述超声表面波探头1固定装设在钢轨4侧面，所述踏面板1-1与钢轨4的轨面位于同一水平面上，所述超声表面波探头1采用可独立发射及接收超声表面波的电磁超声探头。其它组成和连接方式与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：结合图3说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式二不同点在于所述超声表面波探头1还包括前置触发电路箱1-9；所述前置触发电路箱1-9固定装设在箱体1-2内部，所述前置触发电路1-8固定装设在前置触发电路箱1-9内部。其它组成和连接方式与具体实施方式二相同。前置电路箱1-9用于保护前置电路1-8，防止前置电路1-8损坏。

具体实施方式四：结合图3说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式三不同点在于所述超声表面波探头1还包括安装固定件1-10；所述安装固定件1-10固定在箱体1-2的侧面。其它组成和连接方式与具体实施方式三相同。

具体实施方式五：结合图13说明本实施方式，应用具体实施方式四所述的高速列车车轮踏面缺陷检测的多探头电磁超声检测装置实现高速列车车轮踏面缺陷的检测方法，所述检测方法由如下步骤实现：

步骤一：根据被检测列车的额定运行速度v，计算得到单根钢轨4上超声表面波探头1的个数n以及单根钢轨4上超声表面波探头1的间距L；

步骤二：根据步骤一计算得到单根钢轨4上超声表面波探头1的个数n及间距L，将超声表面波探头1固定安装在钢轨4上，所述超声表面波探头1的数据信号输出端通过线缆与数据采集装置2的数据信号输入端相连；所述数据采集装置2的数据信号输出端与中心控制处理装置3的数据信号输入端连接；

步骤三：通过超声表面波探头1中的接近传感器检测列车的车轮是否进入检测区，当检测到列车车轮进入到检测区时，所述接近传感器产生触发信号使超声表面波探头1开始工作，所述超声表面波探头1在待检测的车轮踏面产生超声表面波；

步骤四：所述超声表面波在待检测的车轮踏面中传播，当车轮踏面存在缺陷时，超声表面波会发生反射或散射，缺陷的反射信号被超声表面波探头1接收得到；

步骤五：所述超声表面波探头1接收到的超声信号经放大后发送给数据采集装置2；所述数据采集装置2将接收到的超声信号发送给中心控制处理装置3；

步骤六：所述中心控制处理装置3对接收到的超声信号进行处理，确定车轮踏面是否存在缺陷；若车轮踏面存在缺陷，则通过发生反射或散射的超声信号来提取该缺陷特征并对缺陷大小进行量化；

步骤七：检测完毕后等待下一个待检测车轮，重复执行步骤三至步骤六完成下一个待检测车轮的检测。

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式五不同点在于步骤一所述根据被检测列车的额定运行速度v，计算单根钢轨4上超声表面波探头1的个数n的过程：设定电磁超声线圈1-6的长度为L_t，列车运行的最高速度为v，超声表面波在列车车轮踏面传播的速度为v_s，则单个车轮通过电磁超声线圈1-6所用的时间为t₁：

t₁=L_t/v                       公式1

超声表面波在t₁时间段内传播的距离为L_s：

L_s=t₁v_s=v_sL_t/v                 公式2

超声表面波在宽度方向上覆盖整个车轮踏面需要传播的距离即表面波在轮对踏面的检测盲区为L_b，则对于反射法检测来说，其超声表面波的有效检测距离为L_r：

L_r=L_s/2-L_b=v_sL_t/(2v)-L_b         公式3

由公式3得到在已知超声表面波的有效检测距离L_r时，列车运行的最高速度v：

v=v_sL_t/2(L_r+L_b)                公式4

列车车轮的直径为D，得到单根钢轨上所需超声表面波探头1的个数n：

n≥πD/2L_r                    公式5。

其它步骤与具体实施方式五相同。

具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式五不同点在于步骤一所述根据被检测列车的额定运行速度v，计算单根钢轨4上超声表面波探头1的间距L的过程：一个超声表面波探头1激发的超声表面波至少沿待检测车轮踏面传播两周，得到相邻两个超声表面波探头1之间的最小距离L_min：

L_min=2πDv/v_s                   公式6

单根钢轨4上的超声表面波探头1至少为两个；所述待检测车轮踏面相邻两检测点之间的距离L_d为L_d=πD/2n，单根钢轨4上设置的每相邻两个超声表面波探头1的距离L是L_d的整数倍。其它步骤与具体实施方式二相同。由于实际检测过程中超声表面波探头1还包括必要的机械支撑结构，会影响超声表面波探头1的放置，考虑实际的检测装置的大小，超声表面波探头1之间的间距应大于检测装置的长度。其它步骤与具体实施方式五相同。

本发明所述高速列车车轮踏面缺陷检测的多探头电磁超声的检测方法的工作原理：

根据列车运行速度v，计算得到单根钢轨4上超声表面波探头1的个数n以及单根钢轨4上超声表面波探头1的间距L；根据得到超声表面波探头1的个数n及间距L，将超声表面波探头1固定安装在钢轨4上，当列车车轮进入检测区时，通过接近传感器产生的触发信号使超声表面波探头1给电工作，所述超声表面波探头1在待检测的车轮踏面产生超声表面波；所述超声表面波在待检测的车轮踏面中传播，当遇到车轮踏面存在缺陷时，超声表面波会发生反射或散射，缺陷的反射信号被超声表面波探头1接收得到，其余未遇到故障的超声表面波在车轮踏面继续传播；所述超声表面波探头1接收到的超声信号经放大后发送给数据采集装置2；所述数据采集装置2将接收到的超声信号发送给中心控制处理装置3；所述中心控制处理装置3对接收到的超声信号进行处理，确定车轮踏面是否存在缺陷；若车轮踏面存在缺陷，则通过发生反射或散射的超声信号来提取该缺陷特征并对缺陷大小进行量化。

以列车行驶速度最高v=180km/h说明本发明所述检测方法的检测原理：

各项参数：超声表面波探头1参数：电磁超声线圈1-6的长度L_t=30mm；电磁超声线圈1-6的宽度：W_t=30mm。超声表面波探头1发出的超声表面波的参数：辐射角：α=5°；传播速度：v_s=3000m/s。

列车车轮参数如下：轮辋宽度W_l=140mm；客车车轮直径D_k=915mm；货车车轮直径D_h=840mm。钢轨4采用60kg/m钢轨，其尺寸为轨头宽度：W_h=73mm；轨腰宽度：W_w=20mm。由图6和图7可知超声表面波的检测盲区L_b为：

L_b=40/tanα≈0.5m

由公式1得，从车轮通过电磁超声线圈1-6所用的时间为：

t₁=L_t/v=0.0006s

在不考虑盲区的情况下，由公式3知，超声表面波在此时间内其左右两侧分别可以实现有效的检测范围为：

L_r=L_s/2-L_b=0.4m

如图8所示，单个超声表面波探头的检测范围为车轮踏面阴影区域。

由此可知，当列车运行速度为180km/h时，每个超声表面波探头1可以实现对车轮圆周长度为2L_r=0.8m范围的检测，客车车轮的圆周长度为2.88m，因此，将车轮的圆周平分为8段，每段的长度约为0.36m，通过选择检测点，可以实现车轮踏面的无盲区检测，如图9所示的检测点及检测区域。通过上面的计算可得到在车轮通过超声表面波探头1的有效时间内，超声表面波探头1发出的超声表面波可以检测超声表面波探头1所在检测点左右两侧到距其0.5-0.9m范围内的踏面，而如图9所示的标号为a的区域距其大致0.54-0.9m，在其检测范围内。因此第a超声表面波探头1可以实现图中a区域的车轮踏面的检测。以此类推，第二至第四超声表面波探头1依次可以实现轮对踏面b，c，d区域的轮对踏面的检测。因此只要检测中使用4个探头并且通过合理的布置，使钢轨上安装的4个超声表面波探头1与轮对上4个检测点重合，就可以实现轮对踏面的无盲区检测。

为了防止相邻两个超声表面波探头1发射的超声表面波相互干扰，由公式6可知：

L_min=2πD_kv/v_s=96mm

通过计算可知相邻两检测点之间的距离为：

L_d=πD_k/8=360mm

因此当车轮通过4个超声表面波探头1时，车轮与超声表面波探头1的4个接触点也必须满足上述的距离关系。

实际检测时，夹持超声表面波探头1的机械装置在沿钢轨方向上长度大致为200mm，因此4个超声表面波探头1之间的距离必须大于200mm。

综合考虑上述各因素，超声表面波探头1的排布如图10所示，四个超声表面波探头1按顺序等间距依次排布于钢轨4上，相邻两个超声表面波探头1的间距Z为360mm，其在客车运行最高时速为180km/h时可以实现轮对踏面的无盲区检测。同样，当列车为货车时，即轮对直径为840mm，也可以实现踏面的全面检测。

由上述分析可知，列车运行的速度越快，单个超声表面波探头1所能检测的范围越短。以一个超声表面波探头1单侧可以实现最少L_r=100mm范围的检测为最低要求，由公式4得，此时所允许的客车最高速度为：

v=v_sL_t/2(L_r+L_b)=75m/s=270km/h

此速度符合目前国内大多数高速列车的平均运行速度，在此车速的条件下，一个超声表面波探头1最多可以实现列车车轮踏面200mm范围内的检测，因此根据列车车轮的圆周尺寸，要实现轮对踏面的无盲区检测需要15个探头，考虑安装精度及裕量等，本申请采用20个探头。轮对上检测点及各检测点所检测的范围如图11所示。将超声表面波探头1嵌入钢轨，此时第A个超声表面波探头1与检测点A重合，如上面推算，当列车车速为270km/h时，该超声表面波探头可以实现左右侧距离探头500-600mm范围内踏面的检测。而图11中超声表面波探头1左右两侧标号为A的踏面区域与探头的距离为503mm-574mm，在该探头的检测区域内。以此类推，从第A个超声表面波探头1开始每隔1/20个圆周依次为检测点B-T，如图11所示。当超声表面波探头1在这些检测点时，可以实现与其标号相同的踏面范围的检测，而要实现轮对踏面的无盲区检测，必须保证轮对压过所有的探头时，每个检测点上至少要有一个探头对车轮进行检测。如图11所示第B个超声表面波探头1若在轮对踏面的探测点上就可以实现轮对踏面上标号为B的两个区域的检测。如此类推，在所有的检测点上都有一个超声表面波探头1进行检测，就可以实现轮对踏面的全面检测。

超声表面波探头1布置考虑到的三个问题：

1、要保证超声表面波探头1之间不相互干扰，必须要保证在车轮到达下一个超声表面波探头1之前，上一个超声表面波探头1激发的超声表面波必须至少沿车轮踏面传播两次。由公式6可得，当列车的速度为270km/h时必须保证，相邻两个超声表面波探头1之间的距离必须大于150mm；

2、车轮踏面相邻两检测点之间的距离为1/20个圆周，即143mm，因此钢轨4上布置的两个超声表面波探头1的距离必须是143mm的整数倍；

3、同时，探头机械部分的尺寸大致为200mm左右。

对应图11中A-T检测点，其对应的超声表面波探头1依次为第A个至第T个。综合上述三个因素，选定超声表面波探头1的放置顺序为A，C，E，…，S，B，D，F，…，T，其中探头A，C，E，…，S等奇数号探头之间距离为286mm；B，D，F，…，T等偶数号探头之间的距离为286mm；S号和B号探头之间的距离为143×3=429mm。超声表面波探头1排布示意图如图12所示。

在理想情况下，所述检查装置的最高检测速度与电磁超声线圈1-6的长度L_t以及规定的单个超声表面波探头1的单侧最小检测范围L_r都有很大的关系。由公式4可以计算得到在实验室目前的条件下的最高检测速度如下表所示。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明所提交的权利要求书确定的专利保护范围。

Claims (6)

1.高速列车车轮踏面缺陷检测的多探头电磁超声检测装置，所述检测装置由2n个相同的超声表面波探头(1)、一个数据采集装置(2)和一个中心控制处理装置(3)组成；超声表面波探头(1)的数据信号输出端通过数据总线与数据采集装置(2)的数据信号输入端相连，所述数据采集装置(2)的数据信号输出端与中心控制处理装置(3)的数据信号输入端相连；所述2n个相同的超声表面波探头(1)均分为两组、并分别设置在钢轨(4)左右两根单轨上；其特征在于所述超声表面波探头(1)包括踏面板(1-1)、箱体(1-2)、弹簧(1-3)、永磁体(1-4)、工字型永磁体槽(1-5)、电磁超声线圈(1-6)、两个相同的接近传感器(1-7)、前置触发电路(1-8)和箱体顶盖(1-11)；所述永磁体(1-4)固定装设在工字型永磁体槽(1-5)内部，所述踏面板(1-1)固定装设在工字型永磁体槽(1-5)上，所述踏面板(1-1)的下表面朝向工字型永磁体槽(1-5)内部的永磁体(1-4)；所述踏面板(1-1)中心处设置有电磁超声线圈槽，所述电磁超声线圈(1-6)固定装设在踏面板(1-1)中心处的电磁超声线圈槽内部；所述箱体顶盖(1-11)固定装设在箱体(1-2)上，所述箱体顶盖(1-11)的中心处设置有通孔，所述工字型永磁体槽(1-5)通过箱体顶盖(1-11)中心处的通孔可上下滑动地装设在箱体(1-2)上，所述弹簧(1-3)装设在箱体(1-2)内部，所述弹簧(1-3)的一端固定设置在工字型永磁体槽(1-5)下表面上，所述弹簧(1-3)的另一端固定设置在箱体(1-2)内部的底面上；所述前置触发电路(1-8)固定装设在箱体(1-2)内部，所述两个相同的接近传感器(1-7)均嵌装在踏面板(1-1)上表面上，所述两个接近传感器(1-7)沿车轮行进方向分别装设在电磁超声线圈(1-6)的两侧；所述两个接近传感器(1-7)的触发信号输出端分别与前置触发电路(1-8)的触发信号输入端相连，所述超声表面波探头(1)固定装设在钢轨(4)侧面，所述踏面板(1-1)与钢轨(4)的轨面位于同一水平面上，所述超声表面波探头(1)采用可独立发射及接收超声表面波的电磁超声探头。

2.根据权利要求1所述的高速列车车轮踏面缺陷检测的多探头电磁超声检测装置，其特征在于所述超声表面波探头(1)还包括前置触发电路箱(1-9)；所述前置触发电路箱(1-9)固定装设在箱体(1-2)内部，所述前置触发电路(1-8)固定装设在前置触发电路箱(1-9)内部。

3.根据权利要求2所述的高速列车车轮踏面缺陷检测的多探头电磁超声检测装置，其特征在于所述超声表面波探头(1)还包括安装固定件(1-10)；所述安装固定件(1-10)固定在箱体(1-2)的侧面。

4.应用如权利要求3所述的高速列车车轮踏面缺陷检测的多探头电磁超声检测装置实现高速列车车轮踏面缺陷的检测方法，其特征在于所述检测方法由如下步骤实现：

步骤一：根据被检测列车的额定运行速度v，计算得到单根钢轨(4)上超声表面波探头(1)的个数n以及单根钢轨(4)上超声表面波探头(1)的间距L；

步骤二：根据步骤一计算得到单根钢轨(4)上超声表面波探头(1)的个数n及间距L，将超声表面波探头(1)固定安装在钢轨(4)上，所述超声表面波探头(1)的数据信号输出端通过线缆与数据采集装置(2)的数据信号输入端相连；所述数据采集装置(2)的数据信号输出端与中心控制处理装置(3)的数据信号输入端连接；

步骤三：通过超声表面波探头(1)中的接近传感器检测列车的车轮是否进入检测区，当检测到列车车轮进入到检测区时，所述接近传感器产生触发信号使超声表面波探头(1)开始工作，所述超声表面波探头(1)在待检测的车轮踏面产生超声表面波；

步骤四：所述超声表面波在待检测的车轮踏面中传播，当车轮踏面存在缺陷时，超声表面波会发生反射或散射，缺陷的反射信号被超声表面波探头(1)接收得到；

步骤五：所述超声表面波探头(1)接收到的超声信号经放大后发送给数据采集装置(2)；所述数据采集装置(2)将接收到的超声信号发送给中心控制处理装置(3)；

步骤六：所述中心控制处理装置(3)对接收到的超声信号进行处理，确定车轮踏面是否存在缺陷；若车轮踏面存在缺陷，则通过发生反射或散射的超声信号来提取该缺陷特征并对缺陷大小进行量化；

步骤七：检测完毕后等待下一个待检测车轮，重复执行步骤三至步骤六完成下一个待检测车轮的检测。

5.根据权利要求4所述的高速列车车轮踏面缺陷检测的多探头电磁超声检测方法，其特征在于步骤一所述根据被检测列车的额定运行速度v，计算单根钢轨(4)上超声表面波探头(1)的个数n的过程：设定电磁超声线圈(1-6)的长度为L_t，列车运行的最高速度为v，超声表面波在列车车轮踏面传播的速度为v_s，则单个车轮通过电磁超声线圈(1-6)所用的时间为t₁：

t₁=L_t/v                        公式1

超声表面波在t₁时间段内传播的距离为L_s：

L_s=t₁v_s=v_sL_t/v                  公式2

超声表面波在宽度方向上覆盖整个车轮踏面需要传播的距离即表面波在轮对踏面的检测盲区为L_b，则对于反射法检测来说，其超声表面波的有效检测距离为L_r：

L_r=L_s/2-L_b=v_sL_t/(2v)-L_b          公式3

由公式3得到在已知超声表面波的有效检测距离L_r时，列车运行的最高速度v：

v=v_sL_t/2(L_r+L_b)                 公式4

列车车轮的直径为D，得到单根钢轨上所需超声表面波探头(1)的个数n：

n≥πD/2L_r                    公式5。

6.根据权利要求4所述的高速列车车轮踏面缺陷检测的多探头电磁超声检测方法，其特征在于步骤一所述根据被检测列车的额定运行速度v，计算单根钢轨(4)上超声表面波探头(1)的间距L的过程：一个超声表面波探头(1)激发的超声表面波至少沿待检测车轮踏面传播两周，得到相邻两个超声表面波探头(1)之间的最小距离L_min：

L_min=2πDv/v_s                  公式6

单根钢轨(4)上的超声表面波探头(1)至少为两个；所述待检测车轮踏面相邻两检测点之间的距离L_d为L_d=πD/2n，单根钢轨(4)上设置的每相邻两个超声表面波探头(1)的距离L是L_d的整数倍。

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