CN102818848B - 一种钢轨超声波在线检测系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种钢轨超声波在线检测系统及其控制方法，该设备包括支架、辊道、轨头踏面起落架、轨底起落架、轨头右侧起落架、轨头左侧起落架、轨腰左侧起落架、超声波探头、一号对射光电、二号对射光电、三号对射光电、四号对射光电、钢轨位置检测装置、钢轨外型检测装置、控制器及超声波检测仪；当对射光电感知到钢轨时，控制器控制对应的起落架升降，从而带动设在起落架上超声波探头动作，实现对钢轨各部位的探伤检测，当检测出钢轨内部有缺陷时，钢轨位置检测装置输出缺陷在钢轨的具体位置，停止探伤检测。具有检测范围广、检测速度快、检测精度高等的突出优点。

Description

一种钢轨超声波在线检测系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及钢轨探伤领域，尤其是涉及一种钢轨超声波在线检测系统及其控制方法。 

背景技术

我国轨道交通繁忙，铁道交通安全关系重大。钢轨的质量直接关系行车安全。钢轨材质上的缺陷，如暗核、细小裂纹、空隙或杂质，经过车轮的重复载荷作用，逐步发展成为一个疲劳源，并不断向轨头内部扩展，使钢轨的有效截面很快削弱，以至最后发生断轨，产生严重后果。

为了保证铁路运输安全，钢轨在出厂前必须逐根进行严格的检验，达到国家规定的检测标准，才准予上线使用。目前常采用的探伤手段主要为：射线探伤、磁粉探伤、渗透探伤、涡流探伤、和超生波探伤。其中，超声波探伤是最为重要的检测手段，利用超声波的特性，检测钢轨内部缺陷，具有不破坏被检钢轨表面、检测速度快、精度高、检测成本相对较低、易于实现在线探伤、检测效率高、探伤结果可靠等优点。但，目前使用超声波进行探伤的装置性能比较单一，如中国专利CN200810137486.8公开了一种钢轨踏面缺陷快速扫查方法及其装置，其只能实现对钢轨踏面进行探伤，却不能同时实现对钢轨轨头踏面、左右侧轨头、轨底和轨腰的检测。 

发明内容

本发明的目的在于：针对现有技术存在的问题，提供一种检测范围广、检测速度快、检测精度高的钢轨超声波在线检测系统及其控制方法。

本发明的发明目的通过以下技术方案来实现：

一种钢轨超声波在线检测系统，其特征在于，该系统包括支架、辊道、轨头踏面起落架、轨底起落架、轨头右侧起落架、轨头左侧起落架、轨腰左侧起落架、一号对射光电、二号对射光电、三号对射光电、四号对射光电、钢轨位置检测装置、控制器及超声波检测仪，所述的辊道设在支架上，辊道包括入口端和出口端，在辊道的入口端的支架上设有用于感知钢轨轨道形状的钢轨外形感应装置，所述的轨头踏面起落架设在辊道上方的支架上，所述的轨底起落架设在辊道下方的支架上，所述的轨头右侧起落架设在辊道右侧的支架上，所述的轨头左侧起落架和轨腰左侧起落架均设在辊道左侧的支架上，所述的一号对射光电、二号对射光电、三号对射光电、四号对射光电依次设置在从辊道入口端到出口端所对的支架上，且各对射光电均与控制器连接，所述的钢轨位置检测装置有两个，分别设在支架两旁侧，一个正对辊道的入口端，一个正对辊道的出口端，所述的控制器与轨头踏面起落架、轨底起落架、轨头右侧起落架、轨头左侧起落架、轨腰左侧起落架、钢轨位置检测装置、钢轨外形感应装置对应相连，所述的轨头踏面起落架、轨底起落架、轨头右侧起落架、轨头左侧起落架和轨腰左侧起落架上均设有用于进行钢轨探伤的超声波探头，所述的钢轨位置检测装置和超声波探头与超声波检测仪连接。

　　优选的，所述的探伤设备系统还包括分别用于检测轨头踏面起落架、轨底起落架、轨头右侧起落架、轨头左侧起落架及轨腰左侧起落架是否处于原位的a、b、c、d、e五个原位置光电，五个原位置光电均设置在支架上。 

优选的，所述的钢轨位置检测装置包括编码器、前光电和后光电，所述的编码器与超声波检测仪连接，所述的前光电和后光电分别设在编码器的前后端，且与控制器连接。

优选的，所述的超声波探头为双晶超声波探头。

一种钢轨超声波在线检测系统的控制方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：（1）感知钢轨轨道形状是否超过设定的范围，如果超过，则禁止起落架产生动作，否则，进行步骤（2）；（2）感知辊道上是否有钢轨，如果有，则实时检测钢轨在辊道上的位置，进行步骤（3）；（3）进行探伤检测，当检测出钢轨内部有缺陷时，实时显示缺陷在钢轨的具体位置，并自动保存缺陷信息，停止探伤检测。

优选的，步骤（1）中的感知钢轨轨道形状是否超过设定的范围，具体为：通过设置在辊道上的接近开关进行探测，当钢轨轨道的形状超过设定的范围，就会被接近开关感知。

优选的，所述的步骤（2）具体为，进行检测时，钢轨从辊道的入口端进入，设在辊道入口端的钢轨位置检测装置先开始工作，当钢轨顺序经过钢轨位置检测装置的前光电和后光电时，前光电和后光电发送信号给控制器，控制器控制与编码器连接的气缸动作，将编码器的测速轮与钢轨接触，开始脉冲计数；当检测完成，钢轨经过辊道出口端的钢轨位置检测装置，则由设在辊道出口端的钢轨位置检测装置进行脉冲计数。

优选的，步骤（3）中的进行探伤检测具体为，

正常检测时，钢轨先被一号对射光电感应，当钢轨在被一、二号对射光电都感应到时，轨头踏面起落架和轨底起落架均产生动作，带动相应的超声波探头贴合钢轨，实现轨头踏面和轨底的探伤检测；当钢轨在被二、三号对射光电都感应到时，轨头左侧起落架产生动作，带动相应的超声波探头贴合钢轨，实现轨头左侧的探伤检测；当钢轨被三、四号对射光电都感应到时，轨头右侧起落架和轨腰左侧起落架均产生动作，带动相应的超声波探头贴合钢轨，实现轨头右侧和轨腰的探伤检测；同时，当二号对射光电没有信号时，轨头踏面起落架和轨底起落架回原位；当三号对射光电没有信号时轨头左侧起落架回原位；四号对射光电没有信号时，轨头右侧起落架、轨腰左侧起落架回原位；

倒钢检测时，钢轨完全离开四号对射光电倒钢，先被四号对射光电感应，当钢轨被四、三号对射光电都感应到时，轨头右侧起落架和轨腰左侧起落架均产生动作，带动相应的超声波探头贴合钢轨，实现轨头右侧和轨腰的探伤检测；当钢轨在被三、二号对射光电都感应到时，轨头左侧起落架产生动作，带动相应的超声波探头贴合钢轨，实现轨头左侧的探伤检测；当钢轨在被二号、一号对射光电都感应到时，轨头踏面起落架和轨底起落架均产生动作，带动相应的超声波探头贴合钢轨，实现轨头踏面和轨底的探伤检测；同时，当四号对射光电没有信号时，轨头右侧起落架和轨腰左侧起落架回原位；当三号对射光电没有信号时，轨头左侧起落架回原位；二号对射光电没有信号时，轨头踏面起落架和轨底起落架回原位。

优选的，步骤（3）还包括，设在支架上的a、b、c、d、e五个原位置光电检测相对应的起落架是否回到原位，如果为否，则发送信号给控制器，控制起落架回到原位。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

（1）具有多个起落架，每个起落架上均设有超声波探头，可实现同时对钢轨的轨头踏面、左右侧轨头、轨底和轨腰的检测，且检测范围广，检测轨型多，且保留有扩展的空间。

（2）整个装置由控制器进行控制，检测速度快，在线的检验时间短，效率高。

（3）具有比较好的重现度和自动化的检验，精度高。

（4）超声波检测仪可自动地记录、保存检验结果，方便后续查询。

（5）全部由计算机统计、处理，整个系统集中到一个控制中心。

（6）多个探头同时进行检测，检测区域的重复覆盖区域多，可增加检测精度。

附图说明

图1为本发明装置的主视结构示意图； 

图2为图1的俯视结构示意图图。

附图标号说明：1为支架；2为辊道；3为轨头踏面起落架；4为轨底起落架；5为轨头右侧起落架；6为轨头左侧起落架；7为轨腰左侧起落架；8为钢轨外形感应装置；9为超声波探头； a、b、c、d、e为五个原位置光电；21为辊道入口端、22为辊道出口端。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例  

如图1、图2所示：一种钢轨超声波在线检测系统，该设备包括支架1、辊道2、轨头踏面起落架3、轨底起落架4、轨头右侧起落架5、轨头左侧起落架6、轨腰左侧起落架7、一号对射光电、二号对射光电、三号对射光电、四号对射光电、钢轨位置检测装置、控制器及超声波检测仪。辊道2设在支架1上，辊道2包括入口端21和出口端22，钢轨正常检测时从入口端21进入，出口端22出去，倒钢时相反。为了安全保护，在辊道2的入口端21的支架1上设有用于感知钢轨轨道形状的钢轨外形感应装置8。钢轨外形感应装置8主要为三个接近开关，分别安装在入口端21辊道的左、右、上方，当钢轨轨道的形状超过设定的范围（如左右弯、向上翘曲超标），就会触动杠杆，带动检测片移动，被接近开关感知，控制器系统就会禁止各个起落架产生动作，让超声波探头处于安全位（原位），对起落架进行保护，本实施例的控制器采用功能强大、性能稳定的西门S7-300型PLC。

轨头踏面起落架3、轨底起落架4、轨头右侧起落架5、轨头左侧起落架6及轨腰左侧起落架7的位置设置如下：首先在临近辊道2的入口端21处，轨头踏面起落架3设在辊道2上方的支架1上，轨底起落架4设在辊道2下方的支架1上。然后再辊道2中部，轨头左侧起落架6设置在辊道左侧的支架上。在临近辊道2的出口端22处，

轨腰左侧起落7架设在辊道2左侧的支架1上，轨头右侧起落架5设在辊道2右侧的支架1上。同时在各起落架的相应位置还设置有分别用于检测轨头踏面起落架3、轨底起落架4、轨头右侧起落架5、轨头左侧起落架6及轨腰左侧起落架7是否处于原位的a、b、c、d、e五个原位置光电，五个原位置光电均设置在支架1上。另外，在轨头踏面起落架3、轨底起落架4、轨头右侧起落架5、轨头左侧起落架6和轨腰左侧起落架7上均设有用于进行钢轨探伤的超声波探头9，当控制器控制起落架动作时，起落架上的超声波探头9也跟着移动，从而实现钢轨探伤，同时超声波探头9也将探测信息实时发送给与其相连的超声波检测仪。由于钢轨的复杂且特殊的截面形状，在探头设计上采用了大面积双晶探头，增强了系统的抗干扰能力，使超声波信号的重现性得到较大提高。此套检测设备在检测对称性钢轨时最多可布置20个探头，轨头侧面检测用4个双晶（TR）探头从两侧进行检测，轨头横通孔用3个双晶（TR）探头从轨头踏面进行检测，轨腰用6个双晶（TR）探头从钢轨左侧进行检测，轨底裂纹用4个角探头分别从钢轨底部检测，其中2个从底部左侧检测中心裂纹和左侧裂纹、2个从底部右侧检测中心裂纹和右侧裂纹，轨底横通孔用3个双晶（TR）探头从底部检测。所使用的20个探头分别布置在5个起落架上。根据探伤要求，还可增加探头。

一号对射光电、二号对射光电、三号对射光电、四号对射光电依次设置在从辊道2的入口端21到出口端22所对的支架1上。一号对射光电设在辊道2的入口端，也称作超声站入口处；二号对射光电设在轨头踏面起落架3（或轨底起落架，因为两者上下位置相对）的尾端（起落架靠近辊道入口端的一端称首端，另一端为尾端）、三号对射光电设在轨头左侧起落架的尾端、四号对射光电设在辊道2的出口端22。四对对射光电均与控制器连接，主要负责采集信号，并发送给控制器，由控制器控制各起落架的升降，具体如何控制见控制方法部分。

为了在探伤过程结束后，能准确的记录下缺陷点在钢轨上的具体位置，本发明装置还设置有钢轨位置检测装置，钢轨位置检测装置有两个，分别设在支架两旁侧，一个正对辊道2的入口端21，一个正对辊道2的出口端22。钢轨位置检测装置包括编码器、前光电和后光电。编码器与超声波检测仪连接，前光电和后光电分别设在编码器的前后端，且与控制器连接。钢轨运行，首先顺序经过设在入口端21的钢轨位置检测装置（其编码器以下称1号编码器）的前光电和后光电，1号编码器启动，脉冲计数开始。然后一号对射光电检测到钢轨，接着二号对射光电检测到钢轨，当二号对射光电将信号发送给控制器后，轨头踏面起落架3、轨底起落架4动作，随后三号对射光电反馈信号给控制器，轨头左侧起落架5动作，在四号对射光电反馈信号后，轨腰左侧起落架6、轨头右侧起落架7动作。当钢轨出辊道2的出口端22后，钢轨顺序经过设在出口端22的钢轨位置检测装置（其编码器以下称2号编码器）的前光电和后光电，2号编码器启动，脉冲计数由1号编码器切换到2号编码器。

针对上述的设备，本发明还涉及到其钢轨超声波在线检测系统的控制方法，该方法包括以下步骤：

步骤1：感知钢轨轨道形状是否超过设定的范围，如果超过，则禁止起落架产生动作，否则，进行步骤2；

具体为：通过设置在辊道上的钢轨外形感应装置8，（主要为三个接近开关）进行探测，当钢轨轨道的形状超过设定的范围，就会被接近开关感知。钢轨入探伤设备系统前，在辊道左、辊道右、辊道上方安装有接近开关，当钢轨轨道的形状超过设定的范围（如左右弯、向上翘曲超标），就会触动杠杆，带动检测片移动，被接近开关感知，PLC电控系统就会禁止起落架产生动作，让探头处于安全位（原位），对起落架进行保护。

步骤2：感知辊道上是否有钢轨，如果有，则实时检测钢轨在辊道上的位置，进行步骤3；

具体为：进行检测时，钢轨从辊道的入口端进入，设在辊道入口端的钢轨位置检测装置先开始工作，当钢轨顺序经过钢轨位置检测装置的前光电和后光电时，前光电和后光电发送信号给控制器，控制器控制与编码器连接的气缸动作，将编码器的测速轮与钢轨接触，开始脉冲计数；当检测完成，钢轨经过辊道出口端的钢轨位置检测装置，则由设在辊道出口端的钢轨位置检测装置进行脉冲计数。

步骤3：进行探伤检测，当检测出钢轨内部有缺陷时，输出缺陷在钢轨的具体位置，停止探伤检测； 

具体为：正常检测时，钢轨先被一号对射光电感应，当钢轨在被一、二号对射光电都感应到时，轨头踏面起落架和轨底起落架均产生动作，带动相应的超声波探头9贴合钢轨，实现轨头踏面和轨底的探伤检测；当钢轨在被二、三号对射光电都感应到时，轨头左侧起落架产生动作，带动相应的超声波探头9贴合钢轨，实现轨头左侧的探伤检测；当钢轨被三、四号对射光电都感应到时，轨头右侧起落架和轨腰左侧起落架均产生动作，带动相应的超声波探头9贴合钢轨，实现轨头右侧和轨腰的探伤检测；同时，当二号对射光电没有信号时，轨头踏面起落架和轨底起落架回原位；当三号对射光电没有信号时轨头左侧起落架回原位；四号对射光电没有信号时，轨头右侧起落架、轨腰左侧起落架回原位。设在支架上的a、b、c、d、e五个原位置光电检测相对应的起落架是否回到原位，如果为否，则发送信号给控制器，控制起落架回到原位。

倒钢检测时，钢轨完全离开四号对射光电倒钢，先被四号对射光电感应，当钢轨被四、三号对射光电都感应到时，轨头右侧起落架和轨腰左侧起落架均产生动作，带动相应的超声波探头9贴合钢轨，实现轨头右侧和轨腰的探伤检测；当钢轨在被三、二号对射光电都感应到时，轨头左侧起落架产生动作，带动相应的超声波探头9贴合钢轨，实现轨头左侧的探伤检测；当钢轨在被二号、一号对射光电都感应到时，轨头踏面起落架和轨底起落架均产生动作，带动相应的超声波探头9贴合钢轨，实现轨头踏面和轨底的探伤检测；同时，当四号对射光电没有信号时，轨头右侧起落架和轨腰左侧起落架回原位；当三号对射光电没有信号时，轨头左侧起落架回原位；二号对射光电没有信号时，轨头踏面起落架和轨底起落架回原位。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，应当指出的是，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。 

Claims (9)

1.一种钢轨超声波在线检测系统，该系统包括支架、辊道、起落架、钢轨位置检测装置、控制器及超声波检测仪，所述的辊道设在支架上，辊道包括入口端和出口端，所述的钢轨位置检测装置有两个，分别设在支架两旁侧，一个正对辊道的入口端，一个正对辊道的出口端，所述的控制器与起落架、钢轨位置检测装置对应相连，所述的起落架上均设有用于进行钢轨探伤的超声波探头，所述的钢轨位置检测装置和超声波探头与超声波检测仪连接，其特征在于，起落架包括轨头踏面起落架、轨底起落架、轨头右侧起落架、轨头左侧起落架、轨腰左侧起落架，所述的轨头踏面起落架设在辊道上方的支架上，所述的轨底起落架设在辊道下方的支架上，所述的轨头右侧起落架设在辊道右侧的支架上，所述的轨头左侧起落架和轨腰左侧起落架均设在辊道左侧的支架上；在辊道的入口端的支架上设有用于感知钢轨轨道形状的钢轨外形感应装置，且与控制器连接；检测系统还包括一号对射光电、二号对射光电、三号对射光电、四号对射光电，所述的一号对射光电、二号对射光电、三号对射光电、四号对射光电依次设置在从辊道入口端到出口端所对的支架上，且各对射光电均与控制器连接。

2.根据权利要求1所述的一种钢轨超声波在线检测系统，其特征在于，所述的探伤设备系统还包括分别用于检测轨头踏面起落架、轨底起落架、轨头右侧起落架、轨头左侧起落架及轨腰左侧起落架是否处于原位的a、b、c、d、e五个原位置光电，五个原位置光电均设置在支架上。

3.根据权利要求1或2所述的一种钢轨超声波在线检测系统，其特征在于，所述的钢轨位置检测装置包括编码器、前光电和后光电，所述的编码器与超声波检测仪连接，所述的前光电和后光电分别设在编码器的前后端，且与控制器连接。

4.根据权利要求1所述的一种钢轨超声波在线检测系统，其特征在于，所述的超声波探头为双晶超声波探头。

5.权利要求1～3之一所述的钢轨超声波在线检测系统的控制方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

（1）感知钢轨轨道形状是否超过设定的范围，如果超过，则禁止起落架产生动作，否则，进行步骤（2）；

（2）感知辊道上是否有钢轨，如果有，则实时检测钢轨在辊道上的位置，进行步骤（3）；

（3）进行探伤检测，当检测出钢轨内部有缺陷时，输出缺陷在钢轨的具体位置，停止探伤检测。

6.根据权利要求5所述的一种钢轨超声波在线检测系统的控制方法，其特征在于，步骤（1）中的感知钢轨轨道形状是否超过设定的范围，具体为：通过设置在辊道上的接近开关进行探测，当钢轨轨道的形状超过设定的范围，就会被接近开关感知。

7.根据权利要求5所述的一种钢轨超声波在线检测系统的控制方法，其特征在于，所述的步骤（2）具体为，进行检测时，钢轨从辊道的入口端进入，设在辊道入口端的钢轨位置检测装置先开始工作，当钢轨顺序经过钢轨位置检测装置的前光电和后光电时，前光电和后光电发送信号给控制器，控制器控制与编码器连接的气缸动作，将编码器的测速轮与钢轨接触，开始脉冲计数；当检测完成，钢轨经过辊道出口端的钢轨位置检测装置，则由设在辊道出口端的钢轨位置检测装置进行脉冲计数。

8.根据权利要求5所述的一种钢轨超声波在线检测系统的控制方法，其特征在于，步骤（3）中的进行探伤检测具体为，

正常检测时，钢轨先被一号对射光电感应，当钢轨在被一、二号对射光电都感应到时，轨头踏面起落架和轨底起落架均产生动作，带动相应的超声波探头贴合钢轨，实现轨头踏面和轨底的探伤检测；当钢轨在被二、三号对射光电都感应到时，轨头左侧起落架产生动作，带动相应的超声波探头贴合钢轨，实现轨头左侧的探伤检测；当钢轨被三、四号对射光电都感应到时，轨头右侧起落架和轨腰左侧起落架均产生动作，带动相应的超声波探头贴合钢轨，实现轨头右侧和轨腰的探伤检测；同时，当二号对射光电没有信号时，轨头踏面起落架和轨底起落架回原位；当三号对射光电没有信号时轨头左侧起落架回原位；四号对射光电没有信号时，轨头右侧起落架、轨腰左侧起落架回原位；

倒钢检测时，钢轨完全离开四号对射光电倒钢，先被四号对射光电感应，当钢轨被四、三号对射光电都感应到时，轨头右侧起落架和轨腰左侧起落架均产生动作，带动相应的超声波探头贴合钢轨，实现轨头右侧和轨腰的探伤检测；当钢轨在被三、二号对射光电都感应到时，轨头左侧起落架产生动作，带动相应的超声波探头贴合钢轨，实现轨头左侧的探伤检测；当钢轨在被二号、一号对射光电都感应到时，轨头踏面起落架和轨底起落架均产生动作，带动相应的超声波探头贴合钢轨，实现轨头踏面和轨底的探伤检测；同时，当四号对射光电没有信号时，轨头右侧起落架和轨腰左侧起落架回原位；当三号对射光电没有信号时，轨头左侧起落架回原位；二号对射光电没有信号时，轨头踏面起落架和轨底起落架回原位。

9.根据权利要求8所述的一种钢轨超声波在线检测系统的控制方法，其特征在于，步骤（3）还包括，设在支架上的a、b、c、d、e五个原位置光电检测相对应的起落架是否回到原位，如果为否，则发送信号给控制器，控制起落架回到原位。

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