CN104713952A - 钢轨探伤用二次波轮式探头 - Google Patents

Abstract

本发明为一种钢轨探伤用二次波轮式探头，该二次波轮式探头包括有换能器架，换能器架上设有换能器组；换能器组包括0度换能器、前向偏转70度换能器和后向偏转70度换能器；0度换能器水平设置在换能器架的顶部；换能器架的前、后两端向下设有倾斜部；各倾斜部的下侧分别设有安装平面，安装平面的法向指向钢轨轨头内侧，前向偏转70度换能器和后向偏转70度换能器分别设置在相应的安装平面上。本发明的二次波轮式探头解决了轨面异常情况下超声波无法有效入射钢轨内部带来的检测难题；实现了在轨头磨耗及表面伤损等情况下的轨头内侧核伤的检出，能够发现表面伤损下方的核伤，避免轨面异常情况下大型钢轨探伤车的漏检，能够更好的保障线路安全。

Description

钢轨探伤用二次波轮式探头

技术领域

本发明是关于一种在役钢轨超声波无损检测技术，尤其涉及一种钢轨探伤用二次波轮式探头。

背景技术

在役钢轨处于铺设状态，超声波探伤只能从钢轨踏面进行。由于缺陷类型、位置、取向等有很大区别，需要多个通道的超声波换能器进行多方向的扫查。常规的做法是用70度通道探测轨头核伤、用45度（37度-45度间的其他角度）通道探测螺孔斜裂纹缺陷和其他部位的斜裂纹，用0度通道探测水平裂纹和某些材质缺陷。由于疲劳裂纹相对于钢轨有一定的方向性，为防止漏检，钢轨超声波检测系统需要配置0度通道、前向和后向45度通道、前向和后向70度通道，以分别检测不同取向的缺陷。

目前大多采用大型钢轨探伤车对在役钢轨开展周期性的检测，来满足在役钢轨快速检测的需求。大型钢轨探伤车主要采用两种超声传感器方式：轮式探头和滑靴式探头。

滑靴式探头适合应用于无缝线路，其超声换能器阵列可实现最短距离接近钢轨的布置，换能器阵列与钢轨踏面之间控制一定厚度耦合水层。检测时，超声波换能器发射的超声波通过耦合水层进入到钢轨内部，经过钢轨内部伤损的反射，再次透过耦合水层，被超声换能器接收，从而实现对钢轨内部伤损的检测。因滑靴式探头可最近距离的接触钢轨，最大程度缩短钢轨外部的声程，因而可实现较高速度的超声检测。

轮式探头（又称轮式换能器、探轮等）是目前主流的钢轨探伤传感方式，主要由超声波换能器架、超声波换能器组、线缆轴、光轴、转动及密封组件、法兰盘、柔性外膜及安装附件等组成。轮式探头可在换能器架上安装一个或者多个超声换能器，探头内部充满耦合介质，外部安装柔性外膜结构。检测时，柔性外膜结构在钢轨踏面上滚动，超声换能器组安装在轮轴上保持静止。超声波换能器发射的超声波经过轮内的耦合介质、外膜，然后进入到钢轨内部，当超声波检测到钢轨内部伤损时，声波在被钢轨内部伤损反射后，反射回波又经探轮外膜、轮内耦合液，再次被超声换能器接收。轮式探头在被检测介质表面持续滚动，从而实现了对被检测介质的不间断检测。

国内大型钢轨探伤车采用轮式探头作为超声波探伤系统的超声传感组件，每侧钢轨配置两个轮式探头，两个轮式探头相向布置。单侧钢轨配置有0度换能器、前向45度换能器、后向45度换能器、前向70度换能器和后向70度换能器。其中，前向70度换能器和后向70度换能器均为组合式换能器，分别由三个换能器组成，用来检测钢轨轨头内侧、轨头中部和轨头外侧的伤损。三个换能器构成的组合式换能器保证了尽可能大的覆盖钢轨轨头区域，有利于钢轨伤损的定位和辨别。前向45度换能器和后向45度换能器探测螺孔斜裂纹缺陷、轨底斜裂纹和其他部位的斜裂纹。0度换能器探测水平裂纹和某些材质缺陷。大型钢轨探伤车采用该配置的轮式探头进行钢轨探伤，可对轨头核伤、螺孔裂纹、钢轨水平纵向裂纹等疲劳伤损进行检测。

但是在轨头内侧磨耗严重、钢轨表面存在鱼鳞纹（钢轨的表面疲劳伤损，通常称为鱼鳞纹，主要集中在轨头内侧区域，常见于曲线高股。一般沿着轨长方向2～5mm间隔分布，可向下发展2～5mm，角度10°～30°，逐渐的扩散到整个轨头）等情况下。现有的超声波轮式探头其内侧70度通道发射的超声波无法有效进入钢轨内部，对钢轨内部存在的伤损无法有效检出。另外，由于钢轨踏面存在一定的弧度，使得内侧70度通道即使在轨头形状良好、表面无伤损等情况下，也无法完全覆盖钢轨轨头内侧上方，存在一定的盲区。

如：发明人章罕提出一种超声波轮式探头（申请号为200710109440.0），该轮式探头是用于手推式超声波探伤车。该轮式探头配置有0度换能器、45度换能器和70度换能器组；其中70度换能器组为3个小换能器，分别检查钢轨轨头的内侧，中部和外侧。但是这种超声波轮式探头，是采用一次波实现钢轨内部伤损的检测，无法解决70度换能器对钢轨轨头内部检测存在盲区和当存在表面伤损时超声波无法有效入射等问题。

又如：发明人李钢提出一种钢轨超声探伤装置（申请号为98123430.5）,是一种新型集靴式和轮式探头双重优点的高速轮式探头，该轮式探头利用内部自动控制装置使其能完成较高速度下的钢轨探伤工作；该轮式探头将超声探头阵列降至轨面，并与轨面之间隔有轮式探头的外膜；该高速轮式探头采用自动装置能使探头表面到钢轨表面距离保持恒定距离。但是，这种超声波轮式探头，也是采用一次波实现钢轨内部伤损的检测，同样无法解决70度换能器对钢轨轨头内部检测存在盲区和当存在表面伤损时超声波无法有效入射等问题。

由此，本发明人凭借多年从事相关行业的经验与实践，提出一种钢轨探伤用二次波轮式探头，以克服现有技术的缺陷。

发明内容

本发明的目的在于提供一种钢轨探伤用二次波轮式探头，以解决轨面异常情况下超声波无法有效入射钢轨内部带来的检测难题。

本发明的另一目的在于提供一种钢轨探伤用二次波轮式探头，可实现在轨头磨耗及表面伤损等情况下的轨头内侧核伤的检出，发现表面伤损下方的核伤，避免轨面异常情况下大型钢轨探伤车的漏检，更好的保障线路安全。

本发明的目的是这样实现的，一种钢轨探伤用二次波轮式探头，所述二次波轮式探头包括有换能器架，换能器架上设有换能器组；所述换能器架两侧分别固定连接有同轴设置的线缆轴；两线缆轴上通过轴承分别连接有法兰盘；一柔性透声外膜包覆在两个法兰盘的外部并分别由两侧的压盘密封压设固定在相应的法兰盘上，柔性透声外膜内形成轮内密封空间，所述轮内密封空间充满液体耦合介质；所述换能器组包括0度换能器、前向偏转70度换能器和后向偏转70度换能器；所述0度换能器水平设置在换能器架的顶部；换能器架的前、后两端向下设有倾斜部；所述各倾斜部的下侧分别设有安装平面，所述安装平面的法向指向钢轨轨头内侧，所述前向偏转70度换能器和后向偏转70度换能器分别设置在相应的安装平面上。

在本发明的一较佳实施方式中，所述安装平面的法线与钢轨的纵向对称面相夹一定角度。

在本发明的一较佳实施方式中，所述线缆轴是由耳环固定连接在换能器架的两侧。

在本发明的一较佳实施方式中，所述换能器架的两侧分别设有螺纹孔，所述线缆轴上设有相应螺纹，所述线缆轴螺旋连接在换能器架的螺纹孔中。

在本发明的一较佳实施方式中，所述螺纹孔侧壁设有紧定螺钉孔和紧定螺钉。

由上所述，本发明的钢轨探伤用二次波轮式探头，解决了轨面异常情况下超声波无法有效入射钢轨内部带来的检测难题；实现了在轨头磨耗及表面伤损等情况下的轨头内侧核伤的检出，能够发现表面伤损下方的核伤，避免轨面异常情况下大型钢轨探伤车的漏检，能够更好的保障线路安全。

附图说明

以下附图仅旨在于对本发明做示意性说明和解释，并不限定本发明的范围。其中：

图1：为本发明钢轨探伤用二次波轮式探头在钢轨上滚动检测的示意图。

图2：为本发明钢轨探伤用二次波轮式探头的结构示意图。

图3：为图2的仰视结构示意图。

图4：为图2的俯视结构示意图。

图5A：为二次波轮式探头位于钢轨上的结构示意图。

图5B：为图5A的侧视结构示意图。

图6A：为本发明中前向偏转70度换能器检测钢轨的结构示意图。

图6B：为图6A的侧视结构示意图。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本发明的具体实施方式。

如图1、图2、图3和图4所示，本发明提出一种钢轨探伤用二次波轮式探头100，所述二次波轮式探头100在被检测钢轨9表面持续滚动，从而实现对被检测钢轨的不间断检测。如图2～图4所示，所述二次波轮式探头100包括有换能器架1，换能器架1上设有换能器组2；所述换能器架1两侧分别固定连接有同轴设置的线缆轴3；两个线缆轴3上通过轴承分别连接有法兰盘4；一柔性透声外膜5包覆在两个法兰盘4的外部并分别由两侧的压盘6密封压设固定在相应的法兰盘4上，柔性透声外膜5内形成轮内密封空间，所述轮内密封空间充满液体耦合介质；所述换能器组2包括0度换能器21、前向偏转70度换能器22和后向偏转70度换能器23；所述0度换能器21水平设置在换能器架1的顶部；换能器架1的前、后两端向下设有倾斜部11（如图5B所示）；所述各倾斜部11的下侧分别设有安装平面111，所述各安装平面111的法向指向钢轨轨头91内侧（如图5A所示），所述前向偏转70度换能器22和后向偏转70度换能器23分别设置在相应的安装平面111上。

在本实施方式中，所述钢轨轨头内侧是指两条平行设置的钢轨分别朝向对方钢轨的一侧；即：所述安装平面111的法线与钢轨的纵向对称面向内侧相夹一定角度，由此使前向偏转70度换能器22和后向偏转70度换能器23均实现向轨头内部偏转一定角度安装，从而保证前向偏转70度换能器22和后向偏转70度换能器23的超声波在钢轨的入射点集中在轨头中部，同时反射后的二次横波继续在轨头内侧传播，指向轨距角。

本发明钢轨探伤用二次波轮式探头配置有0度通道、前向偏转70度通道和后向偏转70度通道，该前向偏转70度通道和后向偏转70度通道均向轨头内侧偏转一定角度，其发射的超声波为纵波，在经过轮内耦合液、透声外膜传播后在钢轨轨头中部进入钢轨内部，经折射后变为横波在钢轨内部传播；在钢轨内部传播的横波经轨鄂平面反射后形成二次波，继续在钢轨轨头内侧传播，指向钢轨轨头内侧上方，有效覆盖现有70度通道的检测盲区，当该区域内存在核伤时，反射后的二次波经轨鄂反射后再被超声波换能器接收，从而消除了检测盲区；同时当钢轨轨面存在异常情况（磨耗、表面伤损等）时，由于偏转70度换能器入射点集中在钢轨轨头中部，从而避开了磨耗、表面伤损、鱼鳞纹对其传播路径的影响，可顺利进入钢轨内部，完成对轨头内部尤其是上方小核伤的检测。

由上所述，本发明的钢轨探伤用二次波轮式探头，解决了轨面异常情况下超声波无法有效入射钢轨内部带来的检测难题；实现了在轨头磨耗及表面伤损等情况下的轨头内侧核伤的检出，能够发现表面伤损下方的核伤，避免轨面异常情况下大型钢轨探伤车的漏检，能够更好的保障线路安全。

在本实施方式中，0度换能器21主要用于探测水平裂纹和监控轮式探头状态。前向偏转70度换能器22发射的超声波指向前方，后向偏转70度换能器23发射的超声波指向后方，两者结合，用来检测钢轨轨头内侧核伤。

如图6A、图6B所示，以前向偏转70度换能器22为例，介绍其主要检测方式。前向偏转70度换能器22发射的超声波为纵波，经过轮内耦合液和柔性外膜的传播后，到达轨头中部区域。超声波经过折射后进入到钢轨内部，折射后形成一次横波A，一次横波A在轨头内部继续传播，经轨鄂平面后形成二次横波B；二次横波B继续在轨头内侧传播，当轨头内侧存在小核伤C时，二次横波B反射后经轨鄂平面再次反射，最终被前向偏转70度换能器22接收，从而实现对轨头内侧上方小核伤的检出。

进一步，如图5B所示，在本实施方式中，所述换能器架1前、后两端的倾斜部11对称设置。

采用该超声波换能器，前向偏转70度换能器和后向偏转70度换能器在轮内的反射纵波不会被彼此接收，同时不会被0度换能器接收，从而有效避免了超声波在轮内的串扰和干涉。

在本实施方式中，所述线缆轴3是由耳环固定连接在换能器架1的两侧。

在本实施方式的另一实施方案，所述换能器架1的两侧分别设有螺纹孔，所述线缆轴3上设有相应螺纹，所述线缆轴3螺旋连接在换能器架1的螺纹孔中（图中未示出）；所述螺纹孔侧壁设有紧定螺钉孔和紧定螺钉，通过紧定螺钉实现换能器架1和线缆轴3之间的防松。

本发明的钢轨探伤用二次波轮式探头与现有技术相比具有如下有益效果：

1.本发明有效的消除了目前大型钢轨探伤车配置两个轮式探头存在的轨头内侧检测盲区难题，二次波轮式探头检测技术大大提升探伤系统的检测能力，更好的保障铁路线路安全。

2.本发明解决了在轨面异常情况下超声波无法有效入射钢轨内部带来的检测难题，轨头中部入射的二次波检测技术可有效实现对存在轨头磨耗及表面伤损等情况下的轨头内侧核伤的检出，避免了轨面异常情况下大型钢轨探伤车的漏检。

3.本发明的二次波轮式探头，其在钢轨内部传播的横波经轨鄂平面反射后，其二次横波继续在轨头内侧传播，方向指向轨头内侧上方，可有效弥补现有70度通道的检测盲区；与现有一次波轮式探头配合使用，可有效弥补一次波轮式探头存在的缺陷，提升探伤系统的能力。

由于轨头磨耗以及表面伤损等大多集中在轨头内侧，因此，本实施方式中提供的钢轨探伤用二次波轮式探头主要用于实现对轨头内侧伤损的检测。如果调整该二次波轮式探头的换能器安装方向，同样可实现对轨头外侧伤损的检测。

以上所述仅为本发明示意性的具体实施方式，并非用以限定本发明的范围。任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所作出的等同变化与修改，均应属于本发明保护的范围。

Claims (5)

1.一种钢轨探伤用二次波轮式探头，所述二次波轮式探头包括有换能器架，换能器架上设有换能器组；所述换能器架两侧分别固定连接有同轴设置的线缆轴；两线缆轴上通过轴承分别连接有法兰盘；一柔性透声外膜包覆在两个法兰盘的外部并分别由两侧的压盘密封压设固定在相应的法兰盘上，柔性透声外膜内形成轮内密封空间，所述轮内密封空间充满液体耦合介质；其特征在于：所述换能器组包括0度换能器、前向偏转70度换能器和后向偏转70度换能器；所述0度换能器水平设置在换能器架的顶部；换能器架的前、后两端向下设有倾斜部；所述各倾斜部的下侧分别设有安装平面，所述安装平面的法向指向钢轨轨头内侧，所述前向偏转70度换能器和后向偏转70度换能器分别设置在相应的安装平面上。

2.如权利要求1所述的钢轨探伤用二次波轮式探头，其特征在于：所述安装平面的法线与钢轨的纵向对称面相夹一定角度。

3.如权利要求1所述的钢轨探伤用二次波轮式探头，其特征在于：所述线缆轴是由耳环固定连接在换能器架的两侧。

4.如权利要求1所述的钢轨探伤用二次波轮式探头，其特征在于：所述换能器架的两侧分别设有螺纹孔，所述线缆轴上设有相应螺纹，所述线缆轴螺旋连接在换能器架的螺纹孔中。

5.如权利要求4所述的钢轨探伤用二次波轮式探头，其特征在于：所述螺纹孔侧壁设有紧定螺钉孔和紧定螺钉。