CN106053611A - 可检测轨底的轮式探头 - Google Patents

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张玉华
石永生
李培
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Abstract

本发明提供了一种可检测轨底的轮式探头，所述轮式探头包含：固定模块、主45度换能器、副45度换能器、0度换能器和70度换能器；所述主45度换能器、所述副45度换能器、所述0度换能器和所述70度换能器通过所述固定模块固定于所述轮式探头上；所述主45度换能器用于向轨腰区域和轨底区域发射超声波，并接收所述轨腰区域和轨底区域反射的超声波；所述副45度换能器用于接收所述轨底区域反射的超声波；所述0度换能器用于向钢轨踏面垂直发射超声波和接收钢轨踏面、轨头区域、轨腰区域以及轨底区域反射的超声波，以及监控所述轮式探头状态；所述70度换能器用于向轨头区域发射超声波以及接收所述轨头区域反射的超声波。

Description

可检测轨底的轮式探头
技术领域
本发明涉及一种钢轨在役线路无损检测领域，尤指一种可检测轨底的轮式探头。
背景技术
钢轨轨底三角区的横向疲劳裂纹危害极大，其发展迅速，严重时导致断轨。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、取向不同，需配置多个通道的换能器进行多角度扫查。常规的做法是0度通道检测水平裂纹、70度通道检测轨头核伤和45度通道检测螺孔裂纹。通常钢轨超声波检测系统需要配置0度通道、前/后向45度通道、前/后向70度通道，以分别检测不同取向的缺陷。
目前国内铁路采用大型钢轨探伤车对在役钢轨开展周期性的快速检测。大型钢轨探伤车主要采用轮式探头。轮式探头(又称轮式换能器、探轮)，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波换能器，探头内部充满耦合介质，外部安装柔性外膜。超声波换能器发射的超声波经过轮内的耦合介质、外膜进入到介质内部，当超声波检测到钢轨内部伤损时，反射回波又通过外膜、轮内耦合介质被超声波换能器接收。轮式探头在被钢轨踏面持续滚动，从而实现了对钢轨内部伤损的不间断快速检测。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，采用的轮式探头结构配置如图1所示；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。国内大型钢轨探伤车单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1002、前/后45度换能器1001和前/后向70度换能器1003。其中，0度换能器1002用来探测轨头轨腰区域水平裂纹。前/后向70度换能器1003用来检测轨头区域横向疲劳伤损。前/后向45度换能器1001用来检测螺孔裂纹和轨腰区域其他疲劳裂纹。该探轮配置的前/后向45度换能器1001，其换能器尺寸由轨腰区域伤损的检测能力决定，受轮式探头结构大小和内部声程的限制，尚不具备钢轨轨底伤损检测能力。在不改变既有探轮布置的情况下，通过增大45度换能器尺寸可间接扩大轨底伤损的扫描范围，但是会对轨腰区域的检测带来不利影响。
现有技术中还提供一种检测轨底三角区垂直裂纹的方法，请参考图2所示，该方法用于手推式钢轨探伤仪。通过在钢轨探伤仪上使用串列式探头，优选方案是2-6个晶片，对轨底进行扫查，收到垂直裂纹产生的反射波。晶片6-1工作在发射模式，只发射不接收。晶片6-2至6-6工作在接收模式，用来接收晶片6-1发射超声波的反射回波。该检测轨底三角区垂直裂纹的方法，采用串列式探头，适用于手推式钢轨探伤仪，其探头与钢轨直接接触，考虑到轮式探头内部空间限制和多换能器间的串扰,该种技术无法应用于大型钢轨探伤车的轮式探头。
现有技术中还提供一种新型集靴式和轮式探头双重优点的高速轮式探头，请参考图3所示，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。该新型轮式探头将超声探头阵列将至轨面，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。该方案中的高速轮式探头,其组合探头5中的部分探头专用于探测轨腰的伤损及轨中的螺栓孔伤，但是不具备轨底伤损检测能力。
发明内容
本发明目的在于克服上述问题，并提供一种可全方位检测钢轨的轮式探头，以有效增大对轨底伤损的扫描范围，提升钢轨伤损的检测能力。
为达上述目的，本发明具体提供一种可检测轨底的轮式探头，所述轮式探头包含：固定模块、主45度换能器、副45度换能器、0度换能器和70度换能器；所述主45度换能器、所述副45度换能器、所述0度换能器和所述70度换能器通过所述固定模块固定于所述轮式探头上；所述主45度换能器用于向轨腰区域和轨底区域发射超声波，并接收所述轨腰区域和轨底区域反射的超声波；所述副45度换能器用于接收所述轨底区域反射的超声波；所述0度换能器用于向钢轨踏面垂直发射超声波和接收钢轨踏面、轨头区域、轨腰区域以及轨底区域反射的超声波，以及监控所述轮式探头状态；所述70度换能器用于向轨头区域发射超声波以及接收所述轨头区域反射的超声波。
在上述可检测轨底的轮式探头中，优选的，所述轨腰区域、所述轨底区域、所述钢轨踏面和所述轨头区域反射的超声波包含对应位置的钢轨疲劳裂纹信息和/或螺孔裂纹信息。
在上述可检测轨底的轮式探头中，优选的，所述固定模块包含轴连接架和换能器座；所述换能器座固定于所述轴连接架上，用于固定所述主45度换能器、所述副45度换能器、所述0度换能器和所述70度换能器。
在上述可检测轨底的轮式探头中，优选的，所述轮式探头还包含外膜，所述外膜包覆于所述轮式探头。
在上述可检测轨底的轮式探头中，优选的，所述外膜和所述固定模块之间还填充耦合介质，所述耦合介质用于传导换能器发射或接收的超声波。
在上述可检测轨底的轮式探头中，优选的，所述轮式探头还包含检测闸门单元，所述检测闸门单元包含轨腰检测闸门和轨底检测闸门；所述轨腰检测闸门设置于所述主45度换能器的超声波传输路径上，用于分析检测所述轨腰区域和/或所述轨底区域的疲劳裂纹信息和/或螺孔裂纹信息；所述轨底检测闸门设置于所述主45度换能器的超声波传输路径上，用于分析检测所述轨底区域的疲劳裂纹信息。
在上述可检测轨底的轮式探头中，优选的，所述70度换能器包含三个子换能器，所述子换能器用于分别检测轨头区域中部及两侧的疲劳裂纹信息。
在上述可检测轨底的轮式探头中，优选的，所述主45度换能器与所述副45度换能器联动，通过所述主45度换能器发射超声波，所述超声波经轨底区域伤损面反射至所述主45度换能器和/或所述副45度换能器接收。
本发明的有益技术效果在于：本发明所提供的轮式探头配置有0度换能器、70度换能器和主/副45度换能器，主45度换能器工作在既发又收模式，副45度换能器工作在接收模式，两者联合工作，除具备轨腰疲劳伤损和螺孔裂纹的检测功能外，还具备轨底伤损的检测能力；通过主/副45度换能器来检测轨底中心区域的横向疲劳伤损，该工作模式既不同于手推式探伤仪的串列式模式，也不同于既有大型钢轨探伤车轮式探头结构，不但具备轨底检测功能，而且有效增大对轨底伤损的扫描范围，提升轨底伤损的检测能力。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明的限定。在附图中：
图1为现有钢轨探伤轮式探头的基本配置图；
图2为现有技术一中所提供的超声波轮式探头示意图；
图3为现有技术二中所提供的高速轮式探头示意图；
图4为本发明所提供的可检测轨底的轮式探头原理示意图；
图5为本发明所提供的可检测轨底的轮式探头结构示意图；
图6为本发明所提供的可检测轨底的轮式探头一优选实施例使用示意图。
附图标号
1001为前后45度换能器，1002为0度换能器，1003为70度换能器，3001、5001为外膜，3002、5004为轴连接架，3003、5005为换能器座，10011为主45度换能器，10012为副45度换能器，5002为无阀侧组件，5003为有阀侧组件，5005为换能器座，60011为纵波1，60012为纵波2，60021为横波1，60022为横波2.
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
请参考图4至图5所述，本发明具体提供一种可检测轨底的轮式探头，所述轮式探头包含：固定模块、主45度换能器10011、副45度换能器10012、0度换能器1002和70度换能器1003；所述主45度换能器10011、所述副45度换能器10012、所述0度换能器1002和所述70度换能器1003通过所述固定模块固定于所述轮式探头上；所述主45度换能器10011用于向轨腰区域和轨底区域发射超声波，并接收所述轨腰区域和轨底区域反射的超声波；所述副45度换能器10012用于接收所述轨底区域反射的超声波；所述0度换能器1002用于向钢轨踏面垂直发射超声波和接收钢轨踏面、轨头区域、轨腰区域以及轨底区域反射的超声波，以及监控所述轮式探头状态；所述70度换能器1003用于向轨头区域发射超声波以及接收所述轨头区域反射的超声波。
其中，所述轨腰区域、所述轨底区域、所述钢轨踏面和所述轨头区域反射的超声波包含对应位置的钢轨疲劳裂纹信息和/或螺孔裂纹信息。
值得说明的是，所述70度换能器1003包含三个子换能器，所述子换能器用于分别检测轨头区域中部及两侧的疲劳裂纹信息；以此更全面的检测所述轨头区域的疲劳裂纹信息。
在上述实施例中，所述固定模块包含轴连接架3002、5004和换能器座3003、5005；所述换能器座3003、5005固定于所述轴连接架3002、5004上，用于固定所述主45度换能器10011、所述副45度换能器10012、所述0度换能器1002和所述70度换能器1003；其中，所述副45度换能器10012仅用于接收超声波，并不发射超声波；所述轮式探头还包含外膜3001、5001，所述外膜3001、5001包覆于所述轮式探头；所述外膜3001、5001和所述固定模块之间还填充耦合介质，所述耦合介质用于传导换能器发射或接收的超声波。
在本发明一优选的实施例中，所述轮式探头还包含检测闸门单元，所述检测闸门单元包含轨腰检测闸门和轨底检测闸门；所述轨腰检测闸门设置于所述主45度换能器10011的超声波传输路径上，用于分析检测所述轨腰区域和/或所述轨底区域的疲劳裂纹信息和/或螺孔裂纹信息；轨底检测闸门设置于所述主45度换能器10011的超声波传输路径上，用于分析检测所述轨底区域的疲劳裂纹信息。
为更清楚的说明上述实施例，以下整体对本发明所提供的具备轨底检测功能的大型钢轨探伤车用超声波轮式探头做简要说明，该轮式探头配置有主45度换能器和副45度换能器，主45度换能器工作在既发又收模式，可发射超声波，同时该超声波在钢轨内部传播后经钢轨轨底伤损反射后也可被自身接收，检测系统主45度检测通道设置有轨腰检测闸门和轨底检测闸门，其中，轨腰检测闸门用于检测螺孔裂纹和轨腰区域疲劳裂纹，轨底检测闸门用于检测轨底区域疲劳伤损；副45度换能器工作在接收模式，其不发射超声波能，可接收主45度换能器发射的超声回波，检测系统副45度检测通道设置轨底检测闸门，用于接收轨底区域疲劳伤损的反射回波；主45度换能器和副45度换能器的联合工作模式，一方面确保了轨腰区域的检测功能和模式与既有探伤车系统一致，另一方面设置了主/副45度检测通道的轨底检测闸门，具备轨底伤损的检测功能,提升了大型钢轨探伤车的综合检测能力。
在上述实施例中，所述轮式探头还包含存储器，所述存储器用于存储所述疲劳裂纹信息和/或螺孔裂纹信息，该存储器可为现有的存储硬件，本发明在此不再详细说明。
以下结合图6对本发明实际工作中的运行原理做进一步说明，参见图6所述，本发明中的超声波换能器组，包括0度换能器1002、70度换能器1003、主45度换能器10011和副45度换能器10012；其中0度换能器1002用于探测水平裂纹和监控轮式探头状态，70度换能器1003分为检测两侧及内部的三个子换能器，用以检测轨头内中外侧横向疲劳裂纹，主45度换能器10011用以检测轨腰螺孔裂纹和轨底中心区域横向疲劳伤损，副45度换能器10012用以检测轨底中心区域横向疲劳裂纹；主/副45度换能器联合工作，共同完成轨底中心区域横向疲劳裂纹的检测，主45度换能器采10011用发射和接收双模式，其发射的超声波为纵波I60011，经过轮内耦合液和外膜的传播后，到达轨头中部区域。超声波折射为横波I60021进入到钢轨内部，传播至轨底区域，当轨底中心区域存在横向疲劳裂纹时，横波I60021在轨底横向疲劳裂纹和轨底平面之间形成端角反射转变为横波II60022，横波II60022沿着与横波I60011平行路径传播至钢轨轨头区域，进而转变为纵波II60012传播至轮式探头内部，被主45度换能器10011或者副45度换能器10012接收。
本发明中的超声波换能器架，其上安装超声波换能器组。其中，0度换能器1002为水平安装，70度换能器1003与主/副45度换能器相向安装，70度换能器1003声束方向指向0度换能器1002左下方，主/副45度换能器声束方向指向0度换能器1002右下方。0度换能器1002、70度换能器1003和主/副45度换能器均是使用螺栓安装在换能器座3003、5005上。换能器座3003、5005上设定不同角度的安装面，保证各换能器设定角度和取向。
本发明所提供的轮式探头配置有0度换能器、70度换能器和主/副45度换能器。主45度换能器工作在既发又收模式，副45度换能器工作在接收模式，主/副45度换能器联合工作，除具备轨腰疲劳伤损和螺孔裂纹的检测功能外，还具备轨底伤损的检测能力。其中，主45度换能器工作在既发又收模式，副45度换能器工作在接收模式。主/副45度换能器的联合工作，用以检测轨底中心区域的横向疲劳伤损，该工作模式既不同于手推式探伤仪的串列式模式，也不同于既有大型钢轨探伤车轮式探头结构45度换能器的既发又收模式。具备轨底检测功能的轮式探头可有效增大对轨底伤损的扫描范围，提升轨底伤损的检测能力。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种可检测轨底的轮式探头，其特征在于，所述轮式探头包含：固定模块、主45度换能器、副45度换能器、0度换能器和70度换能器；
所述主45度换能器、所述副45度换能器、所述0度换能器和所述70度换能器通过所述固定模块固定于所述轮式探头上；
所述主45度换能器用于向轨腰区域和轨底区域发射超声波，并接收所述轨腰区域和轨底区域反射的超声波；
所述副45度换能器用于接收所述轨底区域反射的超声波；
所述0度换能器用于向钢轨踏面垂直发射超声波和接收钢轨踏面、轨头区域、轨腰区域以及轨底区域反射的超声波，以及监控所述轮式探头状态；
所述70度换能器用于向轨头区域发射超声波以及接收所述轨头区域反射的超声波。
2.根据权利要求1所述的可检测轨底的轮式探头，其特征在于，所述轨腰区域、所述轨底区域、所述钢轨踏面和所述轨头区域反射的超声波包含对应位置的钢轨疲劳裂纹信息和/或螺孔裂纹信息。
3.根据权利要求1所述的可检测轨底的轮式探头，其特征在于，所述固定模块包含轴连接架和换能器座；
所述换能器座固定于所述轴连接架上，用于固定所述主45度换能器、所述副45度换能器、所述0度换能器和所述70度换能器。
4.根据权利要求1所述的可检测轨底的轮式探头，其特征在于，所述轮式探头还包含外膜，所述外膜包覆于所述轮式探头。
5.根据权利要求4所述的可检测轨底的轮式探头，其特征在于，所述外膜和所述固定模块之间还填充耦合介质，所述耦合介质用于传导换能器发射或接收的超声波。
6.根据权利要求1所述的可检测轨底的轮式探头，其特征在于，所述轮式探头还包含检测闸门单元，所述检测闸门单元包含轨腰检测闸门和轨底检测闸门；
所述轨腰检测闸门设置于所述主45度换能器的超声波传输路径上，用于分析检测所述轨腰区域和/或所述轨底区域的疲劳裂纹信息和/或螺孔裂纹信息；
所述轨底检测闸门设置于所述主45度换能器的超声波传输路径上，用于分析检测所述轨底区域的疲劳裂纹信息。
7.根据权利要求1所述的可检测轨底的轮式探头，其特征在于，所述70度换能器包含三个子换能器，所述子换能器用于分别检测轨头区域中部及两侧的疲劳裂纹信息。
8.根据权利要求1所述的可检测轨底的轮式探头，其特征在于，所述主45度换能器与所述副45度换能器联动，通过所述主45度换能器发射超声波，所述超声波经轨底区域伤损面反射至所述主45度换能器和/或所述副45度换能器接收。
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