CN108037186A - 磁致伸缩薄膜式无源铁轨探伤装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种磁致伸缩薄膜式无源铁轨探伤装置，外壳后端连接有尾座，超磁致伸缩薄膜的前端安装有探头，超磁致伸缩薄膜的后端与薄膜压片位于夹持块矩形槽内，夹持块的后端位于尾座矩形槽内还设有一个永磁体垫片，外壳前端连接有端盖，外壳两侧设有外壳支座，外壳支座设有外壳支座螺柱，外壳的内腔位于端盖和尾座之间设有线圈骨架，线圈骨架外侧缠绕有拾取线圈，线圈骨架处外侧的外壳还设有导线孔。本发明用两块永磁铁为超磁致伸缩薄膜提供偏置磁场，以拾取线圈拾取发电过程产生的电能，实现了将火车行进过程与铁轨产生的振动信号转化为电信号输出过程。
Description
技术领域
本发明属于磁致伸缩无源检测领域，特别涉及一种以磁致伸缩薄膜为核心元件，通过检测由火车经过铁轨产生的振动所转化电信号，对铁轨健康状态探测的一种磁致伸缩薄膜式无源铁轨探伤装置。
背景技术
随着我国高速铁路的飞速发展，部分干线列车最高时速可达到200公里以上，由于列车在运行的过程会对钢轨产生摩擦、挤压、弯曲以及冲击作用，因此导致了轨道各种各样的伤损。同时由于我国繁忙的运输量，加之较差的线路状况，使得我国的钢轨损伤率很高。也时常发生钢轨因损伤而出现事故的状况，严重威胁了车辆的运行安全和人民的生命财产，铁轨伤损的实时检测显得尤为重要。目前，铁路轨道的常规探伤采用超声波探伤法，但只限于标准轨，而道岔部位由于其截面不规则，超声波和其他传统探伤方法均无能为力，迄今尚是一个盲区，只能靠人工手锤敲和目视巡检解决；同时，超声波探伤法附加条件多：需要清理轨面，需要不断施加耦合剂：水(寒冬季节为防止水冻结，还需往水中添加酒精)，需6至7人配合，操作繁锁、检测成本高、分辨率低、速度慢；另一方面，超声波法只能检出已经发生伤损部位，而不能检出将要发生．伤损或濒临伤损的部位。
超磁致伸缩材料具有机械能与电磁能间的双向可逆换能特性，超磁致伸缩逆效应是该材料具有的重要物理效应之一，磁致伸缩逆效应是指磁致伸缩材料在受外力的作用下，内部发生应变，材料的磁化状态发生变化的现象。利用超磁致伸缩材料所具有的受力作用后发生磁致伸缩逆效应的特性，收集火车在铁轨上运行时的振动能量，将振动机械能转化为变化的磁能，再结合线圈的法拉第电磁效应，即可实现将振动机械能转换为电信号过程。因此通过此原理，可利用监测到的电信号对铁轨接触过程中的振动进行检测，进而根据振动对铁轨健康状态检测。在此过程中不需要外界电源的介入参与此过程，达到无源监测的目的。
目前关于铁轨探伤装置的研究，是基于超声波无损检测原理而实现的。例如在2013年电子测试第13期3-10页发表的一种铁轨超声探伤信号的实时处理方法研究中被提出了，利用超声伤损检测方法对对铁轨状态进行检测，采用脉冲反射法利用超声波脉冲照射到两种不同介质分界面上，在边界处所产生的反射现象进行检测。有极少量科研院所开始开展将超磁致伸缩材料应用于轨道探伤中的研究。在2012年电子科技学报第25卷第8期发表的基于磁致伸缩换能器的铁轨无线监测系统设计中提出一种基于铁轨压力的逆磁致伸缩换能器用于轨道探伤，文中提出采用基于磁致伸缩材料的换能器，将列车运行时对铁轨的产生巨大压力能量转化为电能。但是，利用超磁致伸缩薄膜材料测量铁轨振动实现铁轨探伤装置的研究，却鲜有报道。
发明内容
发明目的
针对现有的轨道探伤装置的现状，发明一种以超磁致伸缩薄膜为核心元件利用两块永磁铁为超磁致伸缩薄膜提供预磁化磁场，用拾取线圈拾取并输出电能的磁致伸缩薄膜式无源铁轨探伤装置，无需外界电源介入，通过将列车行进时产生的振动能量转化为电信号从而实现对铁轨健康状态实时监测的目的。
技术方案
一种磁致伸缩薄膜式无源铁轨探伤装置，其特征在于：包括端盖、外壳、探头、超磁致伸缩薄膜、拾取线圈、线圈骨架、夹持块、薄膜压片、永磁体垫片、尾座和外壳支座，外壳后端连接有尾座，尾座前端中心开有尾座矩形槽，矩形槽内设有开有夹持块矩形槽的夹持块，超磁致伸缩薄膜的前端安装有探头，超磁致伸缩薄膜的后端与薄膜压片位于夹持块矩形槽内，夹持块的一侧设有夹持块螺栓，夹持块螺栓一端顶在薄膜压片的一侧，将超磁致伸缩薄膜的后端与薄膜压片固定于夹持块矩形槽内；尾座螺纹侧设有尾座螺栓，尾座螺栓的一端顶在夹持块的一侧，将夹持块固定于尾座矩形槽内，夹持块的后端位于尾座矩形槽内还设有一个永磁体垫片，外壳前端连接有端盖，外壳两侧设有外壳支座，外壳支座设有外壳支座螺柱，外壳的内腔位于端盖和尾座之间设有线圈骨架，线圈骨架外侧缠绕有拾取线圈，线圈骨架处外侧的外壳还设有导线孔。
所述端盖和线圈骨架中心皆开有矩形通孔。
所述探头为四棱锥台，探头下方端面为斜面，斜率为1:4；探头右端面中心处打有矩形槽，槽的长宽尺寸与超磁致伸缩薄膜的截面长宽尺寸相同。
所述夹持块开有的夹持块矩形槽槽底设有两条半圆形凸起导轨，薄膜压片底部有两个半圆形的缺口，与夹持块矩形槽中两个半圆形轨道配合。
所述探头和永磁体垫片的材料为永磁铁。
本磁致伸缩薄膜式无源铁轨探伤装置整体结构为轴对称结构。
优点及效果
本发明具有如下优点和有益效果：
本发明以超磁致伸缩薄膜为核心元件，用两块永磁铁为超磁致伸缩薄膜提供偏置磁场，以拾取线圈拾取发电过程产生的电信号，实现了将火车行进过程产生的振动能量转化为电信号输出的过程。与基于超声波轨道探伤装置相比该装置不需要外部电源和定时的额外的人力探测，不影响火车的的正常行驶；材料发电不存在疲劳、老化问题，且不存在去极化失效问题，因而工作性能更可靠；它在室温下有高达 0.15%应变量，故检测信号灵敏，因此较小振幅条件也可输出电压。超磁致伸缩薄膜上安装的探头使超磁致伸缩薄膜能更加的贴合铁轨，振动时产生的电信号也更加准确。
附图说明
图1为磁致伸缩薄膜式无源铁轨探伤装置装配示意图；
图2为磁致伸缩薄膜式无源铁轨探伤装置的俯视图；
图3为磁致伸缩薄膜式无源铁轨探伤装置的A-A剖视图；
图4为外壳的前视图；
图5为外壳的B-B剖视图；
图6为尾座的示意图；
图7为探头示意图；
图8为薄膜压片的示意图；
图9为夹持块的示意图；
图10为线圈骨架示意图；
图11为端盖的前视图；
图12为磁致伸缩薄膜式无源铁轨探伤装置与铁轨的安装示意图。
附图标记说明：
1-端盖，2-外壳，3-外壳支座螺柱，4-探头，5-超磁致伸缩薄膜，6-端盖螺钉，7-拾取线圈，8-线圈骨架，9-夹持块，10-薄膜压片，11-永磁体垫片，12-尾座，13-夹持块螺栓，14-尾座螺栓，15-导线孔，16-外壳支座。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的说明：
如图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7、图8、图9、图10、图11和图12所示：一种磁致伸缩薄膜式无源铁轨探伤装置，本磁致伸缩薄膜式无源铁轨探伤装置整体结构为轴对称结构，包括端盖1、外壳2、探头4、超磁致伸缩薄膜5、拾取线圈7、线圈骨架8、夹持块9、薄膜压片10、永磁体垫片11、尾座12和外壳支座16，外壳2后端螺纹连接有尾座12，尾座12前端中心开有尾座矩形槽，矩形槽内设有开有夹持块矩形槽的夹持块9，超磁致伸缩薄膜5的前端安装有材料为永磁铁的探头4，探头4为四棱锥台，探头4下方端面为斜面，斜率为1:4；探头4右端面中心处打有矩形槽，槽的长宽尺寸与超磁致伸缩薄膜5的截面长宽尺寸相同；超磁致伸缩薄膜5的后端与薄膜压片10位于夹持块矩形槽内，夹持块9的一侧设有夹持块螺栓13，夹持块螺栓13一端顶在薄膜压片10的一侧，将超磁致伸缩薄膜5的后端与薄膜压片10固定于夹持块矩形槽内；尾座12螺纹侧设有尾座螺栓14，尾座螺栓14的一端顶在夹持块9的一侧，将夹持块9固定于尾座矩形槽内，夹持块9的后端位于尾座矩形槽内还设有一个材料为永磁铁的永磁体垫片11，夹持块9开有的夹持块矩形槽槽底设有两条半圆形凸起导轨，薄膜压片10底部有两个半圆形的缺口，与夹持块矩形槽中两个半圆形轨道配合，薄膜压片10装夹的时候配合处能够沿着凸起导轨在一定范围内移动，定位准确。永磁体垫片11的磁特性能够使夹持块9与尾座12紧密吸附连接。探头4及尾座12的内部安装的永磁体垫片11为超磁致伸缩薄膜提供偏置磁场。外壳2前端连接有端盖1，利用六个端盖螺钉6将端盖1与外壳2联接，外壳2两侧设有外壳支座16，外壳支座16设有外壳支座螺柱3，外壳2的内腔位于端盖1和尾座12之间设有线圈骨架8，端盖1和线圈骨架8中心皆开有矩形通孔，线圈骨架8外侧缠绕有拾取线圈7，线圈骨架8处外侧的外壳2还设有导线孔15。
超磁致伸缩薄膜5为矩形条状，左端安装在探头4一侧的槽内，用来接收铁轨的振动信号。因超磁致伸缩薄膜5比较脆弱，螺栓直接顶在超磁致伸缩薄膜5上易导致超磁致伸缩薄膜5损坏，故设置有薄膜压片10保护超磁致伸缩薄膜5。
工作时探头4和安装在尾座12内的永磁体垫片11为超磁致伸缩薄膜5提供偏置磁场使超磁致伸缩薄膜5的磁机耦合效率达到最佳，火车在铁轨上运行时产生的振动传递到与之连接的磁致伸缩薄膜式无源铁轨探伤装置探头4上，由于永磁体的性质，振动通过探头4传递到与之相连的超磁致伸缩薄膜5上；超磁致伸缩薄膜5由于受到力的作用产生纵向的弯曲变形引起超磁致伸缩薄膜5内部的磁化状态发生变化即磁通发生变化，变化的磁通通过缠绕在线圈骨架8上的拾取线圈7产生感应电压，感应电压则可通过外壳2上的导线孔15由拾取线圈7传递到外界。为了给超磁致伸缩薄膜5提供均匀的偏置磁场，探头4和尾座14内的永磁体垫片11的磁极相反。探头4的斜面由于永磁体对磁铁的吸引力与铁轨下方的侧面接触，由外壳支座螺栓3使装置与大地紧固连接在一起。为了防止外界环境对整个磁致伸缩薄膜式无源铁轨探伤装置的内部磁路产生影响，采用具有大磁阻的铜材料的外壳2以及端盖1。同时为了保证内部磁路均匀，采用纯铁制作的薄膜压片10，超磁致伸缩薄膜5使用以铜为衬底的TbDyFe薄膜。
本发明的磁致伸缩薄膜式无源铁轨探伤装置，以超磁致伸缩薄膜作为核心元件，采用拾取线圈将磁通变化转化为电信号，实现了将火车行驶过程中与铁轨之间产生的振动转换为电信号输出的过程的目的。磁致伸缩薄膜式无源铁轨探伤装置的工作原理是：根据超磁致伸缩材料的逆效应，当超磁致伸缩薄膜受到作用于表面的铁轨振动力的作用时，超磁致伸缩薄膜的尺寸形状将发生变化，进而导致超磁致伸缩薄膜内部的磁化状态发生变化即内部的磁通量发生变化，从而引起拾取线圈中发生法拉第电磁效应，使拾取线圈中产生电压，因此实现了通过吸收铁轨振动而产生电信号的过程。
如图4和图5所示，外壳2整体为对称结构，外壳2内部设有矩形槽，在外壳2的尾端内部用丝锥攻有螺纹通孔，在靠近螺纹通孔的一点外壳2打有导线孔15；内部的拾取线圈7通过该导线孔15与外界相连。在外壳2的顶端沿周向打有六个螺纹孔。在外壳2的两端设有外壳支座16，两端支座上各打有两个螺纹孔。通过外壳支座双头螺栓3与地面接触。
如图6所示，尾座12上端为圆台状，圆柱侧面加工有螺纹，与外壳2的螺纹孔配合，尾座12内部打有矩形槽，用来安放夹持块9与永磁体垫片11。永磁体垫片11安放在尾座12矩形槽底部，尾座12侧面打有螺纹孔，通过尾座螺栓14用来固定安装在矩形槽内部的夹持块9。
如图7所示，探头4为四棱锥台，探头4右端打有矩形槽，矩形槽截面尺寸与超磁致伸缩薄膜5的截面尺寸一致，探头4的材料为永磁体，利用永磁体的磁性使探头4跟超磁致伸缩薄膜5紧固连接。
如图8所示，薄膜压片10整体为直平行六面体，压片下端设有两个半圆形缺口，薄膜压片10安装在夹持块9内部的矩形槽中，且薄膜压片10的两个半圆形缺口与夹持块9矩形槽内的两个半圆形轨道配合，薄膜压片10装夹的时候配合处能够沿着凸起导轨在一定范围内移动，定位准确。
如图9所示，夹持块9为长方形，上端面打有矩形槽，槽底部加工有两条半圆形轨道，用来限制薄膜压片10的移动范围，前端打有两个螺纹孔，通过夹持块螺栓13固定薄膜压片10与超磁致伸缩薄膜5。
如图10所示，线圈骨架8整体为对称结构，线圈骨架8在边缘处打有矩形豁口，线圈骨架8外侧缠绕有拾取线圈7。线圈骨架8在中心处沿轴线打有的矩形通孔穿过上述已安装的超磁致伸缩薄膜5安装在外壳2内腔，上端面与外壳2的端面接触。
如图11所示，端盖1沿周向打有六个螺纹通孔，端盖1的内侧端面上在中心处开有矩形孔，超磁致伸缩薄膜5穿过矩形孔内并且线圈骨架8的一面与端盖1底面接触。端盖1与外壳2上沿周向打有六个螺纹孔的端面接触并且端盖1上六个螺纹孔与外壳2上六个螺纹孔同轴配合，端盖1与外壳2之间通过端盖螺钉6连接紧固。
本发明所述的磁致伸缩薄膜式无源铁轨探伤装置能够通过收集火车行驶时与铁轨产生的振动实现产生电信号的过程。以上内容是结合优选技术方案对本发明所做的详细说明，不能认定发明的具体实施仅限于这些，对于在不脱离本发明思想前提下做出的简单推演及替换，都应当视为本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种磁致伸缩薄膜式无源铁轨探伤装置，其特征在于：包括端盖、外壳、探头、超磁致伸缩薄膜、拾取线圈、线圈骨架、夹持块、薄膜压片、永磁体垫片、尾座和外壳支座，外壳后端连接有尾座，尾座前端中心开有尾座矩形槽，矩形槽内设有开有夹持块矩形槽的夹持块，超磁致伸缩薄膜的前端安装有探头，超磁致伸缩薄膜的后端与薄膜压片位于夹持块矩形槽内，夹持块的一侧设有夹持块螺栓，夹持块螺栓一端顶在薄膜压片的一侧，将超磁致伸缩薄膜的后端与薄膜压片固定于夹持块矩形槽内；尾座螺纹侧设有尾座螺栓，尾座螺栓的一端顶在夹持块的一侧，将夹持块固定于尾座矩形槽内，夹持块的后端位于尾座矩形槽内还设有一个永磁体垫片，外壳前端连接有端盖，外壳两侧设有外壳支座，外壳支座设有外壳支座螺柱，外壳的内腔位于端盖和尾座之间设有线圈骨架，线圈骨架外侧缠绕有拾取线圈，线圈骨架处外侧的外壳还设有导线孔。
2.根据权利要求1所述的磁致伸缩薄膜式无源铁轨探伤装置，其特征在于：所述端盖和线圈骨架中心皆开有矩形通孔。
3.根据权利要求1所述的磁致伸缩薄膜式无源铁轨探伤装置，其特征在于：所述探头为四棱锥台，探头下方端面为斜面，斜率为1:4；探头右端面中心处打有矩形槽，槽的长宽尺寸与超磁致伸缩薄膜的截面长宽尺寸相同。
4.根据权利要求1所述的磁致伸缩薄膜式无源铁轨探伤装置，其特征在于：所述夹持块开有的夹持块矩形槽槽底设有两条半圆形凸起导轨，薄膜压片底部有两个半圆形的缺口，与夹持块矩形槽中两个半圆形轨道配合，薄膜压片装夹的时候配合处能够沿着凸起导轨在一定范围内移动，定位准确。
5.根据权利要求1所述的磁致伸缩薄膜式无源铁轨探伤装置，其特征在于：所述探头和永磁体垫片的材料为永磁铁。
6.根据权利要求1所述的磁致伸缩薄膜式无源铁轨探伤装置，其特征在于：本磁致伸缩薄膜式无源铁轨探伤装置整体结构为轴对称结构。
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