CN110672722B - 基于电磁超声的机车车轮踏面缺陷在线检测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于火车车轮探伤技术领域，具体涉及到一种基于电磁超声的机车车轮踏面缺陷在线检测系统及方法。本发明的在线检测系统主要包括电磁超声传感器、激励模块、采集模块、传输模块和上位机，本发明通过电磁超声传感器的小型化设计，结合外偏置钢轨技术实现了对机车车轮踏面区域表面及近表面缺陷的直接检测。

Description

基于电磁超声的机车车轮踏面缺陷在线检测系统及方法

技术领域

本发明属于火车车轮探伤技术领域，具体涉及到一种基于电磁超声的机车车轮踏面缺陷在线检测系统及方法。

背景技术

目前采用表面波进行车轮检测的方法主要有两种：钢轨内置表面波探头车轮探伤法和车载表面波探头车轮探伤法。

第一种方法利用传统的压电晶体超声探头产生表面波，在钢轨中嵌入探头，探头突出钢轨，当车辆运行时，踏面压住探头使得探头按顺序得到触发。这种探伤方法的设备安装维护简单，但是其需要耦合剂且需要损坏钢轨安装，长期在线检测存在耦合失效的问题，容易造成漏检，因此随着新技术的发展，基于压电超声的车轮在线检测设备将逐步被取代。

第二种方法是利用电磁超声产生表面波，电磁超声不需要耦合剂，因此具有较大的应用潜力。针对机车车轮表面及近表面缺陷的电磁超声在线检测技术，国内外许多技术人员已经做了大量的工作。目前国内的电磁超声车轮表面波在线检测设备都是进口，不但价格昂贵，同时检测效果也不理想。目前我国机车轮对的轮辋宽一般为140mm，踏面中心为70mm处，缺陷出现的主要区域是距离轮缘50-100mm的范围内，因此传感器设计时检测区域覆盖这些区域。而目前进口设备的检测传感器装置其传感器安装在钢轨的外侧，由于车轮踏面与钢轨接触，所以没有空间安装传感器，因此目前的电磁超声检测系统所检测的都是车轮的外侧，传感器的检测区域大部分为无效区域，可检测的区域也已经偏离了车轮易产生裂纹的区域。因此，目前基于电磁超声的检测设备无法检测到踏面中心易产生表面及近表面缺陷的区域，对于车轮探伤的实际意义不大。

发明内容

本发明为解决现有技术的不足，提供一种基于电磁超声的机车车轮踏面缺陷在线检测系统及方法。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种基于电磁超声的机车车轮踏面缺陷在线检测系统，包括电磁超声检测装置，所述电磁超声检测装置包括电磁超声传感器、采集模块、激励模块、传输模块和上位机，电磁超声传感器分别连接采集模块和激励模块，采集模块连接传输模块，传输模块连接上位机， 其特征在于：所述采集模块、激励模块、传输模块和上位机均被封装在一机箱内；电磁超声传感器安装有接近开关；还包括检测区两侧的外偏置钢轨，外偏置钢轨是指一段正常钢轨的中间段平行向外偏置一定距离，外偏置钢轨下方预留走线管，机箱放置于外偏置钢轨外侧，机箱上设有预留口，电磁超声传感器的引出线通过走线管插在机箱的预留口上，接近开关的引出线通过走线管和预留口与激励模块线路连接；所述电磁超声传感器安装在外偏置钢轨内侧，电磁超声传感器的中心位置位于车轮通过时踏面中心的正下方，在每一侧的外偏置钢轨内侧均安装两个电磁超声传感器，同一侧的两个电磁超声传感器间距为车轮的半周长。

进一步的，所述外偏置钢轨内侧设有护轨。

优选的，所述电磁超声传感器的永磁铁采用钕铁硼强磁铁。

优选的，所述电磁超声传感器的激励线圈和接收线圈均为PCB双层线圈，激励线圈和接收线圈都有8个周期，激励线圈和接收线圈的线间距均为激励波半波长。

优选的，所述激励线圈的线宽为0.2mm，每层为2匝；接收线圈的线宽为0.1mm，每层为4-6匝。

优选的，所述电磁超声传感器宽度尺寸在30-35mm之间。

基于上述无传感器伺服压力机全闭环控制系统，一种基于电磁超声的机车车轮踏面缺陷在线检测方法，包括以下步骤：

步骤一：检测区的钢轨采用外偏置钢轨，将电磁超声传感器安装在外偏置钢轨内侧，并且让电磁超声传感器的中心位置位于车轮通过时踏面中心的正下方；在每一侧的外偏置钢轨内侧均安装两个电磁超声传感器，同一侧的两个电磁超声传感器间距为车轮的半周长；电磁超声传感器对应的机箱放置在外偏置钢轨外侧，将电磁超声传感器和接近开关的引出线通过走线管插在机箱的预留口上。

步骤二：当有车轮经过电磁超声传感器时，接近开关被触发，整个系统开始工作，电磁超声传感器的激励线圈在车轮踏面近表面激励出表面波，表面波沿车轮表面传播，反射波或透射波再次经过电磁超声传感器时被电磁超声传感器的接收线圈接收，经采集模块传送给传输模块，再经传输模块传输给上位机。

步骤三：上位机对步骤二传输的信号数据进行分析：当只有一个稳定的透射波时，表明车轮完好；当存在反射波时，表明存在与波传播方向垂直的缺陷；当不存在反射波，但是透射波衰减或消失时，表明存在与波的传播方向存在一定的夹角的缺陷。

本发明的有益效果：

本发明的基于电磁超声的机车车轮踏面缺陷在线检测系统，通过对电磁超声传感器的小型化设计结合外偏置钢轨技术，真正实现了对火车车轮踏面中心表面及近表面缺陷的直接在线检测，填补了国内外市场的空白。

本发明综合评价表面波的反射波和透射波的情况可以判断车轮踏面表面及近表面的缺陷情况。本发明电磁超声传感器安装的中心位置位于踏面中心，可以对踏面表面的缺陷进行直接检测，检测有效区域得到保证，另外通过在每一个车轮安装两个电磁超声传感器进行相互的盲区补偿，保证了检测的有效性和全面性。

附图说明

图1为本发明在线检测系统结构示意图。

图2为本发明的电磁超声检测装置结构框图。

图3为电磁超声表面波信号在车轮上的传播示意图。

图4为本发明检测无缺陷信号的波形图。

图5为本发明电磁超声传感器安装示意图。

图中，1电磁超声传感器，2机箱，3外偏置钢轨，4护轨。

具体实施方式

以下给出本发明的具体实施例，需要说明的是本发明并不局限于以下具体实施例，凡在本申请技术方案基础上做的等同变换均属于本发明的保护范围。

首先简单介绍一下本发明的电磁超声检测装置，电磁超声检测装置主要包括电磁超声传感器1、采集模块、激励模块、传输模块和上位机，除电磁超声传感器1之外，采集模块、激励模块、传输模块和上位机均被封装在一机箱2内，机箱2放置于钢轨外侧，机箱2防水，保证电磁超声检测装置的使用寿命。机箱2上设有预留口，钢轨下方预留走线管，电磁超声传感器1的引出线通过钢轨下方预留的走线管与机箱2的预留口连接，使得电磁超声传感器1通过预留口连接采集模块和激励模块。电磁超声传感器1安装有接近开关，同样接近开关的引出线通过钢轨下方预留的走线管与预留口与连接，进而使得接近开关与激励模块线路连接，当有车轮经过电磁超声传感器1时，固定在电磁超声传感器1上的接近开关就会被触发，整个检测装置开始工作。

上述的激励模块用于给电磁超声传感器1的激励线圈提供交变的高频电流，从而在被测车轮近表面激励出超声波。

上述的采集模块与传输模块连接，采集模块用于接收超声在接收线圈内感应出的电压信号，电压信号包括透射信号和反射信号，并将电压信号传输给传输模块。

上述的传输模块一端连接采集模块，另一端连接上位机，用于将采集模块得到的电压信号传输给上位机。

上述的上位机功能是将从传输模块得到的信号数据进行处理显示，并判断被测车轮踏面表面是否存在缺陷。

优选的，上述的电磁超声传感器1采用一发一收的工作方式，激励出的超声波沿着车轮的周向传播。电磁超声传感器1包括永磁铁和线圈，永磁铁采用钕铁硼强磁铁，用于提供垂直的静态磁场，其尺寸可以同时覆盖激励线圈和接收线圈。线圈包括激励线圈和接收线圈，激励线圈和接收线圈均为PCB双层线圈，激励线圈和接收线圈都有8个周期，线间距均为激励波的半波长。优选采用的表面波波长为3mm，因此激励线圈和接收线圈线间距均为1.5mm，对应的激励频率为1MHz。其中激励线圈的线宽为0.2mm，且每层为2匝。接收线圈的线宽为0.1mm，且每层为4-6匝。为了减小电磁超声传感器1的设计尺寸，线圈的工作长度设计在15-20mm之间最佳，从而对应的电磁超声传感器1的宽度尺寸在30-35mm之间，这里电磁超声传感器1的宽度尺寸指垂直于钢轨方向的尺寸。上述设计尺寸适用于本发明的在线检测系统，经过反复论证，在保证车轮安全要求的前提下，可以安装的电磁超声传感器1宽度尺寸可以为35mm。

本发明检测区的钢轨采用外偏置钢轨3，所谓外偏置钢轨3指将一段正常钢轨的每一端在高温加热状态下进行两次折弯，使得此段钢轨的中间段平行向外偏置一定距离，如附图1所示，图中虚线表示两侧的车轮轨迹，目前外偏置钢轨3已经应用在火车钢轨上，安全性也得到验证。由于采用了外偏置钢轨技术，本发明电磁超声检测装置中的电磁超声传感器1就可以安装在外偏置钢轨3内侧，并且将电磁超声传感器1的中心位置位于踏面中心，这样就可以对踏面表面的缺陷进行直接检测，使得电磁超声传感器1的检测区域大部分为有效区域。

由于每一套电磁超声检测装置的检测都存在近场盲区，所以在每一侧的外偏置钢轨3上均安装有两套电磁超声检测装置，这样四套电磁超声检测装置组成了本发明的在线检测系统。同一侧的外偏置钢轨3的内侧安装的两个电磁超声传感器1进行相互的盲区补偿，同一侧的两个电磁超声传感器1之间的间距为车轮的半周长。

为进一步保证安全性，在外偏置钢轨3之间还设置有护轨4，以保证车轮不脱轨。这样电磁超声传感器1安装在外偏置钢轨3内侧，位于外偏置钢轨3与护轨4之间，如附图1和附图5所示。

下面将本发明在线检测系统的机车车轮踏面表面及近表面的缺陷判断原理简单介绍如下：

如图3所示为电磁超声表面波信号在车轮上的传播示意图。电磁超声传感器1激励的超声波沿着车轮周向为双向传播，因此若车轮上不存在缺陷时，表面波绕车轮一周之后被同一个传感器接收，其波形如图4所示，即为无缺陷时的标准信号。当表面波在传播过程中遇到裂纹缺陷时，会产生反射波和透射波，当缺陷与波的传播方向垂直时反射波可以被传感器接收，而当遇到非垂直裂纹时 则反射波不能被传感器接收。同时，随着裂纹深度的增加，反射信号的强度随之增加而透射波的强度逐渐减小甚至消失。因此，当只有一个稳定的透射波时（如图4所示）表明车轮完好；当存在反射波时表明存在与波传播方向垂直的缺陷；当不存在反射波但是透射波衰减或消失时，表明存在缺陷且缺陷与波的传播方向存在一定的夹角。

基于上述的在线检测系统，本发明的一种基于电磁超声的机车车轮踏面缺陷在线检测方法，包括以下步骤：

步骤一：在检测区的火车钢轨采用外偏置钢轨3，将本发明在线检测系统的电磁超声传感器1安装在外偏置钢轨3内侧，并且让电磁超声传感器1的中心位置正好位于车轮通过时踏面中心的正下方。在每一侧的外偏置钢轨3内侧均安装两个电磁超声传感器1，同一侧的两个电磁超声传感器1间距为车轮的半周长。电磁超声传感器1配套的机箱2放置在钢轨外侧，将电磁超声传感器1和接近开关的引出线通过外偏置钢轨3下方的走线管插在机箱2的预留口上。

步骤二：当有车轮经过电磁超声传感器1时，固定在电磁超声传感器1上的接近开关被触发，整个系统开始工作。电磁超声传感器1的激励线圈在车轮踏面近表面激励出表面波，表面波沿车轮表面传播，反射波或透射波再次经过电磁超声传感器1时被电磁超声传感器1的接收线圈接收，经采集模块传送给传输模块，然后传输模块传输给上位机。

步骤三：上位机对接收到的信号数据进行分析：当只有一个稳定的透射波时表明车轮完好；当存在反射波时表明存在与波传播方向垂直的缺陷；当不存在反射波但是透射波衰减或消失时，表明存在缺陷且缺陷与波的传播方向存在一定的夹角。

以上所述的实施例，只是本发明较优选的具体实施方式的一种，本领域的技术人员在本发明技术方案范围内进行的通常变化和替换都应包含在本发明的保护范围内。

Claims (2)

1.一种基于电磁超声的机车车轮踏面缺陷在线检测方法，包括以下步骤：

包括在线检测系统，所述在线检测系统包括电磁超声检测装置，所述电磁超声检测装置包括电磁超声传感器、采集模块、激励模块、传输模块和上位机，电磁超声传感器分别连接采集模块和激励模块，采集模块连接传输模块，传输模块连接上位机：所述采集模块、激励模块、传输模块和上位机均被封装在一机箱内；电磁超声传感器安装有接近开关；还包括检测区两侧的外偏置钢轨，外偏置钢轨是指一段正常钢轨的中间段平行向外偏置一定距离，外偏置钢轨下方预留走线管，机箱放置于外偏置钢轨外侧，机箱上设有预留口，电磁超声传感器的引出线通过走线管插在机箱的预留口上，接近开关的引出线通过走线管和预留口与激励模块线路连接；所述电磁超声传感器安装在外偏置钢轨内侧，电磁超声传感器的中心位置位于车轮通过时踏面中心的正下方，在每一侧的外偏置钢轨内侧均安装两个电磁超声传感器，同一侧的两个电磁超声传感器间距为车轮的半周长；所述外偏置钢轨内侧设有护轨；所述电磁超声传感器的激励线圈和接收线圈均为PCB双层线圈，激励线圈和接收线圈都有8个周期，激励线圈和接收线圈的线间距均为激励波半波长；所述激励线圈的线宽为0.2mm，每层为2匝；接收线圈的线宽为0.1mm，每层为4-6匝；所述电磁超声传感器宽度尺寸在30-35mm之间，电磁超声传感器采用一发一收的工作方式，激励出的超声波沿着车轮的周向传播；

步骤一：检测区的火车钢轨采用外偏置钢轨，将电磁超声传感器安装在外偏置钢轨内侧，并且让电磁超声传感器的中心位置位于车轮通过时踏面中心的正下方；在每一侧的外偏置钢轨内侧均安装两个电磁超声传感器，同一侧的两个电磁超声传感器间距为车轮的半周长；电磁超声传感器对应的机箱放置在外偏置钢轨外侧，将电磁超声传感器和接近开关的引出线通过走线管插在机箱的预留口上；

步骤二：当有车轮经过电磁超声传感器时，接近开关被触发，整个系统开始工作，电磁超声传感器的激励线圈在车轮踏面近表面激励出表面波，表面波沿车轮表面传播，反射波或透射波再次经过电磁超声传感器时被电磁超声传感器的接收线圈接收，经采集模块传送给传输模块，再经传输模块传输给上位机；

步骤三：上位机对步骤二传输的信号数据进行分析：当只有一个稳定的透射波时，表明车轮完好；当存在反射波时，表明存在与波传播方向垂直的缺陷；当不存在反射波，但是透射波衰减或消失时，表明存在与波的传播方向存在一定的夹角的缺陷。

2.根据权利要求1所述的基于电磁超声的机车车轮踏面缺陷在线检测方法，其特征在于：所述电磁超声传感器的永磁铁采用钕铁硼强磁铁。

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