CN111521671B - 一种钢轨表面裂纹的涡流探伤方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于无损检测相关技术领域，其公开了一种钢轨表面裂纹的涡流探伤方法，方法包括以下步骤：(1)提供涡流探伤装置，并确定所述涡流探伤装置的探头前平面线与待检测裂纹之间的夹角；(2)判断该夹角是否为零，若是则转至步骤(4)，否则转至步骤(3)；(3)调整探头的位姿直至夹角的角度为零；(4)依据相邻的待检测裂纹之间的间距及待检测信号的波高与信号曲线的半波宽度的比值来判断待检测裂纹的类型，并相应地计算待测裂纹的深度或者数量；其中裂纹类型分别为单个裂纹、等深度密集裂纹及不同深度密集裂纹。本发明提高了检测准确性，适用性较强，且装置结构紧凑，体积较小，便于携带。

Description

一种钢轨表面裂纹的涡流探伤方法
技术领域
本发明属于无损检测相关技术领域，更具体地，涉及一种钢轨表面裂纹的涡流探伤方法。
背景技术
随着铁路运输的发展和运能的增加，钢轨的疲劳损伤日益严重，其中，表面裂纹对钢轨的使用寿命影响较大。按照现行的铁路养护规定，对于深度大于3mm的裂纹，必须进行打磨或者对钢轨进行下道报废处理。显然，采用无损检测方法，检测并定量评估钢轨表面裂纹的深度，具有重要的意义，这有利于在保证安全的前提下提高线路的运输能力。
目前，针对钢轨表面小裂纹的无损检测方法存在准确性不高现象，主要问题是：密集裂纹的缺陷信号与单个裂纹的缺陷信号之间的差别难以区分，这种情况对于超声波探伤和超声波测厚法尤其严重；从原理上来说超声波探伤法难以解决类似问题。常规涡流探伤法也存在忽视密集裂纹个数对缺陷幅值信号的影响，造成了对裂纹深度的误判，例如专利CN201310269247.9公开了一种在役钢轨踏面鱼鳞裂纹的涡流视频综合检测评估方法，其采用对钢轨外形轮廓进行半包覆式的阵列涡流探头和阵列视频传感器，检测钢轨踏面的鱼鳞裂纹，该专利将阵列探头采集的涡流信号高度与裂纹的深度对应起来，并进一步将涡流幅值信号转换为二维灰度成像图，此时颜色的深浅度代表裂纹的深度，深浅范围按照0％～100％的范围设置。也即是说，该专利是根据二维视频成像图判断是否属于鱼鳞裂纹的形状，同时根据灰度图(涡流信号高度)判断裂纹的深度，然而其并没有考虑密集裂纹的个数对涡流信号高度的影响，容易造成裂纹深度的误判。相应地，本领域存在着发展一种准确性较好的钢轨表面裂纹的涡流探伤方法及装置的技术需求。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种钢轨表面裂纹的涡流探伤方法，其是在研究裂纹取向、裂纹个数对涡流信号高度影响的基础上提出的，该涡流探伤方法可以定量检测钢轨表面的密集小裂纹，解决了长期困扰铁路行业对密集小裂纹定量检测的难题，提高了检测效率及准确性，适用性较强。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种钢轨表面裂纹的涡流探伤方法，所述涡流探伤方法主要包括以下步骤：
(1)提供涡流探伤装置，并确定所述涡流探伤装置的探头前平面线与待检测裂纹之间的夹角；
(2)判断该夹角的角度是否为零，若是则转至步骤(4)，否则转至步骤(3)；
(3)通过所述涡流探伤装置调整探头的位姿直至所述夹角的角度为零；
(4)判断相邻的待检测裂纹之间的间距是否大于等于4mm，若是，则判定待检测裂纹为单个裂纹，并计算待检测裂纹的深度，检测结束；否则转至步骤(5)；
(5)判断相邻的待检测裂纹之间的间距小于4mm及待检测信号的波高与信号曲线的半波宽度的比值小于0.9是否同时满足，若是，则该待检测裂纹为等深度密集裂纹，并计算待检测裂纹的数量，检测结束；否则，转至步骤(6)；
(6)判断相邻的待检测裂纹之间的间距小于4mm及待检测信号的波高与信号曲线的半波宽度的比值大于等于0.9是否同时满足，若是则待检测裂纹为不同深度密集裂纹，并计算最深裂纹的深度，检测结束；否则检测也结束。
进一步地，步骤(4)中，待检测裂纹的深度的计算公式为：
Figure GDA0003548315850000031
式中，待检测裂纹深度的变量为z，裂纹信号波高的变量为A(z)。
进一步地，步骤(5)中，待检测裂纹的数量的计算公式为：
Figure GDA0003548315850000032
式中，裂纹信号波高的变量为A(n)。
进一步地，所述涡流探伤装置包括探伤执行机构、探伤仪、控制系统及软件分析系统，所述探伤执行机构及所述软件分析系统分别连接于所述控制系统，所述探伤仪连接所述探伤执行机构及所述软件分析系统；所述软件分析系统用于依据接收到的数据通过逻辑判断及计算公式对待测裂纹进行分类，并计算待测裂纹的深度或者个数。
进一步地，所述探伤执行机构包括主支撑架部件、配重部件、前支撑板部件、工作轨道及基座，所述工作轨道设置在所述基座上，所述主支撑架部件滑动地连接于所述工作轨道，其能沿所述工作轨道水平移动；所述前支撑板部件连接于所述主支撑架部件，所述配重部件连接于所述前支撑板部件。
进一步地，所述工作轨道与所述主支撑架部件之间形成啮合连接。
进一步地，所述主支撑架部件包括主支撑板、双滑轮组件及连接索，所述双滑轮组件设置在所述主支撑板上，所述连接索活动地设置在所述双滑轮组件上，其两端分别连接于所述配重部件及所述前支撑板部件。
进一步地，所述前支撑板部件的质量大于所述配重部件的质量，使得所述前支撑板部件的笔式探头的底部与钢轨表面自动接触。
进一步地，所述前支撑板部件滑动地连接于所述主支撑架部件，其能沿所述主支撑架部件上下移动。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，本发明提供的钢轨表面裂纹的涡流探伤方法主要具有以下有益效果：
1.所述涡流探伤方法针对单个裂纹、等深度密集裂纹及不同深度密集裂纹均进行了分类及检测，同时还相应地计算了待测裂纹的深度或者数量，考虑到了密集型裂纹的个数对涡流信号高度的影响，提高了检测准确性及效率，适用性较强。
2.所述连接索活动地设置在所述双滑轮组件上，其两端分别连接于所述配重部件及所述前支撑板部件，所述前支撑板部件的质量大于所述配重部件的质量，使得所述前支撑板部件的笔式探头的底部与钢轨表面自动接触，并可以随着钢轨表面的起伏变化进行随动，提高了检测稳定性及准确性，灵活性较好。
3.所述涡流探伤方法简单，易于实施，有利于推广应用。
4.所述涡流探伤装置的结构紧凑，体积较小，重量较轻，便于携带。
附图说明
图1是本发明提供的钢轨表面裂纹的涡流探伤方法的流程示意图；
图2是图1中的钢轨表面裂纹的涡流探伤方法涉及的Lx与L0之间的夹角β的计算示意图；
图3是本发明提供的钢轨表面裂纹的涡流探伤装置的探伤执行机构的局部示意图；
图4是图3中的探伤执行机构的基座的示意图；
图5是图3中的探伤执行机构沿一个角度的示意图；
图6是图3中的探伤执行机构的主支撑部件及工作轨道的示意图；
图7是图6中的主支撑部件沿一个角度的示意图；
图8是图3中的探伤执行机构沿另一个角度的示意图；
图9是图3中的钢轨表面裂纹的涡流探伤装置的系统框图；
图10是图1中的钢轨表面裂纹的涡流探伤方法涉及的A型裂纹、B型裂纹及C型裂纹的信号波高与时基线的关系示意图。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1-探伤执行机构，11-主支撑架部件，111-主支撑板，112-第一齿轮轴，113-主电机，114-行走滑块，115-升降导轨，116-升降滑块，118-双滑轮组件，119-连接索，12-配重部件，13-前支撑板部件，132-笔式探头组件，132-1-笔式探头，132-2-探头支撑架，132-3-第二齿轮轴，133-转动轴组件，133-1-第三齿轮轴，133-2-同步带，133-3-角度调整电机，134-CCD组件，134-1-CCD摄像头，134-2-摄像头支持架，14-工作轨道，141-行走导轨，142-齿条，143-加宽条，15-基座，151-旋转磁铁，152-开关，153-压块，154-锁紧螺母，2-探伤仪，3-控制系统，4-软件分析系统。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
请参阅图1，本发明提供的钢轨表面裂纹的涡流探伤方法，其中，涡流探伤中探头前沿平面与裂纹之间的夹角β对探伤结果具有较大影响，当β为45°时是探测盲区，探测信号高度为0；当β为0°或90°时，探测信号最强，实际探伤时，需要保持探头尽量与裂纹平行或垂直。此外，淬火强化的钢轨，硬化深度为0.8mm-1mm，淬火区有时出现细小疲劳裂纹，这种裂纹的深度为1mm左右，定量检测这种密集小裂纹的深度，掌握小裂纹的扩展情况，对铁路的正常维护非常必要。
本实施方式中，通过CCD屏幕来区分单个裂纹和密集裂纹，通过检测信号的波高与信号曲线的半波宽度之比，综合判断密集裂纹的类别；在将裂纹进行准确分类后，根据相应的公式计算小裂纹的深度、密集裂纹的个数或密集裂纹的最大深度；间距大于4mm的裂纹定义为单个裂纹，大于此间距的裂纹对应的涡流检测信号幅值不受相邻裂纹的影响，密集裂纹为间距小于4mm的裂纹，此时相邻裂纹对涡流检测信号幅值的影响较大；当然，在探伤时可以根据CCD检测的图像判断裂纹的数量级别，以区分单个裂纹和密集裂纹。
本实施方式中，所述涡流探伤方法还需专用试块，所述专用试块的材料与钢轨的材料相同，其单个裂纹的间隙约为0.2mm，裂纹之间的间距50mm；密集裂纹中单个裂纹的间隙约为0.2mm，裂纹之间的间距1mm。
所述涡流探伤方法主要包括以下步骤：
步骤一，提供涡流探伤装置，并确定所述涡流探伤装置的探头前平面线与待检测裂纹之间的夹角。
具体地，请参阅图2，设该裂纹在CCD显示框边缘的交点为A和B，A和B之间的连线定义为直线型的待检测裂纹，用Lx表示，笔式探头的转动圆心为D。其中，设A型为单个裂纹，用A1×z表示，例如A1×5mm表示深度为5mm的单个裂纹；设B型为等深度密集裂纹，用Bn×1表示，例如B2×1mm表示两个1mm深的密集裂纹，设C型为不同深度密集裂纹，用C2×1+1×z表示，例如C2×1mm+1×5mm表示两个1mm深裂纹的中间有一个5mm深的裂纹；同时，设CCD显示屏中探头前平面线为L0，与L0相距5mm位置处的待检测裂纹为Lx，定义Lx与L0之间的夹角为β；涡流检测频率为500kHz、增益为19dB，探伤速度V＝1m/min。
另外，设CCD显示框中显示的待检测裂纹序号为q，且显示的第q个待检测裂纹和第q+1个待检测裂纹之间的间距为x；待检测裂纹深度的变量为z，密集待检测裂纹个数的变量为n，检测的裂纹信号波高的变量为A(z)或者A(n)。
请参阅图9，所述涡流探伤装置包括探伤执行机构1、探伤仪2、控制系统3及软件分析系统4，所述探伤执行机构1及所述软件分析系统4分别连接于所述控制系统3，所述探伤仪2连接所述探伤执行机构1及所述软件分析系统4。所述控制系统3用于控制所述探伤执行机构1的运动，其中探头前平面线L0与待检测裂纹Lx之间的夹角β通过CCD显示屏的检查和所述软件分析系统4进行反馈控制。所述探伤仪2用于采集信号波高、半波宽等参数，并将采集到的数据传输给所述软件分析系统4，所述软件分析系统4依据接收到的数据通过其内的逻辑判断及计算公式对待测裂纹进行分类，并计算裂纹的深度或者个数。
请参阅图3、图4、图5、图6、图7及图8，所述探伤执行机构1包括主支撑架部件11、配重部件12、前支撑板部件13、工作轨道14及基座15，所述工作轨道14设置在所述基座15上，所述主支撑架部件11滑动地连接于所述工作轨道14，所述前支撑板部件13连接于所述主支撑架部件11，所述配重部件12连接于所述前支撑板部件13。
所述工作轨道14包括行走导轨141、齿条142及加宽条143，所述加宽条143设置在所述行走导轨141朝向钢轨的一端，其与所述行走导轨141形成L型支撑件。所述齿条142连接所述加宽条143及所述行走导轨141，其沿所述行走导轨141的长度方向设置。本实施方式中，所述工作轨道14通过所述齿条142与所述主支撑架部件11之间形成啮合连接。
所述基座15包括第一本体、旋转磁铁151、开关152、压块153及锁紧螺母154，所述旋转磁铁151及所述开关152设置在所述本体的一侧，所述压块153通过锁紧螺母154及螺栓连接于所述本体。工作时，将所述工作轨道14的一端设置在所述压块153与所述第一本体之间，通过拧紧所述锁紧螺母154而使所述压块153将所述工作轨道14压紧在所述第一本体上；通过所述开关152可以打开所述旋转磁铁151，以使所述基座15固定在所述钢轨上。
所述主支撑架部件11包括主支撑板111、第一齿轮轴112、主电机113、行走滑块114、升降导轨115、升降滑块116、双滑轮组件118及连接索119，所述主电机113设置在所述主支撑板111上，所述第一齿轮轴112连接于所述主电机113，且所述主电机113与所述第一齿轮轴112分别位于所述主支撑板111相背的两侧。本实施方式中，所述主支撑架部件11通过所述第一齿轮轴112与所述齿条142啮合，所述主电机113带动所述第一齿轮轴112转动，所述第一齿轮轴112沿所述齿条142的长度方向移动，继而带动所述前支撑部件13移动。
所述行走滑块114连接于所述主支撑板111，且其与所述第一齿轮轴112相对设置，所述工作轨道14位于所述主支撑板111与所述第一齿轮轴112之间，所述行走滑块114滑动地连接于所述工作轨道14。所述升降导轨115设置在所述行走滑块114上，其沿竖直方向设置。所述升降滑块116滑动地连接于所述升降导轨115。所述主支撑架部件11通过所述升降滑块116连接于所述前支撑板部件13，以带动所述前支撑板部件13上下移动。
所述双滑轮组件118设置在所述主支撑板111上，其与所述主电机113相对设置。所述连接索119活动地设置在所述双滑轮组件118上，其两端分别连接于所述配重部件12及所述前支撑板部件13。所述前支撑板部件13的质量大于所述配重部件12的质量，如此可以使得所述前支撑板部件13的笔式探头132-1的底部可以与钢轨表面自动接触，并可以随着钢轨表面的起伏变化进行随动。
所述前支撑板部件13包括L型的第二本体、笔式探头组件132、转动轴组件133及CCD组件134，所述第二本体连接于所述升降滑块116，所述转动轴组件133设置在所述本体上，其用于带动所述笔式探头组件132转动。所述笔式探头组件132及所述CCD组件134分别设置在所述第二本体上。
所述笔式探头组件132包括笔式探头132-1、探头支撑架132-2及第二齿轮轴132-3，所述探头支撑架132-2设置在所述第二本体上，所述笔式探头132-1设置在所述探头支撑架132-2上，所述第二齿轮轴132-3连接于所述探头支撑架132-2，且其连接于所述转动轴组件133。
所述转动轴组件133包括第三齿轮轴133-1、同步带133-2及角度调整电机133-3，所述角度调整电机133-3设置在所述第二本体上，所述第三齿轮轴133-1连接于所述角度调整电机133-3的输出轴，所述同步带133-2套设在所述第三齿轮轴133-1及所述第二齿轮轴132-3上，所述角度调整电机133-3依次通过所述第三齿轮轴133-1、所述同步带133-2、所述第二齿轮轴132-3及所述探头支架132-2带动所述笔式探头132-1转动。
步骤二，判断该夹角的角度是否为零，若是则转至步骤四，否则转至步骤三。
步骤三，通过所述涡流探伤装置调整探头的位姿直至所述夹角的角度为零。
步骤四，判断相邻的待检测裂纹之间的间距是否大于等于4mm，若是，则判定待检测裂纹为单个裂纹，并计算待检测裂纹的深度，检测结束；否则转至步骤五。具体地，通过以下公式来计算待测裂纹的深度：
Figure GDA0003548315850000091
步骤五，判断相邻的待检测裂纹之间的间距小于4mm及待检测信号的波高与信号曲线的半波宽度的比值小于0.9是否同时满足，若是，则该待检测裂纹为等深度密集裂纹，并计算待检测裂纹的数量，检测结束；否则，转至步骤六。具体地，通过以下公式来计算待测裂纹的数量：
Figure GDA0003548315850000092
η为比例因子，定义为检测信号的波高与信号曲线的半波宽度之比；半波宽度是指信号曲线在一半波高处的宽度值。
步骤六，判断相邻的待检测裂纹之间的间距小于4mm及待检测信号的波高与信号曲线的半波宽度的比值大于等于0.9是否同时满足，若是则待检测裂纹为不同深度密集裂纹，并计算最深裂纹的深度，检测结束；否则检测也结束。具体地，若相邻的待检测裂纹之间的间距小于4mm及待检测信号的波高与信号曲线的半波宽度的比值大于等于0.9不同时满足，则检测结束。
具体地，最深裂纹的深度采用以下公式进行计算：
Figure GDA0003548315850000101
本发明还提供了一种钢轨表面裂纹的涡流探伤装置，所述涡流探伤装置是采用如上所述的钢轨表面裂纹的涡流探伤方法进行裂纹检测的。
实施例
采用本发明所提供的涡流探伤方法及装置，设定探伤基准参数，其中，涡流检测频率为500kHz、增益为19dB，当探头角度β＝0°，探伤速度V＝1m/min时，获得的A型裂纹、B型裂纹和C型裂纹的信号波高与时基线的关系曲线如图10示。
检测的具体参数如表1、表2和表3所示。
表1 A型裂纹检测参数
Figure GDA0003548315850000102
表2 B型裂纹检测参数
Figure GDA0003548315850000111
表3 C型裂纹检测参数
Figure GDA0003548315850000112
本领域的技术人员容易理解，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，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 (7)

1.一种钢轨表面裂纹的涡流探伤方法，其特征在于，该涡流探伤方法包括以下步骤：
(1)提供涡流探伤装置，并确定所述涡流探伤装置的探头前平面线与待检测裂纹之间的夹角；
(2)判断该夹角的角度是否为零，若是则转至步骤(4)，否则转至步骤(3)；
(3)通过所述涡流探伤装置调整探头的位姿直至所述夹角的角度为零；
(4)判断相邻的待检测裂纹之间的间距是否大于等于4mm，若是，则判定待检测裂纹为单个裂纹，并计算待检测裂纹的深度，检测结束；否则转至步骤(5)；
(5)判断相邻的待检测裂纹之间的间距小于4mm及待检测信号的波高与信号曲线的半波宽度的比值小于0.9是否同时满足，若是，则该待检测裂纹为等深度密集裂纹，并计算待检测裂纹的数量，检测结束；否则，转至步骤(6)；
(6)判断相邻的待检测裂纹之间的间距小于4mm及待检测信号的波高与信号曲线的半波宽度的比值大于等于0.9是否同时满足，若是则待检测裂纹为不同深度密集裂纹，并计算最深裂纹的深度，检测结束；否则检测也结束。
2.如权利要求1所述的钢轨表面裂纹的涡流探伤方法，其特征在于：步骤(4)中，待检测裂纹的深度的计算公式为：
Figure FDA0003548315840000011
式中，待检测裂纹深度的变量为z，裂纹信号波高的变量为A(z)。
3.如权利要求1所述的钢轨表面裂纹的涡流探伤方法，其特征在于：步骤(5)中，待检测裂纹的数量的计算公式为：
Figure FDA0003548315840000021
式中，裂纹信号波高的变量为A(n)。
4.如权利要求1所述的钢轨表面裂纹的涡流探伤方法，其特征在于：所述涡流探伤装置包括探伤执行机构(1)、探伤仪(2)、控制系统(3)及软件分析系统(4)，所述探伤执行机构(1)及所述软件分析系统(4)分别连接于所述控制系统(3)，所述探伤仪(2)连接所述探伤执行机构(1)及所述软件分析系统(4)；所述软件分析系统(4)用于依据接收到的数据通过逻辑判断及计算公式对待测裂纹进行分类，并计算待测裂纹的深度或者个数。
5.如权利要求4所述的钢轨表面裂纹的涡流探伤方法，其特征在于：所述探伤执行机构(1)包括主支撑架部件(11)、配重部件(12)、前支撑板部件(13)、工作轨道(14)及基座(15)，所述工作轨道(14)设置在所述基座(15)上，所述主支撑架部件(11)滑动地连接于所述工作轨道(14)，其能沿所述工作轨道(14)水平移动；所述前支撑板部件(13)连接于所述主支撑架部件(11)，所述配重部件(12)连接于所述前支撑板部件(13)。
6.如权利要求5所述的钢轨表面裂纹的涡流探伤方法，其特征在于：所述工作轨道(14)与所述主支撑架部件(11)之间形成啮合连接。
7.如权利要求5所述的钢轨表面裂纹的涡流探伤方法，其特征在于：所述主支撑架部件(11)包括主支撑板(111)、双滑轮组件(118)及连接索(119)，所述双滑轮组件(118)设置在所述主支撑板(111)上，所述连接索(119)活动地设置在所述双滑轮组件(118)上，其两端分别连接于所述配重部件(12)及所述前支撑板部件(13)。
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