CN111678948B - 钢轨表面缺陷高速无损检测方法及其实施装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种钢轨表面缺陷高速无损检测方法及实现装置。该方法采用喷射火焰作为激励源，以与其移动方向呈一定角度地对钢轨表面进行加热，红外热像仪将实时采集的红外图像输入的计算机，实现对钢轨表面缺陷进行快速定位，成像和定量识别。所述无损检测装置包括固定在装置基座上的火焰加热模块、用于调整火焰喷射角度的调整机构、红外热像仪，火焰控制模块、同步控制模块和计算机。本发明通过火焰控制模块调节控制火焰喷射速度和温度，采用包络钢轨表面的火咀体和布置在其内侧的阵列喷火咀实现对火焰形状控制，优化不同速度下的入射角度，从而达到对钢轨表面快速、均匀加热，实现对钢轨表面缺陷高速无损检测，具有检测速度快，成本低等优点。

Description

钢轨表面缺陷高速无损检测方法及其实施装置

技术领域

本发明涉及钢轨表面缺陷在线无损检测技术领域，更为具体地讲，涉及一种基于喷射火焰加热或"点"亮钢轨表面缺陷的主动红外热成像检测方法及其实施装置。

技术背景

钢轨是铁路轨道的主要组成部件，长期服役过程中受到列车轮对的碾压，在钢轨表面及浅层区域极易出现疲劳裂纹、扁疤、轨头剥离等缺陷伤损。如不及时检测发现，并给予合理的打磨维护，原本微小的缺陷就可能扩大，甚至引起钢轨断裂，最终导致列车脱轨、倾覆等重大事故。为了防止钢轨断裂故障发生和及时检修维护，多种无损检测技术已在钢轨生产、安装及服役条件下的故障检测和状态维护得到了应用。钢轨内部缺陷主要使用超声检测法进行探伤，表面和近表面的缺陷主要采用视觉检测和涡流检测法完成。随着列车运行速度的不断提高和运行密度的加大，对钢轨检测速度的要求也越来越高。近年来国内外学者对钢轨快速巡检和状态监测进行了深入的研究，并取得了一些重要成果。法国SNCF公司研发的钢轨高速视觉巡检系统“IRIS320”可以实现钢轨轨头几何轮廓、磨耗、剥离和表面大尺寸疲劳缺陷的快速可视化巡检，最高速度达320km/h，但是该系统无法检测亚表面和深层缺陷损伤。德国Eurailscout研发的集成电涡流和超声检测技术相结合的钢轨探伤车巡检速度达75km/h，但是快速巡检时受提离影响较大。美国Sperry公司将超声和漏磁技术结合可实现在32km/h速度下的钢轨缺陷巡检，但有时需要停车人工确认。英国伯明翰大学采用交变磁场测量法(alternating current field measurement,ACFM)在实验室条件下可实现钢轨缺陷的检测速度达121.5km/h，但该方法在高速巡检时检测信号失真严重。

相较于ACFM和漏磁技术，基于多物理效应的涡流脉冲热成像(eddy currentpulsed thermography,ECPT)在多裂纹微小缺陷可视化检测方面分辨率更高，对复杂缺陷的定性及量化识别，具有较大优势，被广泛应用于各类金属材料的疲劳缺陷检测、碳纤维复合材料的检测中，在铁路钢轨、汽车零配件表面缺陷伤损在线检测领域也表现出了巨大的应用前景。现有的研究已将ECPT应用到铁路钢轨表面缺陷快速检测，可以实现40km/h的检测速度。但是尚不能满足高速铁路钢轨检测80km/h的检测速度要求。同时，为了获得较好的检测效果，通常要求感应线圈(或磁轭)与钢轨表面距离控制在1-2mm左右，这使得将ECPT用于钢轨在线检测存在一定的安全隐患；并且检测结果容易受被测钢轨表面粉尘、水滴，以及钢轨表面形貌引起的发射率变化影响。因此，为了满足高速铁路钢轨表面缺陷快速巡检的要求，还需开发新的钢轨表面缺陷快速检测方法。

发明内容

针对钢轨表面缺陷高速无损检测技术的现状与不足，本发明的第一个目的是提供一种钢轨表面缺陷高速无损检测方法；本发明的第二个目的是提供一种基于火焰加热红外热成像的钢轨表面缺陷高速无损检测装置。

本发明的基本思想是以喷射火焰为激励源对钢轨表面加热，利用所产生的热流在向钢轨内部传播过程中遇到缺陷或者热阻抗或者变形发生变化的钢轨表面热分布产生扰动，再利用红外热像仪连续采集来自被测试件表面的热辐射图像，通过分析这些图像随时间变化的特征，反演得到钢轨表面存在的缺陷。

针对本发明的第一个目的，本发明提供的钢轨表面缺陷高速无损检测方法，采取以喷射火焰为激励源，喷射火焰在相对钢轨表面快速移动的过程中对钢轨表面进行加热，加热过程根据喷射火焰相对钢轨表面移动的速度通过火焰控制模块调整喷射火焰的温度，根据喷射火焰相对钢轨表面移动的速度通过加热模块调整喷射火焰的喷射方向，以保障喷射火焰对钢轨表面加热的温度使钢轨表面红外图像能够显示出其所存在的缺陷，并由一个或多个热像仪实时采集火焰加热钢轨表面产生的红外图像，并将采集到的红外图像传送至计算机，对采集到的红外视频图像进行分析处理，输出显示钢轨表面缺陷及位置的检测结果。

在本发明上述技术方案中，喷射火焰在相对钢轨表面快速移动对钢轨表面进行加热的过程中，加热效果与喷射火焰的喷射方向密切相关。一般地，喷射火焰的喷射方向与喷射火焰的运动方向的夹角应不小于90⁰；通常地为100⁰-170⁰；优选地为120⁰-150⁰。

针对钢轨表面出现缺陷的地方主要集中在钢轨轨头边缘，在本发明上述技术方案中，可优先考虑采用由多束呈线性排列的火焰叠加的形式来加热钢轨表面，以提高激励源加热均匀性和对环境气流扰动的抗干扰能力；进一步地，为了提高火焰对钢轨表面的加热效果，由多束呈线性排列的叠加火焰最好以包络着包含钢轨两侧的表面进行加热。

针对本发明第二个发明目的，本发明提供的钢轨表面缺陷高速无损检测装置，其构成主要包括：通过装置基座安装在轨检车底部的火焰加热模块、用于调整火焰喷射角度的调整机构、红外热像仪，安装在轨检车上的火焰控制模块、用于同步触发热像仪和火焰加热模块的同步控制模块、计算机和用于存储可燃气体的燃气瓶，火焰控制模块通过气管分别与燃气瓶和火焰加热模块连接，计算机通过数据线分别与火焰加热模块、火焰控制模块、热像仪、同步控制模块连接。

为了取得更好的检测结果，本发明还进一步采取以下技术措施，以下各项技术措施可单独采取，也可组合一起采取，甚至一并采取。

在上述无损检测装置技术方案中，所述火焰加热模块可设计成由火咀体，固定在火咀体前端的多个呈线性排列的喷火咀，电子点火器组成；所述火咀体前端内凹曲面的形状与钢轨顶面相对应，确保由喷火咀喷出的火焰能包络着钢轨表面，以提高火焰对钢轨表面加热的均匀性，或形成均匀加热或燃烧腔。进一步地，在火咀体的外侧设置防风罩，降低轨检车运行过程中产生的扰动气流影响火焰加热效果。

在上述无损检测装置技术方案中，所属火焰控制模块的构成，包括微处理器，安装在燃气管路上通过I/O切换电路与微处理器连接的电磁阀、通过A/D转换电路与微处理器连接的数字流量计和数字气压表和通过D/A转换电路与微处理器连接的数字比例阀。所述可燃气体为氧气乙炔混合气或液化天然气，也可为其它(无焰)燃烧气体。

本发明提供的钢轨表面缺陷高速无损检测方法，以多束喷射火焰为激励源随轨检小车移动对钢轨表面进行快速加热，由热像仪实时采集火焰加热钢轨表面产生的红外图像，并将采集到的红外图像传送至计算机，对采集到的红外视频图像进行分析处理，输出显示钢轨表面缺陷的检测结果。可根据轨检车运行速度通过火焰喷射角度调整机构动态调整火焰喷射方向，通过火焰控制模块调整可燃气体的流量和压力控制喷射火焰的喷射速度和温度，通过包络钢轨表面的火咀体和布置在其内侧的阵列喷火咀实现对火焰形状控制，优化不同速度下的入射角度，及火焰形状以提高加热效率。本发明与现有主动红外热像技术的激励方式相比，火焰加热激励方式加热效率高、加热成本低、加热速度快，为钢轨表面缺陷高速无损检测提供了一种有效方法。

本发明提供的基于火焰喷射加热的主动红外成像无损检测方法，除了用于钢轨表面缺陷伤损检测，量化评估与定位之外，还可用于发动机叶片和列车车轮等复杂表面缺陷的快速检测。

本发明提供的基于火焰喷射加热的主动红外成像无损检测方法，除了通过火焰对钢轨表面连续加热实现钢轨表面缺陷高速定位，还可在低速或静止状态通过脉冲调制火焰加热实现对钢轨表面缺陷定量检测。

本发明可以被设计成不同的单元或子系统，作为独立检测仪器或探伤车的一部分进行使用。如果热成像仪速度足够，可实现高于100公里/小时高速巡检。

附图说明

附图1是车载钢轨表面缺陷高速无损检测装置的结构示意图；

附图2是钢轨示意图；

附图3是火咀体结构示意图；

附图4是火焰控制模块示意图；

附图5是利用本发明所述方法对带有人工缺陷的钢轨试件进行无损检测的红外热像图和缺陷识别结果，其中附图5a为带有人工缺陷的钢轨试件，附图5b是检测的红外热像图，附图5c是缺陷识别结果曲线图。

附图6是利用本发明所述方法对带有自然裂纹的钢轨进行无损检测的红外热像图和缺陷识别结果，其中附图6a为带有自然缺陷的钢轨试件，附图6b是检测的红外热像图，附图6c是缺陷识别结果曲线图。

在上述附图中，各图标号所标识的对象为：1-轨检车；2-钢轨；3-火焰喷射角度调整机构；4-火焰加热模块；5-火焰；6-红外热像仪；7-装置机架；8-计算机；9-同步控制模块；10-火焰控制模块；11-燃气瓶；12-气管；13-钢轨中线；14-轨头；15-轨腰；16-轨底；17-火咀体；18-喷火咀；19-点火器。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。

本发明提供的钢轨表面缺陷高速无损检测装置，其结构如附图1至附图4所示，包括装置基座7，火焰加热模块4、用于调整火焰喷射角度的调整机构3、红外热像仪6，火焰控制模块10，同步控制模块9，用于存储可燃气体的燃气瓶11，气管12和计算机8；所述火焰加热模块4的结构如图3所示，包括火咀体17，固定在火咀体17前端的多个呈线性排列的喷火咀18，电子点火器19组成；所述计算机与红外热像仪，火焰控制模块，同步控制模块，以及火焰加热模块通过数据线连接；所述火焰控制模块通过燃气专用气管12与燃气瓶和火焰加热模块分别连接；所述火焰控制模块的结构如图4所示，其构成包括安装在燃气管路上通过I/O切换电路与燃气智能控制微处理器(MCU)连接的电磁阀，安装在燃气管路上通过A/D转换电路与燃气智能控制微处理器(MCU)连接的数字流量计和数字气压表，安装在燃气管路上通过D/A转换电路与燃气智能控制微处理器(MCU)连接的数字比例阀。

采用本发明所述的检测装置对高速铁路钢轨表面缺陷进行快速检测定位，将该装置固定在轨检车底部，采取火焰激励红外热像方法对钢轨表面缺陷进行快速检测，确定检测速度为20km/h，火焰喷射方向与轨检车行驶方向的交角为150°。火焰控制模块按照检测人员在计算机软件界面中设置的钢轨导热系数，巡检小车巡检速度，加热温度，喷射角度等参数调整气流流量和压力。火焰加热模块、同步控制模块、红外热像仪在计算机控制下分别启动。随着轨检车移动，火焰加热模块喷射出均匀火焰，对钢轨表面进行倾斜快速均匀加热，热像仪实时采集喷射火焰对钢轨表面激励产生的红外图像，并将采集到的红外图像传送至计算机，对采集到的红外视频序列图像进行分析处理，输出显示钢轨表层缺陷的检测结果。

Claims (6)

1.一种钢轨表面缺陷高速无损检测方法，其特征在于，以喷射由多束呈线性排列的火焰叠加形成的火焰为激励源，相对钢轨表面快速移动地对钢轨表面加热，其加热位置包络着钢轨轨头两侧的表面，喷射火焰的温度根据喷射火焰相对钢轨表面移动的速度通过火焰控制模块调整，焰喷射方向与喷射火焰相对钢轨表面快速移动方向之间的夹角为120°-150°，喷射火焰对钢轨表面加热的温度使钢轨表面红外图像能够显示出其所存在的缺陷，由红外热像仪实时采集火焰加热钢轨表面产生的红外图像，并将采集到的红外图像传送至计算机，对采集到的红外视频图像进行分析处理，输出显示钢轨表面缺陷及位置的检测结果。

2.一种钢轨表面缺陷高速无损检测装置，其特征在于：包括通过装置基座(7)安装在轨检车(2)底部的火焰加热模块(4)、用于调整火焰喷射角度的调整机构(3)、红外热像仪(6)，安装在轨检车上的火焰控制模块(10)、用于同步触发热像仪和火焰加热模块的同步控制模块(9)、计算机(8)和用于存储可燃气体的燃气瓶(11)，火焰控制模块通过气管(12)分别燃气瓶和火焰加热模块连接，计算机通过数据线分别与火焰加热模块、火焰控制模块、热像仪、同步控制模块连接；火焰加热模块(4)喷射由多束呈线性排列的火焰叠加形成的火焰，喷射的火焰相对钢轨表面快速移动地对钢轨表面加热，其加热位置包络着钢轨轨头两侧的表面；调整机构调整火焰喷射方向与喷射火焰相对钢轨表面快速移动方向之间的夹角为120°-150°。

3.根据权利要求2所述的钢轨表面缺陷高速无损检测装置，其特征在于，所述火焰加热模块(4)由火咀体(17)，固定在火咀体前端的多个呈线性排列的喷火咀(18)，电子点火器(19)组成；所述火咀体前端内凹曲面的形状与钢轨顶面相对应，确保喷火咀喷出的火焰包络着待测钢轨轨头，以提高火焰对钢轨轨头表面加热的均匀性。

4.根据权利要求3所述的钢轨表面缺陷高速无损检测装置，其特征在于，在火咀体(17 )的外侧设置防风罩，降低轨检车运行过程中产生的扰动气流影响火焰加热效果。

5.根据权利要求2或3或4所述的钢轨表面缺陷高速无损检测装置，其特征在于，燃气控制模块的构成包括微处理器，安装在燃气管路上通过I/O切换电路与微处理器连接的电磁阀、通过A/D转换电路与微处理器连接的数字流量计和数字气压表，以及通过D/A转换电路与微处理器连接的数字比例阀。

6.根据权利要求2或3或4所述的钢轨表面缺陷高速无损检测装置，其特征在于，所述可燃气体为氧气与丙烷、氧气与乙炔的混合气或液化天然气。

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