CN112712740A - 一种钢轨超声波探伤仿真方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种钢轨超声波探伤仿真方法及装置，该方法包括：构建探伤作业场景仿真模型；对射向所述探伤作业场景仿真模型的超声波传播波形仿真；对所述探伤作业场景仿真模型的任意部位、任意形式的伤损仿真，形成仿真伤损库；通过仿真的所述超声波传播波形诠释超声波探伤原理；通过所述超声波作业场景仿真模型的任意部位、形式的伤损，计算伤损位置和大小，对用户伤损判断情况的自动评判。装置利用三维仿真技术，虚拟作业场景，用户操控场景中的人物完成探伤作业流程，装置自动评价反馈用户的学习情况、形成数据分析报告，为管理层提供决策支撑。强大交互性能，为用户提供一个全新的教与学的平台，解决了教学中客观条件限制，提高了教学质量。

Description

一种钢轨超声波探伤仿真方法及装置

技术领域

本发明属于模型仿真软件系统领域，特别涉及钢轨超声波探伤仿真方法及装置。

背景技术

钢轨超声波探伤是一项技术性较强的工作，探伤职工在入岗前要经过了集团公司专项培训，但面对复杂、抽象的超声波探伤原理，探伤工仍需要在岗位中经过长期积累、持续学习才能不断提高。

目前，各段日常探伤培训工作过程中的重点落在理论上，而钢轨超声波探伤是一门注重实操的学科，但要在教学过程中组织职工去现场进行实际操作，又会受到作业时段、实训场地的建设、伤损种类、师资力量以及人身安全等诸多条件的限制，可行性不大。目前没有一种用于教学或培训等的探伤软件仿真系统。

发明内容

针对上述问题，本发明提出了一种钢轨超声波探伤仿真方法，该方法包括：

构建探伤作业场景仿真模型；

对射向所述探伤作业场景仿真模型的超声波传播波形仿真，对所述探伤作业场景仿真模型的任意部位、任意形式的伤损仿真，形成仿真损伤库，其中，仿真损伤库在学员练习时，不受伤损数量、伤损形式限制；

通过仿真的所述超声波传播波形，对所述作业场景仿真模型探伤和诠释超声波原理，计算损伤位置和大小，对用户伤损判断情况的自动评判，其中，所述诠释超声波原理包括通过仿真波形传播过程，诠释超声波原理；

所述通过仿真波形传播过程，诠释超声波原理进一步包括对超声波声束进行建模，采用大量不同形状的高清伤损图片进行贴图，描绘超声波在钢轨内部的反射、探头发射和接收、仪器屏幕波形显示，将超声波检出伤损的过程诠释给用户。

进一步的，所述构建探伤作业场景仿真模型，包括：

采用三维方式构建探伤作业场景仿真模型，其中，采用三维方式构建静态实物仿真模型和/或采用三维方式构建动作实物仿真模型，其中，所述动作实物仿真模型至少包括铁路基础环境模型、探伤仪器模型、探头模型和操作工具模型；所述铁路基础环境模型包括钢轨、轨枕、石碴、扣件、接触网、线路两侧护网和钢轨接头；所述探伤仪器模型包括母材探伤仪、焊缝探伤仪。

进一步的，所述探伤，包括：

母材探伤和焊缝探伤，其中，所述母材探伤包括：

采用对应角度的探头，对钢轨检测，其中，

对应的所述角度包括：70°、37°、0°三种角度；

所述对钢轨检测，包括：

对所述钢轨的母材和所述焊缝的轨头、轨腰、轨底部位的检测。

进一步的，所述母材探伤，包括：

角度设定为70°，探头采用横波在钢轨轨头内进行反射式探伤；

角度设定为37°，探头采用横波在钢轨轨头至轨底，以轨腰等宽范围进行反射式探伤；

角度设定为0°，探头放置钢轨顶面中心，发射声束从轨面至轨底，其中，探测的区域为轨腰投影范围内，当角度设定为0°时，探头采用探伤方法包括纵波反射式和穿透式。

进一步的，所述角度设定为70°，探头采用横波在钢轨轨头内进行反射式探伤中，探测的内容至少包括：轨头核伤和钢轨轨头的夹碴、气孔和裂纹；所述角度设定为37°，探头采用横波反射式探伤中，探测的内容包括：轨腰投影范围的螺孔裂纹、斜裂纹、水平裂纹和轨底横向裂纹；所述角度设定为0°，探头放置钢轨顶面中心，发射声束从轨面至轨底中，探伤方式为穿透和反射，探测的内容包括：轨头至轨底间的水平、纵向和长大斜裂纹。

进一步的，所述焊缝探伤，包括：

采用串列、K2.5、K0.8、K3.1、0°、双K1探头对钢轨轨头、轨腰、轨底部位检测，其中，

K2.5、K0.8、K3.1、0°、双K1表示探头类型，其中，

所述焊缝探伤的方法包括：焊缝轨头单探头法或焊缝轨腰单探头法或焊缝轨底单探头法或焊缝轨腰双探头法或焊缝轨底双探头法；

所述焊缝轨头单探头法，包括：采用单晶探头探伤，扫查钢轨轨头，其中，探头在轨顶面采用纵向移动和偏角纵向移动两种方式扫查；所述焊缝轨腰单探头法，包括：采用单晶片探头，检测焊缝轨腰投影范围缺陷，其中，检测内容至少包括铝热焊焊缝体积形缺陷、粗晶检测；

所述焊缝轨腰单探头法，包括：反射式探伤法、穿透式探伤法，其中，利用所述反射式探伤法，检出焊缝中反射面与探测面平行的缺陷和/或利用穿透式探伤法，检出焊缝中缺陷；

所述利用穿透式探伤法，包括：检测焊缝中粗晶、缩松缺陷；

所述焊缝轨腰单探头法，还包括：利用反射式探伤法，检出焊缝中反射面与探测面的缺陷；

所述焊缝轨腰双探头法，包括：采用串列式反射法，探测焊缝中垂直轨面的片状缺陷；

所述焊缝轨底双探头法，包括：采用双K1反射法，探测焊缝轨底垂直探测面的片状缺陷。

进一步的，所述焊缝轨底探伤扫查法，包括：

铝热焊缝使用探头，分别按不同的偏角和位置进行纵向移动探头扫查，利用二次波探测焊缝上半部分，一、三次波探测焊缝下半部分。

进一步的，所述计算损伤位置和大小，包括：

选定探头和设定所述仪器的声程，超声波在钢轨内传播，得到伤损波形；

利用正弦公式和所述声程计算伤损距探头入射点的水平距离得出伤损长度；

利用余弦公式和所述声程计算伤损距钢轨顶面埋藏深度，利用求得的所述伤损距探头入射点的水平距离、深度、伤损长度，得出伤损位置、大小；所述仿真的所述超声波传播波形，包括：母材探伤A超波形、B超图形；焊缝探伤A超波形，其中，采用模拟定量方式对所述A超波形、B超图形进行显示模拟，所述显示模拟包括对所述A超波形、B超图形在虚拟仪器上出现在位置大小运动方式进行仿真、设定70度、0度、37度探头在设定的时间和地点触发显示所述A超波形、B超图形；所述构建仿真伤损库用于保存钢轨各部位裂纹、核伤、干扰损伤信息。

另一方面，提出了一种钢轨超声波探伤仿真装置，该装置包括：

构建单元，用于构建探伤作业场景仿真模型；

仿真单元，用于对射向所述探伤作业场景仿真模型的超声波传播波形仿真，对所述探伤作业场景仿真模型的任意部位、任意形式的伤损仿真，形成仿真损伤库，其中，仿真损伤库在学员练习时，不受伤损数量、伤损形式限制；

探伤单元，用于通过仿真的所述超声波传播波形，对所述作业场景仿真模型探伤和诠释超声波原理，计算损伤位置和大小，对用户伤损判断情况的自动评判，其中，所述诠释超声波原理包括通过仿真波形传播过程，诠释超声波原理；

所述通过仿真波形传播过程，诠释超声波原理进一步包括对超声波声束进行建模，采用大量不同形状的高清伤损图片进行贴图，描绘超声波在钢轨内部的反射、探头发射和接收、仪器屏幕波形显示，将超声波检出伤损的过程诠释给用户。

进一步的，所述构建探伤作业场景仿真模型，包括：

采用三维方式构建探伤作业场景仿真模型，其中，采用三维方式构建静态实物仿真模型和/或采用三维方式构建动作实物仿真模型，其中，所述动作实物仿真模型至少包括铁路基础环境模型、探伤仪器模型、探头模型和操作工具模型；所述铁路基础环境模型包括钢轨、轨枕、石碴、扣件、接触网、线路两侧护网和钢轨接头；所述探伤仪器模型包括母材探伤仪、焊缝探伤仪。

进一步的，所述探伤，包括：

母材探伤和焊缝探伤，其中，所述母材探伤包括：

采用对应角度的探头，对钢轨检测，其中，

对应的所述角度包括：70°、37°、0°三种角度；

所述对钢轨检测，包括：

对所述钢轨的母材和所述焊缝的轨头、轨腰、轨底部位的检测。

进一步的，所述计算损伤位置和大小，包括：

选定探头和设定所述仪器的声程，超声波在钢轨内传播，得到伤损波形；

利用正弦公式和所述声程计算伤损距探头入射点的水平距离得出伤损长度；

利用余弦公式和所述声程计算伤损距钢轨顶面埋藏深度，利用求得的所述伤损距探头入射点的水平距离、深度、伤损长度，得出伤损位置、大小；所述仿真的所述超声波传播波形，包括：母材探伤A超波形、B超图形；焊缝探伤A超波形，其中，采用模拟定量方式对所述A超波形、B超图形进行显示模拟，所述显示模拟包括对所述A超波形、B超图形在虚拟仪器上出现在位置大小运动方式进行仿真、设定70度、0度、37度探头在设定的时间和地点触发显示所述A超波形、B超图形；所述构建仿真伤损库用于保存钢轨各部位裂纹、核伤、干扰损伤信息。

本发明利用三维仿真技术，在电脑中模拟出一个虚拟的作业环境，通过职工动手操作，能够将探伤作业原理、超声波传播规律等抽象的理论以文本、图像、动画等形式直观的表现出来，向职工传达多层次信息，使职工能够身临其境，提高了职工的动手能力，激发了学习人员的学习兴趣，提高了学习效率，达到了事半功倍的效果。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示出了根据现本发明实施例的钢轨超声波探伤仿真方法的流程框图；

图2示出了根据本发明实施例的钢轨超声波探伤仿真装置的结构示意图；

图3示出了根据本发明实施例的采用斜70度探头计算伤损位置和大小三角结构图；

图4示出了根据本发明实施例的采用37度探头计算伤损位置和大小三角结构图；

图5示出了根据本发明实施例的采用0度探头计算伤损位置和大小三角结构图；

图6示出了根据本发明实施例的象限与伤损位置关系图。

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，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地说明，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，一种钢轨超声波探伤仿真方法，包括：

步骤S1：构建探伤作业场景仿真模型；

在一些实施例中，采用3D技术对应用场景的静态装置和一些动态装置构件和人为操作进行模拟构建，使模拟场景和实际场景相吻合。

步骤S2：对射向所述探伤作业场景仿真模型的超声波传播波形仿真，对所述探伤作业场景仿真模型的任意部位、任意形式的伤损仿真，形成仿真损伤库，其中，仿真损伤库在学员练习时，不受伤损数量、伤损形式限制；

在一些实施例中，基于3D技术，对发出的超声波波形进行仿真，仿真包括入射声波和反射声波，可以模拟出超声波走过的路径，模拟超声波传播过程，使培训员工更加清晰地辨别出超声波传播的路线。

步骤S3：通过仿真的所述超声波传播波形，对所述作业场景仿真模型探伤和诠释超声波原理，计算损伤位置和大小，对用户伤损判断情况的自动评判，其中，所述诠释超声波原理包括通过仿真波形传播过程，诠释超声波原理；所述通过仿真波形传播过程，诠释超声波原理进一步包括对超声波声束进行建模，采用大量不同形状的高清伤损图片进行贴图，描绘超声波在钢轨内部的反射、探头发射和接收、仪器屏幕波形显示，将超声波检出伤损的过程诠释给用户。

在一些实施例中，提供母材伤损数据生成工具和焊缝伤损生成工具，母材伤损数据生成工具可定义不同的伤损种类，如：核伤、裂纹，可对不同的伤损部位进行设置，如：轨头里口、轨头中心部位、轨头外口、轨腰、轨底、螺孔(一、二、三、四象限)，同时也可对伤损大小的长度、深度、高度、宽度进行详细设置。设置伤损后，系统会根据设定的伤损数据，模拟仿真出探伤仪的各探头(70度、0度、37度)反馈的A波B波波形。将钢轨伤损的实际情况进行显示，例如钢轨的裂纹呈不规则形状，计算机根据上述具体的伤损数据来准确显示不规则形状。如图6所示，象限与伤损位置关系，一、二、三、四象限伤损特指螺孔裂纹，主要使用37°探头扫查。为了能够方便确认伤损位置，人为将螺孔划分为四个象限。以仪器推行方向开始，分别为一、二、三、四象限，因为超声波探伤是利用直角反射原理，因此，前37°探头能发现II、IV象限斜裂纹及I、IV象限间水平裂纹，后37°探头能发现I、III象限斜裂纹及II、III象限间水平裂纹。在均匀的材料中，缺陷的存在将造成材料的不连续，这种不连续会造成声阻抗不一致，由反射定理可知，超声波在两种不同声阻抗的介质的交界面上会发生反射，反射能量的大小与交界面两边介质声阻抗的差异和交界面的取向、大小有关。我们在钢轨超声波探伤仿真系统中内置了母材和焊缝两种波形生成工具，根据上述原理模拟在钢轨中某个部位、存在某一大小伤损，由于伤损的出现，造成缺陷和钢轨之间形成了不同介质的交界面，即钢-空气界面，当发射的超声波遇到这个界面后，因两种介质声阻抗不同发生反射，反射回来的能量被探头接收，在仪器屏幕上对应位置就会显示出一个反射波形。在实际探伤作业中，我们依据异常波形判断钢轨中是否存在伤损，而在虚拟仿真系统中，我们通过预设伤损，生成异常波形，逆向操作，形成伤损库。

例如，我们想设置一个前37°探头扫查范围螺孔的二象限10mm上斜裂纹。

首先确定正常螺孔波显示位置。通过函数计算和现场测试得知，实际探伤作业时，当前37°探头入射点距螺孔中心73-60mm时，荧光屏刻度4.9-4格会显示正常螺孔波，那么我们就在波形生成工具中通过“探头起始点、探头移动距离、波形起始点、波形移动距离”等选项进行参数设置，使虚拟探伤场景中仪器屏幕在4.9-4格显示正常螺孔波，与现场实际一致。

其次确定伤损位置、大小。当前37°探头通道显示完正常螺孔波后，探头入射点距螺孔中心60mm时，此时探头前移应显示螺孔上斜裂纹波，通过计算，该螺孔10mm上斜裂纹，在仪器屏幕上的波形显示应为4.55-3.85格(探头入射点距裂纹水平距离15*4.55＝68.25、伤损长度(4.55-3.85)*15＝10mm)，我们就在波形生成工具中通过“探头起始点、探头移动距离、波形起始点、波形移动距离”等选项进行参数设置，使虚拟探伤场景中仪器屏幕在4.55-3.85格显示异常波形，即为螺孔上斜裂纹波。

通过伤损波形生成工具生成各种仿真伤损，包括各种部位裂纹、核伤、干扰伤损等，最终形成系统伤损库。使用户练习不受伤损数量、伤损位置单一的限制。

在一些实施例中，伤损库，一是包含各种伤损形式的伤损库，钢轨的伤损信息主要包括以下方面内容：伤损所在公里数、伤损类型、伤损在钢轨中位置、伤损的长度(核伤还包括伤损的高度、宽度)、伤损反馈到仪器屏幕上的波形、声波在钢轨中传播形式；二是包含不同钢轨状态的病害库(掉块、轨面鱼鳞纹、轨面擦伤)，并且系统能够随机生成(或者手动指定)各种类型、位置、大小的伤损，各种伤损的波形数据。

在本发明的一些实施例中，所述构建探伤作业场景仿真模型，包括：采用三维方式构建探伤作业场景仿真模型。

在本发明的一些实施例中，所述构建探伤作业场景仿真模型，包括：采用三维方式构建静态实物仿真模型和/或采用三维方式构建动作实物仿真模型。

在本发明的一些实施例中，采用对射向所述探伤作业场景仿真模型的超声波传播波形仿真，超声波传播波形包括：母材探伤A超波形、B超图形；焊缝探伤A超波形。采用模拟定量方式对A超波形、B超图形进行显示模拟，可对AB波在虚拟仪器上出现在位置大小运动方式进行仿真，同时可以设定70度、0度、37度等探头在何时何处触发显示该波形，这样在理论上就可以仿真模拟出任意伤损情况。

在本发明的一些实施例中，构建仿真伤损库，伤损库保存有：钢轨各种部位裂纹、核伤、干扰等。利用伤损波形生成工具，生成不同大小、部位的钢轨伤损，使用户练习不受伤损数量、伤损位置单一的限制。

在本发明的一些实施例中，通过仿真波形传播过程，诠释超声波原理包括超声波在钢轨内部的反射、探头发射和接收、仪器屏幕波形显示，使用户对超声波检出伤损的过程一目了然。

在本发明的一些实施例中，所述探伤，包括：母材探伤和焊缝探伤，其中，其母材探伤设置了A超声波、B超图形同时显示功能，即一个伤损对应两种波形显示，B超图形显示速度略迟于A超声波，这样使职工能够对一处伤损波形观察两次，提高伤损检出率。

所谓A超扫描显示方式即仪器显示器的横坐标表示超声波在被检测钢轨中的传播时间或传播距离，纵坐标表示超声波反射波的幅值。实际探伤中，探头接收到反射回波后，在仪器显示器中横坐标一定位置就会显示出一个反射波的波形，横坐标这个位置就是缺陷在钢轨中的深度。反射波的高度和形状因不同的缺陷而不同，反应了缺陷的性质。

B型显示实际是由多个A显波形加上编码器信息转换而来，是以显示被检工件的横截面图像，指示反射体的大致尺寸及相对位置的超声信息显示方法。仪器显示器上横坐标表示探头移动的距离，纵坐标表示超声波传播的距离或时间，图形显示随探头的移动和回波时间而变化，可直观了解探头移动下方缺陷的分布和离探测面的深度。

例如，探伤仪器模型分为母材探伤仪、焊缝探伤仪。母材探伤仪：仪器型号为GJT-10，波形显示分A超声波、B超图形，仪器设置为9个探头通道、6条基线。探头形式：两个37度、一个0度、6个70度探头。焊缝探伤仪：仪器型号为CTS-9003H，波形显示分为A超声波仪器设置6个探头通道。探头形式：串列探头、双K1探头、K0.8探头、K2.5探头、K3.1探头、0度探头。

在本发明的一些实施例中，所述母材探伤，包括：采用对应角度的探头，对钢轨检测，其中，对应的所述角度包括：70°、37°、0°三种角度，所述探头为9个。

在本发明的一些实施例中，所述对钢轨检测，包括：对所述钢轨的母材和所述焊缝的轨头、轨腰、轨底部位的检测。

在本发明的一些实施例中，所述母材探伤，包括：角度设定为70°，探头采用横波在钢轨轨头内进行反射式探伤。

例如，70°探头是采用横波在钢轨轨头内进行反射式探伤，主要探测轨头核伤和钢轨焊缝轨头的夹碴、气孔和裂纹等。

在本发明的一些实施例中，如图3所示，采用斜70度探头，仪器设定声程S为250mm，采用正弦定理计算得水平距离L为230mm，采用正弦定理计算得深度H为90mm。探头仪器设置2条基线，每条基线横向划分为10个小格，因此每个小格水平代表23mm、深度代表9mm，实际探测过程中根据波形起止位置及波形移动距离计算伤损位置和大小。通过计算：L＝Sin70°*250＝234.9≈230mm，H＝cos70°*250＝85.5≈90mm，如一个伤损波形由1格移动至2格，则伤损距探头入射点的水平距离L＝1*23＝23mm，伤损距钢轨顶面埋藏深度H＝1*9＝9mm，伤损自身高度H1＝(2-1)*9＝9mm。

在本发明的一些实施例中，采用直70度探头头通道，仪器设定声程S为150mm，利用正弦定理求得水平距离L为140mm，利用余弦定理求得深度H为50mm。仪器设置1条基线，基线横向划分为10个小格，因此每个小格水平代表14mm、深度代表5mm，实际探测过程中根据波形起止位置及波形移动距离计算伤损位置和大小。

在本发明的一些实施例中，角度设定为37°，探头采用横波在钢轨轨头至轨底，以轨腰等宽范围进行反射式探伤；

例如，37°探头采用横波反射式探伤，其发射的超声波从轨顶面以折射角37°方向传播到轨底。主要探测轨腰投影范围的螺孔裂纹、斜裂纹和特殊部位水平裂纹，以及轨底横向裂纹。

在本发明的一些实施例中，如图4所示，采用37度探头通道，仪器设定声程S为250mm，采用正弦定理计算得水平距离L为150mm，采用正弦定理计算得深度H为200mm，仪器设置2条基线，每条基线横向划分为10个小格，因此每个小格水平代表15mm、深度代表20mm，实际探测过程中根据波形起止位置及波形移动距离计算伤损位置和大小。通过计算：L＝Sin37°*250＝150.5≈150mm，H＝cos37°*250＝199.7≈200mm，例如一个伤损波形由1格移动至2格，则伤损距探头入射点的水平距离L＝1*15＝15mm，伤损距钢轨顶面埋藏深度H＝1*20＝20mm，伤损长度L1＝(2-1)*15＝15mm。

在本发明的一些实施例中，如图5所示，采用0度探头仪器，角度设定为0°，探头放置钢轨顶面中心，发射超声波从轨面至轨底，其中，探测的区域为轨腰投影范围内。例如，0°探头放置钢轨顶面中心，发射超声波从轨面至轨底，能探测的区域为轨腰投影范围内。它具有穿透和反射两种探伤功能，能够探测轨头至轨底间的水平裂纹、纵向裂纹和长大斜裂纹。0度探头仪器设定声程S为250mm，伤损距钢轨顶面埋藏深度H为250mm，仪器设置1条基线，基线横向划分为10个小格，因此每个小格深度代表20mm，实际探测过程中根据波形显示位置及探头移动距离计算伤损位置和大小。通过计算：H＝250mm，如一个伤损波形在1格显示(不会移动)，则伤损距伤损距钢轨顶面埋藏深度H＝1*25＝25mm，伤损长度为伤损波形起波至落波探头移动的距离。

在本发明的一些实施例中，所述角度设定为70°，探头采用横波在钢轨轨头内进行反射式探伤中，探测的内容至少包括：轨头核伤、钢轨轨头的夹碴、气孔和裂纹。

在本发明的一些实施例中，所述角度设定为37°，探头采用横波反射式探伤中，探测的内容包括：轨腰投影范围的螺孔裂纹、斜裂纹、水平裂纹和轨底横向裂纹。

在本发明的一些实施例中，所述角度设定为0°，探头放置钢轨顶面中心，发射声束从轨面至轨底中，探伤方式为穿透和反射，探测的内容包括：轨头至轨底间的水平裂纹、纵向裂纹和长大斜裂纹。

例如，角度设定为0°，探头放置钢轨顶面中心，发射声束从轨面至轨底，其中，探测的区域为轨腰投影范围内，当角度设定为0°时，探头采用探伤方法包括纵波反射式和穿透式。

在本发明的一些实施例中，所述焊缝探伤，包括：采用6个探头对钢轨检测。

例如，采用6个探头对钢轨焊缝检测，检测焊缝的位置和大小。

在本发明的一些实施例中，所述焊缝探伤，包括：采用串列、K2.5、K0.8、K3.1、0°、双K1探头对钢轨轨头、轨腰、轨底部位检测，其中，K2.5、K0.8、K3.1、0°、双K1表示探头类型。

在本发明的一些实施例中，所述焊缝探伤的方法，至少包括：焊缝轨头单探头法或焊缝轨腰单探头法或焊缝轨底单探头法或焊缝轨腰双探头法或焊缝轨底双探头法。

在本发明的一些实施例中，所述焊缝轨头单探头法，包括：采用单晶探头探伤，扫查钢轨轨头，其中，探头在轨顶面采用纵向移动和偏角纵向移动两种方式扫查。

例如，采用单晶片K2.5探头，对焊缝缺陷进行检测，该方法主要适用于铝热焊焊缝轨头核伤检测。K2.5探头置于轨面采用与采用纵向移动和偏角纵向移动两种方式，扫查焊缝中心两侧各200mm的区域，纵向缓慢移动探头进行扫查，利用反射式探伤法，检出焊缝及热影响区范围轨头缺陷。

在本发明的一些实施例中，所述焊缝轨头单探头法，包括：采用单晶探头探伤，扫查钢轨轨头，其中，探头在轨顶面采用纵向移动和偏角纵向移动两种方式扫查；所述焊缝轨腰单探头法，包括：反射式探伤法、穿透式探伤法，其中，利用所述反射式探伤法，检出焊缝中反射面与探测面平行的缺陷和/或利用穿透式探伤法，检出焊缝中缺陷，其中，所述焊缝轨腰单探头法检测内容至少包括铝热焊焊缝体积形缺陷、粗晶检测。

例如，采用单晶片0°探头，对焊缝缺陷进行检测，该方法主要适用于铝热焊焊缝体积形缺陷、粗晶检测。0°探头置于轨面纵向中部，距焊缝中心两边各50mm的区域内，纵向缓慢移动探头进行扫查，利用反射式探伤法，检出焊缝中反射面与探测面平行的缺陷；利用穿透式探伤法，检出焊缝中粗晶、缩松等缺陷。

在本发明的一些实施例中，所述焊缝轨底双探头法，包括：采用双K1反射法，探测焊缝轨底垂直探测面的片状缺陷。

在本发明的一些实施例中，所述焊缝轨腰单探头法，包括：利用反射式探伤法，检出焊缝中反射面与探测面呈一定角度的缺陷。

例如，采用单晶片K0.8探头，对焊缝缺陷进行检测，该方法主要适用于铝热焊焊缝及热影响区范围斜裂纹、螺孔裂纹的检测。K0.8探头置于轨面中心，扫查距焊缝中心两侧各150mm的区域，纵向缓慢移动探头进行扫查，利用反射式探伤法，检出焊缝及热影响区轨腰等宽范围内缺陷。

在本发明的一些实施例中，所述焊缝轨腰双探头法，包括：采用串列式反射法，探测焊缝中垂直轨面的片状缺陷。

例如，采用串列式反射法，适用于探测焊缝中垂直轨面的片状缺陷，如焊缝中的未焊合缺陷。探头扫查装置放于轨头顶面中心线，扫查架零点对准需要探测截面上，通过旋转扫查架上的调节轮盘，使两个探头以相同的速度相对移动，利用两个探头一发一收反射式探伤法，检出钢轨腰投影范围内的缺陷。

在本发明的一些实施例中，所述焊缝轨底探伤扫查法，包括：铝热焊缝使用探头，分别按不同的偏角和位置进行纵向移动探头扫查，利用二次波探测焊缝上半部分，一、三次波探测焊缝下半部分。

例如，焊缝轨底探伤扫查，铝热焊缝使用一个K3.1探头，分别按不同的偏角和位置进行纵向移动探头扫查，利用二次波探测焊缝上半部分，一、三次波探测焊缝下半部分。

在本发明的一些实施例中，选定探头仪器和设定所述探头仪器的声程，超声波在钢轨内传播，得到伤损波形；利用正弦、余弦公式和所述声程计算伤损距探头入射点的水平距离、伤损埋藏深度，其中，所述伤损高度为伤损波形起波至落波移动距离*仪器每格代表的深度，从而确定伤损位置、大小。

在本发明的一些实施例中，利用余弦公式和所述声程计算伤损距钢轨顶面埋藏深度，利用求得的所述伤损距探头入射点的水平距离、深度、伤损长度，得出伤损位置、大小。

在本发明的一些实施例中，所述仿真的所述超声波传播波形，包括：母材探伤A超波形、B超图形；焊缝探伤A超波形，其中，采用模拟定量方式对所述A超波形、B超图形进行显示模拟，所述显示模拟包括对所述A超波形、B超图形在虚拟仪器上出现在位置大小运动方式进行仿真、设定70度、0度、37度探头在设定的时间和地点触发显示所述A超波形、B超图形。

在本发明的一些实施例中，所述构建仿真伤损库用于保存钢轨各部位裂纹、核伤、干扰损伤信息。

在本发明的一些实施例中，所述诠释超声波原理包括通过仿真波形传播过程，诠释超声波原理；所述通过仿真波形传播过程，诠释超声波原理进一步包括超声波在钢轨内部的反射、探头发射和接收、仪器屏幕波形显示，将超声波检出伤损的过程诠释给用户。

如图2示，一种钢轨超声波探伤仿真装置，包括：

构建单元，用于构建探伤作业场景仿真模型；

仿真单元，用于对射向所述探伤作业场景仿真模型的超声波传播波形仿真，对所述探伤作业场景仿真模型的任意部位、任意形式的伤损仿真，形成仿真损伤库，其中，仿真损伤库在学员练习时，不受伤损数量、伤损形式限制；

探伤单元，用于通过仿真的所述超声波传播波形，对所述作业场景仿真模型探伤和诠释超声波原理，计算损伤位置和大小，对用户伤损判断情况的自动评判，其中，所述诠释超声波原理包括通过仿真波形传播过程，诠释超声波原理；所述通过仿真波形传播过程，诠释超声波原理进一步包括对超声波声束进行建模，采用大量不同形状的高清伤损图片进行贴图，描绘超声波在钢轨内部的反射、探头发射和接收、仪器屏幕波形显示，将超声波检出伤损的过程诠释给用户。

在本发明的一些实施例中，通过仿真波形传播过程，诠释超声波原理。通过对超声波声束进行建模，同时采用大量不同形状的高清伤损图片进行贴图，生动的表现了超声波声束在扫查到各种不规则形状的钢轨裂纹时在钢轨内部的反射、传播情况，以及探头的发射和接收、仪器屏幕波形显示，使用户对超声波检出伤损的过程一目了然。

在本发明的一些实施例中，所述构建探伤作业场景仿真模型，包括：采用三维方式构建探伤作业场景仿真模型，其中，采用三维方式构建静态实物仿真模型和/或采用三维方式构建动作实物仿真模型，其中，所述动作实物仿真模型至少包括铁路基础环境模型、探伤仪器模型、探头模型和操作工具模型；所述铁路基础环境模型包括钢轨、轨枕、石碴、扣件、接触网、线路两侧护网和钢轨接头；所述探伤仪器模型包括母材探伤仪、焊缝探伤仪。

在本发明的一些实施例中，所述探伤，包括：母材探伤和焊缝探伤，其中，所述母材探伤包括：采用对应角度的探头，对钢轨检测，其中，对应的所述角度包括：70°、37°、0°三种角度；所述对钢轨检测，包括：对所述钢轨的母材和所述焊缝的轨头、轨腰、轨底部位的检测。

在本发明的一些实施例中，所述计算损伤位置和大小，包括：选定探头和设定所述仪器的声程，超声波在钢轨内传播，得到伤损波形；

利用正弦公式和所述声程计算伤损距探头入射点的水平距离得出伤损长度；

利用余弦公式和所述声程计算伤损距钢轨顶面埋藏深度，利用求得的所述伤损距探头入射点的水平距离、深度、伤损长度，得出伤损位置、大小；所述仿真的所述超声波传播波形，包括：母材探伤A超波形、B超图形；焊缝探伤A超波形，其中，采用模拟定量方式对所述A超波形、B超图形进行显示模拟，所述显示模拟包括对所述A超波形、B超图形在虚拟仪器上出现在位置大小运动方式进行仿真、设定70度、0度、37度探头在设定的时间和地点触发显示所述A超波形、B超图形；根据权利要求1所述的一种钢轨超声波探伤仿真方法，其特征在于，所述构建仿真伤损库用于保存钢轨各部位裂纹、核伤、干扰损伤信息。

在本发明的一些实施例中，该装置可应用于教学、练习、考试系统中，该装置包括管理考生信息、伤损试卷管理、伤损库维护以及业务知识学习管理、实现对用户答题情况的评判，学员可以通过该套系统达到全面的提升探伤水平。练习考试采用模块化处理方式，共分为3大部分，分别为一是练习模块，下分母材探伤练习、焊缝探伤练习，其中母材探伤练习又分为37°探头探伤、0°探头探伤、70°探头探伤，同时为提高职工伤损分析能力，掌握典型伤损波形显示规律，系统中还设置了母材和焊缝数据分析软件，使职工可对探伤数据进行浏览、回放分析；二是业务知识模块，下分为业务知识学习、波形展示、伤损图库；三是考试模块。使用的母材探伤仪型号为GJT-10，仪器设置为9个探头通道。探头形式分别为两个37度、一个0度、6个70度探头。焊缝探伤仪型号为CTS-9003H，仪器设置6个探头通道。探头形式分别为串列探头、双K1探头、K0.8探头、K2.5探头、K3.1探头、0度探头。为适应不同水平职工对各探头探伤能力的掌握，在练习模式中职工可单独练习某一探头通道伤损的检测，每个单项模块包括该模块内所有类型伤损，便于职工进行针对性的学习，重点掌握。为最大程度实现资源共享，方便职工学习，系统中可以上传、下载文档、图片、视频等各种格式的学习资料，供使用系统的职工学习、交流。考试模式主要考察的是职工的综合探伤水平，在考试模式下，系统管理员可任意指定(或系统随机出现)伤损类型、伤损数量、伤损出现的位置、考试时间等，组织职工进行考试。每次考试均为各种探头、不同钢轨部位、各种伤损类型，包括干扰波形等的综合判断。职工对异常波形做出判定后，系统会自动对职工的判定情况进行评价，职工可根据考试评价情况，找出自身不足，不断加强练习，进而提高探伤水平。在练习模式中，各模块对应建立单独伤损库，以便用户进行作业训练的时候可以从内置伤损模型中选取本模块一种或者多种伤损，随机的生成到场景当中，以供学员进行模拟训练。

在本发明利用三维仿真技术，在电脑中模拟出一个虚拟的作业环境，通过职工动手操作，能够将探伤作业原理、超声波传播规律等抽象的理论以文本、图像、动画等形式直观的表现出来，向职工传达多层次信息，使职工能够身临其境，提高了职工的动手能力，激发了学习人员的学习兴趣，提高了学习效率，达到了事半功倍的效果。

尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (12)

1.一种钢轨超声波探伤仿真方法，其特征在于，包括：

构建探伤作业场景仿真模型；

对射向所述探伤作业场景仿真模型的超声波传播波形仿真，对所述探伤作业场景仿真模型的任意部位、任意形式的伤损仿真，形成仿真损伤库，其中，仿真损伤库在学员练习时，不受伤损数量、伤损形式限制；

通过仿真的所述超声波传播波形，对所述作业场景仿真模型探伤和诠释超声波原理，计算损伤位置和大小，对用户伤损判断情况的自动评判，其中，所述诠释超声波原理包括通过仿真波形传播过程，诠释超声波原理；

所述通过仿真波形传播过程，诠释超声波原理进一步包括对超声波声束进行建模，采用大量不同形状的高清伤损图片进行贴图，描绘超声波在钢轨内部的反射、探头发射和接收、仪器屏幕波形显示，将超声波检出伤损的过程诠释给用户。

2.根据权利要求1所述的一种钢轨超声波探伤仿真方法，其特征在于，所述构建探伤作业场景仿真模型，包括：

采用三维方式构建探伤作业场景仿真模型，其中，采用三维方式构建静态实物仿真模型和/或采用三维方式构建动作实物仿真模型，其中，所述动作实物仿真模型至少包括铁路基础环境模型、探伤仪器模型、探头模型和操作工具模型；所述铁路基础环境模型包括钢轨、轨枕、石碴、扣件、接触网、线路两侧护网和钢轨接头；所述探伤仪器模型包括母材探伤仪、焊缝探伤仪。

3.根据权利要求1所述的一种钢轨超声波探伤仿真方法，其特征在于，所述探伤，包括：

母材探伤和焊缝探伤，其中，所述母材探伤包括：

采用对应角度的探头，对钢轨检测，其中，

对应的所述角度包括：70°、37°、0°三种角度；

所述对钢轨检测，包括：

对所述钢轨的母材和所述焊缝的轨头、轨腰、轨底部位的检测。

4.根据权利要求3所述的一种钢轨超声波探伤仿真方法，其特征在于，所述母材探伤，包括：

角度设定为70°，探头采用横波在钢轨轨头内进行反射式探伤；

角度设定为37°，探头采用横波在钢轨轨头至轨底，以轨腰等宽范围进行反射式探伤；

角度设定为0°，探头放置钢轨顶面中心，发射声束从轨面至轨底，其中，探测的区域为轨腰投影范围内，当角度设定为0°时，探头采用探伤方法包括纵波反射式和穿透式。

5.根据权利要求3所述的一种钢轨超声波探伤仿真方法，其特征在于，所述角度设定为70°，探头采用横波在钢轨轨头内进行反射式探伤中，探测的内容至少包括：轨头核伤和钢轨轨头的夹碴、气孔和裂纹；所述角度设定为37°，探头采用横波反射式探伤中，探测的内容包括：轨腰投影范围的螺孔裂纹、斜裂纹、水平裂纹和轨底横向裂纹；所述角度设定为0°，探头放置钢轨顶面中心，发射声束从轨面至轨底中，探伤方式为穿透和反射，探测的内容包括：轨头至轨底间的水平、纵向和长大斜裂纹。

6.根据权利要求3所述的一种钢轨超声波探伤仿真方法，其特征在于，所述焊缝探伤，包括：

采用串列、K2.5、K0.8、K3.1、0°、双K1探头对钢轨轨头、轨腰、轨底部位检测，其中，

K2.5、K0.8、K3.1、0°、双K1表示探头类型，其中，

所述焊缝探伤的方法包括：焊缝轨头单探头法或焊缝轨腰单探头法或焊缝轨底单探头法或焊缝轨腰双探头法或焊缝轨底双探头法；

所述焊缝轨头单探头法，包括：采用单晶探头探伤，扫查钢轨轨头，其中，探头在轨顶面采用纵向移动和偏角纵向移动两种方式扫查；所述焊缝轨腰单探头法，包括：采用单晶片探头，检测焊缝轨腰投影范围缺陷，其中，检测内容至少包括铝热焊焊缝体积形缺陷、粗晶检测；

所述焊缝轨腰单探头法，包括：反射式探伤法、穿透式探伤法，其中，利用所述反射式探伤法，检出焊缝中反射面与探测面平行的缺陷和/或利用穿透式探伤法，检出焊缝中缺陷；

所述利用穿透式探伤法，包括：检测焊缝中粗晶、缩松缺陷；

所述焊缝轨腰单探头法，还包括：利用反射式探伤法，检出焊缝中反射面与探测面的缺陷；

所述焊缝轨腰双探头法，包括：采用串列式反射法，探测焊缝中垂直轨面的片状缺陷；

所述焊缝轨底双探头法，包括：采用双K1反射法，探测焊缝轨底垂直探测面的片状缺陷。

7.根据权利要求6所述的一种钢轨超声波探伤仿真方法，其特征在于，所述焊缝轨底探伤扫查法，包括：

铝热焊缝使用探头，分别按不同的偏角和位置进行纵向移动探头扫查，利用二次波探测焊缝上半部分，一、三次波探测焊缝下半部分。

8.根据权利要求1所述的一种钢轨超声波探伤仿真方法，其特征在于，所述计算损伤位置和大小，包括：

选定探头和设定所述仪器的声程，超声波在钢轨内传播，得到伤损波形；

利用正弦公式和所述声程计算伤损距探头入射点的水平距离得出伤损长度；

利用余弦公式和所述声程计算伤损距钢轨顶面埋藏深度，利用求得的所述伤损距探头入射点的水平距离、深度、伤损长度，得出伤损位置、大小；所述仿真的所述超声波传播波形，包括：母材探伤A超波形、B超图形；焊缝探伤A超波形，其中，采用模拟定量方式对所述A超波形、B超图形进行显示模拟，所述显示模拟包括对所述A超波形、B超图形在虚拟仪器上出现在位置大小运动方式进行仿真、设定70度、0度、37度探头在设定的时间和地点触发显示所述A超波形、B超图形；所述构建仿真伤损库用于保存钢轨各部位裂纹、核伤、干扰损伤信息。

9.一种钢轨超声波探伤仿真装置，其特征在于，包括：

构建单元，用于构建探伤作业场景仿真模型；

仿真单元，用于对射向所述探伤作业场景仿真模型的超声波传播波形仿真，对所述探伤作业场景仿真模型的任意部位、任意形式的伤损仿真，形成仿真损伤库，其中，仿真损伤库在学员练习时，不受伤损数量、伤损形式限制；

探伤单元，用于通过仿真的所述超声波传播波形，对所述作业场景仿真模型探伤和诠释超声波原理，计算损伤位置和大小，对用户伤损判断情况的自动评判，其中，所述诠释超声波原理包括通过仿真波形传播过程，诠释超声波原理；

所述通过仿真波形传播过程，诠释超声波原理进一步包括对超声波声束进行建模，采用大量不同形状的高清伤损图片进行贴图，描绘超声波在钢轨内部的反射、探头发射和接收、仪器屏幕波形显示，将超声波检出伤损的过程诠释给用户。

10.根据权利要求9所述的一种钢轨超声波探伤仿真装置，其特征在于，所述构建探伤作业场景仿真模型，包括：

采用三维方式构建探伤作业场景仿真模型，其中，采用三维方式构建静态实物仿真模型和/或采用三维方式构建动作实物仿真模型，其中，所述动作实物仿真模型至少包括铁路基础环境模型、探伤仪器模型、探头模型和操作工具模型；所述铁路基础环境模型包括钢轨、轨枕、石碴、扣件、接触网、线路两侧护网和钢轨接头；所述探伤仪器模型包括母材探伤仪、焊缝探伤仪。

11.根据权利要求9所述的一种钢轨超声波探伤仿真装置，其特征在于，所述探伤，包括：

母材探伤和焊缝探伤，其中，所述母材探伤包括：

采用对应角度的探头，对钢轨检测，其中，

对应的所述角度包括：70°、37°、0°三种角度；

所述对钢轨检测，包括：

对所述钢轨的母材和所述焊缝的轨头、轨腰、轨底部位的检测。

12.根据权利要求9所述的一种钢轨超声波探伤仿真装置，其特征在于，所述计算损伤位置和大小，包括：

选定探头和设定所述仪器的声程，超声波在钢轨内传播，得到伤损波形；

利用正弦公式和所述声程计算伤损距探头入射点的水平距离得出伤损长度；

利用余弦公式和所述声程计算伤损距钢轨顶面埋藏深度，利用求得的所述伤损距探头入射点的水平距离、深度、伤损长度，得出伤损位置、大小；所述仿真的所述超声波传播波形，包括：母材探伤A超波形、B超图形；焊缝探伤A超波形，其中，采用模拟定量方式对所述A超波形、B超图形进行显示模拟，所述显示模拟包括对所述A超波形、B超图形在虚拟仪器上出现在位置大小运动方式进行仿真、设定70度、0度、37度探头在设定的时间和地点触发显示所述A超波形、B超图形；所述构建仿真伤损库用于保存钢轨各部位裂纹、核伤、干扰损伤信息。

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