CN117622254A - 一种用于服役钢轨轨底伤损检测的超声检测设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于服役钢轨轨底伤损的超声检测设备，属于钢轨检测技术领域；包括主车架，在主车架左右两侧铰接有两组装夹机构，两组装夹机构分别与两根连接杆的下端相铰接，两根连接杆的上端与同一根前侧握杆相铰接；每组装夹机构上设置有一排检测探头，每个检测探头包括探头壳体，探头壳体的下端开口处设置有楔块，探头壳体的内部顶板处固定设置有探头本体，探头本体内部的压电陶瓷晶片与楔块相接触；探头壳体的下端开口通过密封棉所封闭，探头壳体内部注满水，声波通过楔块、楔块与钢轨之间的水层传播至钢轨的轨底解决了目前服役钢轨超声在线检测装置对轨底缺陷检测质量较差的问题。

Description

一种用于服役钢轨轨底伤损检测的超声检测设备

技术领域

本发明属于钢轨检测技术领域，具体涉及一种用于服役钢轨轨底伤损的超声检测设备。

背景技术

随着我国铁路运输里程的增加，铁路运输装备的运营与维修越来越重要。钢轨作为铁路轨道的主要组成部件，起着承载机车车辆的重量，引导列车运行的作用。钢轨在服役过程中，受列车载荷的长期作用和外部环境的影响，容易产生内部缺陷，缺陷的加剧和扩展将引起钢轨的疲劳甚至断裂，进而导致列车事故的发生。此外，铁路向高速和重载方向发展，对钢轨的服役质量和安全提出了更高的要求。因此，及时有效地检测服役钢轨内部缺陷并采取必要的措施，对保证铁路安全运行具有重要意义。

对服役钢轨检测结果的积累和统计显示，受生产质量、轮轨作用、热应力、残余应力和腐蚀等影响，缺陷可能产生于钢轨轨头、轨腰和轨底等部位。其中钢轨的断裂主要由轨底缺陷、螺栓孔裂纹和焊缝失效等引起，轨底的缺陷是造成钢轨断轨的最主要原因。由于轨底缺陷的检测量大，当前并未有服役钢轨轨底缺陷检测的自动化设备与技术，轨底缺陷的检测仍是一个盲区，铁路部门采用定期对钢轨更换的方式以避免服役钢轨的失效。

当前面向服役钢轨在线检测的主要方法有机器视觉、电磁超声和传统超声检测等，此外激光超声、涡流及空气耦合超声等检测技术也在研究和探索应用中。其中，机器视觉方法主要面向钢轨踏面以及可视表面的缺陷检测，无法实现内部缺陷的检测；电磁超声的换能效率较低，且易受提离距离的影响，当前并未在钢轨检测中普及。相比之下，超声检测技术具有检测成本低、灵敏度高及操作方便等优势，在小型钢轨探伤仪和大型钢轨探伤车中均得到了广泛的应用。

然而，目前成熟应用的服役钢轨超声在线检测装置及系统，普遍采用水轮耦合或者接触耦合的方式，主要用于钢轨轨头、轨腰以及轨底中部缺陷的检测。而针对轨底两侧部分缺陷的检测，由于受到道砟、扣件、连接板、轨道变形以及轨底面沉积物等影响，超声探头与轨底之间难以实现耦合，超声波无法进行有效传播，从而限制了轨底缺陷的检测。虽然可通过人工方式进行轨底缺陷的检测，但该工作量极大，在现实中难以实现。因此，有必要研究面向服役钢轨轨底缺陷的超声自动检测方法，实现轨底全断面上缺陷的快速、有效检测，以保证铁路的运输安全。

发明内容

本发明克服了现有技术的不足，提出一种用于服役钢轨轨底伤损的超声检测设备；解决目前服役钢轨超声在线检测装置对轨底缺陷检测质量较差的问题。

为了达到上述目的，本发明是通过如下技术方案实现的。

一种用于服役钢轨轨底伤损的超声检测设备，包括主车架，在主车架左右两侧铰接有两组装夹机构，两组装夹机构分别与两根连接杆的下端相铰接，两根连接杆的上端与同一根前侧握杆相铰接；每组装夹机构上设置有一排检测探头，每个检测探头包括探头壳体，探头壳体的下端开口处设置有楔块，探头壳体的内部顶板处固定设置有探头本体，探头本体内部的额压电陶瓷晶片与楔块相接触；探头壳体的下端开口通过密封棉所封闭，探头壳体内部注满水，声波通过楔块、楔块与钢轨之间的水层传播至钢轨的轨底。

进一步的，所述主车架包括一根前后水平设置的纵向固定杆，纵向固定杆在其前后两端分别固定设置有一个U型座，前后两个U型座内部分别转动设置有一个轨头轮。

进一步的，在纵向固定杆的前后两端端部固定设置有一根左右水平的横向固定杆，横向固定杆的中部与纵向固定杆的端部相固定连接，在每根横向固定杆的两端端部分别固定设置有一根竖直的支撑腿，支撑腿的下端固定设置有一个万向轮。

进一步的，在纵向固定杆的上端面前后两侧分别固定设置有一根前侧操作杆以及一根后侧操作杆，后侧操作杆的上端与后侧握杆的中部相固定连接，前侧操纵杆上端的后侧固定设置有一个上下贯通的套筒，两根连接杆位于套筒内部；在前侧操作杆与后侧操作杆之间的纵向固定杆上端面固定设置有检测仪。

进一步的，所述装夹机构包括铰接座、上侧连接座、下侧连接座、横向弹簧、压紧弹簧、轨面导向轮、轨底导向轮；在纵向固定杆下端面固定设置有一个固定座，固定座的左右两侧侧壁分别与两个装夹机构的铰接座相铰接，铰接座与同侧的连接杆下端相铰接；铰接座与固定座之间设置有收缩弹簧。

进一步的，在铰接座远离固定座的一侧下端固定设置有上侧连接座，上侧连接座下方设置有下侧连接座，下侧连接座包括上侧板以及下侧板，上侧板与下侧板通过滑块以及滑轨的配合在左右方向滑动，在上侧板与下侧板之间设置有两个横向弹簧；在上侧连接座上固定设置有前后两根导向杆，在上侧板上对应设置有前后两个导向孔，两根导向杆下端分别滑动插接于上侧板前后两个导向孔内部；在每根导向杆外侧分别套接有一个压紧弹簧，压紧弹簧的上下两端分别与上侧连接座以及上侧板相固定连接。

进一步的，在上侧连接座的前后两端端面上分别转动设置有一个轨面导向轮，在下侧连接座的下侧板的下端面前后两端分别转动设置有一个轨底导向轮。

进一步的，在探头壳体的顶板上固定设置有注水口，注水口处设置有水管。

进一步的，下侧连接座的下侧板的前端设置有清扫机构，所述清扫机构包括清扫座、清扫电机、毛刷，清扫座固定设置于下侧连接座的下侧板前端，清扫电机固定设置于清扫座上，毛刷固定设置于清扫电机的输出轴上。

更进一步的，每一侧利用三个不同角度斜入射的检测探头，入射角度分别为0°，12°和23°。

本发明相对于现有技术所产生的有益效果为：

本发明提供的一种用于服役钢轨轨底伤损的超声检测设备，选取合适的入射角度，超声波能够有效辐射至轨底并能实现对钢轨轨底的全覆盖；可以在钢轨上行驶，并且在遇到连接板等不可避开的障碍时可以进行避让，从而提高适用性。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步详细的说明：

图1是本发明整体的立体示意图一；

图2是本发明整体的立体示意图二；

图3是本发明整体的正视图；

图4是本发明整体的侧视图；

图5是纵向固定杆、连接杆、装夹机构之间的连接示意图一；

图6是纵向固定杆、连接杆、装夹机构之间的连接示意图二；

图7是装夹机构的结构示意图一；

图8是装夹机构的结构示意图二；

图9是钢轨与检测探头之间的相对位置示意图；

图10是入射角度为0°时的原理图；

图11是入射角度为12°时的原理图；

图12是入射角度为23°时的原理图。

其中，1为钢轨、2为轨头、3为轨腰、4为轨底、5为纵向固定杆、6为轨头轮、7为横向固定杆、8为支撑腿、9为万向轮、10为前侧操作杆、11为后侧操作杆、12为后侧握杆、13为套筒、14为前侧握杆、15为连接杆、16为检测仪、17为装夹机构、18为清扫机构、19为检测探头、20为固定座、21为铰接座、22为收缩弹簧、23为上侧连接座、24为下侧连接座、25为上侧板、26为下侧板、27为导向杆、28为压紧弹簧、29为轨面导向轮、30为轨底导向轮、31为横向弹簧、32为清扫座、33为清扫电机、34为毛刷、35为探头壳体、36为探头本体、37为注水口、38为楔块、39为密封棉、40为水腔。

具体实施方式

为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，结合实施例和附图，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。下面结合实施例及附图详细说明本发明的技术方案，但保护范围不被此限制。

如图1—12所示，本发明提供了一种用于服役钢轨轨底伤损的超声检测设备，包括主车架、检测仪16、装夹机构17、检测探头19、清扫机构18。

所述主车架包括一根前后水平设置的纵向固定杆5，纵向固定杆5在其前后两端分别固定设置有一个U型座，前后两个U型座内部分别转动设置有一个轨头轮6，轨头轮6的外侧面设置有一个环形凹槽，环形凹槽的内壁与钢轨1的轨头2上端面相接触，通过前后两个轨头轮6可以使主车架在钢轨1的轨头2上端面行驶。

在纵向固定杆5的前后两端端部固定设置有一根左右水平的横向固定杆7，横向固定杆7的中部与纵向固定杆5的端部相固定连接。在每根横向固定杆7的两端端部分别固定设置有一根竖直的支撑腿8，支撑腿8的上端与横向固定杆7的端部相固定连接，支撑腿8的下端固定设置有一个万向轮9。四根支撑腿8下端的万向轮9与钢轨1两侧的地面相接触，通过万向轮9的行走来带动主车架整体进行移动。

在纵向固定杆5的上端面后侧固定设置有一根竖直的后侧操作杆11，在纵向固定杆5的上端面前侧固定设置有一根竖直的前侧操作杆10。后侧操作杆11的上端与后侧握杆12的中部相固定连接，后侧握杆12左右两段分别固定设置有一个把手套。前侧操纵杆上端的后侧固定设置有一个上下贯通的套筒13，在套筒13内部插接有两根左右对称的连接杆15，两根连接杆15的上端均与前侧握杆14的中部相铰接，两根连接杆15的下端分别延伸至钢轨1的左右两侧；前侧握杆14的左右两段分别固定设置有一个把手套。

在前侧操作杆10与后侧操作杆11之间的纵向固定杆5上端面固定设置有检测仪16。

在每根连接杆15的下端分别铰接有一个装夹结构，每个装夹结构上分别设置有一排检测探头19以及一个清扫机构18。

所述装夹机构17包括铰接座21、上侧连接座23、下侧连接座24、横向弹簧31、压紧弹簧28、轨面导向轮29、轨底导向轮30。

在纵向固定杆5下端面固定设置有一个固定座20，固定座20的左右两侧侧壁分别与两个装夹机构17的铰接座21相铰接，铰接座21的轴线沿着前后水平设置；铰接座21与同侧的连接杆15下端相铰接。在铰接座21的前后两端端部分别设置有一个收缩弹簧22，收缩弹簧22的两端分别与铰接座21端面以及固定座20端面相固定连接，当铰接座21在固定座20上转动时，收缩弹簧22被拉长或者收缩。

在铰接座21远离固定座20的一侧下端固定设置有上侧连接座23。所述下侧连接座24设置于上侧连接座23的上方，下侧连接座24包括上侧板25以及下侧板26，下侧板26位于上侧板25的下方，上侧板25与下侧板26通过滑块以及滑轨的配合在左右方向滑动，在上侧板25与下侧板26之间设置有两个横向弹簧31，横向弹簧31沿着左右方向所设置，弹簧的两端分别与上侧板25以及下侧板26相固定连接，从而使得上侧板25以及下侧板26可以在左右方向上滑动以及回弹。

在上侧连接座23上固定设置有前后两根导向杆27，在下侧连接座24的上侧板25上对应设置有前后两个导向孔，上侧连接座23的两根导向杆27下端分别滑动插接于上侧板25前后两个导向孔内部；在每根导向杆27外侧分别套接有一个压紧弹簧28，压紧弹簧28的上下两端分别与上侧连接座23以及下侧连接座24的上侧板25相固定连接。

在上侧连接座23的前后两端端面上分别转动设置有一个轨面导向轮29，在下侧连接座24的下侧板26的下端面前后两端分别转动设置有一个轨底导向轮30。当主车架在钢轨1上行驶时，轨面导向轮29在钢轨1的轨头2左右两侧外侧面上进行滚动，轨底导向轮30在钢轨1的轨底4上端面进行滚动。

在下侧连接座24的下侧板26下端面中部沿着前后方向固定设置有三个等距的检测探头19，三个检测探头19位于前后两个轨底导向轮30之间。所述检测探头19包括探头壳体35、探头本体36、密封棉39、楔块38 。所述探头壳体35的下端面保持开放，探头壳体35的上端面与下侧连接座24的下侧板26下端面相固定连接，在探头壳体35的顶板上固定设置有探头本体36以及注水口37，探头本体36穿过探头壳体35的顶板伸入至探头壳体35内部，注水口37处设置有水管。在探头壳体35的下端开口处固定设置有楔块38，楔块38的下端面与钢轨1的轨底4上端面相贴合；探头壳体35的下端开口通过密封棉39所封闭。在探头本体36内部设置有压电陶瓷晶片，探头本体36的压电陶瓷晶片与楔块38相接触。在探头壳体35内部通过注水口37注满水而形成一个水腔40，探头本体36、楔块38均处于水腔40内部。

所述清扫机构18设置于下侧连接座24的下侧板26的前端，包括清扫座32、清扫电机33、毛刷34，清扫座32固定设置于下侧连接座24的下侧板26前端，清扫电机33固定设置于清扫座32上，毛刷34固定设置于清扫电机33的输出轴上，毛刷34与钢轨1的轨底4上端面相接触。

本发明的工作原理为：

将主车架放置于所要检测的钢轨1上，主车架上的前后两个轨头轮6分别与钢轨1的轨头2上端面相接触，主车架上四根支撑腿8下端的万向轮9与钢轨1两侧的地面相接触，这样通过控制后侧握杆12就可以推动主车架在钢轨1上行驶。

然后将前侧握杆14向下压，通过两根连接杆15带动两侧的装夹机构17向下转动，铰接座21围绕固定座20向下转动，横向弹簧31收缩，左右两个装夹机构17上的检测探头19下端面与钢轨1的轨底4上端面相接触，通过连接杆15给到铰接座21一个向下的力，上侧连接座23给到压紧弹簧28一个压缩力，压紧弹簧28给到下侧连接座24一个压紧力，从而保证检测探头19与钢轨1轨底4上端面相紧密接触。

主车架在钢轨1上行驶的过程中，轨面导向轮29在钢轨1的轨头2左右两侧外侧面上进行滚动，轨底导向轮30在钢轨1的轨底4上端面进行滚动，保证检测探头19可以稳定沿着轨道进行移动，确保装夹机构17的整体能够与钢轨1保持一定的位置关系，从而确保检测探头19可以稳定在轨底4的表面，同时可以避免检测探头19与轨底4的杂物发生碰撞。

主车架在钢轨1上行驶的过程中，首先通过转动的毛刷34对轨底4上端面上可能存在的砂石和道砟进行清扫，保证不会对检测探头19的运行造成干扰。主车架在行驶过程中，当遇到轨面不平或者轨底4不平时，通过压紧弹簧28的压紧力可以保证检测探头19与轨底4上端面相贴合。下侧连接座24的上侧板25与下侧板26之间设置有横向弹簧31，能够确保检测探头19在左右横向上有一定的游隙，即在前行的过程中遇到阻挡扣件时，能通过横向移动避开扣件的影响。

当主车架在行驶的过程中遇到连接板等无法避开的障碍时，可以通过上拉前侧握杆14，使得两根连接杆15向上转动，带动两个装夹机构17向上转动，从而使得检测探头19与钢轨1相脱离，这样就可以将设备整体与钢轨1相脱离，然后再没有障碍的钢轨1处再进行布置。

在检测过程中，楔块38受压与钢轨1轨底4上端面相接触，注水后，探头本体36的压电陶瓷晶片通过楔块38和水将超声波传入钢轨1轨底4；依靠密封棉39将水进行储存以减少用水量。相比于喷水耦合或局部水浸耦合方法，该方法用水量减少；由于轨底4部分粗糙和不平整的原因，相比于水膜耦合方式，该方法稳定性更好。

为了实现对轨底4两侧的全覆盖，采用横波和纵波超声组合检测的方法。根据斯涅尔折射定律，选取合适的入射角度使超声波进入轨底4，实现对轨底4部分的全覆盖。通过角度计算和声场仿真，每一侧利用三个不同角度斜入射的超声检测探头19，可以实现该目标。入射角度分别为0°，12°和23°，其中以23°入射的声波将在钢轨1中转换成横波传播，利用多次反射的方式实现对轨底4的覆盖。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

Claims (10)

1.一种用于服役钢轨轨底伤损的超声检测设备，其特征在于：包括主车架，在主车架左右两侧铰接有两组装夹机构（17），两组装夹机构（17）分别与两根连接杆（15）的下端相铰接，两根连接杆（15）的上端与同一根前侧握杆（14）相铰接；每组装夹机构（17）上设置有一排检测探头（19），每个检测探头（19）包括探头壳体（35），探头壳体（35）的下端开口处设置有楔块（38），探头壳体（35）的内部顶板处固定设置有探头本体（36），探头本体（36）内部的压电陶瓷晶片与楔块（38）相接触；探头壳体（35）的下端开口通过密封棉（39）所封闭，探头壳体（35）内部注满水，声波通过楔块（38）、楔块（38）与钢轨（1）之间的水层传播至钢轨（1）的轨底（4）。

2.根据权利要求1所述的一种用于服役钢轨轨底伤损的超声检测设备，其特征在于：所述主车架包括一根前后水平设置的纵向固定杆（5），纵向固定杆（5）在其前后两端分别固定设置有一个U型座，前后两个U型座内部分别转动设置有一个轨头轮（6）。

3.根据权利要求2所述的一种用于服役钢轨轨底伤损的超声检测设备，其特征在于：在纵向固定杆（5）的前后两端端部固定设置有一根左右水平的横向固定杆（7），横向固定杆（7）的中部与纵向固定杆（5）的端部相固定连接，在每根横向固定杆（7）的两端端部分别固定设置有一根竖直的支撑腿（8），支撑腿（8）的下端固定设置有一个万向轮（9）。

4.根据权利要求2所述的一种用于服役钢轨轨底伤损的超声检测设备，其特征在于：在纵向固定杆（5）的上端面前后两侧分别固定设置有一根前侧操作杆（10）以及一根后侧操作杆（11），后侧操作杆（11）的上端与后侧握杆（12）的中部相固定连接，前侧操纵杆上端的后侧固定设置有一个上下贯通的套筒（13），两根连接杆（15）位于套筒（13）内部；在前侧操作杆（10）与后侧操作杆（11）之间的纵向固定杆（5）上端面固定设置有检测仪（16）。

5.根据权利要求2所述的一种用于服役钢轨轨底伤损的超声检测设备，其特征在于：所述装夹机构（17）包括铰接座（21）、上侧连接座（23）、下侧连接座（24）、横向弹簧（31）、压紧弹簧（28）、轨面导向轮（29）、轨底导向轮（30）；在纵向固定杆（5）下端面固定设置有一个固定座（20），固定座（20）的左右两侧侧壁分别与两个装夹机构（17）的铰接座（21）相铰接，铰接座（21）与同侧的连接杆（15）下端相铰接；铰接座（21）与固定座（20）之间设置有收缩弹簧（22）。

6.根据权利要求5所述的一种用于服役钢轨轨底伤损的超声检测设备，其特征在于：在铰接座（21）远离固定座（20）的一侧下端固定设置有上侧连接座（23），上侧连接座（23）下方设置有下侧连接座（24），下侧连接座（24）包括上侧板（25）以及下侧板（26），上侧板（25）与下侧板（26）通过滑块以及滑轨的配合在左右方向滑动，在上侧板（25）与下侧板（26）之间设置有两个横向弹簧（31）；在上侧连接座（23）上固定设置有前后两根导向杆（27），在上侧板（25）上对应设置有前后两个导向孔，两根导向杆（27）下端分别滑动插接于上侧板（25）前后两个导向孔内部；在每根导向杆（27）外侧分别套接有一个压紧弹簧（28），压紧弹簧（28）的上下两端分别与上侧连接座（23）以及上侧板（25）相固定连接。

7.根据权利要求6所述的一种用于服役钢轨轨底伤损的超声检测设备，其特征在于：在上侧连接座（23）的前后两端端面上分别转动设置有一个轨面导向轮（29），在下侧连接座（24）的下侧板（26）的下端面前后两端分别转动设置有一个轨底导向轮（30）。

8.根据权利要求1所述的一种用于服役钢轨轨底伤损的超声检测设备，其特征在于：在探头壳体（35）的顶板上固定设置有注水口（37），注水口（37）处设置有水管。

9.根据权利要求6所述的一种用于服役钢轨轨底伤损的超声检测设备，其特征在于：下侧连接座（24）的下侧板（26）的前端设置有清扫机构（18），所述清扫机构（18）包括清扫座（32）、清扫电机（33）、毛刷（34），清扫座（32）固定设置于下侧连接座（24）的下侧板（26）前端，清扫电机（33）固定设置于清扫座（32）上，毛刷（34）固定设置于清扫电机（33）的输出轴上。

10.根据权利要求1所述的一种用于服役钢轨轨底伤损的超声检测设备，其特征在于：每一侧利用三个不同角度斜入射的检测探头（19），入射角度分别为0°，12°和23°。