CN1508540A - 钢轨在线超声波探伤方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于钢轨无损探伤技术领域，公开了一种钢轨在线超声波探伤方法及其装置。钢轨在线超声波探伤装置包括机械系统、信息处理系统和自动控制系统，其中机械系统由钢轨引导机构、钢轨导向约束机构、多晶片超声波探头、测速机构、两套接触耦合式探头起落架、探头架调整机构和喷标装置构成；信息处理系统包括数字型超声波探伤仪、波形处理计算机及其波形显示器；自动控制系统包括探头起落架、喷标和测速三部分，由接近开关、光电旋转编码器、PLC控制器、电气控制计算机及其显示器组成。本发明优点在于：减少了探伤盲区长度，可以使探伤盲区降低到100mm以下；调节探头方便，提高工作效率；钢轨行走稳定性提高；本系统可以自动记录报警的波形和模拟情况，降低了探伤人员的劳动强度。

Description

钢轨在线超声波探伤方法及其装置

技术领域

本发明属于钢轨无损检测技术领域，特别涉及应用超声脉冲波反射法检测技术的钢轨在线探伤方法及其装置。

背景技术

铁路运输向高速化和重载化的方向发展，对钢轨的产品质量要求越来越高。对出厂前钢轨内部质量进行探伤是钢轨生产企业所必须采取的工序，且对钢轨探伤的扫查面积越来越高，如时速达200Km/h客运专线的60Kg/m钢轨技术条件中，要求轨头部分不小于70％，轨腰部分不小于60％。

超声波检测技术是无损探伤的一种，具有不破坏被检工件、检测速度快、探伤成本相对低、易于实现在线探伤等优点。目前，被广泛应用到对钢轨内部质量的检测，该方法的工作原理是：产生连续超声脉冲波束，再通过耦合介质将超声脉冲波束耦合到待探测钢轨内，然后探测超声脉冲波束从钢轨内部反射回来的回波信号，并对该回波信号进行处理，以判断钢轨内部有无伤损。

现有技术中，普遍采用模拟型超声波探伤仪，如CTS-23、ST-518型为单通道模拟式超声波探伤仪。在使用过程中，在钢轨轨头侧、轨腰及轨底各布置一个探头，而探头起落架控制采用较为简单的继电器与接近开关组成，该探伤仪存在许多不足：1、探伤覆盖区域小；2、钢轨端头探伤盲区大，达300～500mm；3、无界面或背面回波信号的连续监视功能；4、系统稳定性差；5、没有数据采集及自动控制装置；6、调试探头不灵活；7、模拟电路探伤仪一台只能对一个通道进行监控，如果对探伤覆盖面积要求高的钢轨进行检测时，就需要很多的通道才能满足覆盖面，也就需要很多台仪器进行监控。如果现场仪器过多，放置不方便也不好管理。监控多台仪器，人为误判、漏判容易发生。

现有技术中，对钢轨探伤的机械装置进行了不断的改进，如中国专利申请(申请号98123430.5，公开号CN1225453A)公开了一种钢轨超声波探伤用探轮以及探伤装置，其探轮包括由透声材料制成的轮胎和超声波发射/接收组合探头、滑板以及用于在进行探伤时减小滑板与探轮轮胎壁之间摩擦力的装置(可以是液体薄膜、可以是在滑板上安装滚轮或滚珠、还可以是其它装置)，该探伤装置的特点是，包括用于将该装置安装在探伤车体的固定机构和与之相连的升降机构，还包括所述的探轮，探轮通过升降机构固定座安装在所述升降机构上。但该装置仍然存在一些缺陷：设计的组合探头单一，调节探头方便，钢轨行走过程中无稳定装置，钢轨表面的毛刺、氧化皮等易损坏探轮。

发明内容

本发明的目的在于，提供了一种能在线对钢轨进行超声波探伤的方法，以及提供一种用于实施该方法的装置，克服了现有技术中存在的缺陷，满足生产高质量钢轨的需要。

按照本发明的第一个方面，提供了一种钢轨在线超声波探伤方法，包括下列依次步骤：

用试块对仪器进行校正；通过约束装置使运行中的钢轨达到稳定状态，钢轨再进入测速区；通过测速装置得到钢轨的运动速度信息，将信息传送给电气控制计算机；电气控制计算机控制探头起落架相对钢轨起落；电气控制计算机对信息处理后，把不同通道要探伤的指令传送到相应的触发器，而产生高频脉冲触发相应通道的探头产生超声波对钢轨进行探伤；探头接收钢轨反射回来的超声波，并转换成电信号，再通过A/D转换把信息传给波形处理计算机；波形处理计算机对有缺陷的钢轨指令喷标系统进行实时标记并报警。

进一步的是，探伤过程为多通道多探头探伤，即在一个显示屏上同时显示16个通道，还在另一个显示屏中采用了模拟钢轨形式显示。

进一步的是，在钢轨测速过程中，利用一个固定周长的测量轮及编码器，以测速轮所转的圈数，通过编码器输入给电气控制计算机，从而计算出钢轨所走的长度，来控制探头的起落。

根据本发明的第二个方面，提供了一种钢轨在线超声波探伤装置，该装置包括机械系统、信息处理系统和自动控制系统，其中机械系统由钢轨引导机构、钢轨导向约束机构、多晶片超声波探头、两套测速机构、接触耦合式探头起落架、探头架调整机构和喷标装置构成；信息处理系统包括数字型超声波探伤仪、波形处理计算机及其波形显示器；自动控制系统包括探头起落架、喷标装置和测速机构的三部分，其中探头起落架和喷标装置的控制部分由接近开关、光电旋转编码器、PLC控制器、电气控制计算机及其显示器组成。

数字式超声波探伤仪能完成超声波脉冲的发射、接收、放大及高速采集数据和处理波形。

多晶片探头的耦合方式采用直接接触法，多晶片探头包括水箱、安装轴、探头晶片，在探头晶片之间还包括隔声层，在水箱上设置有进水口，隔声层凸出探伤平面一定距离，以达到减少杂波、提高信噪比的目的。多晶片探头的晶片为2～4个。

测速机构，为摆动机构，包括编码器、摆动架、摆动轴、支承架、圆柱螺旋压缩弹簧、制动块和测量轮，编码器与测量轮同轴安装在摆动架的轴承孔内，摆动架通过摆动轴安装在支承架上，圆柱螺旋压缩弹簧使摆动架向上摆动，直到测量轮的制动轴经与制动块压紧。

接触耦合式探头起落架，采用摆动导向、气动驱动结构，包括气缸、安装螺栓、调整螺栓、圆柱螺旋压缩弹簧、摇臂、摆轮支承座、摆轮轴、摆动架、横向摆动轴和探头，气缸带动摇臂绕其支承轴摆动，摆轮支承座通过两根开口销固定在摇臂上，摆轮支承座上安装两根摆动轴，摆动轴的两端各安装一个摆轮，摆动架通过其扇形滚动道与摆轮配合安装在摆动支承座上，并可以绕扇形滚道中心在摆轮支承座上摆动，探头通过横向摆动轴安装在摆动架上。

探头架调整机构包括横移手轮、升降手轮、锁紧螺钉、升降丝杆、横移丝杆和安装螺栓，升降丝杆和横移丝杆互相垂直。

与现有技术相比，本实用新型的装置有如下明显优点：

1、减少了探伤盲区长度，可以使探伤盲区降低到100mm以下。

2、采用数字型超声波探伤仪，可以自动记录报警的波形和模拟情况，降低了探伤人员的劳动强度。

3、利用多晶片探头，具有零敏度高、杂波少、探测范围可调等优点，提高了探头的信噪比。

4、钢轨在探伤过程中行走稳定可靠。

附图说明

附图1是数字型超声波探伤仪的自动控制系统原理框图。

附图2是双晶片探头的结构示意图。

附图3是三晶片探头的结构示意图。

附图4(a)、(b)是测速机构的结构示意图。

附图5(a)、(b)是接触耦合式探头起落架的结构示意图。

附图6是探头架调整机构的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步地阐明。

实施例1

一种钢轨在线超声波探伤装置，该装置包括机械系统、信息处理系统和自动控制系统，其中机械系统由钢轨引导机构、钢轨导向约束机构、多晶片超声波探头1、两套测速机构2、接触耦合式探头起落架3、探头架调整机构4和喷标装置5构成；信息处理系统包括数字型超声波探伤仪、波形处理计算机及其波形显示器；自动控制系统包括探头起落架3、喷标装置5和测速机构2的三部分，其中探头起落架3和喷标装置5的控制部分由接近开关6、光电旋转编码器7、PLC控制器、电气控制计算机及其显示器组成。

多晶片探头1的耦合方式采用直接接触法，多晶片探头1包括水箱11、安装轴12、晶片13，在晶片13之间还包括隔声层14，在水箱上设置有进水孔15，隔声层14凸出探伤平面一定距离；多晶片探头1的晶片13为2个(附图2)。

测速机构2，为摆动机构，包括编码器21、摆动架22、摆动轴23、支承架24、圆柱螺旋压缩弹簧25、制动块26和测量轮27；编码器21与测量轮27同轴安装在摆动架22的轴承孔内，摆动架22通过摆动轴23安装在支承架上，圆柱螺旋压缩弹簧25使摆动架22向上摆动，直到测量轮27的制动轴经与制动块26压紧；利用一个固定周长的测量轮27及编码器21，以测量轮27所转的圈数，通过编码器21输入给计算机，从而计算出钢轨所走的长度，来控制探头的起落。

接触耦合式探头起落架3，采用摆动导向、气动驱动结构，包括气缸31、安装螺栓32、调整螺栓33、圆柱螺旋压缩弹簧34、摇臂35、摆轮支承座36、摆轮轴37、摆动架38、横向摆动轴39和探头30；气缸31带动摇臂35绕其支承轴摆动，摆轮支承座36通过两根开口销固定在摇臂35上，摆轮支承座36上安装两根摆动轴，摆动轴的两端各安装一个摆轮，摆动架38通过其扇形滚动道与摆轮配合安装在摆动支承座36上，并可以绕扇形滚道中心在摆轮支承座36上摆动，探头1通过横向摆动轴安装在摆动架38上。

探头架调整机构4包括横移手轮41、升降手轮42、锁紧螺钉43、升降丝杆44、横移丝杆45和安装螺栓46；所述的升降丝杆44和横移丝杆45互相垂直。

测速机构2、探头起落架3和喷标装置5的工作过程是(附图1)：钢轨沿着箭头方向运动，当轨头到达接近开关6时，电气控制计算机8启动计数器，钢轨经过光电旋转编码器7并带动编码器轴转动时开始计数。电气控制计算机根据计数器得到的脉冲数，判断轨头到达某个探头位置时，控制该探头起落架压下。当钢轨尾部脱离编码器7时，计算机将失去测量信号，为了使钢轨在整个探伤区域内部能进行测量，设计编码器7。当轨头到达接近开关6时，计算机启动编码器7接着计数。在设计安装位置时，必须保证在钢轨尾部脱离编码器7之前，轨头应接触到编码器7，且探头起落架3和喷标装置必须安装在两个编码器7之间。当钢轨尾部脱离接近开关6时，计算机开始计算钢轨尾部的位置。当尾部到达某个探头位置时控制探头起落架抬起，否则尾部毛刺将挂坏探头。当钢轨逆向运动时，工作原理相同。

实施例2

一种钢轨在线超声波探伤装置，该装置的测速机构2、接触耦合式探头起落3和探头架调整机构4的结构与实施例1的相同，但其探头的晶片为3个(附图3)。

使用实施例1和实施例2提供的钢轨在线超声波探伤装置，钢轨探伤覆盖面积盲区大小及探伤灵敏度如下表：

	覆盖面积(％)				盲区大小(mm)	灵敏度(mm)
										轨头	轨腰	轨底	轨底裂纹	轨头	轨腰	轨底	轨底裂纹
	本发明	70	60	35		0	≤100	φ2	φ2									φ2	0
现有技术					35					20	无	±15mm	300-500	φ1.5	φ6	无	1×20

Claims (8)

1、钢轨在线超声波探伤方法，其特征在于，包括下列依次步骤：

(1)用试块对仪器进行校正；

(2)通过约束装置使运行中的钢轨达到稳定状态，钢轨再进入测速区；

(3)通过测速装置得到钢轨的运动速度信息，将信息传送给电气控制计算机；

(4)电气控制计算机控制探头起落架相对钢轨起落；

(5)电气控制计算机对信息处理后，把不同通道要探伤的指令传送到相应的触发器，而产生高频脉冲触发相应通道的探头产生超声波对钢轨进行探伤；

(6)探头接收钢轨反射回来的超声波，并转换成电信号，再通过A/D转换把信息传给波形处理计算机；

(7)波形处理计算机对有缺陷的钢轨指令喷标系统进行实时标记并报警。

2、根据权利要求1所述的钢轨在线超声波探伤方法，其特征在于，探伤过程为多通道多探头探伤，即在一个显示屏上同时显示1 6个通道，还在另一个显示屏中采用了模拟钢轨形式显示。

3、根据权利要求1所述的钢轨在线超声波探伤方法，其特征在于，在钢轨测速过程中，利用一个固定周长的测量轮及编码器，以测速轮所转的圈数，通过编码器输入给电气控制计算机，从而计算出钢轨所走的长度，来控制探头的起落。

4、一种实现权利要求1，2或3所述方法的钢轨在线超声波探伤装置，该装置包括机械系统、信息处理系统和自动控制系统，其中机械系统由钢轨引导机构、钢轨导向约束机构、多晶片超声波探头、两套测速机构、接触耦合式探头起落架、探头架调整机构和喷标装置构成；信息处理系统包括数字型超声波探伤仪、波形处理计算机及其波形显示器；自动控制系统包括探头起落架、喷标装置和测速机构的三部分，其中探头起落架和喷标装置的控制部分由接近开关、光电旋转编码器、PLC控制器、电气控制计算机及其显示器组成。

5、根据权利要求4所述的钢轨在线超声波探伤装置，其特征在于，所述多晶片探头的耦合方式采用直接接触法，多晶片探头包括水箱、安装轴、探头晶片，在探头晶片之间还包括隔声层，在水箱上设置有进水口，隔声层凸出探伤平面一定距离；多晶片探头的晶片为2～4个。

6、根据权利要求4所述的钢轨在线超声波探伤装置，其特征在于，所述的测速机构，为摆动机构，包括编码器、摆动架、摆动轴、支承架、圆柱螺旋压缩弹簧、制动块和测量轮，编码器与测量轮同轴安装在摆动架的轴承孔内，摆动架通过摆动轴安装在支承架上，圆柱螺旋压缩弹簧使摆动架向上摆动，直到测量轮的制动轴经与制动块压紧。

7、根据权利要求4所述的钢轨在线超声波自动探伤装置，其特征在于，所述的接触耦合式探头起落架，采用摆动导向、气动驱动结构，包括气缸、安装螺栓、调整螺栓、圆柱螺旋压缩弹簧、摇臂、摆轮支承座、摆轮轴、摆动架、横向摆动轴和探头，气缸带动摇臂绕其支承轴摆动，摆轮支承座通过两根开口销固定在摇臂上，摆轮支承座上安装两根摆动轴，摆动轴的两端各安装一个摆轮，摆动架通过其扇形滚动道与摆轮配合安装在摆动支承座上，并可以绕扇形滚道中心在摆轮支承座上摆动，探头通过横向摆动轴安装在摆动架上。

8、根据权利要求4所述的钢轨在线超声波自动探伤装置，其特征在于，所述的探头架调整机构包括横移手轮、升降手轮、锁紧螺钉、升降丝杆、横移丝杆和安装螺栓；所述的升降丝杆和横移丝杆互相垂直。

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