CN205808977U - 用于钢轨无损探伤的脉冲涡流热成像高速检测装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了用于钢轨无损探伤的脉冲涡流热成像高速检测装置，其特征在于包括：安装在列车车厢下的磁铁架，安装在磁铁架上的若干个永久磁铁，安装在磁铁架末端的红外热像仪，以及数据采集/存储器和计算机，相邻永久磁铁的磁极方向相反，安装在磁铁架上的永久磁铁与磁铁架、钢轨形成多个闭合的磁化回路，红外热像仪的信号输出端与数据采集/存储器信号输入端连接，数据采集/存储器信号输出端与计算机的信号输入端连接。本实用新型根据钢轨切割垂直于运动方向的磁感线，在钢轨表面形成的温度分布信息，可实现对钢轨裂纹缺陷的检测。本实用新型能够大大提高钢轨的检测效率，且制造成本低，对钢轨的检测具有极其重大的意义。
Description
技术领域
本实用新型涉及钢轨无损检测技术领域，具体涉及一种基于动生涡流的用于钢轨无损探伤的脉冲涡流热成像高速检测装置，可同时实现对钢轨横/纵各个方向缺陷的高速无损检测。
背景技术
随着高速铁路在我国的快速发展,列车的运行安全问题越来越引起人们的重视，钢轨作为铁路运输的基础，其状态的好坏直接关系到铁路运输安全。因此，国内外铁路部门很早就开始对钢轨进行各种无损检测，以保证列车的安全运行。目前，钢轨无损检测技术主要有超声波、机器视觉、交变涡流、交变电磁场检测、漏磁检测技术等。
目前，我国投入使用的高速列车的运行速度为200-350km/h。而目前的无损检测技术大多无法达到这样的检测速度。德国联邦材料研究测试研究所采用涡流技术进行钢轨检测，Eurailscout公司进一步开发了UDT02型钢轨探伤车，最高检测速度可达80km/h，但涡流检测无法检测内部裂纹，并且无法满足检测速度要求。TSC公司开发了铁路轨道交变电磁场(ACFM)检测系统，采样频率达到50kHZ时，手动系统可实现2.7km/h的检测时速，检测速度仍旧很低，并且和涡流检测一样，无法探测内部损伤。法国国营铁路公司(SNFC)通过高速摄像机来对钢轨波纹缺陷进行检测，速度可达320km/h，但高速摄像机只能检测钢轨的表面状态，不可进行内部探伤。而漏磁检测技术只能检测钢轨的横向缺陷，即垂直于钢轨轴向的缺陷，而对纵向缺陷失效。
现有技术的脉冲涡流研究发现：当感应线圈中通入交变电流时，在置于线圈附近的导体中会产生感生涡流，当导体材质的试件中存在缺陷时，涡流将被迫绕过缺陷，导致部分区域涡流密度增大或减小。根据焦耳定律，导体产生热量将出现不均匀分布，利用红外设备记录下试件表面温度分布图像，可分析获得试件的特性。Ben Weekes等采用感应热成像对金属表面微裂纹进行了检测，发现该技术具有较高的灵敏度.目前脉冲涡流热成像技术在钢轨检测方面的应用也比较成熟，但均用在被测物体静止的情况下。但由于这种脉冲涡流加热方式感应加热时间为200ms-500ms，无法实现对钢轨裂纹的实时检测，检测速度低。
综上所述，现有的钢轨无损检测技术或是不能达到高的检测速度，或者是不能实现各个方向裂纹的同时检测，高速铁路的发展实践，亟待科技工作者研究开发出一种能实现与列车运行同步的、对钢轨各个方向裂纹进行无损检测的技术，来保证高速运行列车的行驶安全。
发明内容
针对现有钢轨无损探伤检测技术的现状与不足，本实用新型的目的旨在提供一种用于钢轨无损探伤的脉冲涡流热成像高速检测装置，以解决现有的钢轨无损检测技术存在的检测速度较慢，无法同时实现对钢轨横/纵各个方向缺陷全面检测的问题。
本实用新型提供的用于钢轨无损探伤的脉冲涡流热成像高速检测装置，其构成包括：安装在列车车厢下的磁铁架，安装在磁铁架上的若干个永久磁铁，安装在磁铁架末端的红外热像仪，以及数据采集/存储器和计算机，相邻永久磁铁的磁极方向相反，安装在磁铁架上的永久磁铁与磁铁架、钢轨形成多个闭合的磁化回路，红外热像仪的信号输出端与数据采集/存储器信号输入端连接，数据采集/存储器信号输出端与计算机的信号输入端连接，所述永久磁铁的数量为在列车高速前进时，钢轨切割垂直于运动方向的磁感线在钢轨内部产生的热量，足以通过红外热像仪记录的钢轨表面温度场分布信息辨认钢轨存在的缺陷。
在上述技术方案中，所述永久磁铁的数量与钢轨内部产生的热量有关，永久磁铁的个数一般应不少于600个。永久磁铁优先采用成单排阵列排列，红外热像仪布置在紧接永久磁铁阵列末端的位置处。所述永久磁铁优先采用剩余磁通密度为1.0～1.4T的永久磁铁。
在上述技术方案中，永久磁铁之间的安装距离不大于20mm，永久磁铁的厚度为45～55mm。
在上述技术方案中，安装在磁铁架上的永久磁铁与待检测钢轨表面之间的距离一般不大于3.0mm，最好在1.0～2.0mm的范围内。
在上述技术方案中，红外热像仪探测器头部与钢轨的距离一般不大于50mm。
在上述技术方案中，所述磁铁架、永久磁铁阵列的宽度应不小于钢轨的宽度；最好与钢轨的宽度相等。
在上述技术方案中，磁铁架为多段组合磁铁架，沿钢轨方向分别安装在列车车厢下方，红外热像仪布置在最后一段磁铁架上紧接永久磁铁阵列末端的位置处。
在上述技术方案中，所述磁铁架最好采用高导磁材料制成，如A3钢、硅钢片或者铁氧体材料等。
在本实用新型提供的脉冲涡流热成像高速检测装置中，可通过调节永久磁铁间的安装距离、列车的行驶速度、永久磁铁的数量，增大或减小涡电流的加热时间；进而改变钢轨内部产生的热量，便于红外热像仪记录准确清晰的图像。
本实用新型提供的用于钢轨无损探伤的脉冲涡流热成像高速检测装置，是基于发明人以下的认识与灵感完成的：在以磁铁架、永久磁铁和钢轨形成的磁化回路中，列车高速前进时，钢轨切割垂直于运动方向的磁感线，基于法拉第电磁感应定律，产生感应电动势，进而产生动生涡电流，当钢轨中存在横向缺陷时，就会阻碍动生涡流在纵向的传播，导致该处部分区域涡电流增大或减小，根据焦耳定律，钢轨内部产生的热量将出现不均匀分布，利用安装在磁铁架末端的红外热像仪记录钢轨表面的温度场分布，就可实现对钢轨横向裂纹的检测；当钢轨中存在纵向裂纹时，就会阻碍动生涡流在横向的传播，导致该处部分区域涡电流增大或减小，根据焦耳定律，钢轨内部产生的热量将出现不均匀分布，利用安装在磁铁架末端的红外热像仪记录钢轨表面的温度场分布，温度场分布数据信息由数据采集/存储器提供给计算机进行分析处理，最终得到钢轨的缺陷信息，实现对钢轨表面裂纹的检测。
本实用新型提供的用于钢轨无损探伤的脉冲涡流热成像高速检测装置，其具有以下十分突出的优点：
1.可以实现高速实时检测。将装置安装在列车底部，列车前进时钢轨切割磁感线，产生涡电流，对钢轨进行多次加热，当有钢轨表面存在缺陷时，会导致钢轨表面温度分布不均。此时采用响应速度快的红外热像仪记录钢轨表面的温度分布，再通过计算机分析便可实现对钢轨的实时检测。
2.可实现钢轨横/纵向各个方向角的裂纹检测。列车行驶时钢轨切割磁感线产生了涡电流，当钢轨表面有裂纹时，阻碍了涡电流横/纵向的传播，影响了涡流的分布情况，导致涡电流的密度增大或减小，在裂纹周围引起了焦耳热的异常分布，布置在末端的红外热像仪就可以检测到钢轨裂纹。
3.极其适用于钢轨的高速无损检测。钢轨切割磁感线产生的感应电流与列车运行的速度成正比，列车运行的速度越快，产生的感应电流越强，动生涡电流越强，探伤的灵敏度就越强。因此，此方法适用于钢轨的高速无损检测。
附图说明
图1为用于钢轨无损探伤的脉冲涡流热成像高速检测装置结构示意图。
图2为基于动生涡流的钢轨脉冲涡流热成像高速检测原理示意图。
图3为基于动生涡流的钢轨横向裂纹检测原理示意图。
图4为基于动生涡流的钢轨纵向裂纹检测原理示意图
图5为基于动生涡流的钢轨横向裂纹和纵向裂纹高速检测原理示意图
上述附图中的各图示标号表示对象分别为：1-永久磁铁；2-磁铁架；3-红外热像仪；4-钢轨；5-闭合磁化回路；6-不连续点；7-横向缺陷；8-纵向缺陷；9-动生涡流。
具体实施方式
下面结合附图给出本实用新型的具体实施方式，并通过具体实施方式对本实用新型的用于钢轨无损探伤的脉冲涡流热成像高速检测装置作进一步的说明。需要特别指出的是，本实用新型的具体实施方式不限于实施例所描述的形式。
在下面所述具体实施方式中所提到的方向用语，例如：上、下、左、右、前、后等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向用语仅仅是为了便于说明本实用新型，并非用来限制本实用新型。
本实施例的基于动生涡流的钢轨脉冲热成像高速检测装置，其结构如图1所示，构成包括：安装在列车车厢下方的磁铁架2，安装在磁铁架上的永久磁铁1，安装在磁铁架上红外热像仪3。安装在磁铁架上的永久磁铁，相邻永久磁铁的磁极方向相反。磁铁架2、两个磁极反方向布置的永久磁铁1和钢轨4形成闭合磁化回路。磁铁架由三段构成，分别布置在相邻的三节列车车厢下方，中间一段磁铁架安装有400个永久磁铁，前后两段磁铁架分别安装有250个永久磁铁，红外热像仪3布置在后面一段磁铁架上紧接永久磁铁阵列末端的位置处。磁铁架和永久磁铁的宽度与钢轨的宽度相等，永久磁铁与钢轨表面的距离在1.0～2.0mm之间，红外热像仪探头与钢轨表面的距离在40～50mm之间。红外热像仪的信号输出端与数据采集/存储器信号输入端连接，数据采集/存储器信号输出端与计算机的信号输入端连接。作为检测装置主体部分安装在磁铁架上的永久磁铁和红外热像仪探头，随着列车的运动，在钢轨4上表面作直线运动，红外热像仪3记录钢轨表面的温度变化情况，将收集到的信息传递给计算机处理，最后得到钢轨表面的缺陷信息。
采用本实用新型装置检测钢轨，钢轨中的横向缺陷7被检测出来的原理如图2所示。磁铁架2、钢轨4和永久磁铁1组成闭合的磁化回路，当磁铁架2随着列车以速度V前进时，钢轨4不断切割磁感线的竖直分量，基于法拉第电磁感应定律，产生感应电动势，进而产生如图5所示的动生涡电流9。当钢轨中存在横向缺陷7时，如图3所示，该裂纹阻碍了涡电流在钢轨纵向的传播，引起裂纹周边的涡电流密度明显增大，根据焦耳定律，裂纹周边的焦耳热分布异常，最终导致裂纹周边的温度明显高于无缺陷区域。基于脉冲涡流热成像原理，位于磁铁架末端的红外热像仪3可检测到横向裂纹7的存在。
同样的，如图4所示，当钢轨中存在纵向裂纹8时，该裂纹阻碍了涡电流在钢轨横向的传播，引起裂纹周边的涡电流密度明显增大，根据焦耳定律，裂纹周边的焦耳热分布异常，最终导致裂纹周边的温度明显高于无缺陷区域。基于脉冲涡流热成像原理，位于磁铁架末端的红外热像仪3可检测到横向裂纹8的存在。
所以，采用本实用新型检测装置能快速准确的实现对钢轨中横/纵各个方向角裂纹的高速检测。
Claims (10)
1.一种用于钢轨无损探伤的脉冲涡流热成像高速检测装置，其特征在于包括：安装在列车车厢下的磁铁架(5)，安装在磁铁架上的若干个永久磁铁(1)，安装在磁铁架末端的红外热像仪(3)，以及数据采集/存储器和计算机，相邻永久磁铁的磁极方向相反，安装在磁铁架上的永久磁铁与磁铁架、钢轨(4)形成多个闭合的磁化回路，红外热像仪的信号输出端与数据采集/存储器信号输入端连接，数据采集/存储器信号输出端与计算机的信号输入端连接，所述永久磁铁的数量为在列车高速前进时，钢轨切割垂直于运动方向的磁感线在钢轨内部产生的热量，足以通过红外热像仪记录的钢轨表面温度场分布信息辨认钢轨存在的缺陷。
2.根据权利要求1所述的用于钢轨无损探伤的脉冲涡流热成像高速检测装置，其特征在于：所述永久磁铁的个数不少于600个。
3.根据权利要求2所述的用于钢轨无损探伤的脉冲涡流热成像高速检测装置，其特征在于：所述永久磁铁成单排阵列排列，红外热像仪布置在紧接永久磁铁阵列末端的位置处。
4.根据权利要求3所述的用于钢轨无损探伤的脉冲涡流热成像高速检测装置，其特征在于：所述永久磁铁的剩余磁通密度为1.0～1.4T。
5.根据权利要求4所述的用于钢轨无损探伤的脉冲涡流热成像高速检测装置，其特征在于：永久磁铁之间的安装距离不大于20mm，永久磁铁的厚度为45～55mm。
6.根据权利要求1至5之一所述的用于钢轨无损探伤的脉冲涡流热成像高速检测装置，其特征在于：阵列的永久磁铁与钢轨的距离不大于3.0mm。
7.根据权利要求1至5之一所述的用于钢轨无损探伤的脉冲涡流热成像高速检测装置，其特征在于：红外热像仪探测器头部与钢轨的距离不大于50mm。
8.根据权利要求1至5之一所述的用于钢轨无损探伤的脉冲涡流热成像高速检测装置，其特征在于：磁铁架、永久磁铁阵列的宽度不小于钢轨的宽度。
9.根据权利要求8所述的用于钢轨无损探伤的脉冲涡流热成像高速检测装置，其特征在于：磁铁架、永久磁铁阵列的宽度与钢轨的宽度相等。
10.根据权利要求1至5之一所述的用于钢轨无损探伤的脉冲涡流热成像高速检测装置，其特征在于：磁铁架为多段组合磁铁架，沿钢轨方向分别安装在列车车厢下方，红外热像仪布置在最后一段磁铁架上紧接永久磁铁阵列末端的位置处。
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