一種基於三向超聲衍射的小型履帶式鋼軌探傷裝置與方法
2023-05-03 23:40:41
專利名稱：一種基於三向超聲衍射的小型履帶式鋼軌探傷裝置與方法
技術領域：
本發明屬於鋼軌無損檢測技術領域，具體涉及一種利用超聲衍射和三向履帶式滾進的鋼軌探傷裝置與方法。
背景技術：
隨著鐵路交通運輸的高速發展，鐵路運輸線路越來越繁忙，車流密度也隨之增加。 而運輸線路上的鋼軌在承擔繁重的運輸任務的過程中，由於列車對鋼軌造成摩擦、擠壓、彎曲和衝擊作用，鋼軌不可避免地會產生各種損傷，對於看得見的外部損傷如鏽蝕、軌頭壓潰、剝離掉快、側磨等都可以及時處理；而對於鋼軌內部存在的殘留夾雜和白點引起的核傷通過肉眼則無法識別，這些內部損傷長期存留於日夜運行的鐵軌中將造成鋼軌的橫向裂紋、軌頭斷裂等嚴重的交通安全隱患。這些看不見的內傷，只有通過鋼軌探傷儀才能發現， 然後根據探傷結果對鋼軌及時地進行相應處理。技術上，超聲波良好的聲學特性以及近二十年來計算機與數字電子技術的長足發展為鋼軌無損檢測帶來了更快捷、更準確、更人性化的應用。而傳統的脈衝回波法作為超聲無損檢測的主流已經廣泛應用於鋼軌探傷領域。它利用超聲探頭向受檢工件發射超聲脈衝，並根據由工件缺陷反射回來的能量大小以及相位信息作為判定缺陷的依據。脈衝回波法由於長期應用於鋼軌探傷領域，因而它在技術上相對成熟。然而，它在原理上依賴反射波的能量大小，屬於對能量敏感的檢測方法，在實際應用中，由於脈衝回波法的回波幅值敏感特性，使得它在定量檢測方面往往性能不佳，這也是利用傳統方法進行鋼軌探傷的漏檢風險不能更有效控制的原因之一。另一方面，在鋼軌探傷中，與鋼軌表面垂直的裂紋類缺陷的危害性往往很大，而對於這種取向與檢測面垂直的缺陷，常規的脈衝回波檢測方法常常因為難以做到入射聲波與缺陷的反射面垂直，造成缺陷檢出的困難，如果需要這類缺陷的位置、長度等定量信息時，常規的超聲檢測法通常無能為力。利用超聲衍射原理進行無損檢測的技術克服了常規脈衝回波法的諸多不足，具有廣闊的應用空間，並為現代鋼軌探傷技術帶來了新的契機。它的物理基礎是由荷蘭物理學家惠更斯1690年提出的惠更斯原理。該原理指出，介質中的波動傳到的各點，都可以看作是發射聲波的新波源，以後時刻的波陣面，可由這些新波源發出的子波波前的包絡面做出。 超聲波從探頭向受檢物發射超聲波，當超聲波遇到諸如裂紋等線性缺陷時，會在缺陷的尖端部位產生衍射，根據惠更斯原理，每個缺陷的邊緣都可以看作是超聲波的信號源，並向外發射超聲衍射波。利用超聲衍射原理進行探傷就是記錄下這些衍射波信號，作為判定損傷的依據。21世紀初，由英國國家無損檢測中心提出的超聲衍射時差法傳入我國，該方法在我國無損檢測領域逐步得到應用。然而，它在彌補傳統脈衝回波法不足的同時，卻帶來了一些其它缺陷。例如，對橫向缺陷檢測能力差，在超聲衍射時差法的缺陷圖中，容易將橫向缺陷誤判為點缺陷；由於直通波與近表面缺陷衍射波容易混淆而導致該類缺陷檢出效果不佳等劣勢。另一方面，我國鐵路網的完善與大幅度提速對鋼軌探傷速度與效率提出了更高的要求。2009年我國建成的世界上裡程最長、運營速度最高的武廣高鐵客運新幹線其時速已經達到350公裡。然而，現行的大型鋼軌探傷車的時速卻依然停留在幾十公裡，而小型的手推式探傷車時速僅僅只有幾公裡，這遠遠不能滿足日益繁忙、高效的鐵道運輸和維護的需要。對於限制當前機動探傷車時速的主要原因在於必須控制探傷車行車速度以保證超聲探頭有足夠的數據採樣時間而不致回波失落。然而，當前機動探傷車在高速運行時，由於其探頭與鋼軌某一固定位置的接觸時間過短而普遍不能滿足高速探傷的需要。於1999年8月11日公開的中國發明專利申請CN1225453A，提出了一種改變傳統液態耦合劑而採用固態耦合介質進行鋼軌探傷的方法，該方法利用超聲波束直接通過固態的滑板耦合到鋼軌內，減小了在使用耦合液時出現的滯後，它能在一定程度上減少回波失落，然而該方法仍然存在一些缺陷與不足首先，採用固態耦合介質不能從實質上增加探頭數據採樣的時間，實際上的探傷速度並不能大幅度提高，而且固態耦合介質在磨損後影響探傷性能且更換複雜；第二，採用傳統的脈衝回波法進行缺陷檢測，在遇到取向與檢測面垂直的缺陷難以檢出，而且不能精確地定量檢出缺陷的大小。
發明內容
針對目前在超聲鋼軌探傷技術領域存在的一些諸如探傷速度難以提高、效率低下、與檢測面垂直的缺陷檢出率低以及定量檢測性能不佳等不足，本發明提出一種基於三向超聲衍射的小型履帶式鋼軌探傷裝置與方法。本發明採用履帶式滾進代替傳統的車輪驅動探傷車行走，從而使相同的探傷速度下對鋼軌某一區域的數據採樣時間大大增加。另一方面，該探傷裝置行車系統的履帶式結構是三向的，而利用所述裝置的結構實現了一種更為精確的探傷方法。為達到本發明所期望的目的，將採用如下技術方案
該基於三向超聲衍射的小型履帶式鋼軌探傷裝置，包括三向履帶式行車系統、若干個三向超聲衍射檢測子系統和超聲檢測主控系統。其中，所有三向超聲衍射檢測子系統和超聲檢測主控系統安裝於三向履帶式行車系統上，由三向履帶式行車系統驅動所述基於三向超聲衍射的小型履帶式鋼軌探傷裝置行進；所述三向履帶式行車系統的履帶上內嵌各個三向超聲衍射檢測子系統的三向探頭；所有三向超聲衍射檢測子系統均與超聲檢測主控系統並行連接；而超聲檢測主控系統對並行工作的各個三向超聲衍射檢測子系統進行管理。本發明所述三向履帶式行車系統，包括3組履帶，其中位於鋼軌上方的履帶為主履帶，左右兩側的履帶為輔履帶，由主履帶負責驅動探傷小車行進。3組履帶在沿鋼軌走向的方向上均內嵌若干超聲波探頭，檢測時分別緊貼於鋼軌的正上方以及左右兩側。根據履帶沿鋼軌走向的長度將內嵌超聲探頭的履帶劃分為若干檢測子區(假設為N)，其中每個子區中每一側履帶都搭載1個超聲探頭，因為具有3組履帶，故而劃分的每個子區在三個方向上共搭載3個超聲探頭。在垂直於鋼軌走向的某一剖面上，子區搭載的這3個超聲探頭即是三向超聲衍射檢測子系統的1組三向探頭；所有緊貼鋼軌的三向探頭在檢測時以不同頻率並行工作，而每一個檢測子區由一個相應的三向超聲衍射檢測子系統負責檢測。由於這種履帶式結構，在探傷裝置行進時，每組三向探頭停留在鋼軌的某一固定檢測區域的時間較傳統方法大大增加，因而具有更長的數據採樣時間。所述三向超聲衍射檢測子系統包括控制模塊、壓力傳感器、耦合介質準備裝置、超聲波發射與接收切換通道、一組三向探頭、波形採集模塊、DSP模塊、數據存儲模塊以及損傷分析模塊。其中控制模塊與壓力傳感器、耦合介質準備裝置、超聲波發射與接收切換通道以及一組三向探頭分別相連；三向探頭除與控制模塊相連之外，仍與超聲波發射與接收切換通道以及波形採集模塊相連接；波形採集模塊與DSP模塊相連；數據存儲模塊與損傷分析模塊互相連接，並且都與DSP模塊連接。其中，控制模塊負責接收壓力傳感器的響應信號並向與之相連的耦合介質準備裝置、超聲波發射與接收切換通道以及一組三向探頭髮送命令以控制它們工作；壓力傳感器安裝於三向超聲衍射檢測子系統所負責檢測子區的履帶上，它負責持續監控該檢測子區的履帶壓力是否突破某一預設的閾值；耦合介質準備裝置負責在檢測開始之前耦合介質的準備；超聲波發射與接收切換通道用於切換該組三向探頭中各子探頭超聲的發射與接收；一組三向探頭負責在檢測時發射與接收超聲信號；波形採集模塊負責採集檢測到的波形信號；DSP模塊負責將採集的信號進行去噪與隱藏信號提取處理；損傷分析模塊負責對DSP模塊處理後的信號進行分析以獲取受檢鋼軌損傷信息；數據存儲模塊用於緩存DSP模塊處理後的信號以及損傷分析結果。所述超聲檢測主控系統包括計算機主控模塊、裡程顯示儀表、告警模塊以及顯示模塊。裡程顯示儀表、告警模塊以及顯示模塊依次與計算機主控模塊相連接，而所有三向超聲衍射檢測子系統與計算機主控模塊並行連接。每一個三向超聲衍射檢測子系統採集的數據都將併入計算機主控模塊進行匯總並及時做出處理。計算機主控模塊負責監控所有三向超聲衍射檢測子系統的工作狀態，如果某子系統處於激活狀態且已經完成當前損傷分析和數據存檔工作，則將它的所有數據存檔信息發送回計算機主控模塊，並控制該子系統進入休眠狀態；裡程顯示儀表負責顯示該裝置探傷的總裡程數和當次探傷的裡程數；告警模塊負責根據計算機主控模塊發來的命令鳴響警報以提示當前某鋼軌受檢區域有損傷；顯示模塊負責顯示當前探傷結果。該小型履帶式鋼軌探傷裝置的探傷方法中，三向超聲衍射檢測子系統的工作包括以下具體步驟
步驟1，在探傷裝置行進中，壓力傳感器持續處於檢測壓力的工作狀態。當某三向超聲衍射檢測子系統負責檢測的履帶區域滾進至與鋼軌緊密接觸時，壓力傳感器檢測到的壓力將突破某一閾值。此時，該子系統進入激活狀態。步驟2，控制模塊控制超聲波發射與接收切換通道工作，使鋼軌上方的探頭A發射超聲波，而鋼軌兩側的超聲探頭B、C接收超聲波，隨後，記錄下探頭B、C接收到的波形。步驟3，控制模塊控制超聲波發射與接收切換通道工作，使鋼軌一側的探頭B發射超聲波，位於鋼軌上方的探頭A暫停工作，而位於鋼軌另一側的超聲探頭C接收超聲波，隨後，記錄下探頭C接收到的波形。步驟4，判定這組三向超聲探頭A、B、C接收到的所有波形去除直達波之外是否仍有衍射波，如果無衍射波，則該子系統所負責的檢測子區無損傷；如果檢測到衍射波，則跳轉至下一步驟。步驟5，使步驟2中探頭B、C檢測到的波形和步驟3中探頭C檢測到的波形通過 DSP模塊的去噪及隱藏信號提取處理得出它們接收到的衍射波的聲程、相位信息。步驟6，從步驟5中得出的探頭B收到波形的衍射波聲程為
4、探頭C第1次收到波形的衍射波聲程為I1以及探頭C第2次收到波形的衍射波聲程為在該三向超聲衍射檢測子系統的受檢區域的垂直鋼軌走向的剖面建立平面直角坐標系，根據上述求解出的《、辦、C值以及探頭A、B、C的固定位置，則可在所建立的坐標系中確定該缺陷的具體位置，同時根據各個探頭收到波形的相位信息可以判定發生衍射的缺陷處的諸如氣泡、夾雜、裂紋上尖端、裂紋下尖端等的具體性質。若受檢區域有多個產生衍射的缺陷處，則在步驟5中可得出每個探頭接收到的多次衍射波數據，根據多組聲程數據以上述方法列出多個方程組，即可求得發生衍射的各個缺陷位置，若缺陷為裂紋類缺陷，還可以根據裂紋上尖端和裂紋下尖端的具體位置計算出裂紋的長度信息。所述小型履帶式鋼軌探傷裝置的超聲檢測主控系統的工作包括以下具體步驟 步驟1，計算機主控模塊持續工作，它監控各個三向超聲衍射檢測子系統的工作狀態
休眠狀態與激活狀態；進一步地，它監控處於激活狀態的子系統的檢測進度與數據處理進度。步驟2，計算機主控模塊是否監控到某個子系統處於激活狀態且已經完成損傷分析與數據存儲工作，是則跳轉至下一步驟，否則跳轉至步驟1持續監控；需要特別說明的是，無論是否監控到滿足上述條件的子系統，計算機主控模塊對各個三向超聲衍射檢測子系統的監控都是持續不間斷進行的。步驟3，將監控到的該處於激活狀態且已經完成相應工作的子系統的損傷分析數據存入計算機主控模塊的資料庫，同時，切換該子系統進入休眠狀態；需要特別說明的是， 即使子系統處於休眠狀態，該子系統的壓力傳感器仍然處於工作狀態。步驟4，計算機主控模塊對於當前存入資料庫的檢測信息再次判定其是否屬於鋼軌有損傷信息。若鋼軌有傷，顯示模塊顯示出當前存入資料庫的損傷信息，同時鳴響告警裝置，並將當前出現損傷的探傷裝置行車裡程數信息存入資料庫。步驟5，選擇是否持續監控各個三向超聲衍射檢測子系統，是則仍然持續監控；否則結束，關閉整個探傷裝置。由上述所闡述的技術方案可知，本發明創造性地採用了緊貼於鋼軌左、右、上三側的三向履帶式行車系統代替傳統的車輪驅動探傷車行走；同時，基於該三向結構提出了一種利用超聲衍射的探傷方法；另一方面，將整個履帶式鋼軌探傷裝置劃分為多個子系統並行檢測，而所有子系統由主控系統統一管理。與現有的鋼軌探傷裝置和技術相比，它具有如
^2，又已知波速為V，設產生衍射的缺陷點距離探頭A、B、C的位置分別為《、b、c,則有如下方程組
權利要求
1.一種基於三向超聲衍射的小型履帶式鋼軌探傷裝置，其特徵在於包括三向履帶式行車系統、超聲檢測主控系統和若干個三向超聲衍射檢測子系統，其中，所有三向超聲衍射檢測子系統和超聲檢測主控系統安裝於三向履帶式行車系統上，由三向履帶式行車系統驅動所述基於三向超聲衍射的小型履帶式鋼軌探傷裝置行進；所述三向履帶式行車系統的履帶上內嵌各個三向超聲衍射檢測子系統的三向探頭；所有三向超聲衍射檢測子系統均與超聲檢測主控系統並行連接；而超聲檢測主控系統對並行工作的各個三向超聲衍射檢測子系統進行控制。
2.根據權利要求1所述的基於三向超聲衍射的小型履帶式鋼軌探傷裝置，其特徵在於所述三向履帶式行車系統包括三組履帶，其中位於鋼軌上方的履帶為主履帶，左右兩側的履帶為輔履帶，由主履帶負責驅動探傷小車行進；3組履帶在沿鋼軌走向的方向上均內嵌若干超聲波探頭，檢測時分別緊貼於鋼軌的正上方以及左右兩側；根據履帶沿鋼軌走向的長度將內嵌超聲探頭的履帶劃分為若干檢測子區，其中每個子區中每一側履帶都搭載一個超聲探頭，劃分的每個子區在正上方以及左右兩側三個方向上共搭載三個超聲探頭；在垂直於鋼軌走向的某一剖面上，所述子區搭載的三個超聲探頭即是所述三向超聲衍射檢測子系統中的一組三向探頭；所有緊貼鋼軌的三向探頭在檢測時以不同頻率並行工作，而每一個檢測子區由一個相應的三向超聲衍射檢測子系統負責檢測。
3.根據權利要求1所述的基於三向超聲衍射的小型履帶式鋼軌探傷裝置，其特徵在於所述三向超聲衍射檢測子系統包括控制模塊、壓力傳感器、耦合介質準備裝置、超聲波發射與接收切換通道、一組三向探頭、波形採集模塊、DSP模塊、數據存儲模塊以及損傷分析模塊，其中控制模塊與壓力傳感器、耦合介質準備裝置、超聲波發射與接收切換通道以及一組三向探頭分別相連；三向探頭除與控制模塊相連之外，仍與超聲波發射與接收切換通道以及波形採集模塊相連接；波形採集模塊與DSP模塊相連；數據存儲模塊與損傷分析模塊互相連接，並且都與DSP模塊連接；其中，控制模塊負責接收壓力傳感器的響應信號並向與之相連的耦合介質準備裝置、超聲波發射與接收切換通道以及一組三向探頭髮送命令以控制它們工作；壓力傳感器安裝於三向超聲衍射檢測子系統所負責檢測子區的履帶上，它負責持續監控該檢測子區的履帶壓力是否突破預設的閾值；耦合介質準備裝置負責在檢測開始之前耦合介質的準備；超聲波發射與接收切換通道用於切換該組三向探頭中各子探頭超聲的發射與接收；一組三向探頭負責在檢測時發射與接收超聲信號；波形採集模塊負責採集檢測到的波形信號；DSP模塊負責將採集的信號進行去噪與隱藏信號提取處理；損傷分析模塊負責對DSP模塊處理後的信號進行分析以獲取受檢鋼軌損傷信息；數據存儲模塊用於緩存DSP模塊處理後的信號以及損傷分析結果。
4.根據權利要求1所述的基於三向超聲衍射的小型履帶式鋼軌探傷裝置，其特徵在於所述超聲檢測主控系統包括計算機主控模塊、裡程顯示儀表、告警模塊以及顯示模塊，裡程顯示儀表、告警模塊以及顯示模塊依次與計算機主控模塊相連接，而所有三向超聲衍射檢測子系統與計算機主控模塊並行連接；每一個三向超聲衍射檢測子系統採集的數據都併入計算機主控模塊進行匯總並及處理；計算機主控模塊負責監控所有三向超聲衍射檢測子系統的工作狀態，如果某子系統處於激活狀態且已經完成當前損傷分析和數據存檔工作，則將它的所有數據存檔信息發送回計算機主控模塊，並控制該子系統進入休眠狀態；裡程顯示儀表負責顯示該裝置探傷的總裡程數和當次探傷的裡程數；告警模塊負責根據計算機主控模塊發來的命令鳴響警報以提示當前某鋼軌受檢區域有損傷；顯示模塊負責顯示當前探傷結果。
5.權利要求廣4任一項所述小型履帶式鋼軌探傷裝置的探傷方法，包括超聲檢測主控系統和三向超聲衍射檢測子系統的工作過程，其特徵在於超聲檢測主控系統的工作包括如下步驟步驟1，超聲檢測主控系統的計算機主控模塊持續工作，它監控各個三向超聲衍射檢測子系統的工作狀態休眠狀態與激活狀態；進一步地，它監控處於激活狀態的三向超聲衍射檢測子系統的檢測進度與數據處理進度；步驟2，計算機主控模塊是否監控到某個三向超聲衍射檢測子系統處於激活狀態且已經完成損傷分析與數據存儲工作，是則跳轉至下一步驟，否則跳轉至步驟1持續監控；需要特別說明的是，無論是否監控到滿足上述條件的子系統，計算機主控模塊對各個三向超聲衍射檢測子系統的監控都是持續不間斷進行的；步驟3，將監控到的該處於激活狀態且已經完成相應工作的三向超聲衍射檢測子系統的損傷分析數據存入計算機主控模塊的資料庫，同時，切換該三向超聲衍射檢測子系統進入休眠狀態；即使子系統處於休眠狀態，該子系統的壓力傳感器仍然處於工作狀態；步驟4，計算機主控模塊對於當前存入資料庫的檢測信息再次判定其是否屬於鋼軌有損傷信息；若鋼軌有傷，顯示模塊顯示出當前存入資料庫的損傷信息，同時鳴響告警裝置， 並將當前出現損傷的探傷裝置行車裡程數信息存入資料庫；步驟5，選擇是否持續監控各個三向超聲衍射檢測子系統，是則仍然持續監控；否則結束，關閉整個探傷裝置。
6.根據權利要求5所述的的探傷方法，其特徵在於所述三向超聲衍射檢測子系統的工作包括如下步驟步驟一，在探傷裝置行進中，壓力傳感器持續處於檢測壓力的工作狀態；當某三向超聲衍射檢測子系統負責檢測的履帶區域滾進至與鋼軌緊密接觸時，壓力傳感器檢測到的壓力將突破某一閾值，此時，該三向超聲衍射檢測子系統進入激活狀態；步驟二，控制模塊控制超聲波發射與接收切換通道工作，使鋼軌上方的探頭(A)發射超聲波，而鋼軌兩側的超聲探頭(B、C)接收超聲波，隨後，記錄下鋼軌兩側的超聲探頭(B、C) 接收到的波形；步驟三，控制模塊控制超聲波發射與接收切換通道工作，使鋼軌一側的超聲探頭(B)發射超聲波，位於鋼軌上方的探頭(A)暫停工作，而位於鋼軌另一側的超聲探頭(C)接收超聲波，隨後，記錄下該另一側的超聲探頭(C)接收到的波形；步驟四，判定該三向超聲衍射檢測子系統中的這組三向超聲探頭(A、B、C)接收到的所有波形去除直達波之外是否仍有衍射波，如果無衍射波，則該子系統所負責的檢測子區無損傷，不進行以下步驟；如果檢測到衍射波，則進入下一步驟；步驟五，使步驟二中鋼軌兩側的超聲探頭(B、C)檢測到的波形和步驟三中所述另一側的超聲探頭(C)檢測到的波形通過DSP模塊的去噪及隱藏信號提取處理得出它們接收到的衍射波的聲程、相位信息；步驟六，從步驟五中得出的鋼軌一側的超聲探頭(B)收到波形的衍射波聲程為k、所述另一側的超聲探頭(C)第1次收到波形的衍射波聲程為Ik以及第2次收到波形的衍射波聲程為4 ,已知波速為ν設產生衍射的缺陷點距離該三向超聲衍射檢測子系統中的三向個超聲探頭(A、B、C)的位置分別為fli、ft、e ,則有如下方程組在該三向超聲衍射檢測子系統的受檢區域的垂直鋼軌走向的剖面建立平面直角坐標系，求解出的a、δ、e值以及三向個超聲探頭(A、B、C)的固定位置，則能在所建立的坐標系中確定該缺陷的具體位置，同時根據各個探頭收到波形的相位信息能判定發生衍射的缺陷處的具體性質。
7.根據權利要求6所述的探傷方法，其特徵在於所述缺陷處的具體性質包括氣泡、夾雜、裂紋上尖端或裂紋下尖端，若受檢區域有多個產生衍射的缺陷處，則在步驟5中得出每個探頭接收到的多次衍射波數據，根據多組衍射波聲程數據列出多個方程組，即能求得發生衍射的各個缺陷位置；若缺陷為裂紋類缺陷，還能根據裂紋上尖端和裂紋下尖端的具體位置計算出裂紋的長度信息。
全文摘要
本發明提供了一種基於三向超聲衍射的小型履帶式鋼軌探傷裝置及方法，裝置包括三向履帶式行車系統、超聲檢測主控系統和若干個三向超聲衍射檢測子系統，其中，所有三向超聲衍射檢測子系統和超聲檢測主控系統安裝於三向履帶式行車系統上；所述三向履帶式行車系統的履帶上內嵌各個三向超聲衍射檢測子系統的三向探頭；方法通過三向超聲衍射檢測子系統均與三向超聲衍射檢測子系統的工作，採用履帶式探傷，使相同的探傷速度下對鋼軌某一區域的數據採樣時間大大增加，同時基於所述三向結構，利用衍射波的傳播聲程進行缺陷估計，因而對接收回波脈衝的能量、幅值的大小不敏感，在能量衰減較大的檢測環境中仍然能夠精確工作。
文檔編號G01N29/04GK102230915SQ201110085910
公開日2011年11月2日 申請日期2011年4月7日 優先權日2011年4月7日
發明者吳怡, 張軍, 梁永麟, 韋崗 申請人:華南理工大學