一種機車車輛車輪輪輻缺陷超聲波檢測裝置的製作方法

2023-06-07 00:38:26

專利名稱：一種機車車輛車輪輪輻缺陷超聲波檢測裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及到一種機車車輛車輪輪輻缺陷超聲波檢測裝置。
技術背景車輪是包括動車組在內的機車車輛走行系統的關鍵部件，其基本結構如圖5 所示，包括輪緣12、踏面14、輪輞ll、輪輻15、輪輻輻板孔17、輪轂18。 車輪1的內部狀態和表面的裂紋直接關係到行車安全。鐵路提速的大發展以及 高速動車組的大量開行，對車輪的質量提出了更高的要求。為確保輪對質量， 保證列車行駛安全，需要對車輪輪輞和輪輻部位進行定期探傷。車輪探傷目前較有效的方法是超聲波檢測，其原理是如果介質即車輪中有氣孔、裂紋、分層等缺陷(缺陷中有氣體)或夾雜，超聲波傳播到介質與缺陷的界面處時，就 會全部或部分反射。反射回來的超聲波被探頭接收，可以根據波形的變化特徵 判斷缺陷在工件的深度、位置和形狀。超聲波探傷優點是檢測厚度大、靈敏度 高、速度快、成本低、對人體無害，能對缺陷進行定位和定量，適合輪輞輪輻 的無損探傷。由於車輪輪輞部分距離踏面的距離較小，而且結構差別不大，因此輪輞部分的探傷與輪輻區域相比更容易；而輪輻區域結構複雜且離踏面表面距離較遠， 要檢測整個輪輻區域需要的探頭數量大，對探頭布局要求嚴格，尤其是在線式 檢測的空間約束更大。目前尚無對輪輻區域進行在線自動化檢測的簡單有效方 法。車輪的輪輻有多種結構，對其結構特點進行歸納總結，現有車輪的輪輻有以下幾種類型直線型、曲線型、帶有輻板孔、帶有凹槽。圖3中的車輪的輪輻為直線型、帶輻板孔17、帶凹槽67;圖4中的車輪輪輻為曲線型輪輻。這 兩種車輪輪輻包含了現有動車組的車輪輪輻的所有特徵。由於輪輻區域結構復 雜、離踏面表面距離較遠，現有技術中還沒有利用超聲波對車輪輪輻進行缺 陷檢測。

發明內容
本發明的目的就是提供一種機車車輛車輪輪輻缺陷超聲波檢測裝置，該裝置 能夠對各類車輪輪輻的缺陷進行全方位的檢測；檢測過程不需人工參與，檢出 率高；檢測方法簡單，檢測結果可靠。
本發明實現其發明目的，所採用的技術方案是 一種機車車輛車輪輪輻缺 陷超聲波檢測裝置，包括與控制機構相連的探頭支架上連接有超聲波探頭，超 聲波探頭置於輪對的車輪踏面上，車輪踏面的下部置於頂轉輪裝置的頂輪和轉 輪上；超聲波探頭與數據採集、數據處理及控制計算機相連；其結構特點是
超聲波探頭為六個收發一體的探頭以及由發射探頭和接收探頭構成的四對 探頭；
其中四對探頭中每個探頭的發射角或接收角範圍均為15 33°發射角或 接收角與滾動圓間的夾角即扭轉角的範圍均為5 35° ，每對探頭中發射探頭的 發射角和接收探頭的接收角相同，扭轉角也相同；第一對探頭、第三對探頭的 發射探頭和接收探頭在踏面上相距的弧長範圍為160-220mm，第二對探頭、第四 對探頭的發射探頭和接收探頭在踏面上相距的弧長範圍為280-340mm;第一、第 二對探頭分布在滾動圓旁靠近輪緣一側，距離滾動圓1一10腿，第三、第四對探 頭分布在滾動圓旁靠近輪緣一側，距離滾動圓l一25mm; 所述的六個收發一體探頭中 二個直探頭，其中一個設置於滾動圓旁靠近輪緣一側，另一個設置在滾動圓旁遠離輪緣一側，與滾動圓的軸向距離均為l一8mm;
二個斜探頭，其發射角與滾動圓面平行，距離滾動圓的軸向距離為1—8mm 的位置；
二個發射角0 10°探頭，，其中一個探頭設置於滾動圓旁靠近輪緣一側，其 發射線方向偏離輪緣側，另一個探頭設置在滾動圓旁遠離輪緣一側，其發射線 方向指向輪緣側，且與滾動圓的軸向距離均為l一4mm。 本發明的工作過程和工作原理是
利用頂轉輪裝置的頂輪將輪對向上頂起，再由控制機構將探頭支架及超聲 波探頭置於輪對的車輪踏面上，使超聲波探頭按設定位置分布在車輪的踏面上； 頂轉輪裝置驅動轉輪轉動，帶動輪對的兩車輪相對於探頭作圓周運動。完成車 輪踏面表面的溼潤後，多個超聲波探頭相互配合，自動一次性的完成對輪輻區 域不同深度、不同方向的缺陷檢測。各超聲波探頭實現對輪輻區域檢測的工作 原理如下
一、四對發射角、接收角為15 33。的探頭
每對探頭中發射探頭的發射角和接收探頭的接收角相同，且發射角與滾動 圓間的夾角即扭轉角相同。 一側的發射探頭和另一側的接收探頭一個發射信號、 另一個接收信號，形成發射、接收的V字型超聲波路徑。當車輪輪輻中存在周 向缺陷時， 一側的發射信號傳播到該周向缺陷時，由於該缺陷對超聲波的反射 作用，超聲波將以發射探頭和接收探頭中間的車輪半徑為對稱軸，向另一側反 射，而被另一側的接收探頭接收。因此每對探頭配合可以檢測車輪輪輻中檢測 半徑上發射路徑和接收路徑交點處的位置區域的周向缺陷。當車輪旋轉一周後， 即可完成整個輪輻區域與踏面距離特定位置區域的周向缺陷掃描檢測。 由於四對探頭中第一對探頭、第三對探頭的發射探頭和接收探頭在踏面上相距的弧長範圍為160-220mm，，其發射路徑和接收路徑在檢測半徑上的交點位 於離踏面較近的輻板孔以上的位置，從而可檢測離踏面較近的輻孔以上位置區 域內的周向缺陷；第二對探頭、第四對探頭的發射探頭和接收探頭在踏面上相 距的弧長範圍為310-370mm，其發射路徑和接收路徑在檢測半徑上的交點位於離 踏面較遠的輻板孔以下的位置，則可以離踏面較遠的輻孔以下位置區域內的周 向缺陷。
同時，由於第一、第二對探頭在踏面滾動圓的遠離輪緣一側(即外側)，因 此，該兩對探頭可檢測車輪滾動圓外側截面上的周向缺陷；而第三、第四對探 頭在踏面滾動圓的靠近輪緣一側(即內側)，該兩對探頭則可檢測車輪滾動圓內 側截面上的周向缺陷。
調整四對探頭的發射角與車輪滾動圓面的扭轉角度，使其發射角與滾動圓 面不再平行，能夠避開輪輻輪輞交界處的整圈凹槽及曲線輻板內陷處的阻擋， 而實現對凹槽及曲線輻板下方缺陷的有效檢測。
二、 二個收發一體的直探頭
其發射路徑從探頭指向車輪圓心，接收路徑反向，也即其檢測路徑與車輪半 徑方向重疊。當車輪輪輻中存在周向缺陷時，發射信號傳播到該周向缺陷時， 由於該缺陷對超聲波的反射作用，超聲波將沿原路反射回探頭，而檢測出該周 向缺陷。因此，可以近距離地檢測輪輞、輪輞和輪輻交界處缺陷；同時它也可 檢測輪輻區域中，輻板孔上方及無輻板孔的檢測半徑上的周向缺陷。且由於這 兩個探頭分別位於滾動圓兩側，因此，這兩個探頭可以檢測出分布在滾動圓平 面兩側沒有輻板孔阻擋的位置區域處的周向缺陷。
三、 二個收發一體的斜探頭
二個收發一體的斜探頭可以檢測與超聲波發射路徑垂直的缺陷，即可以檢測與車輪周向線具有大夾角的缺陷。斜探頭距離滾動圓的軸向距離為l一8mm的位 置，因此它可以檢測輪輻中的徑向缺陷。
四、二個收發一體的發射角0 10°探頭
二個探頭的發射角為0 10。，且一個探頭的發射線與車輪滾動圓面的夾角 前傾0 10° ，另一個探頭的發射線與車輪滾動圓面的夾角後傾0 10。。這樣， 二個探頭的超聲波發射路徑將指向具有凹槽結構的輪輻的凹槽下方以及曲線輪 輻較深的位置區域，檢測出該區域範圍內的周向缺陷。
因此，結合利用以上的四對探頭以及六個收發一體的超聲波探頭，可實現帶 凹槽、帶輻板孔、曲線型結構的車輪整個輪輻區域內的周向缺陷、徑向缺陷、 軸向缺陷的綜合、全面檢測。
與現有技術相比，本發明的有益效果是
利用探頭支架上的四對單發、單收的15 33°探頭，實現輪輻輻板孔上、下 方位置區域的周向缺陷的檢測，同時也能避開輪輞輪輻交界處的整圈凹槽及曲 線輻板內陷處的阻擋，而實現對凹槽及曲線輻板下方缺陷的有效檢測；利用二 個收發一體的直探頭，檢測出分布在滾動圓平面兩側沒有輻板孔位置區域處的 輪輻周向、軸向缺陷；二個收發一體的斜探頭，檢測輪輻徑向和與徑向成一定 角度的缺陷；二個收發一體的發射角0 10°探頭，檢測出具有凹槽結構的輪輻 的凹槽下方的輪輻周向缺陷以及曲線輪輻較深處的周向缺陷。因此，利用十四 個探頭，可完整地檢測出各種類型機車車輛輪輻區域內的周向、徑向和軸向缺 陷，從而實現輪輻區域的全方位檢測。通過旋轉車輪一周、自動化的完成輪輻 區域的缺陷檢測，檢測過程不需人工參與，檢測效率高，檢測結果可靠。
總之，本發明解決了對包括動車組在內的機車車輛的車輪只能檢測輪輞區域 缺陷不能檢測輪輻區域缺陷的難題；可對輪輻區域的各類缺陷進行檢測；適應中國各型動車組車輪及機車車輛車輪的特殊結構，為我國列車的運行安全提供 了保障。
上述的超聲波探頭通過探頭夾具與探頭支架相連，探頭夾具上還設置有供水 口，探頭夾具與探頭支架之間設有彈簧減震機構。
通過供水口可以更方便地實現對車輪踏面表面的溼潤、耦合處理；探頭夾 具及減震彈簧機構可使探頭在不同直徑車輪上都可以與踏面表面貼合緊密，同 時減小摩擦，保證檢測有效、可靠進行，同時也使本發明可以適應不同直徑的 車輪。
下面結合附圖和具體的實施方式對本發明作進一歩的詳細說明。


圖l是本發明實施例未畫出車輪下半部分(包括頂轉輪裝置)的正視結構示 意及輪輻中的徑向、周向缺陷的檢測原理圖。
圖2是圖1的俯視圖。
圖3是本發明實施例的去掉探頭支架及所有探頭後的縮小的正視結構示意。 圖4是本發明實施例的發射角0 10。探頭，檢測凹槽結構輪輻的周向缺陷
時的半剖視示意圖。
圖5是本發明實施例的發射角0 10。探頭，檢測曲線型輪輻較深處的周向
缺陷時的半剖視示意圖。
圖6是本發明實施例的檢測對象(車輪)的縮小的剖視結構示意圖。
具體實施例方式
實施例
圖1-6示出，本發明的一種具體實施方式
為 一種機車車輛車輪輪輻缺陷
超聲波檢測裝置，包括與控制機構相連的探頭支架97上連接有超聲波陣探頭，超聲波探頭置於輪對的車輪1踏面14上，車輪輪緣12的下部置於頂轉輪裝置的頂輪91和轉輪92上；超聲波探頭與數據採集、數據處理及控制計算機相連。超聲波探頭為由發射探頭、接收探頭組成的四對探頭及六個收發一體的探頭，
其中四對探頭中每個探頭的發射角或接收角範圍均為15 33°發射角或接收角與滾動圓間的夾角即扭轉角的範圍均為5 35° ，每對探頭中發射探頭的發射角和接收探頭的接收角相同，扭轉角也相同；第一對探頭21A， 21B、第三對探頭23A， 23B的發射探頭和接收探頭在踏面上相距的弧長範圍為160-220mm，第二對探頭22A， 22B、第四對探頭24A， 24B的發射探頭和接收探頭在踏面上相距的弧長範圍為310-370mm;第一、第二對探頭21A和21B、 22A和22B分布在滾動圓16旁靠近輪緣12—側，距離滾動圓161 — 10腦，第三、第四對探頭23A和23B、24A和24B分布在滾動圓16旁靠近輪緣12 —側，距離滾動圓161—25隱；六個收發一體探頭中
二個直探頭31A、 31B，其中一個設置於滾動圓16旁靠近輪緣一側，另一個設置在滾動圓16旁遠離輪緣12 —側，與滾動圓16的軸向距離均為l一8mm;二個斜探頭32A、 32B，其發射角 力，Q^與滾動圓16面平行，距離滾動圓
16的軸向距離為l一8mm的位置；
二個發射角0 10。探頭33A、 33B,且發射角o^ ,"，與滾動圓面的扭轉角
，Z3咖為90° ，其中一個探頭33B設置於滾動圓16旁靠近輪緣12 —側，其發射線方向偏離輪緣12艦U，另一個探頭33A設置在滾動圓16旁遠離輪緣12 —側，其發射線方向指向輪緣12側，且與滾動圓16的軸向距離均為l一4mm。
超聲波探頭通過探頭夾具98與探頭支架97相連，探頭夾具98上還設置有供水口 ，探頭夾具98與探頭支架97之間設有彈簧減震機構。
圖4示出，本例中的兩個發射角0 10。探頭33A、 33B以0。發射時，其發射的超聲波分別檢測到輪輞輪輻交接處的周向缺陷，探頭33A檢測到周向缺
陷59以及滾動圓16基線附近的缺陷47，探頭33B檢測到缺陷40以及滾動圓基 線16附近的缺陷49。
圖1給出了四對探頭21A和21B、 22A和22B、 23A和23B、 24A和24B的
發射角Q^ ，Q^'o^ ，《，'°^ ， °^，，《柳均為30° ，扭轉角 L ,Aw，/322/1 ，/522,,Aw ，A3,，/^ ,A"為30。的檢測情形。四對探頭能檢測輻板 孔17上方和輻板孔17下方的缺陷。第一對探頭21A和21B檢測到滾動圓外側 的缺陷41，第二對探頭22A和22B檢測到滾動圓內側的缺陷42;第四對探頭24A 和24B檢測到滾動圓外側的缺陷43，第三對探頭23A和23B檢測到滾動圓內側 的缺陷44。
圖1中，具體給出了二個收發一體斜探頭32A、 32B，其發射角a^ ,a^均 為45°時的檢測情形，能檢測出輪輻15較薄處的徑向缺陷57， 58。
圖4、5具體給出了二個發射角0 10。探頭33A、33B，其發射角 ，，《，
為4°時的檢測情形示意二個探頭的超聲波發射路徑將指向具有凹槽結構的輪 輻輻輻凹槽下方位置區域，探頭33A、 33B分別檢測出該區域範圍內的周向缺陷 69， 68;也可檢測曲線輪輻15較深處的周向裂紋70。圖1還給出了，當二個發 射角0-10°探頭33A、 33B以0°發射時的檢測情形，可檢測出無輻板孔17遮 擋處下方的周向缺陷45、 46。
權利要求
1、一種機車車輛車輪輪輻缺陷超聲波檢測裝置，包括與控制機構相連的探頭支架(97)上連接有超聲波陣探頭，超聲波探頭在檢測時置於輪對的車輪(1)踏面(14)上，車輪踏面(14)的輪緣(12)頂端置於頂轉輪裝置的頂輪(91)和轉輪(92)上；超聲波探頭與數據採集、數據處理及控制計算機相連；其特徵在於所述的超聲波探頭為六個收發一體的探頭以及由發射探頭和接收探頭構成的四對探頭；其中四對探頭中每個探頭的發射角或接收角範圍均為15～33°，發射角或接收角與滾動圓間的夾角即扭轉角的範圍均為5～35°，每對探頭中發射探頭的發射角和接收探頭的接收角相同，扭轉角也相同；第一對探頭(21A，21B)、第三對探頭(23A，23B)的發射探頭和接收探頭在踏面上相距的弧長範圍為160-220mm，第二對探頭(22A，22B)、第四對探頭(24A，24B)的發射探頭和接收探頭在踏面上相距的弧長範圍為280-340mm；第一、第二對探頭(21A和21B、22A和22B)分布在滾動圓(16)旁靠近輪緣(12)一側，距離滾動圓(16)1-10mm，第三、第四對探頭(23A和23B、24A和24B)分布在滾動圓(16)旁靠近輪緣(12)一側，距離滾動圓(16)1-25mm；所述的六個收發一體探頭中二個直探頭(31A、31B)，其中一個設置於滾動圓(16)旁靠近輪緣一側，另一個設置在滾動圓(16)旁遠離輪緣(12)一側，與滾動圓(16)的軸向距離均為1-8mm；二個斜探頭(32A、32B)，其發射角(α31A，α31B)與滾動圓(16)面平行，距離滾動圓(16)的軸向距離為1-8mm的位置；二個發射角0～10°探頭(33A、33B)，，其中一個探頭(33B)設置於滾動圓(16)旁靠近輪緣(12)一側，其發射線方向偏離輪緣(12)側，另一個探頭(33A)設置在滾動圓(16)旁遠離輪緣(12)一側，其發射線方向指向輪緣(12)側，且與滾動圓(16)的軸向距離均為1-4mm。
2、如權利要求1所述的一種機車車輛車輪輪輻缺陷超聲波檢測裝置，其 特徵在於所述的超聲波探頭通過探頭夾具(98)與探頭支架(97)相連，探 頭夾具(98)上還設置有供水口，探頭夾具(98)與探頭支架(97)之間設有 彈簧減震機構。
全文摘要
一種機車車輛車輪輪輻缺陷超聲波檢測裝置，其超聲波探頭包括四對單發、單收的探頭及六個收發一體的探頭。四對探頭中每個探頭的發射角或接收角均為15～33°，扭轉角為5～35°，各對探頭按設定位置排列；六個收發一體探頭中二個直探頭，分別設置在滾動圓的兩側，與滾動圓的軸向距離為1-8mm；二個斜探頭，其發射角與滾動圓面平行，距離滾動圓的軸向距離為1-8mm；二個發射角為0～10°的探頭，分別設置於滾動圓旁的兩側，且與滾動圓的軸向距離均為1-4mm。該裝置能夠對各類車輪輪輻的缺陷進行全方位的檢測；檢測過程不需人工參與，檢出率高；檢測方法簡單，檢測結果可靠。
文檔編號G01N29/04GK101666781SQ20091016762
公開日2010年3月10日 申請日期2009年9月14日 優先權日2009年9月14日
發明者渝 張, 彭建平, 彭朝勇, 凱 楊, 黎 王, 王澤勇, 波 趙, 趙全柯, 高曉蓉, 煒 黃 申請人:成都主導科技有限責任公司