专利名称：一种基于三向超声衍射的小型履带式钢轨探伤装置与方法
技术领域：
本发明属于钢轨无损检测技术领域，具体涉及一种利用超声衍射和三向履带式滚进的钢轨探伤装置与方法。
背景技术：
随着铁路交通运输的高速发展，铁路运输线路越来越繁忙，车流密度也随之增加。 而运输线路上的钢轨在承担繁重的运输任务的过程中，由于列车对钢轨造成摩擦、挤压、弯曲和冲击作用，钢轨不可避免地会产生各种损伤，对于看得见的外部损伤如锈蚀、轨头压溃、剥离掉快、侧磨等都可以及时处理；而对于钢轨内部存在的残留夹杂和白点引起的核伤通过肉眼则无法识别，这些内部损伤长期存留于日夜运行的铁轨中将造成钢轨的横向裂纹、轨头断裂等严重的交通安全隐患。这些看不见的内伤，只有通过钢轨探伤仪才能发现， 然后根据探伤结果对钢轨及时地进行相应处理。技术上，超声波良好的声学特性以及近二十年来计算机与数字电子技术的长足发展为钢轨无损检测带来了更快捷、更准确、更人性化的应用。而传统的脉冲回波法作为超声无损检测的主流已经广泛应用于钢轨探伤领域。它利用超声探头向受检工件发射超声脉冲，并根据由工件缺陷反射回来的能量大小以及相位信息作为判定缺陷的依据。脉冲回波法由于长期应用于钢轨探伤领域，因而它在技术上相对成熟。然而，它在原理上依赖反射波的能量大小，属于对能量敏感的检测方法，在实际应用中，由于脉冲回波法的回波幅值敏感特性，使得它在定量检测方面往往性能不佳，这也是利用传统方法进行钢轨探伤的漏检风险不能更有效控制的原因之一。另一方面，在钢轨探伤中，与钢轨表面垂直的裂纹类缺陷的危害性往往很大，而对于这种取向与检测面垂直的缺陷，常规的脉冲回波检测方法常常因为难以做到入射声波与缺陷的反射面垂直，造成缺陷检出的困难，如果需要这类缺陷的位置、长度等定量信息时，常规的超声检测法通常无能为力。利用超声衍射原理进行无损检测的技术克服了常规脉冲回波法的诸多不足，具有广阔的应用空间，并为现代钢轨探伤技术带来了新的契机。它的物理基础是由荷兰物理学家惠更斯1690年提出的惠更斯原理。该原理指出，介质中的波动传到的各点，都可以看作是发射声波的新波源，以后时刻的波阵面，可由这些新波源发出的子波波前的包络面做出。 超声波从探头向受检物发射超声波，当超声波遇到诸如裂纹等线性缺陷时，会在缺陷的尖端部位产生衍射，根据惠更斯原理，每个缺陷的边缘都可以看作是超声波的信号源，并向外发射超声衍射波。利用超声衍射原理进行探伤就是记录下这些衍射波信号，作为判定损伤的依据。21世纪初，由英国国家无损检测中心提出的超声衍射时差法传入我国，该方法在我国无损检测领域逐步得到应用。然而，它在弥补传统脉冲回波法不足的同时，却带来了一些其它缺陷。例如，对横向缺陷检测能力差，在超声衍射时差法的缺陷图中，容易将横向缺陷误判为点缺陷；由于直通波与近表面缺陷衍射波容易混淆而导致该类缺陷检出效果不佳等劣势。另一方面，我国铁路网的完善与大幅度提速对钢轨探伤速度与效率提出了更高的要求。2009年我国建成的世界上里程最长、运营速度最高的武广高铁客运新干线其时速已经达到350公里。然而，现行的大型钢轨探伤车的时速却依然停留在几十公里，而小型的手推式探伤车时速仅仅只有几公里，这远远不能满足日益繁忙、高效的铁道运输和维护的需要。对于限制当前机动探伤车时速的主要原因在于必须控制探伤车行车速度以保证超声探头有足够的数据采样时间而不致回波失落。然而，当前机动探伤车在高速运行时，由于其探头与钢轨某一固定位置的接触时间过短而普遍不能满足高速探伤的需要。于1999年8月11日公开的中国发明专利申请CN1225453A，提出了一种改变传统液态耦合剂而采用固态耦合介质进行钢轨探伤的方法，该方法利用超声波束直接通过固态的滑板耦合到钢轨内，减小了在使用耦合液时出现的滞后，它能在一定程度上减少回波失落，然而该方法仍然存在一些缺陷与不足首先，采用固态耦合介质不能从实质上增加探头数据采样的时间，实际上的探伤速度并不能大幅度提高，而且固态耦合介质在磨损后影响探伤性能且更换复杂；第二，采用传统的脉冲回波法进行缺陷检测，在遇到取向与检测面垂直的缺陷难以检出，而且不能精确地定量检出缺陷的大小。
发明内容
针对目前在超声钢轨探伤技术领域存在的一些诸如探伤速度难以提高、效率低下、与检测面垂直的缺陷检出率低以及定量检测性能不佳等不足，本发明提出一种基于三向超声衍射的小型履带式钢轨探伤装置与方法。本发明采用履带式滚进代替传统的车轮驱动探伤车行走，从而使相同的探伤速度下对钢轨某一区域的数据采样时间大大增加。另一方面，该探伤装置行车系统的履带式结构是三向的，而利用所述装置的结构实现了一种更为精确的探伤方法。为达到本发明所期望的目的，将采用如下技术方案
该基于三向超声衍射的小型履带式钢轨探伤装置，包括三向履带式行车系统、若干个三向超声衍射检测子系统和超声检测主控系统。其中，所有三向超声衍射检测子系统和超声检测主控系统安装于三向履带式行车系统上，由三向履带式行车系统驱动所述基于三向超声衍射的小型履带式钢轨探伤装置行进；所述三向履带式行车系统的履带上内嵌各个三向超声衍射检测子系统的三向探头；所有三向超声衍射检测子系统均与超声检测主控系统并行连接；而超声检测主控系统对并行工作的各个三向超声衍射检测子系统进行管理。本发明所述三向履带式行车系统，包括3组履带，其中位于钢轨上方的履带为主履带，左右两侧的履带为辅履带，由主履带负责驱动探伤小车行进。3组履带在沿钢轨走向的方向上均内嵌若干超声波探头，检测时分别紧贴于钢轨的正上方以及左右两侧。根据履带沿钢轨走向的长度将内嵌超声探头的履带划分为若干检测子区(假设为N)，其中每个子区中每一侧履带都搭载1个超声探头，因为具有3组履带，故而划分的每个子区在三个方向上共搭载3个超声探头。在垂直于钢轨走向的某一剖面上，子区搭载的这3个超声探头即是三向超声衍射检测子系统的1组三向探头；所有紧贴钢轨的三向探头在检测时以不同频率并行工作，而每一个检测子区由一个相应的三向超声衍射检测子系统负责检测。由于这种履带式结构，在探伤装置行进时，每组三向探头停留在钢轨的某一固定检测区域的时间较传统方法大大增加，因而具有更长的数据采样时间。所述三向超声衍射检测子系统包括控制模块、压力传感器、耦合介质准备装置、超声波发射与接收切换通道、一组三向探头、波形采集模块、DSP模块、数据存储模块以及损伤分析模块。其中控制模块与压力传感器、耦合介质准备装置、超声波发射与接收切换通道以及一组三向探头分别相连；三向探头除与控制模块相连之外，仍与超声波发射与接收切换通道以及波形采集模块相连接；波形采集模块与DSP模块相连；数据存储模块与损伤分析模块互相连接，并且都与DSP模块连接。其中，控制模块负责接收压力传感器的响应信号并向与之相连的耦合介质准备装置、超声波发射与接收切换通道以及一组三向探头发送命令以控制它们工作；压力传感器安装于三向超声衍射检测子系统所负责检测子区的履带上，它负责持续监控该检测子区的履带压力是否突破某一预设的阈值；耦合介质准备装置负责在检测开始之前耦合介质的准备；超声波发射与接收切换通道用于切换该组三向探头中各子探头超声的发射与接收；一组三向探头负责在检测时发射与接收超声信号；波形采集模块负责采集检测到的波形信号；DSP模块负责将采集的信号进行去噪与隐藏信号提取处理；损伤分析模块负责对DSP模块处理后的信号进行分析以获取受检钢轨损伤信息；数据存储模块用于缓存DSP模块处理后的信号以及损伤分析结果。所述超声检测主控系统包括计算机主控模块、里程显示仪表、告警模块以及显示模块。里程显示仪表、告警模块以及显示模块依次与计算机主控模块相连接，而所有三向超声衍射检测子系统与计算机主控模块并行连接。每一个三向超声衍射检测子系统采集的数据都将并入计算机主控模块进行汇总并及时做出处理。计算机主控模块负责监控所有三向超声衍射检测子系统的工作状态，如果某子系统处于激活状态且已经完成当前损伤分析和数据存档工作，则将它的所有数据存档信息发送回计算机主控模块，并控制该子系统进入休眠状态；里程显示仪表负责显示该装置探伤的总里程数和当次探伤的里程数；告警模块负责根据计算机主控模块发来的命令鸣响警报以提示当前某钢轨受检区域有损伤；显示模块负责显示当前探伤结果。该小型履带式钢轨探伤装置的探伤方法中，三向超声衍射检测子系统的工作包括以下具体步骤
步骤1，在探伤装置行进中，压力传感器持续处于检测压力的工作状态。当某三向超声衍射检测子系统负责检测的履带区域滚进至与钢轨紧密接触时，压力传感器检测到的压力将突破某一阈值。此时，该子系统进入激活状态。步骤2，控制模块控制超声波发射与接收切换通道工作，使钢轨上方的探头A发射超声波，而钢轨两侧的超声探头B、C接收超声波，随后，记录下探头B、C接收到的波形。步骤3，控制模块控制超声波发射与接收切换通道工作，使钢轨一侧的探头B发射超声波，位于钢轨上方的探头A暂停工作，而位于钢轨另一侧的超声探头C接收超声波，随后，记录下探头C接收到的波形。步骤4，判定这组三向超声探头A、B、C接收到的所有波形去除直达波之外是否仍有衍射波，如果无衍射波，则该子系统所负责的检测子区无损伤；如果检测到衍射波，则跳转至下一步骤。步骤5，使步骤2中探头B、C检测到的波形和步骤3中探头C检测到的波形通过 DSP模块的去噪及隐藏信号提取处理得出它们接收到的衍射波的声程、相位信息。步骤6，从步骤5中得出的探头B收到波形的衍射波声程为
4、探头C第1次收到波形的衍射波声程为I1以及探头C第2次收到波形的衍射波声程为在该三向超声衍射检测子系统的受检区域的垂直钢轨走向的剖面建立平面直角坐标系，根据上述求解出的《、办、C值以及探头A、B、C的固定位置，则可在所建立的坐标系中确定该缺陷的具体位置，同时根据各个探头收到波形的相位信息可以判定发生衍射的缺陷处的诸如气泡、夹杂、裂纹上尖端、裂纹下尖端等的具体性质。若受检区域有多个产生衍射的缺陷处，则在步骤5中可得出每个探头接收到的多次衍射波数据，根据多组声程数据以上述方法列出多个方程组，即可求得发生衍射的各个缺陷位置，若缺陷为裂纹类缺陷，还可以根据裂纹上尖端和裂纹下尖端的具体位置计算出裂纹的长度信息。所述小型履带式钢轨探伤装置的超声检测主控系统的工作包括以下具体步骤 步骤1，计算机主控模块持续工作，它监控各个三向超声衍射检测子系统的工作状态
休眠状态与激活状态；进一步地，它监控处于激活状态的子系统的检测进度与数据处理进度。步骤2，计算机主控模块是否监控到某个子系统处于激活状态且已经完成损伤分析与数据存储工作，是则跳转至下一步骤，否则跳转至步骤1持续监控；需要特别说明的是，无论是否监控到满足上述条件的子系统，计算机主控模块对各个三向超声衍射检测子系统的监控都是持续不间断进行的。步骤3，将监控到的该处于激活状态且已经完成相应工作的子系统的损伤分析数据存入计算机主控模块的数据库，同时，切换该子系统进入休眠状态；需要特别说明的是， 即使子系统处于休眠状态，该子系统的压力传感器仍然处于工作状态。步骤4，计算机主控模块对于当前存入数据库的检测信息再次判定其是否属于钢轨有损伤信息。若钢轨有伤，显示模块显示出当前存入数据库的损伤信息，同时鸣响告警装置，并将当前出现损伤的探伤装置行车里程数信息存入数据库。步骤5，选择是否持续监控各个三向超声衍射检测子系统，是则仍然持续监控；否则结束，关闭整个探伤装置。由上述所阐述的技术方案可知，本发明创造性地采用了紧贴于钢轨左、右、上三侧的三向履带式行车系统代替传统的车轮驱动探伤车行走；同时，基于该三向结构提出了一种利用超声衍射的探伤方法；另一方面，将整个履带式钢轨探伤装置划分为多个子系统并行检测，而所有子系统由主控系统统一管理。与现有的钢轨探伤装置和技术相比，它具有如
^2，又已知波速为V，设产生衍射的缺陷点距离探头A、B、C的位置分别为《、b、c,则有如下方程组
权利要求
1.一种基于三向超声衍射的小型履带式钢轨探伤装置，其特征在于包括三向履带式行车系统、超声检测主控系统和若干个三向超声衍射检测子系统，其中，所有三向超声衍射检测子系统和超声检测主控系统安装于三向履带式行车系统上，由三向履带式行车系统驱动所述基于三向超声衍射的小型履带式钢轨探伤装置行进；所述三向履带式行车系统的履带上内嵌各个三向超声衍射检测子系统的三向探头；所有三向超声衍射检测子系统均与超声检测主控系统并行连接；而超声检测主控系统对并行工作的各个三向超声衍射检测子系统进行控制。
2.根据权利要求1所述的基于三向超声衍射的小型履带式钢轨探伤装置，其特征在于所述三向履带式行车系统包括三组履带，其中位于钢轨上方的履带为主履带，左右两侧的履带为辅履带，由主履带负责驱动探伤小车行进；3组履带在沿钢轨走向的方向上均内嵌若干超声波探头，检测时分别紧贴于钢轨的正上方以及左右两侧；根据履带沿钢轨走向的长度将内嵌超声探头的履带划分为若干检测子区，其中每个子区中每一侧履带都搭载一个超声探头，划分的每个子区在正上方以及左右两侧三个方向上共搭载三个超声探头；在垂直于钢轨走向的某一剖面上，所述子区搭载的三个超声探头即是所述三向超声衍射检测子系统中的一组三向探头；所有紧贴钢轨的三向探头在检测时以不同频率并行工作，而每一个检测子区由一个相应的三向超声衍射检测子系统负责检测。
3.根据权利要求1所述的基于三向超声衍射的小型履带式钢轨探伤装置，其特征在于所述三向超声衍射检测子系统包括控制模块、压力传感器、耦合介质准备装置、超声波发射与接收切换通道、一组三向探头、波形采集模块、DSP模块、数据存储模块以及损伤分析模块，其中控制模块与压力传感器、耦合介质准备装置、超声波发射与接收切换通道以及一组三向探头分别相连；三向探头除与控制模块相连之外，仍与超声波发射与接收切换通道以及波形采集模块相连接；波形采集模块与DSP模块相连；数据存储模块与损伤分析模块互相连接，并且都与DSP模块连接；其中，控制模块负责接收压力传感器的响应信号并向与之相连的耦合介质准备装置、超声波发射与接收切换通道以及一组三向探头发送命令以控制它们工作；压力传感器安装于三向超声衍射检测子系统所负责检测子区的履带上，它负责持续监控该检测子区的履带压力是否突破预设的阈值；耦合介质准备装置负责在检测开始之前耦合介质的准备；超声波发射与接收切换通道用于切换该组三向探头中各子探头超声的发射与接收；一组三向探头负责在检测时发射与接收超声信号；波形采集模块负责采集检测到的波形信号；DSP模块负责将采集的信号进行去噪与隐藏信号提取处理；损伤分析模块负责对DSP模块处理后的信号进行分析以获取受检钢轨损伤信息；数据存储模块用于缓存DSP模块处理后的信号以及损伤分析结果。
4.根据权利要求1所述的基于三向超声衍射的小型履带式钢轨探伤装置，其特征在于所述超声检测主控系统包括计算机主控模块、里程显示仪表、告警模块以及显示模块，里程显示仪表、告警模块以及显示模块依次与计算机主控模块相连接，而所有三向超声衍射检测子系统与计算机主控模块并行连接；每一个三向超声衍射检测子系统采集的数据都并入计算机主控模块进行汇总并及处理；计算机主控模块负责监控所有三向超声衍射检测子系统的工作状态，如果某子系统处于激活状态且已经完成当前损伤分析和数据存档工作，则将它的所有数据存档信息发送回计算机主控模块，并控制该子系统进入休眠状态；里程显示仪表负责显示该装置探伤的总里程数和当次探伤的里程数；告警模块负责根据计算机主控模块发来的命令鸣响警报以提示当前某钢轨受检区域有损伤；显示模块负责显示当前探伤结果。
5.权利要求广4任一项所述小型履带式钢轨探伤装置的探伤方法，包括超声检测主控系统和三向超声衍射检测子系统的工作过程，其特征在于超声检测主控系统的工作包括如下步骤步骤1，超声检测主控系统的计算机主控模块持续工作，它监控各个三向超声衍射检测子系统的工作状态休眠状态与激活状态；进一步地，它监控处于激活状态的三向超声衍射检测子系统的检测进度与数据处理进度；步骤2，计算机主控模块是否监控到某个三向超声衍射检测子系统处于激活状态且已经完成损伤分析与数据存储工作，是则跳转至下一步骤，否则跳转至步骤1持续监控；需要特别说明的是，无论是否监控到满足上述条件的子系统，计算机主控模块对各个三向超声衍射检测子系统的监控都是持续不间断进行的；步骤3，将监控到的该处于激活状态且已经完成相应工作的三向超声衍射检测子系统的损伤分析数据存入计算机主控模块的数据库，同时，切换该三向超声衍射检测子系统进入休眠状态；即使子系统处于休眠状态，该子系统的压力传感器仍然处于工作状态；步骤4，计算机主控模块对于当前存入数据库的检测信息再次判定其是否属于钢轨有损伤信息；若钢轨有伤，显示模块显示出当前存入数据库的损伤信息，同时鸣响告警装置， 并将当前出现损伤的探伤装置行车里程数信息存入数据库；步骤5，选择是否持续监控各个三向超声衍射检测子系统，是则仍然持续监控；否则结束，关闭整个探伤装置。
6.根据权利要求5所述的的探伤方法，其特征在于所述三向超声衍射检测子系统的工作包括如下步骤步骤一，在探伤装置行进中，压力传感器持续处于检测压力的工作状态；当某三向超声衍射检测子系统负责检测的履带区域滚进至与钢轨紧密接触时，压力传感器检测到的压力将突破某一阈值，此时，该三向超声衍射检测子系统进入激活状态；步骤二，控制模块控制超声波发射与接收切换通道工作，使钢轨上方的探头(A)发射超声波，而钢轨两侧的超声探头(B、C)接收超声波，随后，记录下钢轨两侧的超声探头(B、C) 接收到的波形；步骤三，控制模块控制超声波发射与接收切换通道工作，使钢轨一侧的超声探头(B)发射超声波，位于钢轨上方的探头(A)暂停工作，而位于钢轨另一侧的超声探头(C)接收超声波，随后，记录下该另一侧的超声探头(C)接收到的波形；步骤四，判定该三向超声衍射检测子系统中的这组三向超声探头(A、B、C)接收到的所有波形去除直达波之外是否仍有衍射波，如果无衍射波，则该子系统所负责的检测子区无损伤，不进行以下步骤；如果检测到衍射波，则进入下一步骤；步骤五，使步骤二中钢轨两侧的超声探头(B、C)检测到的波形和步骤三中所述另一侧的超声探头(C)检测到的波形通过DSP模块的去噪及隐藏信号提取处理得出它们接收到的衍射波的声程、相位信息；步骤六，从步骤五中得出的钢轨一侧的超声探头(B)收到波形的衍射波声程为k、所述另一侧的超声探头(C)第1次收到波形的衍射波声程为Ik以及第2次收到波形的衍射波声程为4 ,已知波速为ν设产生衍射的缺陷点距离该三向超声衍射检测子系统中的三向个超声探头(A、B、C)的位置分别为fli、ft、e ,则有如下方程组在该三向超声衍射检测子系统的受检区域的垂直钢轨走向的剖面建立平面直角坐标系，求解出的a、δ、e值以及三向个超声探头(A、B、C)的固定位置，则能在所建立的坐标系中确定该缺陷的具体位置，同时根据各个探头收到波形的相位信息能判定发生衍射的缺陷处的具体性质。
7.根据权利要求6所述的探伤方法，其特征在于所述缺陷处的具体性质包括气泡、夹杂、裂纹上尖端或裂纹下尖端，若受检区域有多个产生衍射的缺陷处，则在步骤5中得出每个探头接收到的多次衍射波数据，根据多组衍射波声程数据列出多个方程组，即能求得发生衍射的各个缺陷位置；若缺陷为裂纹类缺陷，还能根据裂纹上尖端和裂纹下尖端的具体位置计算出裂纹的长度信息。
全文摘要
本发明提供了一种基于三向超声衍射的小型履带式钢轨探伤装置及方法，装置包括三向履带式行车系统、超声检测主控系统和若干个三向超声衍射检测子系统，其中，所有三向超声衍射检测子系统和超声检测主控系统安装于三向履带式行车系统上；所述三向履带式行车系统的履带上内嵌各个三向超声衍射检测子系统的三向探头；方法通过三向超声衍射检测子系统均与三向超声衍射检测子系统的工作，采用履带式探伤，使相同的探伤速度下对钢轨某一区域的数据采样时间大大增加，同时基于所述三向结构，利用衍射波的传播声程进行缺陷估计，因而对接收回波脉冲的能量、幅值的大小不敏感，在能量衰减较大的检测环境中仍然能够精确工作。
文档编号G01N29/04GK102230915SQ201110085910
公开日2011年11月2日 申请日期2011年4月7日 优先权日2011年4月7日
发明者吴怡, 张军, 梁永麟, 韦岗 申请人:华南理工大学