一种基于轮对的相控阵超声探伤装置的制作方法

本发明涉及轮对探伤领域，尤其涉及一种基于轮对的相控阵超声探伤装置。

背景技术：

轮对是保证轨道车辆在钢轨上的运行和转向，承受来自轨道车辆的全部静、动载荷，把它传递给钢轨，并将因线路不平顺产生的载荷传递给轨道车辆各零部件的重要组成部分。轨道车辆轮对的工作状态对机车能否安全运行起着至关重要的作用。然而，司机操作不当进行紧急制动与车轮闸瓦材料不结实等因素均会使机车车轮损伤，因此，通过探伤检测手段捕获轮对的工作状态，有针对性、预测性地制定维修计划和管理决策，对保证轨道车辆安全可靠运行、避免事故的发生具有重要意义。

轮对变形量、踏面缺陷位置、车轮多边形等均会影响列车正常运行，而轮对形变会引起直径的变化，直径变化超过预设值时会严重影响列车的正常运行。

现有技术中，主要采用人工检测和超声探伤装置检测等方法对轮对进行探伤。其中：人工检测采用榔头敲击轮对辨别声音和观察轮对外形来判断轮对损伤，这种方法的主观性较强、准确率较低，容易出现漏检的情况；超声探伤装置进行探伤时，每次探伤只能对轮对某个角度进行探伤，需要探伤轮对多个角度时就需要变换该装置探头的多个相应角度，非常麻烦，浪费大量的人力、物力。

技术实现要素：

为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种基于轮对的相控阵超声探伤装置，通过检测轨道车辆的到来，触发轮对探伤设备对轮对进行探伤。采用超声波传感器组组成相控阵超声探伤装置对轮对一定深度进行探伤，并通过高清夜视摄像头组对轮对的轮缘和踏面的表面进行图像采集和识别，识别出轮缘、踏面表面的裂纹和锈斑，采用红外对射检测轮对的弦的变化量来计算轮对直径的变化量，进而判断轮对的外廓形变量。能有效精确测量轮对外廓形状尺寸参数，尤其是轮对踏面、轮缘部分的参数，并与设定安全阈值相比较，从而得到轮对变形量、踏面缺陷位置、车轮多边形等影响列车正常运行的轮对故障隐患。

为实现上述目的，本发明提供的一种基于轮对的相控阵超声探伤装置是这样实现的：

一种基于轮对的相控阵超声探伤装置，包括地磁传感器、第一红外发射器、第一红外接收器、超声波传感器组、喷水装置、高清夜视摄像头组、控制器、红外发射器组、红外接收器组，在火车站台前方的轨枕上安装地磁传感器，用于检测即将进站的车辆，便于超声波传感器组、高清夜视摄像头组提前进入工作状态等待检测轮对，地磁传感器前方安装第一红外发射器和第一红外接收器，用于检测即将进站的机车轮对，第一红外发射器和第一红外接收器检测到机车的轮对时，超声波传感器组、高清夜视摄像头组、红外发射器组、红外接收器组即开始检测机车轮对，第一红外发射器前方的钢轨两侧安装超声波传感器组作为相控阵超声探伤装置，用于检测轮对一定深度的缺陷，确定轮对内部的缺陷位置，高清夜视摄像头组钢轨外侧的超声波传感器组旁，对轮对的轮缘和踏面的表面进行图像采集，识别出轮缘、踏面表面的裂纹和锈斑，喷水装置安装在高清夜视摄像头组旁边，用于对高清夜视摄像头组的镜头进行清洗，红外发射器组、红外接收器组安装在钢轨侧，用于检测轮对的弦的变化量，通过红外发射器组向红外接收器组发射红外光，根据轮对的弦的变化量来计算轮对直径的变化量，进而判断轮对的外廓形变量，控制器安装在钢轨内测的超声波传感器组旁边，用于接收地磁传感器、第一红外接收器、超声波传感器组、高清夜视摄像头组采集到的信息，控制第一红外发射器向第一红外接收器发射红外线，控制喷水装置向高清夜视摄像头组喷水，接收红外接收器组接收到的红外发射器组发射来的红外光。

本发明的超声波传感器组、喷水装置、高清夜视摄像头组、控制器、红外发射器组、红外接收器组均安装在火车进站的轨道上，当火车进站时，速度相对比较慢，使得超声波传感器组、高清夜视摄像头组、红外发射器组、红外接收器组能对轮对更好的检测。

本发明的地磁传感器未检测到轨道车辆进站且第一红外发射器发射出来的红外光线被第一红外接收器接收到时，控制器判断当前没有机车进站，当地磁传感器检测到轨道车辆进站且第一红外发射器发射出来的红外光线被遮挡而不能被第一红外接收器接收到时，控制器判断当前有机车进站，此时超声波传感器组、高清夜视摄像头组、红外发射器组、红外接收器组即开始对进站的机车轮对进行检测，第一红外发射器和第一红外接收器每检测到一个轮对经过时，控制器对它进行计数并编号，同时将该轮对被超声波传感器组、高清夜视摄像头组、红外发射器组、红外接收器组检测到的数据进行对应，便于得知当前进站的机车的哪一个轮对存在哪些缺陷。

本发明的超声波传感器组包括电磁超声波传感器、第一金属锲形块，第一金属锲形块长度为3.5米，在第一金属锲形块上每隔0.01米安装一个电磁超声波传感器，组成相控阵超声探伤装置，控制器根据每个电磁超声波传感器传来的数据信息判断当前轮对内部存在的缺陷及缺陷所在位置。

本发明的高清夜视摄像头组包括高清夜视摄像头、第二金属锲形块，第二金属锲形块长3.5米，在第二金属锲形块上每隔0.08米安装一个高清夜视摄像头，组成相控阵摄像组，控制器根据每个高清夜视摄像头传来的数据信息识别出轮缘、踏面表面的裂纹和锈斑。

本发明的红外发射器组采用多个第二红外发射器组成，红外接收器组由多个第二红外接收器组成，每个第二红外接收器接收一个第二红外发射器发出的红外光，红外发射器组、红外接收器组超出钢轨一定高度，轮对经过红外发射器组、红外接收器组时，轮对挡住红外光的部分就为轮对的弦长，轮对转动一圈，通过第二红外接收器未接收到红外光的数量来计算轮对的弦的长度，进而判断轮对外廓形变量，当轮对的弦长低于预设值时，就判断轮对的形变量威胁到了列车的安全行驶。

本发明的电磁超声波传感器与钢轨垂直方向成30度角，与钢轨竖直方向成90度角，便于电磁超声波传感器能全面检测轮对的一定深度缺陷，高清夜视摄像头与钢轨垂直方向成30度角，与钢轨竖直方向成60度角，高清夜视摄像头对轮对的轮缘和踏面的表面进行图像采集，识别出轮缘、踏面表面的裂纹和锈斑，每个高清夜视摄像头的斜上方设有一个喷水装置，用于为高清夜视摄像头清洗镜面，防止灰尘污染高清夜视摄像头的镜面。

本发明的电磁超声波传感器包括电磁铁、脉冲发生器、电磁线圈、脉冲接收器，脉冲发生器和脉冲接收器安装在电磁铁与电磁线圈之间，脉冲发生器向电磁线圈提供高频激励电流，电磁线圈在高频激励电流的作用下在轮对表面产生感应涡流，感应涡流在电磁铁的作用下会受到洛伦兹力的作用产生电磁超声，同样，强大的脉冲电流会向外辐射一个脉冲磁场，脉冲磁场和电磁铁产生的磁场的复合作用会产生磁致伸缩效应，磁致伸缩力的作用也产生不同波形的电磁超声，发射到轮对的电磁超声波反射回到脉冲接收器中，脉冲接收器再将信息传输到控制器中进行处理，与控制器中设定安全阈值相比较，从而得到轮对缺陷的位置。

本发明的喷水装置包括水管、电磁阀，水管安装在高清夜视摄像头的斜上方，且水管上设有电磁阀，需要对高清夜视摄像头进行清洗时，控制器控制电磁阀打开，将水管中的水喷向高清夜视摄像头的镜片上进行清洗。

本发明的控制器包括控制电路板、可编程逻辑控制器、光电隔离驱动器，控制电路板用于接收地磁传感器、第一红外接收器、脉冲接收器、高清夜视摄像头、第二红外接收器采集到的数据信息，且在控制电路板中预设轮对外廓形状尺寸参数值，控制可编程逻辑控制器的动作，进而控制第一红外发射器、电磁阀、光电隔离驱动器、第二红外发射器工作，其中光电隔离驱动器用于将电磁铁、脉冲发生器与控制电路板隔离开，防止电磁铁、脉冲发生器上产生的高电压烧坏控制电路板。

本发明对轮对探伤的方案流程为：先对系统初始化，启动地磁传感器对即将进站的机车进行检测，当地磁传感器检测到有机车到来时，控制器控制超声波传感器组、高清夜视摄像头组、红外发射器组、红外接收器组提前进入工作状态等待对轮对进行探伤，接着第一红外发射器发出的红外光被轮对遮挡时，第一红外接收器接收不到第一红外发射器发出的红外光，控制器控制超声波传感器组、高清夜视摄像头组开始对轮对进行探伤，超声波传感器组检测轮对一定深度存在的缺陷，确定缺陷的位置，同时，高清夜视摄像头组对轮对的轮缘和踏面的表面进行图像采集，识别出轮缘、踏面表面的裂纹和锈斑，轮对经过红外发射器组、红外接收器组时，轮对挡住红外光的部分就为轮对的弦长，轮对转动一圈，通过第二红外接收器未接收到红外光的数量来计算轮对的弦的长度，进而判断轮对外廓形变量，第一红外发射器和第一红外接收器每检测到一个轮对经过时，控制器对它进行计数并编号，同时将该轮对被超声波传感器组和高清夜视摄像头组检测到的数据进行对应，便于得知当前进站的机车的哪一个轮对存在哪些缺陷，需要对高清夜视摄像头进行清洗时，控制器控制电磁阀打开，将水管中的水喷向高清夜视摄像头的镜头，对高清夜视摄像头的镜头进行清洗。

由于本发明采用地磁传感器检测轨道车辆的到来，采用超声波传感器组组成相控阵超声探伤装置对轮对一定深度进行探伤；通过高清夜视摄像头组对轮对的轮缘和踏面的表面进行图像采集并识别轮缘、踏面表面的裂纹和锈斑；采用红外发射器组、红外接收器组采集轮对的弦的长度，进而判断轮对外廓形变量的结构，从而可以得到以下有益效果：

本发明能有效精确测量轮对外廓形状尺寸参数，尤其是轮对踏面、轮缘部分的参数，并与设定安全阈值相比较，从而得到轮对变形量、踏面缺陷位置、车轮多边形等影响列车正常运行的轮对故障隐患。

本发明的第一红外发射器和第一红外接收器每检测到一个轮对经过时，控制器对它进行计数并编号，同时将该轮对被超声波传感器组和高清夜视摄像头组检测到的数据进行对应，便于得知当前进站的机车的哪一个轮对存在哪些缺陷。

附图说明

图1为本发明一种基于轮对的相控阵超声探伤装置的安装结构示意图；

图2为本发明一种基于轮对的相控阵超声探伤装置的超声波传感器组的结构示意图；

图3为本发明一种基于轮对的相控阵超声探伤装置的高清夜视摄像头组结构示意图；

图4为本发明一种基于轮对的相控阵超声探伤装置的电磁超声波传感器、高清夜视摄像头、喷水装置的安装结构示意图；

图5为本发明一种基于轮对的相控阵超声探伤装置的电磁超声波传感器的结构示意图；

图6为本发明一种基于轮对的相控阵超声探伤装置的喷水装置的结构示意图；

图7为本发明一种基于轮对的相控阵超声探伤装置的红外发射器组、红外接收器组的安装结构示意图；

图8为本发明一种基于轮对的相控阵超声探伤装置的工作原理图；

图9为本发明一种基于轮对的相控阵超声探伤装置对轮对探伤的方案流程图。

主要元件符号说明。

具体实施方式

下面结合实施例并对照附图对本发明作进一步详细说明。

请参阅图1至9，所示为本发明中的一种基于轮对的相控阵超声探伤装置，包括地磁传感器1、第一红外发射器2、第一红外接收器3、超声波传感器组4、喷水装置5、高清夜视摄像头组6、控制器7、红外发射器组21、红外接收器组22。

如图1所示，所述的在火车站台前方的轨枕上安装地磁传感器1，用于检测即将进站的车辆，便于超声波传感器组4、高清夜视摄像头组6提前进入工作状态等待检测轮对，地磁传感器1前方安装第一红外发射器2和第一红外接收器3，用于检测即将进站的机车轮对，第一红外发射器2和第一红外接收器3检测到机车的轮对时，超声波传感器组4、高清夜视摄像头组6、红外发射器组21、红外接收器组22即开始检测机车轮对，第一红外发射器2前方的钢轨两侧安装超声波传感器组4作为相控阵超声探伤装置，用于检测轮对一定深度的缺陷，确定轮对内部的缺陷位置，高清夜视摄像头组6钢轨外侧的超声波传感器组4旁，对轮对的轮缘和踏面的表面进行图像采集，识别出轮缘、踏面表面的裂纹和锈斑，喷水装置5安装在高清夜视摄像头组6旁边，用于对高清夜视摄像头组6的镜头进行清洗，红外发射器组21、红外接收器组22安装在钢轨侧，用于检测轮对的弦的变化量，通过红外发射器组21向红外接收器组22发射红外光，根据轮对的弦的变化量来计算轮对直径的变化量，进而判断轮对的外廓形变量，控制器7安装在钢轨内测的超声波传感器组4旁边，用于接收地磁传感器1、第一红外接收器3、超声波传感器组4、高清夜视摄像头组6采集到的信息，控制第一红外发射器2向第一红外接收器3发射红外线，控制喷水装置5向高清夜视摄像头组6喷水，接收红外接收器组22接收到的红外发射器组21发射来的红外光。

所述的超声波传感器组4、喷水装置5、高清夜视摄像头组6、控制器7、红外发射器组21、红外接收器组22均安装在火车进站的轨道上，当火车进站时，速度相对比较慢，使得超声波传感器组4、高清夜视摄像头组6、红外发射器组21、红外接收器组22能对轮对更好的检测。

所述的地磁传感器1未检测到轨道车辆进站且第一红外发射器2发射出来的红外光线被第一红外接收器3接收到时，控制器7判断当前没有机车进站，当地磁传感器1检测到轨道车辆进站且第一红外发射器2发射出来的红外光线被遮挡而不能被第一红外接收器3接收到时，控制器7判断当前有机车进站，此时超声波传感器组4、高清夜视摄像头组6、红外发射器组21、红外接收器组22即开始对进站的机车轮对进行检测，第一红外发射器2和第一红外接收器3每检测到一个轮对经过时，控制器7对它进行计数并编号，同时将该轮对被超声波传感器组4、高清夜视摄像头组6、红外发射器组21、红外接收器组22检测到的数据进行对应，便于得知当前进站的机车的哪一个轮对存在哪些缺陷。

所述的地磁传感器1检测机车即将进站的依据在于：机车每经过一个地方时，会对该处地球磁场产生巨大的扰动，地磁传感器1可以分辨出地球磁场6000分之1的变化，而当车辆通过时对地磁的影响将达到地磁强度的几分之一，以此来判断机车的到来。

如图2所示，所述的超声波传感器组4包括电磁超声波传感器8、第一金属锲形块9，第一金属锲形块9长度为1.5米，在第一金属锲形块9上每隔0.01米安装一个电磁超声波传感器8，组成相控阵超声探伤装置，控制器7中的控制电路板18根据每个电磁超声波传感器8传来的数据信息与预设值比较，判断当前轮对存在的缺陷及缺陷所在位置。

如图3所示，所述的高清夜视摄像头组6包括高清夜视摄像头10、第二金属锲形块11，第二金属锲形块11长1.5米，在第二金属锲形块11上每隔0.08米安装一个高清夜视摄像头10，组成相控阵摄像组，控制器7中的控制电路板18根据每个高清夜视摄像头10传来的数据信息来识别轮缘、踏面表面的裂纹和锈斑等。

如图4所示，所述的电磁超声波传感器8与钢轨垂直方向成30度角，与钢轨竖直方向成90度角，便于电磁超声波传感器8能全面检测轮对一定深度缺陷，高清夜视摄像头10与钢轨垂直方向成30度角，与钢轨竖直方向成60度角，高清夜视摄像头10对轮对的轮缘和踏面的表面进行图像采集，识别轮缘、踏面表面的裂纹和锈斑，每个高清夜视摄像头10的斜上方设有一个喷水装置5，用于为高清夜视摄像头10清洗镜面，防止灰尘污染高清夜视摄像头10的镜面。

如图5所示，所述的电磁超声波传感器8包括电磁铁12、脉冲发生器13、电磁线圈14、脉冲接收器15，脉冲发生器13和脉冲接收器15安装在电磁铁12与电磁线圈14之间，脉冲发生器13向电磁线圈14提供高频激励电流，电磁线圈14在高频激励电流的作用下在轮对表面产生感应涡流，感应涡流在电磁铁12的作用下会受到洛伦兹力的作用产生电磁超声，同样，强大的脉冲电流会向外辐射一个脉冲磁场，脉冲磁场和电磁铁12产生的磁场的复合作用会产生磁致伸缩效应，磁致伸缩力的作用也产生不同波形的电磁超声，发射到轮对的电磁超声波反射回到脉冲接收器15中，脉冲接收器15再将信息传输到控制器7中进行处理，与控制器7中设定安全阈值相比较，从而得到轮对缺陷的位置。

如图6所示，所述的喷水装置5包括水管16、电磁阀17，水管16安装在高清夜视摄像头10的斜上方，且水管16上设有电磁阀17，需要对高清夜视摄像头10进行清洗时，控制器7控制电磁阀17发开，将水管16中的水喷向高清夜视摄像头10的镜片上进行清洗。

如图7所示，所述的红外发射器组21采用多个第二红外发射器23组成，红外接收器组22由多个第二红外接收器24组成，每个第二红外接收器24接收一个第二红外发射器23发出的红外光，红外发射器组21、红外接收器组22超出钢轨一定高度，轮对经过红外发射器组21、红外接收器组22时，轮对挡住红外光的部分就为轮对的弦长，轮对转动一圈，通过第二红外接收器24未接收到红外光的数量来计算轮对的弦的长度，进而判断轮对外廓形变量，当轮对的弦长低于预设值时，控制器7即判断轮对的形变量威胁到了列车的安全行驶。

如图8所示，所述的控制器7包括控制电路板18、可编程逻辑控制器19、光电隔离驱动器20，控制电路板18用于接收地磁传感器1、第一红外接收器3、脉冲接收器15、高清夜视摄像头10采集到的数据信息，且在控制电路板18中预设轮对外廓形状尺寸参数值，控制可编程逻辑控制器19的动作，进而控制第一红外发射器2、电磁阀17、光电隔离驱动器20工作，其中光电隔离驱动器20用于将电磁铁12、脉冲发生器13与控制电路板18隔离开，防止电磁铁12、脉冲发生器13上产生的高电压烧坏控制电路板18。

如图9所示，所述的轮对探伤的方案流程为：先对系统初始化，启动地磁传感器1对即将进站的机车进行检测，当地磁传感器1检测到有机车到来时，控制器7控制超声波传感器组4、高清夜视摄像头组6、红外发射器组21、红外接收器组22提前进入工作状态等待对轮对进行探伤，接着第一红外发射器2发出的红外光被轮对遮挡时，第一红外接收器3接收不到第一红外发射器2发出的红外光，控制器7控制超声波传感器组4、高清夜视摄像头组6开始对轮对进行探伤，超声波传感器组4检测轮对的表面及近表面一定深度存在的缺陷，确定缺陷的位置，同时，高清夜视摄像头组6对轮对的轮缘和踏面的表面进行图像采集和识别，识别出轮缘、踏面表面的裂纹和锈斑，轮对经过红外发射器组21、红外接收器组22时，轮对挡住红外光的部分就为轮对的弦长，轮对转动一圈，通过第二红外接收器24未接收到红外光的数量来计算轮对的弦的长度，进而判断轮对外廓形变量，第一红外发射器2和第一红外接收器3每检测到一个轮对经过时，控制器7对它进行计数并编号，同时将该轮对被超声波传感器组4和高清夜视摄像头组6检测到的数据进行对应，便于得知当前进站的机车的哪一个轮对存在哪些缺陷，需要对高清夜视摄像头10进行清洗时，控制器7控制电磁阀17打开，将水管16中的水喷向高清夜视摄像头10的镜头，对高清夜视摄像头10的镜头进行清洗。

本发明的工作原理与工作过程如下：

如图8所示，所述的当地磁传感器1检测到有机车到来时，控制器7控制超声波传感器组4、高清夜视摄像头组6、红外发射器组21、红外接收器组22提前进入工作状态等待对轮对进行探伤，接着第一红外发射器2发出的红外光被轮对遮挡时，第一红外接收器3接收不到第一红外发射器2发出的红外光，控制器7中的控制电路板18控制可编程逻辑控制器19的工作状态来控制电磁阀17、光电隔离驱动器20工作，进而控制电磁铁12、脉冲发生器13工作，对轮对的表面及近表面一定深度存在的缺陷，确定缺陷的位置，控制电路板18对高清夜视摄像头组6采集到的轮对的轮缘和踏面的表面图像信息进行分析处理，识别出轮缘、踏面表面的裂纹和锈斑，轮对经过红外发射器组21、红外接收器组22时，轮对挡住红外光的部分就为轮对的弦长，轮对转动一圈，通过第二红外接收器24未接收到红外光的数量来计算轮对的弦的长度，进而判断轮对外廓形变量，第一红外发射器2和第一红外接收器3每检测到一个轮对经过时，控制器7对它进行计数并编号，同时将该轮对被超声波传感器组4和高清夜视摄像头组6检测到的数据进行对应，便于得知当前进站的机车的哪一个轮对存在哪些缺陷，需要对高清夜视摄像头10进行清洗时，控制器7控制电磁阀17打开，将水管16中的水喷向高清夜视摄像头10的镜头，对高清夜视摄像头10的镜头进行清洗。