一种双轨履带式钢轨探伤装置及其变频探伤方法
【专利摘要】本发明公开了一种双轨履带式钢轨探伤装置，包括：承载与导向部分、动力与控制部分、探测与通信部分、喷水与标记部分。本发明还公开了一种应用于双轨履带式钢轨探伤装置的变频探伤方法，其特征在于，包括以下步骤：1）微型计算机开机，探测与通信部分、喷水与标记部分等处于工作状态；2）探伤装置沿钢轨向前运动，喷水系统在履带式探头组的前方向钢轨表面喷水；3）履带式探头组通过内部的超宽带收发模块接收微型计算机发出的探测指令，向钢轨内发射高能效的宽带变频连续超声波信号，并将接收的回波传回微型计算机；4）微型计算机对收到的回波信号进行分析处理。具有检测速度快、检测效率高和使用方便等优点。
【专利说明】一种双轨履带式钢轨探伤装置及其变频探伤方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及超声波无损探测技术和无线通信技术，具体涉及一种双轨履带式钢轨探伤装置及其变频探伤方法；本发明同时将多个超声波探头集成在单个履带片内，将由这种履带片构成的履带式钢轨探伤装置与导向机构相结合，组成一种简易的钢轨探伤小车，实现对钢轨的无损检测。
【背景技术】
[0002]我国铁路运输繁忙，列车运行间隔只有十几分钟，同时，运营线路近八万公里，线路状况较差，超期服役钢轨数量很大，导致钢轨损伤发生率高。为了保障铁路运输安全，需要定期对线路进行检查，并对损坏的钢轨进行更换。目前检测钢轨内部缺陷的主要设备为无动力的小型钢轨超声探伤仪，用人工推行的方法进行钢轨探伤。为防止损伤的发生和恶化，平均每年每条线路需检测十遍以上，总检测里程近一百万公里。全线有近万名专职钢轨探伤人员负责钢轨探伤这项艰苦的工作。上世纪90年代以来，我国逐步从美国、西欧等国家分批引进了大型钢轨探伤车，但是此类设备价格昂贵，关键技术受制于人，到目前为止，全国一共就30台左右，远不能满足我国铁路系统的需求。随着中国铁路网建设的加速和列车的进一步提速，对能够完成智能化钢轨探伤设备的需求日益迫切，研究开发新的在役钢轨探伤的装置，对铁路运输业具有重要意义。
[0003]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。它利用超声波探头向受检工件发射超声波脉冲，并根据反射波的能量大小以及相位信息来判断钢轨有无缺陷。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。标志当前领先技术的是由美国Sprry公司制造的RTS系列大型钢轨探伤车。该系列大型钢轨探伤车由机械子系统和后台处理子系统两大部分构成。其中机械子系统由用于布置超声波探头组件的探伤小车和液压系统、空气系统、水系统及标记系统等机构组成；后台处理子系统主要由主计算机和A/D转换器、远程放大器以及系统打印机等外部设备组成。实际工作中能够以最闻时速80km/h对铁路钢轨进行探伤。
[0004]发送脉冲波的钢轨探伤车的机械子系统和后台处理子系统是通过有线电缆来进行连接，这条电缆线除了传送供探头发射和接收的信号，还要为探头供电。钢轨探伤车的探头一般需要IOOv以上的电压进行驱动，当脉冲的峰值幅度要求比较大时，要求驱动的电压更高，大型钢轨探伤车需要300v的高压驱动。这使得探头和后台处理子系统之间必须有一条电缆线给探头提供高压驱动，同时高压电路不利于用微电子化的集成电路来使探头小型化。另外，脉冲回波法通过对接收到的回波检测幅度来判断回波的达到时间，从而确定伤损的位置，而幅度容易受噪声影响，检测的精度比较有限。
[0005]当前，用于钢轨探伤的超声波探头主要是轮式探头。轮式探头由探头支架和探轮外膜组成，探头支架安装在轮轴上用于固定超声波探头，探轮外膜由透声树脂材料制作，用于包裹整个内腔的透声耦合液。探头支架上一般安装五个超声波探头，向钢轨发射三种不同方向和不同频率的超声波。探伤时，探轮外膜随车运动而向前滚动，而其中的超声波探头不动，以保持超声波的发射和接收方向不变。然而，轮式探头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，定量检测方面性能不佳。这也是在实际应用中利用传统方法进行钢轨探伤时漏检率不能有效控制的原因之一。总结当前普遍使用的轮式超声波探头组件的特点，存在以下缺点和不足:
[0006]1、脉冲波发射时间短，脉冲幅度高，因此需要较高的发射能量，使得脉冲发射信号能效低。
[0007]2、发送脉冲波使得探头和后端系统通过有线电缆连接来提供高压驱动，使得整套系统成为庞大的整体，移动性不好。
[0008]3、在钢轨探伤过程中，超声波探头与钢轨始终处于相对运动状态，采样时间只有零点几毫秒，再加上多普勒效应、检测灵敏度不高等一系列问题，使得探测效率低下、探测速度无法提高。所以需要定制专门的探伤车，在应用中需专门安排探伤的“天窗时间”。
[0009]4、因为声波通常只在垂直、光滑缺陷表面形成反射，所以基于脉冲回波法在探测与钢轨轨道面垂直的轨头核伤及焊缝时，基本无法接收到缺陷回波，漏检概率较大。
[0010]5、易损件消耗量大，维护成本高。现有透声树脂材料制作的探轮外膜每个单价上千元，而且因为需要包裹大量耦合液体，所以轮胎面出现微小的损伤就需要更换。我国铁路干线有3万公里(均为复线，不包括各城市地铁、轻轨及近5万公里的支线)，若全部改用大型探伤车检测，年检按最低6次计。钢轨探伤车同时使用4个探轮，按每个探轮行驶IOOkm使用极限距离计算，仅仅探轮外膜消耗每年就高达上千万元。
[0011]6、通过性较差、操作较复杂。钢轨道岔中的有害空间少则几十毫米，多则一百多毫米。对于主流的轮式探头，因为接触面小，过道岔时会直接陷入道岔的有害空间中，对超声波探头造成很大的冲击，容易毁坏超声波探头。为了不至于发生此类毁坏超声波探头的事件，每次过道岔时都要人为将超声波探头提起，给探伤车操纵者造成很大的不便，并且也不能完全杜绝这类事件的发生。
[0012]7、设备庞大、价格昂贵，一套大型钢轨探伤系统的价格高达数千万元，且无自主知识产权，关键零部件和核心技术受制于人。
【发明内容】
[0013]本发明的首要目的在于克服目前在钢轨超声波探伤【技术领域】存在的一些诸如探伤速度难以提高、漏检率高、成本高及操作复杂等缺点与不足，提出一种双轨履带式钢轨探伤装置，该装置是一种简易的双轨履带式钢轨探伤装置。
[0014]本发明的另一目的在于克服目前钢轨超声波探伤【技术领域】所用的探测信号以脉冲为主、存有能量效率不高等缺点与不足，提出一种应用于双轨履带式钢轨探伤装置的变频探伤方法，该方法与信道特性动态匹配的宽带变频连续信号作为发射信号，是一种高能效的变频探伤方法。
[0015]本发明的首要目的通过以下技术方案实现:一种双轨履带式钢轨探伤装置，包括承载与导向部分、动力与控制部分、探测与通信部分和喷水与标记部分这四个组成部分；各部分的基本功能分别是:承载与导向部分是整个钢轨探伤装置的骨架，其它设备和部分全部安装在该部分上，该部分的功能是确保整个探测装置在钢轨上平稳的运行；动力与控制部分为整个装置提供动力和电力，控制整个装置的运动以及履带式超声波探头组的起降；探测与通信部分是整个装置的核心部分，其功能是对钢轨进行超声波探测，对超声波回波进行简单的分析处理，当检测到钢轨中存在伤损时，立即通过无线数据传输模块将相关数据发送到后台计算机系统进行进一步的分析处理；喷水与标记部分作为整个装置的附属部分，其功能是向钢轨喷水以及在探测到存在伤损的位置作上标记，喷水是为了履带式超声波探头组与钢轨表面的良好耦合。
[0016]所述四个组成部分的结构分别是:承载与导向部分包括承载座、支架、导向轮、导向轮轴这四个部分，其中承载座为平板结构，其它所有部分与机构均安装在承载座上，支架由4根金属杆和相应连接件组成，将承载座与导向轮轴连接起来，导向轮共有4组，每组2个导向轮之间通过导向轮轴连接，导向轮轴再通过连接件与支架连接，导向轮与钢轨接触并配合，确保整个装置在钢轨上平稳的运行；动力与控制部分由蓄电池、驱动电机、起降电机、起落架及相应传动件组成，蓄电池向驱动电机、起降电机以及探测与通信部分供电，驱动电机通过相应传动件与导向轮轴连接，驱动整个钢轨探伤装置沿钢轨运动，起降电机与起落架连接，起落架与履带轮轴连接，起降电机通过驱动起落架控制整个履带式超声波探头组的升起与降落，使得履带式超声波探头组与钢轨表面的分离与结合；探测与通信部分由两个履带式超声波探头组、A/D与D/A转换器、微型计算机、UWB收发单元、无线数据传输模块组成，履带式超声波探头组负责发射和接收超声波信号，A/D与D/A转换器主要负责模拟与数字信号之间的转换，微型计算机主要负责产生探测所需的数字信号、对接收的信号进行简单的分析处理、将钢轨伤损区域的数据通过无线数据传输模块发送到后台计算机系统并接收后台计算机发出的数据，履带式超声波探头组采用本人在发明专利《一种履带式钢轨探伤的无线超声波探头组件及其探伤方法》(专利号201110449210.5)中提出的装置，其详细结构和工作步骤亦在此专利中给出；喷水与标记部分由喷水和标记两个子系统组成，其中喷水子系统由水箱、4个水喷头以及相应水管和控制阀构成，标记子系统由油漆罐、2个油漆喷头以及相应控制阀组成。履带式超声波探头组能无线使用的前提是使用与信道特性动态匹配的连续宽带变频信号作为发射信号，降低发射信号功率，利于微电子集成，从而实现无线超声波探头和履带式的探头阵列。
[0017]本发明的另一目的通过以下技术方案实现:一种应用于双轨履带式钢轨探伤装置的变频探伤方法，包括以下步骤:
[0018]I)首先将本装置放置于钢轨上，导向轮与钢轨耦合；起降电机将履带式探头组放下，使履带式探头组与钢轨表面接触并保持一定的压力；微型计算机开机，探测与通信部分、喷水与标记部分等处于工作状态。
[0019]2)操作人员通过后台计算机系统发出探测指令，无线数据传输模块将探测指令发送到微型计算机，微型计算机按照后台计算机的指令控制双轨履带式钢轨探伤装置的各部分开始工作，即整个探伤装置沿钢轨向前运动，喷水系统在履带式探头组的前方向钢轨表面喷水(耦合液)。
[0020]3)履带式探头组通过内部的超宽带(UWB)收发模块接收微型计算机发出的探测指令，向钢轨内发射高能效的宽带变频连续超声波信号，并将接收的回波传回微型计算机。
[0021]4)微型计算机对收到的回波信号进行简单的分析处理，主要是通过频率估计和已知的变频模式来获取探测物的位置信息，分析钢轨有无伤损，不对伤损的信号进行进一步分析，而是在发现伤损后，将伤损区域的信号通过无线数据传输模块传输到后台计算机系统进行进一步的分析处理和三维成像等。
[0022]本发明的原理:本发明的变频探伤方法是一种高能效的变频探伤方法，需要设计与信道特性动态匹配的宽带变频连续信号作为发射信号，其原理分析如下:
[0023]根据香农信息论，信号的信息量为:
[0024]
【权利要求】
1.一种双轨履带式钢轨探伤装置，其特征在于，包括:承载与导向部分、动力与控制部分、探测与通信部分、喷水与标记部分，所述动力与控制部分、探测与通信部分、喷水与标记部分均安装于承载与导向部分； 所述承载与导向部分用于确保整个探测装置在钢轨上平稳的运行； 所述动力与控制部分用于为整个装置提供动力和电力，控制整个装置的运动以及履带式超声波探头组的起降； 所述探测与通信部分用于对钢轨进行超声波探测，对超声波回波进行简单的分析处理，当检测到钢轨中存在伤损时，立即通过无线数据传输模块将相关数据发送到后台计算机系统进行进一步的分析处理； 所述喷水与标记部分用于向钢轨喷水以及在探测到存在伤损的位置作上标记，喷水是为了履带式超声波探头组与钢轨表面的良好耦合。
2.根据权利要求1所述的双轨履带式钢轨探伤装置，其特征在于，所述承载与导向部分包括承载座、支架、导向轮和导向轮轴，所述承载座为平板结构，所述支架、导向轮和导向轮轴均安装在承载座上； 所述动力与控制部分包括蓄电池、驱动电机、起降电机、起落架及相应传动件，所述蓄电池向驱动电机、起降电机以及探测与通信部分供电，驱动电机通过相应传动件与导向轮轴连接，驱动整个钢轨探伤装置沿钢轨运动，起降电机与起落架连接，起落架与履带轮轴连接，起降电机通过驱动起落架控制整个履带式超声波探头组的升起与降落，使得履带式超声波探头组与钢轨表面的分离与结合；探测与通信部分由两个履带式超声波探头组、A/D与D/A转换器、微型计算机、UWB收发单元、无线数据传输模块组成，履带式超声波探头组负责发射和接收超声波信号，A/D与D/A转换器用于模拟与数字信号之间的转换，微型计算机用于产生探测所需的数字信号、对接收`的信号进行简单的分析处理、将钢轨伤损区域的数据通过无线数据传输模块发送到后台计算机系统并接收后台计算机发出的数据； 所述喷水与标记部分包括喷水子系统和标记子系统。
3.根据权利要求2所述的所述双轨履带式钢轨探伤装置，其特征在于，所述支架由4根金属杆和相应连接件组成，将承载座与导向轮轴连接起来，导向轮共有4组，每组2个导向轮之间通过导向轮轴连接，导向轮轴再通过连接件与支架连接，导向轮与钢轨接触并配合，用于确保整个装置在钢轨上平稳的运行； 所述喷水子系统包括水箱、4个水喷头、水管和控制阀，标记子系统包括油漆罐、2个油漆喷头和控制阀；履带式超声波探头组用于降低发射信号功率和无线超声波探头和履带式的探头阵列。
4.一种应用于双轨履带式钢轨探伤装置的变频探伤方法，其特征在于，包括以下步骤: 1)将所述双轨履带式钢轨探伤装置放置于钢轨上，导向轮与钢轨耦合；起降电机将履带式探头组放下，使履带式探头组与钢轨表面接触并保持一定的压力；微型计算机开机，探测与通信部分、喷水与标记部分处于工作状态； 2)操作人员通过后台计算机系统发出探测指令，无线数据传输模块将探测指令发送到微型计算机，微型计算机按照后台计算机的指令控制双轨履带式钢轨探伤装置的各部分开始工作，即整个探伤装置沿钢轨向前运动，喷水系统在履带式探头组的前方向钢轨表面喷水； 3)履带式探头组通过内部的超宽带收发模块接收微型计算机发出的探测指令，向钢轨内发射高能效的宽带变频连续超声波信号，并将接收的回波传回微型计算机； 4)微型计算机对收到的回波信号进行分析处理。
5.根据权利要求4所述的应用于双轨履带式钢轨探伤装置的变频探伤方法，其特征在于，在步骤4)中，所述对收到的回波信号进行分析处理的方法为:通过频率估计和已知的变频模式来获取探测物的位置信息，分析钢轨有无伤损，若钢轨有伤损，则将伤损区域的信号通过无线数据传输模块传输到微型计算机进行进一步的分析处理并进行三维成像处理。
【文档编号】G01N29/04GK103760236SQ201410009223
【公开日】2014年4月30日 申请日期:2014年1月8日 优先权日:2014年1月8日
【发明者】韦岗, 曹燕 申请人:华南理工大学