專利名稱：一種列車車輪輪箍在線檢測(cè)裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電磁超聲檢測(cè)技術(shù)，具體說(shuō)就是一種列車車輪輪箍在線檢測(cè)裝置及方法。
(二)
背景技術(shù)：
列車車輪在運(yùn)行一定的時(shí)間后，在車輪輪箍踏面及內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生擦傷、剝離、龜裂、 磨損和裂紋等缺陷，為了保證行車安全，必須及時(shí)對(duì)其進(jìn)行修復(fù)或更換。近年來(lái)，伴隨列車 車速的逐年提高，這類隱患的危險(xiǎn)性日益增大，因此車輪的無(wú)損檢測(cè)特別是在線無(wú)損檢測(cè) 受到各國(guó)的高度重視。我國(guó)正處在列車不斷提速的過(guò)程中，對(duì)車輪的安全性也提出了更高 的要求，所以迫切需要研制一種既能在出廠時(shí)對(duì)車輪全面檢查，也能對(duì)運(yùn)動(dòng)中的車輪進(jìn)行 在線檢測(cè)的方法。無(wú)損檢測(cè)技術(shù)中對(duì)金屬的常規(guī)探傷方法主要采用壓電超聲探傷和磁粉探 傷，這兩種方法雖然簡(jiǎn)單，但是它們?cè)谶\(yùn)用到車輪探傷時(shí)都存在一些缺限(l)它們都難以 探測(cè)到車輪輪箍踏面和近表面連續(xù)殼層內(nèi)的缺陷，而輪箍踏面和近表面的擦傷、剝離、裂紋 等缺陷恰恰是危及行車安全的重大因素；(2)它們?cè)谔絺麜r(shí)大多需要對(duì)車輪進(jìn)行解體，在 解體狀態(tài)下，沿車輪表面連續(xù)掃查才能實(shí)現(xiàn)車輪的連續(xù)探傷，這樣就無(wú)法實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)在線檢 測(cè)；(3)壓電式超聲波探傷，往往需要聲耦合劑才能實(shí)現(xiàn)與被測(cè)件之間的良好耦合，另外， 該技術(shù)對(duì)被測(cè)件的表面質(zhì)量要求較高，所以難以應(yīng)用于高溫、高速和粗糙表面的檢測(cè)環(huán)境。 隨著我國(guó)現(xiàn)代化鐵路的建設(shè)和列車提速的要求，迫切需要一種能對(duì)車輪輪箍進(jìn)行全面、精 確、高效的在線檢測(cè)裝置。 電磁超聲換會(huì)g器(Electromagnetic acoustic transducer,簡(jiǎn)稱EMAT)誕生于 20世紀(jì)60年代。與傳統(tǒng)的壓電式換能器相比，該技術(shù)具有明顯的優(yōu)勢(shì)(l)與被測(cè)物無(wú) 接觸而省去聲耦合劑，測(cè)量的可重復(fù)性好；(2)對(duì)試件表面的要求不高，無(wú)需對(duì)試件進(jìn)行預(yù) 處理，因此檢測(cè)效率大大提高；(3)可以方便地產(chǎn)生多種類型的超聲波；(4)該技術(shù)對(duì)人體
及環(huán)境無(wú)危害，是環(huán)保型技術(shù)。超聲波在車輪中傳播衰減小，對(duì)缺陷的敏感度很高，可以實(shí)
現(xiàn)車輪輪箍缺陷地有效檢測(cè)。例如，中國(guó)實(shí)用新型專利(申請(qǐng)?zhí)?00320111599. 3，申請(qǐng)日 2003. 11.20)公開了一種"鐵路機(jī)車、車輛車輪踏面在線自動(dòng)化探傷裝置"，所述的探傷裝置 由探頭、前置箱、計(jì)算機(jī)和固定座等幾部分組成，可以對(duì)車輪輪箍表面以下15mm的范圍進(jìn) 行檢測(cè)；中國(guó)發(fā)明專利(申請(qǐng)?zhí)?00710176817.4，申請(qǐng)日期2007. 11.5)公開了"一種火 車車輪表面自動(dòng)電磁超聲檢測(cè)裝置和方法"，該裝置主要由車輪踏面換能器、車輪輪緣換能 器、計(jì)算機(jī)、脈沖發(fā)生器、脈沖串產(chǎn)生器、功率放大器、檢波器以及機(jī)械裝置等組成，可以對(duì) 車輪踏面及近表面進(jìn)行檢測(cè)。兩個(gè)申請(qǐng)均描述了對(duì)車輪踏面檢測(cè)的裝置和方法，但由于均 采用電磁超聲表面波對(duì)車輪進(jìn)行檢測(cè)，因而其檢測(cè)范圍僅局限于車輪輪箍踏面下一定范圍 內(nèi)，并不能實(shí)現(xiàn)車輪輪箍整體的全面檢測(cè)。
(三)

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種無(wú)需使用聲耦合劑、無(wú)需配備復(fù)雜的機(jī)械結(jié)構(gòu)和盛裝耦合劑的容器、檢測(cè)裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、對(duì)缺陷大小量化精度高的列車車輪輪箍在線檢測(cè)裝置及方法。
本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的所述的列車車輪輪箍在線檢測(cè)裝置，它是由電磁超聲探頭陣列、前置箱和控制處理單元組成的，電磁超聲探頭陣列通過(guò)屏蔽線連接前置箱，前置箱通過(guò)屏蔽線連接控制處理單元。
本發(fā)明還有以下技術(shù)特征 (1)所述的前置箱包括功率放大電路、接收電路、升壓電路和轉(zhuǎn)換開關(guān)，轉(zhuǎn)換開關(guān)分別連接接收電路和功率放大電路，功率放大電路連接升壓電路。 (2)所述的控制處理單元包括數(shù)據(jù)采集電路、微處理器、存儲(chǔ)電路和顯示電路，數(shù)據(jù)采集電路連接微處理器，微處理器分別連接存儲(chǔ)電路和顯示電路。
(3)所述的電磁超聲探頭陣列包括40個(gè)電磁超聲發(fā)射/接收探頭，每段鋼軌上分
布20個(gè)探頭。該探頭可以進(jìn)行超聲波的發(fā)射和接收。
本發(fā)明一種列車車輪輪箍在線檢測(cè)方法，步驟如下 步驟一將電磁超聲探頭陣列通過(guò)機(jī)械裝置固定安裝在鋼軌上，并與前置箱和控制處理單元連接； 步驟二 車輪到來(lái)時(shí)，觸發(fā)微處理器工作發(fā)出控制信號(hào)給D類功率放大電路，信號(hào)為脈沖串的形式，頻率lMHz，持續(xù)時(shí)間5us ; 步驟三功率放大電路驅(qū)動(dòng)電磁超聲探頭發(fā)射電磁超聲垂直入射體波； 步驟四垂直入射體波在車輪輪箍中傳播，當(dāng)遇到缺陷時(shí)，部分能量會(huì)發(fā)生反射，
其余能量會(huì)繼續(xù)傳播，遇到端面時(shí)發(fā)生反射，再通過(guò)電磁超聲探頭進(jìn)行接收； 步驟五電磁超聲探頭接收的超聲信號(hào)經(jīng)接收電路進(jìn)行放大濾波，然后由數(shù)據(jù)采
集電路在微處理器的控制下將該信號(hào)采集并暫存在微處理器的內(nèi)存單元中； 步驟六微處理器對(duì)采集到電磁超聲回波信號(hào)進(jìn)行快速數(shù)字信號(hào)處理，提取缺陷
特征； 步驟七微處理器將根據(jù)反射回波信號(hào)確定缺陷的有無(wú)，并對(duì)其大小進(jìn)行量化；
步驟八微處理器將處理結(jié)果在顯示電路上實(shí)時(shí)顯示；并將處理前后的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在存儲(chǔ)電路中； 步驟九返回運(yùn)行步驟二。 本發(fā)明一種列車車輪輪箍在線檢測(cè)裝置及方法，通過(guò)電磁超聲垂直入射體波檢測(cè)車輪輪箍缺陷，可以實(shí)現(xiàn)車輪輪箍缺陷精確、高速的檢測(cè)。本發(fā)明使用電磁超聲技術(shù)實(shí)現(xiàn)車輪輪箍缺陷檢測(cè)，檢測(cè)過(guò)程無(wú)需使用聲耦合劑，無(wú)需配備復(fù)雜的機(jī)械結(jié)構(gòu)和盛裝耦合劑的容器，檢測(cè)裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單；使用一個(gè)收發(fā)一體的電磁超聲探頭對(duì)車輪輪箍缺陷進(jìn)行檢測(cè)，通過(guò)端面反射波和缺陷反射波進(jìn)行雙重檢測(cè)，對(duì)缺陷大小進(jìn)行量化的精度高；采用垂直入射體波對(duì)車輪輪箍進(jìn)行檢測(cè)，其探頭結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，不需要對(duì)鋼軌進(jìn)行加工切割，有效的保證了鋼軌的承載能力。本發(fā)明可以實(shí)現(xiàn)對(duì)車輪輪箍缺陷地全面、在線檢測(cè)。


圖1為本發(fā)明的總體結(jié)構(gòu)框 圖2為本發(fā)明的安裝位置俯視4
圖3為本發(fā)明的檢測(cè)無(wú)缺陷時(shí)探頭波形示意圖；
圖4為本發(fā)明的檢測(cè)有缺陷時(shí)探頭波形示意具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。 實(shí)施例1，結(jié)合圖1、圖2、圖3，本發(fā)明一種列車車輪輪箍在線檢測(cè)裝置，它是由電 磁超聲探頭陣列(9)、前置箱(2)和控制處理單元(4)組成的，電磁超聲探頭陣列(9)通過(guò) 屏蔽線連接前置箱(2)，前置箱通過(guò)屏蔽線連接控制處理單元(4)。
本發(fā)明還有以下技術(shù)特征 所述的前置箱包括功率放大電路、接收電路、升壓電路和轉(zhuǎn)換開關(guān)，轉(zhuǎn)換開關(guān)分別 連接接收電路和功率放大電路，功率放大電路連接升壓電路。 所述的控制處理單元包括數(shù)據(jù)采集電路、微處理器、存儲(chǔ)電路和顯示電路，數(shù)據(jù)采 集電路連接微處理器，微處理器分別連接存儲(chǔ)電路和顯示電路。 所述的電磁超聲探頭陣列包括40個(gè)電磁超聲發(fā)射/接收探頭，每段鋼軌上分布20
個(gè)探頭。該探頭可以進(jìn)行超聲波的發(fā)射和接收。
本發(fā)明一種列車車輪輪箍在線檢測(cè)方法，步驟如下 步驟一將電磁超聲探頭陣列通過(guò)機(jī)械裝置固定安裝在鋼軌上，并與前置箱和控 制處理單元連接； 步驟二 車輪到來(lái)時(shí)，觸發(fā)微處理器工作發(fā)出控制信號(hào)給D類功率放大電路，信號(hào) 為脈沖串的形式，頻率lMHz，持續(xù)時(shí)間5us ; 步驟三功率放大電路驅(qū)動(dòng)電磁超聲探頭發(fā)射電磁超聲垂直入射體波； 步驟四垂直入射體波在車輪輪箍中傳播，當(dāng)遇到缺陷時(shí)，部分能量會(huì)發(fā)生反射，
其余能量會(huì)繼續(xù)傳播，遇到端面時(shí)發(fā)生反射，再通過(guò)電磁超聲探頭進(jìn)行接收； 步驟五電磁超聲探頭接收的超聲信號(hào)經(jīng)接收電路進(jìn)行放大濾波，然后由數(shù)據(jù)采
集電路在微處理器的控制下將該信號(hào)采集并暫存在微處理器的內(nèi)存單元中； 步驟六微處理器對(duì)采集到電磁超聲回波信號(hào)進(jìn)行快速數(shù)字信號(hào)處理，提取缺陷
特征； 步驟七微處理器將根據(jù)反射回波信號(hào)確定缺陷的有無(wú)，并對(duì)其大小進(jìn)行量化；
步驟八微處理器將處理結(jié)果在顯示電路上實(shí)時(shí)顯示；并將處理前后的數(shù)據(jù)存儲(chǔ) 在存儲(chǔ)電路中； 步驟九返回運(yùn)行步驟二。 實(shí)施例2，結(jié)合圖2、圖3，本發(fā)明一種列車車輪輪箍在線檢測(cè)裝置及方法，所述的 超聲檢測(cè)探頭是一個(gè)具有收發(fā)一體功能的電磁超聲探頭。檢測(cè)裝置工作過(guò)程如下微處理 器(4)發(fā)出控制信號(hào)給D類功率放大電路(6)， D類功率放大電路(6)驅(qū)動(dòng)電磁超聲探頭 發(fā)出垂直入射體波。垂直入射體波在車輪輪箍中傳播，傳播速度約3000m/s，當(dāng)遇到缺陷時(shí) 部分能量會(huì)發(fā)生發(fā)射，其余能量繼續(xù)傳播遇到端面時(shí)會(huì)發(fā)生反射。電磁超聲探頭對(duì)缺陷反 射回波和端面反射回波進(jìn)行接收。超聲波在車輪輪箍傳播路徑如圖3所示。超聲探頭接收 到的超聲信號(hào)經(jīng)接收電路(1)調(diào)理后，由數(shù)據(jù)采集電路(3)采集后暫存在微處理器(4)的 內(nèi)存單元中。微處理器(4)將超聲探頭接收到的信號(hào)經(jīng)快速數(shù)字信號(hào)處理，提取缺陷特征。
5微處理器(4)將根據(jù)探頭的缺陷反射回波信號(hào)確定缺陷的有無(wú)，如果有缺陷，將進(jìn)一步根 據(jù)缺陷回波時(shí)間確定缺陷位置，根據(jù)缺陷反射回波的強(qiáng)度并結(jié)合探頭端面發(fā)射回波信號(hào)衰 減的大小對(duì)該缺陷大小進(jìn)行量化。最后，微處理器(4)將處理結(jié)果通過(guò)顯示電路(7)進(jìn)行 實(shí)時(shí)顯示，并將處理前后的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在存儲(chǔ)電路(8)中。 實(shí)施例3，結(jié)合圖2、圖3、圖4，本發(fā)明一種列車車輪輪箍在線檢測(cè)裝置及方法，所 述的每個(gè)探頭均可以發(fā)射、接收超聲波，在進(jìn)行檢測(cè)之前，首先將電磁超聲探頭安裝到鋼軌 上，并利用其對(duì)無(wú)缺陷的車輪輪箍進(jìn)行檢測(cè)，記錄此時(shí)超聲探頭接收到的超聲波幅值。在實(shí) 際檢測(cè)時(shí)，如圖4所示，若車輪輪箍?jī)?nèi)部有缺陷，超聲波遇到缺陷時(shí)，部分能量會(huì)發(fā)生反射，
超聲探頭將接收到缺陷反射回波信號(hào)，同時(shí)剩余能量會(huì)繼續(xù)傳播，遇到端面會(huì)發(fā)生反射，超 聲探頭同時(shí)可以接收到端面反射回波。通過(guò)測(cè)量超聲探頭接收到的缺陷反射回波信號(hào)的有 無(wú)、強(qiáng)度并結(jié)合超聲探頭接收到的端面反射波衰減的程度，即可對(duì)缺陷大小及類型進(jìn)行量 化。
權(quán)利要求
一種列車車輪輪箍在線檢測(cè)裝置，它是由電磁超聲探頭陣列(9)、前置箱(2)和控制處理單元(4)組成的，其特征在于電磁超聲探頭陣列(9)通過(guò)屏蔽線連接前置箱(2)，前置箱通過(guò)屏蔽線連接控制處理單元(4)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種列車車輪輪箍在線檢測(cè)裝置，其特征在于所述的前置 箱(2)包括功率放大電路(6)、接收電路(1)、升壓電路(13)和轉(zhuǎn)換開關(guān)(12)，轉(zhuǎn)換開關(guān) (12)分別連接接收電路(1)和功率放大電路(6)，功率放大電路(6)連接升壓電路(13)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種列車車輪輪箍在線檢測(cè)裝置，其特征在于所述的控制 處理單元(4)包括數(shù)據(jù)采集電路(3)、微處理器(5)、存儲(chǔ)電路(7)和顯示電路(8)，數(shù)據(jù)采 集電路(3)連接微處理器(5)，微處理器(5)分別連接存儲(chǔ)電路(7)和顯示電路(8)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種列車車輪輪箍在線檢測(cè)裝置，其特征在于所述的電磁 超聲探頭陣列(9)包括40個(gè)電磁超聲發(fā)射/接收探頭，每段鋼軌上分布20個(gè)探頭。每個(gè) 探頭均可以進(jìn)行超聲波的發(fā)射和接收。
5. —種列車車輪輪箍在線檢測(cè)方法，其特征在于步驟如下步驟一 將電磁超聲探頭陣列(9)通過(guò)機(jī)械裝置固定安裝到鋼軌(11)上，并與前置箱 (2)和控制處理單元(4)連接;步驟二 列車到來(lái)時(shí)，觸發(fā)微處理器(5)工作發(fā)出控制信號(hào)給功率放大電路(e)，信號(hào) 為脈沖串的形式，頻率lMHz，持續(xù)時(shí)間5us ;步驟三功率放大電路(6)驅(qū)動(dòng)電磁超聲探頭發(fā)射電磁超聲垂直入射體波；步驟四垂直入射體波在車輪輪箍中傳播，當(dāng)遇到缺陷時(shí)，部分能量會(huì)發(fā)生反射，其余 能量會(huì)繼續(xù)傳播，遇到端面時(shí)發(fā)生反射，再通過(guò)電磁超聲探頭進(jìn)行接收；步驟五電磁超聲探頭接收的超聲信號(hào)經(jīng)接收電路(1)進(jìn)行放大濾波，然后由數(shù)據(jù)采 集電路(3)在微處理器(5)的控制下將該信號(hào)采集并暫存在微處理器(5)的內(nèi)存單元中；步驟六微處理器(5)對(duì)采集到電磁超聲回波信號(hào)進(jìn)行快速數(shù)字信號(hào)處理，提取缺陷 特征；步驟七微處理器(5)將根據(jù)反射回波信號(hào)確定缺陷的有無(wú)，并對(duì)其大小進(jìn)行量化； 步驟八微處理器(5)將處理結(jié)果在顯示電路(8)上實(shí)時(shí)顯示；并將處理前后的數(shù)據(jù) 存儲(chǔ)在存儲(chǔ)電路(7)中；步驟九返回運(yùn)行步驟二。
全文摘要
本發(fā)明屬于電磁超聲無(wú)損檢測(cè)領(lǐng)域，公布了一種列車車輪輪箍在線檢測(cè)裝置及方法。目的在于解決現(xiàn)有車輪輪箍檢測(cè)方式中各種問(wèn)題，滿足高速電氣化鐵路發(fā)展的需要。裝置由電磁超聲探頭陣列、前置箱和控制處理單元三部分組成。檢測(cè)裝置使用電磁超聲垂直入射體波，采用脈沖反射法，通過(guò)收發(fā)一體化的探頭，對(duì)車輪輪箍缺陷量化精度高。該檢測(cè)方法無(wú)需使用聲耦合劑，不需要對(duì)鋼軌進(jìn)行切割加工，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)車輪輪箍缺陷的高效、精確、全面在線檢測(cè)。
文檔編號(hào)G01N29/04GK101706475SQ200910073190
公開日2010年5月12日 申請(qǐng)日期2009年11月12日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月12日
發(fā)明者信鵬皓, 李智超, 王淑娟, 米武軍, 翟國(guó)富, 蘇日亮, 蔣韜 申請(qǐng)人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)