用于鋼軌無損探傷的脈沖渦流熱成像高速檢測裝置的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了用于鋼軌無損探傷的脈沖渦流熱成像高速檢測裝置，其特征在于包括：安裝在列車車廂下的磁鐵架，安裝在磁鐵架上的若干個永久磁鐵，安裝在磁鐵架末端的紅外熱像儀，以及數(shù)據(jù)采集/存儲器和計算機(jī)，相鄰永久磁鐵的磁極方向相反，安裝在磁鐵架上的永久磁鐵與磁鐵架、鋼軌形成多個閉合的磁化回路，紅外熱像儀的信號輸出端與數(shù)據(jù)采集/存儲器信號輸入端連接，數(shù)據(jù)采集/存儲器信號輸出端與計算機(jī)的信號輸入端連接。本發(fā)明根據(jù)鋼軌切割垂直于運(yùn)動方向的磁感線，在鋼軌表面形成的溫度分布信息，可實現(xiàn)對鋼軌裂紋缺陷的檢測。本發(fā)明能夠大大提高鋼軌的檢測效率，且制造成本低，對鋼軌的檢測具有極其重大的意義。
【專利說明】
用于鋼軌無損探傷的脈沖渦流熱成像高速檢測裝置
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及鋼軌無損檢測技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于動生渦流的用于鋼軌無損探傷的脈沖渦流熱成像高速檢測裝置，可同時實現(xiàn)對鋼軌橫/縱各個方向缺陷的高速無損檢測。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著高速鐵路在我國的快速發(fā)展，列車的運(yùn)行安全問題越來越引起人們的重視，鋼軌作為鐵路運(yùn)輸?shù)幕A(chǔ)，其狀態(tài)的好壞直接關(guān)系到鐵路運(yùn)輸安全。因此，國內(nèi)外鐵路部門很早就開始對鋼軌進(jìn)行各種無損檢測，以保證列車的安全運(yùn)行。目前，鋼軌無損檢測技術(shù)主要有超聲波、機(jī)器視覺、交變渦流、交變電磁場檢測、漏磁檢測技術(shù)等。
[0003]目前，我國投入使用的高速列車的運(yùn)行速度為200-350km/h。而目前的無損檢測技術(shù)大多無法達(dá)到這樣的檢測速度。德國聯(lián)邦材料研究測試研究所采用渦流技術(shù)進(jìn)行鋼軌檢測，Eurai Iscout公司進(jìn)一步開發(fā)了UDT02型鋼軌探傷車，最高檢測速度可達(dá)80km/h，但禍流檢測無法檢測內(nèi)部裂紋，并且無法滿足檢測速度要求。TSC公司開發(fā)了鐵路軌道交變電磁場(ACFM)檢測系統(tǒng)，采樣頻率達(dá)到50kHZ時，手動系統(tǒng)可實現(xiàn)2.7km/h的檢測時速，檢測速度仍舊很低，并且和渦流檢測一樣，無法探測內(nèi)部損傷。法國國營鐵路公司(SNFC)通過高速攝像機(jī)來對鋼軌波紋缺陷進(jìn)行檢測，速度可達(dá)320km/h，但高速攝像機(jī)只能檢測鋼軌的表面狀態(tài)，不可進(jìn)行內(nèi)部探傷。而漏磁檢測技術(shù)只能檢測鋼軌的橫向缺陷，即垂直于鋼軌軸向的缺陷，而對縱向缺陷失效。
[0004]現(xiàn)有技術(shù)的脈沖渦流研究發(fā)現(xiàn):當(dāng)感應(yīng)線圈中通入交變電流時，在置于線圈附近的導(dǎo)體中會產(chǎn)生感生渦流，當(dāng)導(dǎo)體材質(zhì)的試件中存在缺陷時，渦流將被迫繞過缺陷，導(dǎo)致部分區(qū)域渦流密度增大或減小。根據(jù)焦耳定律，導(dǎo)體產(chǎn)生熱量將出現(xiàn)不均勻分布，利用紅外設(shè)備記錄下試件表面溫度分布圖像，可分析獲得試件的特性。Ben Weekes等采用感應(yīng)熱成像對金屬表面微裂紋進(jìn)行了檢測，發(fā)現(xiàn)該技術(shù)具有較高的靈敏度.目前脈沖渦流熱成像技術(shù)在鋼軌檢測方面的應(yīng)用也比較成熟，但均用在被測物體靜止的情況下。但由于這種脈沖渦流加熱方式感應(yīng)加熱時間為200ms-500ms，無法實現(xiàn)對鋼軌裂紋的實時檢測，檢測速度低。
[0005]綜上所述，現(xiàn)有的鋼軌無損檢測技術(shù)或是不能達(dá)到高的檢測速度，或者是不能實現(xiàn)各個方向裂紋的同時檢測，高速鐵路的發(fā)展實踐，亟待科技工作者研究開發(fā)出一種能實現(xiàn)與列車運(yùn)行同步的、對鋼軌各個方向裂紋進(jìn)行無損檢測的技術(shù)，來保證高速運(yùn)行列車的行駛安全。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]針對現(xiàn)有鋼軌無損探傷檢測技術(shù)的現(xiàn)狀與不足，本發(fā)明的目的旨在提供一種用于鋼軌無損探傷的脈沖渦流熱成像高速檢測裝置，以解決現(xiàn)有的鋼軌無損檢測技術(shù)存在的檢測速度較慢，無法同時實現(xiàn)對鋼軌橫/縱各個方向缺陷全面檢測的問題。
[0007]本發(fā)明提供的用于鋼軌無損探傷的脈沖渦流熱成像高速檢測裝置，其構(gòu)成包括:安裝在列車車廂下的磁鐵架，安裝在磁鐵架上的若干個永久磁鐵，安裝在磁鐵架末端的紅外熱像儀，以及數(shù)據(jù)采集/存儲器和計算機(jī)，相鄰永久磁鐵的磁極方向相反，安裝在磁鐵架上的永久磁鐵與磁鐵架、鋼軌形成多個閉合的磁化回路，紅外熱像儀的信號輸出端與數(shù)據(jù)采集/存儲器信號輸入端連接，數(shù)據(jù)采集/存儲器信號輸出端與計算機(jī)的信號輸入端連接，所述永久磁鐵的數(shù)量為在列車高速前進(jìn)時，鋼軌切割垂直于運(yùn)動方向的磁感線在鋼軌內(nèi)部產(chǎn)生的熱量，足以通過紅外熱像儀記錄的鋼軌表面溫度場分布信息辨認(rèn)鋼軌存在的缺陷。
[0008]在上述技術(shù)方案中，所述永久磁鐵的數(shù)量與鋼軌內(nèi)部產(chǎn)生的熱量有關(guān)，永久磁鐵的個數(shù)一般應(yīng)不少于600個。永久磁鐵優(yōu)先采用成單排陣列排列，紅外熱像儀布置在緊接永久磁鐵陣列末端的位置處。所述永久磁鐵優(yōu)先采用剩余磁通密度為1.0?1.4T的永久磁鐵。
[0009]在上述技術(shù)方案中，永久磁鐵之間的安裝距離不大于20mm，永久磁鐵的厚度為45?55mm0
[0010]在上述技術(shù)方案中，安裝在磁鐵架上的永久磁鐵與待檢測鋼軌表面之間的距離一般不大于3.0mm，最好在1.0?2.0mm的范圍內(nèi)。
[0011]在上述技術(shù)方案中，紅外熱像儀探測器頭部與鋼軌的距離一般不大于50mm。
[0012]在上述技術(shù)方案中，所述磁鐵架、永久磁鐵陣列的寬度應(yīng)不小于鋼軌的寬度;最好與鋼軌的寬度相等。
[0013]在上述技術(shù)方案中，磁鐵架為多段組合磁鐵架，沿鋼軌方向分別安裝在列車車廂下方，紅外熱像儀布置在最后一段磁鐵架上緊接永久磁鐵陣列末端的位置處。
[0014]在上述技術(shù)方案中，所述磁鐵架最好采用高導(dǎo)磁材料制成，如A3鋼、硅鋼片或者鐵氧體材料等。
[0015]在本發(fā)明提供的脈沖渦流熱成像高速檢測裝置中，可通過調(diào)節(jié)永久磁鐵間的安裝距離、列車的行駛速度、永久磁鐵的數(shù)量，增大或減小渦電流的加熱時間；進(jìn)而改變鋼軌內(nèi)部產(chǎn)生的熱量，便于紅外熱像儀記錄準(zhǔn)確清晰的圖像。
[0016]本發(fā)明提供的用于鋼軌無損探傷的脈沖渦流熱成像高速檢測裝置，是基于發(fā)明人以下的認(rèn)識與靈感完成的:在以磁鐵架、永久磁鐵和鋼軌形成的磁化回路中，列車高速前進(jìn)時，鋼軌切割垂直于運(yùn)動方向的磁感線，基于法拉第電磁感應(yīng)定律，產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，進(jìn)而產(chǎn)生動生渦電流，當(dāng)鋼軌中存在橫向缺陷時，就會阻礙動生渦流在縱向的傳播，導(dǎo)致該處部分區(qū)域渦電流增大或減小，根據(jù)焦耳定律，鋼軌內(nèi)部產(chǎn)生的熱量將出現(xiàn)不均勻分布，利用安裝在磁鐵架末端的紅外熱像儀記錄鋼軌表面的溫度場分布，就可實現(xiàn)對鋼軌橫向裂紋的檢測；當(dāng)鋼軌中存在縱向裂紋時，就會阻礙動生渦流在橫向的傳播，導(dǎo)致該處部分區(qū)域渦電流增大或減小，根據(jù)焦耳定律，鋼軌內(nèi)部產(chǎn)生的熱量將出現(xiàn)不均勻分布，利用安裝在磁鐵架末端的紅外熱像儀記錄鋼軌表面的溫度場分布，溫度場分布數(shù)據(jù)信息由數(shù)據(jù)采集/存儲器提供給計算機(jī)進(jìn)行分析處理，最終得到鋼軌的缺陷信息，實現(xiàn)對鋼軌表面裂紋的檢測。
[0017]本發(fā)明提供的用于鋼軌無損探傷的脈沖渦流熱成像高速檢測裝置，其具有以下十分突出的優(yōu)點:
[0018]1.可以實現(xiàn)高速實時檢測。將裝置安裝在列車底部，列車前進(jìn)時鋼軌切割磁感線，產(chǎn)生渦電流，對鋼軌進(jìn)行多次加熱，當(dāng)有鋼軌表面存在缺陷時，會導(dǎo)致鋼軌表面溫度分布不均。此時采用響應(yīng)速度快的紅外熱像儀記錄鋼軌表面的溫度分布，再通過計算機(jī)分析便可實現(xiàn)對鋼軌的實時檢測。
[0019]2.可實現(xiàn)鋼軌橫/縱向各個方向角的裂紋檢測。列車行駛時鋼軌切割磁感線產(chǎn)生了渦電流，當(dāng)鋼軌表面有裂紋時，阻礙了渦電流橫/縱向的傳播，影響了渦流的分布情況，導(dǎo)致渦電流的密度增大或減小，在裂紋周圍引起了焦耳熱的異常分布，布置在末端的紅外熱像儀就可以檢測到鋼軌裂紋。
[0020]3.極其適用于鋼軌的高速無損檢測。鋼軌切割磁感線產(chǎn)生的感應(yīng)電流與列車運(yùn)行的速度成正比，列車運(yùn)行的速度越快，產(chǎn)生的感應(yīng)電流越強(qiáng)，動生渦電流越強(qiáng)，探傷的靈敏度就越強(qiáng)。因此，此方法適用于鋼軌的高速無損檢測。
【附圖說明】
[0021]圖1為用于鋼軌無損探傷的脈沖渦流熱成像高速檢測裝置結(jié)構(gòu)示意圖。
[0022]圖2為基于動生渦流的鋼軌脈沖渦流熱成像高速檢測原理示意圖。
[0023]圖3為基于動生渦流的鋼軌橫向裂紋檢測原理示意圖。
[0024]圖4為基于動生渦流的鋼軌縱向裂紋檢測原理示意圖
[0025]圖5為基于動生渦流的鋼軌橫向裂紋和縱向裂紋高速檢測原理示意圖
[0026]上述附圖中的各圖示標(biāo)號表示對象分別為:1-永久磁鐵；2-磁鐵架；3-紅外熱像儀;4-鋼軌;5-閉合磁化回路;6-不連續(xù)點;7-橫向缺陷;8-縱向缺陷;9-動生渦流。
【具體實施方式】
[0027]下面結(jié)合附圖給出本發(fā)明的【具體實施方式】，并通過【具體實施方式】對本發(fā)明的用于鋼軌無損探傷的脈沖渦流熱成像高速檢測裝置作進(jìn)一步的說明。需要特別指出的是，本發(fā)明的【具體實施方式】不限于實施例所描述的形式。
[0028]在下面所述【具體實施方式】中所提到的方向用語，例如:上、下、左、右、前、后等，僅是參考附圖的方向。因此，使用的方向用語僅僅是為了便于說明本發(fā)明，并非用來限制本發(fā)明。
[0029]本實施例的基于動生渦流的鋼軌脈沖熱成像高速檢測裝置，其結(jié)構(gòu)如圖1所示，構(gòu)成包括:安裝在列車車廂下方的磁鐵架2，安裝在磁鐵架上的永久磁鐵I，安裝在磁鐵架上紅外熱像儀3 ο安裝在磁鐵架上的永久磁鐵，相鄰永久磁鐵的磁極方向相反。磁鐵架2、兩個磁極反方向布置的永久磁鐵I和鋼軌4形成閉合磁化回路。磁鐵架由三段構(gòu)成，分別布置在相鄰的三節(jié)列車車廂下方，中間一段磁鐵架安裝有400個永久磁鐵，前后兩段磁鐵架分別安裝有250個永久磁鐵，紅外熱像儀3布置在后面一段磁鐵架上緊接永久磁鐵陣列末端的位置處。磁鐵架和永久磁鐵的寬度與鋼軌的寬度相等，永久磁鐵與鋼軌表面的距離在1.0?2.0mm之間，紅外熱像儀探頭與鋼軌表面的距離在40?50mm之間。紅外熱像儀的信號輸出端與數(shù)據(jù)采集/存儲器信號輸入端連接，數(shù)據(jù)采集/存儲器信號輸出端與計算機(jī)的信號輸入端連接。作為檢測裝置主體部分安裝在磁鐵架上的永久磁鐵和紅外熱像儀探頭，隨著列車的運(yùn)動，在鋼軌4上表面作直線運(yùn)動，紅外熱像儀3記錄鋼軌表面的溫度變化情況，將收集到的信息傳遞給計算機(jī)處理，最后得到鋼軌表面的缺陷信息。
[0030]采用本發(fā)明裝置檢測鋼軌，鋼軌中的橫向缺陷7被檢測出來的原理如圖2所示。磁鐵架2、鋼軌4和永久磁鐵I組成閉合的磁化回路，當(dāng)磁鐵架2隨著列車以速度V前進(jìn)時，鋼軌4不斷切割磁感線的豎直分量，基于法拉第電磁感應(yīng)定律，產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，進(jìn)而產(chǎn)生如圖5所示的動生渦電流9。當(dāng)鋼軌中存在橫向缺陷7時，如圖3所示，該裂紋阻礙了渦電流在鋼軌縱向的傳播，引起裂紋周邊的渦電流密度明顯增大，根據(jù)焦耳定律，裂紋周邊的焦耳熱分布異常，最終導(dǎo)致裂紋周邊的溫度明顯高于無缺陷區(qū)域?；诿}沖渦流熱成像原理，位于磁鐵架末端的紅外熱像儀3可檢測到橫向裂紋7的存在。
[0031]同樣的，如圖4所示，當(dāng)鋼軌中存在縱向裂紋8時，該裂紋阻礙了渦電流在鋼軌橫向的傳播，引起裂紋周邊的渦電流密度明顯增大，根據(jù)焦耳定律，裂紋周邊的焦耳熱分布異常，最終導(dǎo)致裂紋周邊的溫度明顯高于無缺陷區(qū)域。基于脈沖渦流熱成像原理，位于磁鐵架末端的紅外熱像儀3可檢測到橫向裂紋8的存在。
[0032]所以，采用本發(fā)明檢測裝置能快速準(zhǔn)確的實現(xiàn)對鋼軌中橫/縱各個方向角裂紋的尚速檢測。
【主權(quán)項】
1.一種用于鋼軌無損探傷的脈沖渦流熱成像高速檢測裝置，其特征在于包括:安裝在列車車廂下的磁鐵架(5)，安裝在磁鐵架上的若干個永久磁鐵(I)，安裝在磁鐵架末端的紅外熱像儀(3)，以及數(shù)據(jù)采集/存儲器和計算機(jī)，相鄰永久磁鐵的磁極方向相反，安裝在磁鐵架上的永久磁鐵與磁鐵架、鋼軌(4)形成多個閉合的磁化回路，紅外熱像儀的信號輸出端與數(shù)據(jù)采集/存儲器信號輸入端連接，數(shù)據(jù)采集/存儲器信號輸出端與計算機(jī)的信號輸入端連接，所述永久磁鐵的數(shù)量為在列車高速前進(jìn)時，鋼軌切割垂直于運(yùn)動方向的磁感線在鋼軌內(nèi)部產(chǎn)生的熱量，足以通過紅外熱像儀記錄的鋼軌表面溫度場分布信息辨認(rèn)鋼軌存在的缺陷。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于鋼軌無損探傷的脈沖渦流熱成像高速檢測裝置，其特征在于:所述永久磁鐵的個數(shù)不少于600個。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的用于鋼軌無損探傷的脈沖渦流熱成像高速檢測裝置，其特征在于:所述永久磁鐵成單排陣列排列，紅外熱像儀布置在緊接永久磁鐵陣列末端的位置處。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的用于鋼軌無損探傷的脈沖渦流熱成像高速檢測裝置，其特征在于:所述永久磁鐵的剩余磁通密度為1.0?1.4T。5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的用于鋼軌無損探傷的脈沖渦流熱成像高速檢測裝置，其特征在于:永久磁鐵之間的安裝距離不大于20mm，永久磁鐵的厚度為45?55mm。6.根據(jù)權(quán)利要求1至5之一所述的用于鋼軌無損探傷的脈沖渦流熱成像高速檢測裝置，其特征在于:陣列的永久磁鐵與鋼軌的距離不大于3.0_。7.根據(jù)權(quán)利要求1至5之一所述的用于鋼軌無損探傷的脈沖渦流熱成像高速檢測裝置，其特征在于:紅外熱像儀探測器頭部與鋼軌的距離不大于50_。8.根據(jù)權(quán)利要求1至5之一所述的用于鋼軌無損探傷的脈沖渦流熱成像高速檢測裝置，其特征在于:磁鐵架、永久磁鐵陣列的寬度不小于鋼軌的寬度。9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的用于鋼軌無損探傷的脈沖渦流熱成像高速檢測裝置，其特征在于:磁鐵架、永久磁鐵陣列的寬度與鋼軌的寬度相等。10.根據(jù)權(quán)利要求1至5之一所述的用于鋼軌無損探傷的脈沖渦流熱成像高速檢測裝置，其特征在于:磁鐵架為多段組合磁鐵架，沿鋼軌方向分別安裝在列車車廂下方，紅外熱像儀布置在最后一段磁鐵架上緊接永久磁鐵陣列末端的位置處。
【文檔編號】B61K9/10GK105973938SQ201610513431
【公開日】2016年9月28日
【申請日】2016年7月1日
【發(fā)明人】伍劍波, 黃曉明, 陳敏, 羅陽, 王杰
【申請人】四川大學(xué)