專利名稱：鋼軌超聲探傷方法,探輪和探傷裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種無損探傷尤其是鋼軌超聲探傷的方法，以及用于實施該方法的探輪和探傷裝置。
在國防、航空航天、鐵路交通等需要保證高度安全可靠性的領(lǐng)域，無損探傷被廣泛地用來對關(guān)鍵部件或裝置中可能出現(xiàn)的各種損傷進(jìn)行檢測。在鐵路交通領(lǐng)域，對無損探傷裝置的要求表現(xiàn)在以下兩個方面高檢測精度；高檢測速度。目前，該領(lǐng)域中普偏采用的是輪式連續(xù)探傷裝置。美國專利No.4,487,071公開了一種這樣的探傷裝置。如

圖1所示，該裝置包括探輪1、探傷托架7、托架導(dǎo)輪8以及托架連接器9，后者將該探傷裝置安裝在探傷車13上。探輪1包括由薄透聲橡膠制成的輪胎10，輪胎10內(nèi)充滿用于傳聲的耦合液6，如圖2(a)和2(b)所示。此外，探輪1還包括超聲發(fā)射/接收組合探頭5。在進(jìn)行探傷時，超聲發(fā)射/接收組合探頭5向鋼軌15發(fā)出連續(xù)超聲脈沖波束14，連續(xù)超聲脈沖波束14通過耦合液6和輪胎10到達(dá)鋼軌15內(nèi)。如無傷損存在，波束到達(dá)鋼軌底面后返回組合探頭，得到底波。如有傷損，則在底波前出現(xiàn)一個傷損波(如圖6(a)所示)。超聲發(fā)射/接收組合探頭5接收所述反射回波信號，將其輸至信號處理裝置12，后者輸出連續(xù)探傷結(jié)果。
但是，該探傷裝置存在以下三方面的主要缺點首先，由超聲發(fā)射/接收組合探頭到鋼軌存在較長的距離，聲波因在耦合液中傳送速度較慢(約為在鋼中的1/5)而產(chǎn)生滯后，當(dāng)探傷速度增加時，反射回波將逐步落后一段距離而不能被組合探頭正確接收，導(dǎo)致信號的丟失。其次，由薄壁輪胎和內(nèi)部耦合液組成的探輪在高速轉(zhuǎn)動時，由于內(nèi)部耦合液的粘性、慣性及薄橡膠輪胎外壁弱彈性相互作用而產(chǎn)生干擾力，結(jié)果根本不能使探輪恢復(fù)到探傷所需的平整耦合面，導(dǎo)致超聲發(fā)送及返回受阻或出現(xiàn)干擾反射面，回波信號失落與雜波增加。另外，為獲得使探輪不跳動的穩(wěn)定抗振性，必須將探傷托架造得很重(1噸以上)和非常堅固，其結(jié)果是，探傷托架在高速運行時的巨大慣性使其循跡性變差而易于脫軌，這將會使探傷托架卡在探傷車下，嚴(yán)重影響行車安全。
本發(fā)明的目的在于，提供一種使用探輪的鋼軌超聲探傷方法，以及用于實施該方法的探輪和探傷裝置，使得即使在高速探傷時也能正確地接收到回波信號，同時大大減少了回波失落的可能和降低了雜波的含量，并且極大地提高了行車安全。
按照本發(fā)明的第一個方面，提供了一種使用探輪的鋼軌超聲探傷方法，包括步驟產(chǎn)生連續(xù)超聲脈沖波束；通過耦合介質(zhì)將所述超聲脈沖波束耦合到待探測鋼軌內(nèi)；探測所述超聲脈沖波束從所述鋼軌反射回來的回波信號，并對該信號進(jìn)行處理，以判斷所述鋼軌內(nèi)有無傷損。該方法的特征在于，所述耦合步驟中使用的耦合介質(zhì)是固態(tài)的。
按照本發(fā)明的第二方面，提供了一種用于實施所述方法的鋼軌超聲探輪，包括由透聲材料制成的輪胎和超聲發(fā)射/接收組合探頭，其特征在于所述探輪還包括滑板，所述滑板固定在所述探輪的定軸上，而所述超聲發(fā)射/接收組合探頭安裝在滑板之上，在進(jìn)行探傷時，滑板將探輪輪胎壁強制壓平于待測鋼軌的軌面上；用于在進(jìn)行探傷時減小滑板與探輪輪胎壁之間摩擦力的裝置。
所述摩擦力減小裝置可以這樣構(gòu)成所述滑板中形成有噴液孔，在進(jìn)行探傷時，噴液孔中噴出高壓耦合液，使滑板與探輪壁之間形成一液體薄膜。所述摩擦力減小裝置也可這樣構(gòu)成在滑板上安裝滾輪或滾珠，利用這些滾輪或滾珠壓在探輪輪胎壁上。所述摩擦力減小裝置還可這樣構(gòu)成用自動控制的方法使滑板與探輪輪胎壁始終保持必要的微小間隙，使探輪能在鋼軌上順滑滾動。
按照本發(fā)明的第三方面，提供了一種用于實施所述方法的輪式鋼軌超聲探傷裝置，包括用于將該裝置安裝在探傷車體上的固定機構(gòu)和與之相連的升降機構(gòu)，其特征在于，該裝置還包括通過升降機構(gòu)固定座安裝在所述升降機構(gòu)上的探輪，所述探輪包括由透聲材料制成的輪胎和超聲發(fā)射/接收組合探頭；滑板，所述滑板固定在所述探輪的定軸上，而所述超聲發(fā)射/接收組合探頭安裝在滑板之上，在進(jìn)行探傷時，滑板將探輪輪胎壁強制壓平于待測鋼軌的軌面上；用于在進(jìn)行探傷時減小滑板與探輪輪胎壁之間摩擦力的裝置。
根據(jù)上述技術(shù)方案，由于超聲波束直接通過固態(tài)的滑板耦合到鋼軌內(nèi)，大大減小了在使用耦合液時出現(xiàn)的滯后，使即使在高速檢測時也能正確接收回波信號。同時，由于探傷所需的耦合面是通過利用滑板將探輪輪胎壓在鋼軌軌面上而形成的，該耦合面即使在高速檢測時也能保持平整狀態(tài)，從而消除至少降低了回波信號失落和雜波的發(fā)生。此外，按照本發(fā)明，不再需要探傷托架，從而大大地提高了行車安全。
下面結(jié)合附圖詳細(xì)描述本發(fā)明的實施方式。
圖1是現(xiàn)有技術(shù)中輪式鋼軌探傷裝置的示意圖；圖2(a)和圖2(b)分別是圖1所示探傷裝置中的探輪的正視圖和側(cè)視圖；圖3是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的鋼軌超聲探傷裝置安裝在探傷車上時的示意圖；圖4(a)和圖4(b)分別是根據(jù)本發(fā)明的鋼軌超聲探輪的正視圖和側(cè)視圖；圖5是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的鋼軌超聲探傷裝置的部分示意圖。
圖6(a)是用于說明鋼軌超聲探傷原理的波形示意圖；圖6(b)是用于說明本發(fā)明的一個例子的波形示意圖。
如圖3所示，本發(fā)明的鋼軌超聲探傷裝置包括四個本發(fā)明的探輪1，當(dāng)安裝在探傷車上時，每兩個探輪1分別位于不同的鋼軌上。探輪1通過升降組件連接座25(圖5)、自動升降伺服組件16和自動對中伺服組件17連接在探傷車13上。
探輪1包括由薄透聲橡膠制成的環(huán)形輪胎10，其通過輪轂2安裝于探輪動軸3上。輪胎10最好用聚胺類合成透聲橡膠制成。為使聲損小，需將輪壁做得很薄。輪轂2內(nèi)緣裝有密封環(huán)，防止耦合液外漏。在探輪1內(nèi)部，剛性滑板11裝于壓力組件18上，后者固定于探輪定軸4上。在滑板11的遠(yuǎn)離輪胎壁的一側(cè)上裝有超聲發(fā)射/接收組合探頭5。其發(fā)射方向為輪壁探傷面。對于水平的裂傷、孔傷等，一個垂直探頭即可滿足要求；對于復(fù)雜的傷損，需增加對橫、縱裂傷的探頭。因此，為提高探傷的可靠性，每個滑板上應(yīng)安裝三個方向的探頭，以同時完成對水平、縱向、橫向三個方向的傷損探測。同時，由于滑板較長，可同時安裝多組超聲發(fā)射/接收探頭，既可提高探傷的可靠性，又可解決安裝在同一探輪內(nèi)的不同斜探頭之間不能相互發(fā)射/接收超聲波束的問題。因此，也可實現(xiàn)單輪探傷。在進(jìn)行探傷時，壓力組件18將高強壓力傳于滑板11上，滑板11將探輪輪胎薄壁強制壓平于所檢測鋼軌15的軌面上，使超聲發(fā)射/接收組合探頭5通過薄透聲橡膠輪胎壁與鋼軌面呈無輪內(nèi)聲延遲的直接耦合狀態(tài)?；?1內(nèi)分布有噴液孔27，噴液孔27在滑板11內(nèi)通過管道匯集于高壓耦合液管23。在進(jìn)行探傷時，噴液孔27中噴出高壓耦合液，迫使滑板11與輪胎壁之間形成一液體薄膜從而使其呈非接觸低阻力懸浮狀態(tài)。這樣，滑板既強制壓平輪胎壁又在其上浮動，保證了探輪1的可靠耦合及順滑性。同時，利用液浮的均壓性可完全避免因輪胎壁不均勻彈性引起的耦合面的翹曲，消除了在高速時易產(chǎn)生干擾波的多余反射面，使超聲的反射和接收通暢，信號穩(wěn)定。
滑板11由不銹鋼材料制成，其緊靠輪胎壁的一面在探傷車行進(jìn)方向的兩端最好制成向上的弧形，以使薄壁輪胎10轉(zhuǎn)動順滑，提高對軌面的通過性。此外，滑板11內(nèi)的噴液孔的分布最好根據(jù)探輪輪胎壁與滑板之間的相互作用力的分布而確定。具體地說，由于在滑板滑動時探輪輪胎壁與滑板之間的相互作用力分布不均，滑板在行進(jìn)方向的兩端受力較大，因此，可在該兩端部設(shè)置較密的噴液孔。
如圖5所示，自動升降伺服組件16與壓力組件18一起用于探輪1的升降及對鋼軌15施加探測壓力。該兩組件內(nèi)裝有速度、壓力和位置傳感器及調(diào)節(jié)器。壓力組件18調(diào)節(jié)對滑板的壓力，使其正比于探測速度。該兩組件可自動調(diào)整、補償探輪及滑板在高速探測時因鋼軌起伏而引起的壓力與上下位置的變化，保證其在全速探測時不產(chǎn)生跳動和對鋼軌面的高可靠耦合。也可以不用壓力組件18，而將滑板11直接固定在探輪1的定軸上。如圖3所示，在進(jìn)行探傷時，所述自動升降伺服組件16相對于探傷車的行進(jìn)方向最好是斜置的，從而可對探輪進(jìn)行二維操作，可自動調(diào)整同軌的兩探輪之間的間距，使兩探輪內(nèi)滑板上的組合探頭中的一對斜探頭前后發(fā)射/接收波束互相銜接。正確銜接時，接收的回波幅度最大，該回波信號送至自動升降伺服組件16，使其實時自動將輪距鎖定。
組合探頭5中的部分探頭專用于探測軌腰的傷損及軌中的螺栓孔傷。如果探頭位置偏移，將導(dǎo)致這些重要信號失落。自動對中伺服組件17連續(xù)檢測組合探頭中的垂直探頭信號。當(dāng)此探頭居中時，波束順利通過軌腰到達(dá)軌底，發(fā)射回波幅度最大；當(dāng)探頭發(fā)生微小偏移時，根據(jù)回波幅度的變化，自動對中伺服組件17內(nèi)的調(diào)整裝置將探輪實時自動鎖定成居中位置，同時保證了探輪的高精度軌道自動循跡。也可以不用自動對中伺服組件，人工地進(jìn)行對中調(diào)節(jié)。
參見圖5，探輪定軸座24與自動升降伺服組件固定座25用定拉力螺栓20固定。自回縮鋼索19將探輪定軸座24連接在探傷車上。當(dāng)探輪受到意外撞擊時，若撞擊力大于定拉力螺栓所設(shè)定的最大拉力，螺栓將自動斷開，自回縮鋼索19將瞬間脫落的探輪提至探傷車底，保證了行車安全。受撞擊的探輪脫落后，自動升降伺服組件上的固定座仍保持完好，可更換備用探輪，因此，該鋼軌超聲探傷裝置還保證了整體的現(xiàn)場修復(fù)性。此外，還可安裝護(hù)板21(見圖3)，以將脫落的探輪擋在路軌外，進(jìn)一步提高行車安全。
表1列出了本發(fā)明的鋼軌超聲探傷裝置及由美國專利No.4,487,071公開的探傷裝置的主要技術(shù)規(guī)格。
表1
<p>下面描述使用本發(fā)明的鋼軌超聲探傷裝置進(jìn)行高速鋼軌探傷的過程。自動升降伺服組件16將探輪1降至鋼軌15上；壓力組件18對探輪1中的滑板11加壓，將探輪壁耦合面壓平于軌面上；高壓耦合液管23向滑板11內(nèi)的噴液孔27加壓，使滑板11浮起；超聲發(fā)射/接收組合探頭5開始發(fā)脈沖；自動升降伺服組件16自動調(diào)整同軌兩探輪的輪距，使前后探輪中的一對探傷脈沖銜接；對中伺服組件17開始調(diào)整超聲發(fā)射/接收組合探頭5的中點位置，使探輪居中。至此，探傷裝置處于備用狀態(tài)。探傷開始，探傷車13移動，探傷裝置即由計算機自動控制，滑板壓力與超聲脈沖連續(xù)發(fā)射頻率正比于探傷速度，以達(dá)到需要的探傷精度。超聲發(fā)射/接收組合探頭5每發(fā)一次脈沖，計算機迅速將回波進(jìn)行分析，識別傷損種類、深度及大小，并結(jié)合速度/距離探測器給出傷損位置。如果探輪受意外撞擊，定拉力螺栓20將自動斷裂，脫落的探輪被擋板21擋出，并被自回縮鋼索19提起，保證了行車安全。
下面給出使用本發(fā)明的鋼軌超聲探傷裝置的一個實驗結(jié)果。
將本發(fā)明的鋼軌超聲探傷裝置固定在一個支架上，將探輪置于一個直徑為3米的環(huán)形鋼軌上，鋼軌軌腰處鉆一3毫米的小孔，環(huán)形鋼軌以0-80公里/小時的線速度行駛，在各速度下，探傷計算機均可得到如圖6(b)所示的傷損回波圖。
權(quán)利要求
1．一種使用探輪的鋼軌超聲探傷方法，包括步驟產(chǎn)生連續(xù)超聲脈沖波束；通過耦合介質(zhì)將所述超聲脈沖波束耦合到待探測鋼軌內(nèi)；探測所述超聲脈沖波束從所述鋼軌反射回來的回波信號，并對該信號進(jìn)行處理，以判斷所述鋼軌內(nèi)有無傷損，其特征在于所述耦合步驟中使用的耦合介質(zhì)是固態(tài)的。
2．一種用于實施權(quán)利要求1所述方法的鋼軌超聲探輪，包括由透聲材料制成的輪胎和超聲發(fā)射/接收組合探頭，其特征在于所述探輪還包括滑板，所述滑板固定在所述探輪的定軸上，而所述超聲發(fā)射/接收組合探頭安裝在滑板之上，在進(jìn)行探傷時，滑板將探輪輪胎壁強制壓平于待測鋼軌的軌面上；用于在進(jìn)行探傷時減小滑板與探輪輪胎壁之間摩擦力的裝置。
3．根據(jù)權(quán)利要求2所述的鋼軌超聲探輪，其特征在于，還包括壓力組件，所述滑板通過該壓力組件固定在探輪定軸上。
4．根據(jù)權(quán)利要求3所述的鋼軌超聲探輪，其特征在于，所述壓力組件內(nèi)安裝有速度、壓力和位置傳感器及調(diào)節(jié)器，調(diào)節(jié)對滑板的壓力使其正比于探測速度。
5．根據(jù)權(quán)利要求2所述的鋼軌超聲探輪，其特征在于，所述摩擦力減小裝置是這樣構(gòu)成的所述滑板中形成有噴液孔，在進(jìn)行探傷時，噴液孔中噴出高壓耦合液，使滑板與探輪壁之間形成一液體薄膜。
6．根據(jù)權(quán)利要求5所述的鋼軌超聲探輪，其特征在于，所述噴液孔在滑板中的分布是根據(jù)探輪輪胎壁與滑板之間的相互作用力的分布而確定的。
7．根據(jù)權(quán)利要求2所述的鋼軌超聲探輪，其特征在于，所述摩擦力減小裝置是這樣構(gòu)成的在滑板上安裝滾輪或滾珠，利用這些滾輪或滾珠壓在探輪輪胎壁上。
8．根據(jù)權(quán)利要求2所述的鋼軌超聲探輪，其特征在于，所述摩擦力減小裝置是這樣構(gòu)成的用自動控制的方法使滑板與探輪輪胎壁始終保持必要的微小間隙，使探輪能在鋼軌上順滑滾動。
9．根據(jù)權(quán)利要求2所述的鋼軌超聲探輪，其特征在于，所述滑板是剛性的。
10．根據(jù)權(quán)利要求2所述的鋼軌超聲探輪，其特征在于，所述滑板緊靠探輪輪胎壁的面在行進(jìn)方向的兩端制成向上的弧形，以使探輪轉(zhuǎn)動順滑，并提高對軌面的通過性。
11．根據(jù)權(quán)利要求2所述的鋼軌超聲探輪，其特征在于，所述探輪輪胎是由聚胺類合成透聲橡膠制成的。
12．一種用于實施權(quán)利要求1所述方法的輪式鋼軌超聲探傷裝置，包括用于將該裝置安裝在探傷車體上的固定機構(gòu)和與之相連的升降機構(gòu)，其特征在于，該裝置還包括根據(jù)權(quán)利要求2所述的探輪，所述探輪通過升降機構(gòu)固定座安裝在所述升降機構(gòu)上。
13．根據(jù)權(quán)利要求12所述的輪式鋼軌超聲探傷裝置，其特征在于，所述探輪是通過定拉力螺栓與升降機構(gòu)固定座連接的，該裝置還包括與探輪相連接的自回縮鋼索，當(dāng)探輪受意外撞擊時，若撞擊力大于定拉力螺栓所設(shè)定的最大拉力，定拉力螺栓將自動斷開，脫落的探輪被自回縮鋼索提起。
14．根據(jù)權(quán)利要求13所述的輪式鋼軌超聲探傷裝置，其特征在于，還包括擋板，用于當(dāng)探輪脫落時將其擋在路軌外。
15．根據(jù)權(quán)利要求12所述的輪式鋼軌超聲探傷裝置，其特征在于，所述固定機構(gòu)包括自動對中伺服組件，用于將探輪實時自動鎖定成局中位置，并且使探輪能高精度地進(jìn)行軌道自動循跡。
16．根據(jù)權(quán)利要求12所述的輪式鋼軌超聲探傷裝置，其特征在于，所述升降機構(gòu)包括自動升降伺服組件，用于對探輪及滑板在高速探測時因鋼軌起伏而引起的壓力與上下位置的變化進(jìn)行自動調(diào)整和補償。
17．根據(jù)權(quán)利要求16所述的輪式鋼軌超聲探傷裝置，其特征在于，所述自動升降伺服組件相對于探傷車的行進(jìn)方向是斜置的，從而可對探輪進(jìn)行二維操作。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種無損探傷尤其是鋼軌超聲探傷的方法,以及用于實施該方法的探輪和探傷裝置。按照該方法,超聲波是通過固態(tài)耦合介質(zhì)進(jìn)行耦合的。本發(fā)明的探輪包括:由透聲材料制成的輪胎和超聲發(fā)射/接收組合探頭;滑板,所述滑板固定在所述探輪的定軸上,而所述超聲發(fā)射/接收組合探頭安裝在滑板之上,在進(jìn)行探傷時,滑板將探輪輪胎壁強制壓平于待測鋼軌的軌面上;用于在進(jìn)行探傷時減小滑板與探輪輪胎壁之間摩擦力的裝置。
文檔編號G01N29/26GK1225453SQ98123430
公開日1999年8月11日 申請日期1998年10月23日 優(yōu)先權(quán)日1998年10月23日
發(fā)明者李鋼 申請人:李鋼