钢轨探伤检测小车设计
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
检测车采用 3 个联合双探头 （TR 探头） 和 5 个 65°探头，8 个探测通道均有反射式报警功能， 并配有衰减范围为 0～80 dB 的精密数字衰减器。 TR 探头具有双压电晶片分隔式结构，1 片发射超 声波，1 片接收超声波。TR 探头探伤盲区小、灵 敏度高、分辨力强，能探测轨头、轨腰和轨底的水 平裂纹、纵向裂纹和螺孔水平裂纹等，特别适合工 件表面缺陷的探测和缺陷定位。TR 探头主要用于 检测钢轨轨头底面和钢轨底面的缺陷。斜探头利用 波形转换原理在钢轨中产生检测波形，主要由压电
［5］祁欣，于国良. 超声波 TR 探头的设计及应用［J］. 传感器技术. 1999，（1）：26.
［6］张晓东. 超声波钢轨检测仪的研制［D］. 大连：大连理工大学. 2005，26-32.
·49·
基于超声波检测技术的新型钢轨探伤检测小车 （以 下简称“检测车”）。检测车通过超声波换能器发射 的超声波进入钢轨内部，遇到缺陷时，声阻抗发生
T B
T FB
变化，进而透射率、反射率也产生变化，通过在探
伤仪上反映的反射波的多少、强弱、形状、分布范 围、底波状况等，分析判断钢轨内部缺陷的位置和
图 1 无缺陷回波 （左） 和有缺陷回波 （右）
经过多次测量，对缺陷波形进行分析，将实测 情况 （缺陷的位置、大小、方向等） 及理论上可能 产生的情况综合分析，与 A 扫描、B 扫描图显示 的试验结果吻合较好 ［6］ 。
参考文献
［1］Robert L Crocker，王滨盐. 铁路安全检测用超声波探伤技术的 进展［J］. 国外机车车辆工艺，1995，（2）：15-16.
4.2 结果显示设计 探伤结果由 Socomate 板卡的 API 软件显示，
显示方式包括 A 型显示和 B 型显示。A 扫描图显 示沿探头发射声束方向上不同点的回波信息，横坐 标代表声波的传播时间或距离，纵坐标代表反射波 的声压幅度。B 扫描图显示钢轨任一纵截面上缺陷 的分布及缺陷的深度，横坐标是声波传播的时间或 距离，纵坐标代表探头在探测面上沿一直线移动扫 查的位置坐标。
在线检测的车速限制在 2 km/h，该探头检出 缺陷当量为直径 2 mm 的小孔，深度为 10 mm 的 内部缺陷，鉴别到最小深约 0.5~1 mm 和长 10 mm 的裂纹，检出率达 98%。试验结果表明，在给定 的人工缺陷位置均可发现明显的缺陷信号，根据 A 扫描、B 扫描图可以得到缺陷的位置、大小和深 度。
第 39 卷 第 7 期 Vol.39 No.7
铁道技术监督
RAILWAY QUALITY CONTROL
研究与交流
STUDY AND COMMUNICATIONS
钢轨探伤检测小车设计
蒋秋月，高晓蓉，彭朝勇，李金龙
（西南交通大学光电工程研究所， 四川 成都 610031）
摘 要：针对铁路钢轨超声探伤问题，介绍钢轨探伤检测小车的设计方案，包括其工作原理、组成结 构、硬件设计、软件设计、相关试验及试验结果。钢轨探伤检测小车采用直接接触脉冲反射法，在现场测试 中取得良好结果，工作稳定，伤损检出率高。
大小 ［2］ 。
脉冲反射法检测钢轨内部缺陷的主要工作过程
检测车 1 次推行过程中，可检出多种钢轨内部 如下 ［4］ ：
缺陷。其设计采用 A 型显示及 8 路发射-接收系
（1）将超声波转换器固定或靠近被测钢轨。
统，设置多路报警闸门，并将相关闸门巧妙组合，
（2） 将转换器对准被测钢轨，以脉冲方式激
具有进波、失波报警和螺孔回波的识别功能，从而 发，使超声波能量传入。
关键词：钢轨探伤检测车；超声波探伤；设计
中图分类号：U213.43 文献标识码：B 文章编号：1006-9178 （2011） 07-0047-03
Abstract：Regarding with the ultrasonic detection of rail flaws，the paper introduces the design scheme of a portable rail flaw detection car，including the work principle，composition and structure，hardware design, software design， related tests and the test results of this detection car. And the contact-type impulse-reflection process is used on this type of detection car. It has obtained good results after several tests and works stably and has a high detection rate. Keywords：Portable Inspection Car of Rail Flaw；Ultrasonic Inspection；Design
（4）将被反射的能量反映在波形图上，分析波 形和波幅特征，确定钢轨内部缺陷情况。
3 硬件设计
3.1 组成结构及总体方案 检测车主要由多通道 A 型显示钢轨超声波探
伤仪、工业 PC、LCD 液晶显示器、电源、电机、 带耦合液水箱等构成。多通道 A 型显示钢轨超声 波探伤仪可用于在役钢轨野外探伤作业，是具有 A 型探伤图型显示的多通道超声波探伤设备。工业 PC 机配有 Socomate PCI 板卡，用于多通道超声数 据采集。LCD 液晶显示器用于显示缺陷的波形， 电源采用锂电池，带耦合液水箱采用清洁水，用于 探头与钢轨之间的耦合。另外，检测车采用固定轮 距、可悬挂轴箱的走行装置，以提高运行安全性。 检测车系统总体方案如图 2 所示。
高分辨率彩色显示器显示钢轨 A 扫描、B 扫 描图形，计算机数据处理系统对探伤信号进行分析 处理 ［5］ 。
在波形显示软件上可以进行板卡选择和通道选 择，显示扫描次数和检测对象的增益波形等，可随 时控制检测的开始与停止。
5 检测车运用试验
开通电源 校正入射点
设定闸门 选定探伤灵敏度
图 6 探伤试验流程
晶片、阻尼块及斜锲组成。 65°探头主要用于检测 轨头横向及纵向裂纹，探测时，3 个 TR 探头和其 中 4 个 65°探头同时工作，剩余 1 个 65°探头备用， 布局如图 3 所示。
推行方向
3 个 TR
65°
65°内
65°外
65°
图 3 探头布局
3.3 系统供电和小车的驱动设计 检测车采用 1 个大容量磷酸铁锂电池组电源供
实现缺陷报警而螺孔不报警，降低误报率。
（3）超声波能量在被测钢轨中传播、反射和散
收稿日期：2011-03-02 作者简介：蒋秋月，硕士研究生
射，在钢轨内部的分界面上改变方向，从而检查被 测钢轨的几何特征或内部异常情况。
2011 年 7 月 （总第 297 期）
·47·
研究与交流
钢轨探伤检测小车设计
系统控制过程如图 5 所示。
打开电源
开启 超声采集
PCI 驱动 控制板卡
明确检查环境 和范围及过程
选定标准试块
选定探伤方法 及探伤面等
记录缺陷及底 面回波的情况
探伤
修改灵敏度 和频率
分析图形 记录数据
停止采集 关闭电源
显示波形
图 5 系统控制过程
选定频率和 探头参量
明确小车性能 选定测量范围
探伤
修整探伤面 涂耦合剂
1 概述
2 基本工作原理
我国铁路运营负荷重，超期服役的钢轨数量
检测车系统采用脉冲反射法检测钢轨内部缺
多，钢轨伤损发生率较高，迫切需要快速准确的钢 陷。超声波换能器发射脉冲波进入钢轨内部，通过
轨探伤设备。钢轨探伤设备以多通道探伤车为主， 分析显示的波形判断钢轨内部缺陷情况。当钢轨内
在列车运营“天窗”时间上道作业。目前，我国钢 部无缺陷时，显示波形中仅有发射脉冲 T 和底面
6 结语
基于超声波检测技术的新型钢轨探伤检测小车 的试验运行结果表明，检测伤损检出率高，检测车 工作稳定，满足钢轨探伤要求。
检测车试验时采用 TR 探头和 65°斜探头对钢 轨特定部位的缺陷进行扫查，试验流程如图 6 所 示。
试验时，在室内选定标准试块，确定缺陷的位 置和大小，打开电源，选好测试探头 （TR 探头和 65°探头）、频率、耦合剂以及检测灵敏度，调节增 益等参数，对试块进行检测。
［2］李 晓 娜 . 一 种 无 损 检 测 方 法 ： 超 声 波 探 伤［J］. 现 代 焊 接 ， 2008，（11）：26-27.
［3］牟斌，陈军德，李刚. 高速钢轨探伤车中走行小车的设计及试 验［J］. 铁道机车车辆，2001，（4）：1-5.
［4］B Sladojevic， 马 艳 . 钢 轨 的 超 声 波 探 伤 法［J］. 无 损 探 伤 ， 1997，（2）：34-35.
·48·
铁道技术监督
第 39 卷 第 7 期
PCI USPC 和 PC MUX 之间只有 2 根连线，分 别是同轴 A 扫描信号线和 脉 冲 重 复 频 率 （开 始 PRF） 触发信号线。PC MUX 需要 5 V 和 12 V 的 2 种电源。PCI USPC 和 PC MUX 之间的开始 PRF 触 发信号引脚的连接是固定的。
轨探伤车与国外探伤设备比较还存在较大差距，主 回波 B 的 2 个信号；当钢轨内部存在缺陷时，在
要表现为技术含量较低、缺乏存贮功能、探伤结果 发射脉冲与底面回波之间将出现来自缺陷的回波
无法保存和核查 ［1］。 在充分调研国内外探伤设备的基础上，设计出
F，F 的高度反映缺陷的大小，F 与 T 的距离，反 映缺陷的埋藏深度，如图 1 所示 ［3］ 。
电，额定电压 12 V，容量 60 Ah。 检测车配有直流减速电机，用以控制其运行，
运行速度 V 为 2 km/h （约 0.56 m/s）。水箱可容纳 耦合剂 50 kg，电池组自重 10 kg，检测车总重 m 约 200 kg。检测车与轨面间的滚动摩擦系数 μ 取 0.005，重力加速度 g 取 10 m/s2，则驱动功率为
P=F×V=m×g×μ×V=200×10×0.005×0.56≈ 5.6 （W）。
因此，选择 6 W 的减速电机可满足驱动要求， 考虑到各部件间的运转摩擦，选择 10 W 的 2D0112GN-30S 型直流减速电机，其额定工作电压为 12 V，额定工作电流为 0.8 A。检测车采用的锂电 池可以满足电机、探伤仪及工业 PC 等硬件设施的 供电需求，计算和试验表明，检测车在钢轨上工作 时间不低于 3 h。
4 软件设计
4.1 控制流程 检测车各部分，通过合理有序的交互与协调，
共同完成钢轨探伤。Socomate PCI 板卡将结果显示 在 LCD 液晶显示器上，如图 4 所示。
PCI USPC
直流电机
PC MUX
电源管理
PC 机 （板卡）
小车控制主板
LCD 液晶显示器
超声耦合水泵
PCI USPC—计算机串口；PC MUX—多路复用器 图 4 系统控制主板
LCD 液晶 显示器
驱动小车 直流电机
PCI 板卡
wk.baidu.com
工业 PC
控制及驱动
超声耦 合水泵
MUX 左 8 个发射与 接收探头
MUX 右 8 个发射与 接收探头
电源管理
锂电池
图 2 检测车系统总体方案
检测车采用 8 路独立的发射-接收通道，其中 7 个通道用于钢轨探伤，1 个通道用于校对缺陷或 备用。 3.2 探头布局方案
［5］祁欣，于国良. 超声波 TR 探头的设计及应用［J］. 传感器技术. 1999，（1）：26.
［6］张晓东. 超声波钢轨检测仪的研制［D］. 大连：大连理工大学. 2005，26-32.
·49·
基于超声波检测技术的新型钢轨探伤检测小车 （以 下简称“检测车”）。检测车通过超声波换能器发射 的超声波进入钢轨内部，遇到缺陷时，声阻抗发生
T B
T FB
变化，进而透射率、反射率也产生变化，通过在探
伤仪上反映的反射波的多少、强弱、形状、分布范 围、底波状况等，分析判断钢轨内部缺陷的位置和
图 1 无缺陷回波 （左） 和有缺陷回波 （右）
经过多次测量，对缺陷波形进行分析，将实测 情况 （缺陷的位置、大小、方向等） 及理论上可能 产生的情况综合分析，与 A 扫描、B 扫描图显示 的试验结果吻合较好 ［6］ 。
参考文献
［1］Robert L Crocker，王滨盐. 铁路安全检测用超声波探伤技术的 进展［J］. 国外机车车辆工艺，1995，（2）：15-16.
4.2 结果显示设计 探伤结果由 Socomate 板卡的 API 软件显示，
显示方式包括 A 型显示和 B 型显示。A 扫描图显 示沿探头发射声束方向上不同点的回波信息，横坐 标代表声波的传播时间或距离，纵坐标代表反射波 的声压幅度。B 扫描图显示钢轨任一纵截面上缺陷 的分布及缺陷的深度，横坐标是声波传播的时间或 距离，纵坐标代表探头在探测面上沿一直线移动扫 查的位置坐标。
在线检测的车速限制在 2 km/h，该探头检出 缺陷当量为直径 2 mm 的小孔，深度为 10 mm 的 内部缺陷，鉴别到最小深约 0.5~1 mm 和长 10 mm 的裂纹，检出率达 98%。试验结果表明，在给定 的人工缺陷位置均可发现明显的缺陷信号，根据 A 扫描、B 扫描图可以得到缺陷的位置、大小和深 度。
第 39 卷 第 7 期 Vol.39 No.7
铁道技术监督
RAILWAY QUALITY CONTROL
研究与交流
STUDY AND COMMUNICATIONS
钢轨探伤检测小车设计
蒋秋月，高晓蓉，彭朝勇，李金龙
（西南交通大学光电工程研究所， 四川 成都 610031）
摘 要：针对铁路钢轨超声探伤问题，介绍钢轨探伤检测小车的设计方案，包括其工作原理、组成结 构、硬件设计、软件设计、相关试验及试验结果。钢轨探伤检测小车采用直接接触脉冲反射法，在现场测试 中取得良好结果，工作稳定，伤损检出率高。
大小 ［2］ 。
脉冲反射法检测钢轨内部缺陷的主要工作过程
检测车 1 次推行过程中，可检出多种钢轨内部 如下 ［4］ ：
缺陷。其设计采用 A 型显示及 8 路发射-接收系
（1）将超声波转换器固定或靠近被测钢轨。
统，设置多路报警闸门，并将相关闸门巧妙组合，
（2） 将转换器对准被测钢轨，以脉冲方式激
具有进波、失波报警和螺孔回波的识别功能，从而 发，使超声波能量传入。
关键词：钢轨探伤检测车；超声波探伤；设计
中图分类号：U213.43 文献标识码：B 文章编号：1006-9178 （2011） 07-0047-03
Abstract：Regarding with the ultrasonic detection of rail flaws，the paper introduces the design scheme of a portable rail flaw detection car，including the work principle，composition and structure，hardware design, software design， related tests and the test results of this detection car. And the contact-type impulse-reflection process is used on this type of detection car. It has obtained good results after several tests and works stably and has a high detection rate. Keywords：Portable Inspection Car of Rail Flaw；Ultrasonic Inspection；Design
（4）将被反射的能量反映在波形图上，分析波 形和波幅特征，确定钢轨内部缺陷情况。
3 硬件设计
3.1 组成结构及总体方案 检测车主要由多通道 A 型显示钢轨超声波探
伤仪、工业 PC、LCD 液晶显示器、电源、电机、 带耦合液水箱等构成。多通道 A 型显示钢轨超声 波探伤仪可用于在役钢轨野外探伤作业，是具有 A 型探伤图型显示的多通道超声波探伤设备。工业 PC 机配有 Socomate PCI 板卡，用于多通道超声数 据采集。LCD 液晶显示器用于显示缺陷的波形， 电源采用锂电池，带耦合液水箱采用清洁水，用于 探头与钢轨之间的耦合。另外，检测车采用固定轮 距、可悬挂轴箱的走行装置，以提高运行安全性。 检测车系统总体方案如图 2 所示。
高分辨率彩色显示器显示钢轨 A 扫描、B 扫 描图形，计算机数据处理系统对探伤信号进行分析 处理 ［5］ 。
在波形显示软件上可以进行板卡选择和通道选 择，显示扫描次数和检测对象的增益波形等，可随 时控制检测的开始与停止。
5 检测车运用试验
开通电源 校正入射点
设定闸门 选定探伤灵敏度
图 6 探伤试验流程
晶片、阻尼块及斜锲组成。 65°探头主要用于检测 轨头横向及纵向裂纹，探测时，3 个 TR 探头和其 中 4 个 65°探头同时工作，剩余 1 个 65°探头备用， 布局如图 3 所示。
推行方向
3 个 TR
65°
65°内
65°外
65°
图 3 探头布局
3.3 系统供电和小车的驱动设计 检测车采用 1 个大容量磷酸铁锂电池组电源供
实现缺陷报警而螺孔不报警，降低误报率。
（3）超声波能量在被测钢轨中传播、反射和散
收稿日期：2011-03-02 作者简介：蒋秋月，硕士研究生
射，在钢轨内部的分界面上改变方向，从而检查被 测钢轨的几何特征或内部异常情况。
2011 年 7 月 （总第 297 期）
·47·
研究与交流
钢轨探伤检测小车设计
系统控制过程如图 5 所示。
打开电源
开启 超声采集
PCI 驱动 控制板卡
明确检查环境 和范围及过程
选定标准试块
选定探伤方法 及探伤面等
记录缺陷及底 面回波的情况
探伤
修改灵敏度 和频率
分析图形 记录数据
停止采集 关闭电源
显示波形
图 5 系统控制过程
选定频率和 探头参量
明确小车性能 选定测量范围
探伤
修整探伤面 涂耦合剂
1 概述
2 基本工作原理
我国铁路运营负荷重，超期服役的钢轨数量
检测车系统采用脉冲反射法检测钢轨内部缺
多，钢轨伤损发生率较高，迫切需要快速准确的钢 陷。超声波换能器发射脉冲波进入钢轨内部，通过
轨探伤设备。钢轨探伤设备以多通道探伤车为主， 分析显示的波形判断钢轨内部缺陷情况。当钢轨内
在列车运营“天窗”时间上道作业。目前，我国钢 部无缺陷时，显示波形中仅有发射脉冲 T 和底面
6 结语
基于超声波检测技术的新型钢轨探伤检测小车 的试验运行结果表明，检测伤损检出率高，检测车 工作稳定，满足钢轨探伤要求。
检测车试验时采用 TR 探头和 65°斜探头对钢 轨特定部位的缺陷进行扫查，试验流程如图 6 所 示。
试验时，在室内选定标准试块，确定缺陷的位 置和大小，打开电源，选好测试探头 （TR 探头和 65°探头）、频率、耦合剂以及检测灵敏度，调节增 益等参数，对试块进行检测。
［2］李 晓 娜 . 一 种 无 损 检 测 方 法 ： 超 声 波 探 伤［J］. 现 代 焊 接 ， 2008，（11）：26-27.
［3］牟斌，陈军德，李刚. 高速钢轨探伤车中走行小车的设计及试 验［J］. 铁道机车车辆，2001，（4）：1-5.
［4］B Sladojevic， 马 艳 . 钢 轨 的 超 声 波 探 伤 法［J］. 无 损 探 伤 ， 1997，（2）：34-35.
·48·
铁道技术监督
第 39 卷 第 7 期
PCI USPC 和 PC MUX 之间只有 2 根连线，分 别是同轴 A 扫描信号线和 脉 冲 重 复 频 率 （开 始 PRF） 触发信号线。PC MUX 需要 5 V 和 12 V 的 2 种电源。PCI USPC 和 PC MUX 之间的开始 PRF 触 发信号引脚的连接是固定的。
轨探伤车与国外探伤设备比较还存在较大差距，主 回波 B 的 2 个信号；当钢轨内部存在缺陷时，在
要表现为技术含量较低、缺乏存贮功能、探伤结果 发射脉冲与底面回波之间将出现来自缺陷的回波
无法保存和核查 ［1］。 在充分调研国内外探伤设备的基础上，设计出
F，F 的高度反映缺陷的大小，F 与 T 的距离，反 映缺陷的埋藏深度，如图 1 所示 ［3］ 。
电，额定电压 12 V，容量 60 Ah。 检测车配有直流减速电机，用以控制其运行，
运行速度 V 为 2 km/h （约 0.56 m/s）。水箱可容纳 耦合剂 50 kg，电池组自重 10 kg，检测车总重 m 约 200 kg。检测车与轨面间的滚动摩擦系数 μ 取 0.005，重力加速度 g 取 10 m/s2，则驱动功率为
P=F×V=m×g×μ×V=200×10×0.005×0.56≈ 5.6 （W）。
因此，选择 6 W 的减速电机可满足驱动要求， 考虑到各部件间的运转摩擦，选择 10 W 的 2D0112GN-30S 型直流减速电机，其额定工作电压为 12 V，额定工作电流为 0.8 A。检测车采用的锂电 池可以满足电机、探伤仪及工业 PC 等硬件设施的 供电需求，计算和试验表明，检测车在钢轨上工作 时间不低于 3 h。
4 软件设计
4.1 控制流程 检测车各部分，通过合理有序的交互与协调，
共同完成钢轨探伤。Socomate PCI 板卡将结果显示 在 LCD 液晶显示器上，如图 4 所示。
PCI USPC
直流电机
PC MUX
电源管理
PC 机 （板卡）
小车控制主板
LCD 液晶显示器
超声耦合水泵
PCI USPC—计算机串口；PC MUX—多路复用器 图 4 系统控制主板
LCD 液晶 显示器
驱动小车 直流电机
PCI 板卡
wk.baidu.com
工业 PC
控制及驱动
超声耦 合水泵
MUX 左 8 个发射与 接收探头
MUX 右 8 个发射与 接收探头
电源管理
锂电池
图 2 检测车系统总体方案
检测车采用 8 路独立的发射-接收通道，其中 7 个通道用于钢轨探伤，1 个通道用于校对缺陷或 备用。 3.2 探头布局方案