[發明專利]一種履帶式鋼軌探傷的無線超聲波探頭組件及其探傷方法

有效

• 申請號: 201110449210.5
• 申請日: 2011-12-27
• 公開（公告）號: CN102565198A
• 公開（公告）日: 2012-07-11
• 發明（設計）人: 韋崗;余業林;曹燕
• 申請（專利權）人: 華南理工大學
• 主分類號: G01N29/24
• 分類號: G01N29/24;G01N29/04
• 代理公司: 廣州粵高專利商標代理有限公司 44102
• 代理人: 何淑珍

技術領域

本發明涉及超聲波無損探測技術和無線通信技術，具體涉及履帶式鋼軌探傷的超聲波探頭組件及其探傷方法。

背景技術

我國鐵路運輸繁忙，列車運行間隔只有十幾分鐘，同時，運營線路近八萬公里，線路狀況較差，超期服役鋼軌數量很大，導致鋼軌損傷發生率高。為了保障鐵路運輸安全，需要定期對線路進行檢查，并對損壞的鋼軌進行更換。目前檢測鋼軌內部缺陷的主要設備為小型鋼軌超聲波探傷儀，由人工推行的方法進行鋼軌探傷。為防止損傷的發生和惡化，平均每年每條線路需檢測需指頻率為十遍以上，總檢測里程近一百萬公里。全線有近萬名專職鋼軌探傷人員負責鋼軌內部損傷的檢測。隨著中國鐵路的進一步提速，對能夠完成鋼軌高速探傷設備的需求日益迫切，研究開發高速鋼軌探傷的裝置，對鐵路運輸業具有重要意義。

超聲波是指頻率超過20kHz的聲波，超聲波探傷利用了其三個特性：一是反射特性，當超聲波由一種介質進入另一種介質時會發生反射，當介質密度相差懸殊時，聲波幾乎完全被反射回來；二是衰減特性，在傳播過程中，由于受到介質或者雜質的阻礙，強度會產生衰減；三是聲速特性，在同樣條件下，其在同一介質中傳播速度為常數。對鋼軌進行探傷基本原理是利用聲波在不同介質中的傳播特性，用頻率高于2MHz的聲波射入鋼軌中，當遇到鋼軌損傷時，反射回來的超聲波信號會異于正常反射波，因此可根據檢測反射波來判斷傷痕的大小及位置。通常，探傷儀上安裝有不同角度的超聲波探頭，分別檢查不同部位的損傷。如65°~75°傾斜角超聲波探頭用來發現軌頭內的核傷或橫裂，35°~45°傾斜角超聲波探頭用來探測軌腰及螺栓孔處的損傷，垂直超聲波探頭則用來探軌頭、軌腰以及軌底的水平裂紋、縱裂紋。

傳統的脈沖回波法作為超聲波無損檢測的主流已經廣泛應用于鋼軌探傷領域。它利用超聲波探頭向受檢工件發射超聲波脈沖，并根據反射波的能量大小以及相位信息來判斷鋼軌有無缺陷。脈沖回波法由于長期應用于鋼軌探傷領域，因而它在技術上相對成熟。標志當前領先技術的是由美國Sprry公司制造的RTS系列大型鋼軌探傷車。該系列大型鋼軌探傷車由機械子系統和后臺處理子系統兩大部分構成。其中機械子系統由用于布置超聲波探頭組件的探傷小車和液壓系統、空氣系統、水系統及標記系統等機構組成；后臺處理子系統主要由主計算機、A/D和D/A轉換器、遠程放大器、顯示器以及系統打印機等外部設備組成。實際工作中能夠以最高時速80km/h對鐵路鋼軌進行探傷。當前，用于鋼軌探傷的超聲波探頭有兩種形式：輪式探頭與滑靴式探頭。輪式探頭由探頭支架和探輪外膜組成，探頭支架安裝在輪軸上用于固定超聲波探頭，探輪外膜由透聲樹脂材料制作，用于包裹整個內腔的透聲耦合液。探頭支架上一般安裝五個超聲波探頭，向鋼軌發射三種不同方向和不同頻率的超聲波。探傷時，探輪外膜隨車運動而向前滾動，而其中的超聲波探頭不動，以保持超聲波的發射和接收方向不變。滑靴式探頭則由超聲波探頭和撬板組合而成，多個超聲波探頭按不同角度嵌入撬板內，探傷時，超聲波探頭隨撬板沿鋼軌軌道面滑動。早期因為輪式探頭設計和制作技術比較落后，適應性差，滑靴式探頭曾占上風。最近十幾年，輪式探頭質量明顯提高，所以輪式探頭又逐漸成了主流。然而，輪式探頭在原理上依賴反射波的能量大小，屬于對能量敏感的檢測方法，定量檢測方面性能不佳。這也是在實際應用中利用傳統方法進行鋼軌探傷時漏檢率不能有效控制的原因之一。總結當前普遍使用的輪式超聲波探頭組件的特點，存在以下缺點和不足：

（1）在鋼軌探傷過程中，超聲波探頭與鋼軌始終處于相對運動狀態，采樣時間只有零點幾毫秒，再加上多普勒效應、檢測靈敏度不高等一系列問題，使得探測效率低下、探測速度無法提高。

（2）因為聲波通常只在垂直、光滑缺陷表面形成反射，所以基于脈沖回波法在探測與鋼軌軌道面垂直的軌頭核傷及焊縫時，基本無法接收到缺陷回波，漏檢概率較大。

（3）易損件消耗量大，維護成本高。現有透聲樹脂材料制作的探輪外膜每個單價上千元，而且因為需要包裹大量耦合液體，所以輪胎面出現微小的損傷就需要更換。我國鐵路干線有3萬公里（均為復線，不包括各城市地鐵、輕軌及近5萬公里的支線），若全部改用大型探傷車檢測，年檢按最低6次計。鋼軌探傷車同時使用4個探輪，按每個探輪100km使用極限計算，僅僅探輪外膜消耗每年就高達上千萬元。