專利名稱：火車車輪表面自動電磁超聲檢測裝置和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于火車車輪表面探傷技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種火車車輪表面 自動電磁超聲檢測裝置和方法。
背景技術(shù)：
火車車輪是機(jī)車和車輛的重要運(yùn)動和承載部件，其質(zhì)量優(yōu)劣對保證 火車的安全運(yùn)行起著至關(guān)重要的作用， 一旦引發(fā)事故，往往是災(zāi)難性的。1998年6月德國高速列車發(fā)生了轟動世界的列車傾覆事故(范弘等，《火 車車輪超聲探傷技術(shù)研究與開發(fā)》，鋼鐵，2000, (12): 60-63 )，造成大量 的人員傷亡和財產(chǎn)損失，而導(dǎo)致此次事故的主要原因，經(jīng)事故后分析是火 車輪表面上產(chǎn)生的缺陷失察所致。在同年8月，我國江岸554-8081次貨 車發(fā)生脫軌事故，其誘因同樣是火車輪表面的缺陷。由此可見，火車輪 表面缺陷是引發(fā)事故的巨大隱患。S1發(fā)鐵路列車事故的車輪缺陷的主要原因是，在車輪用鋼的冶煉和加 工過程中，往往會在車輪的表面和內(nèi)部產(chǎn)生一些氣孔、砂眼、夾雜物和 劃痕等缺陷。由于這些缺陷的存在，在車輪運(yùn)行過程中會造成應(yīng)力集中。 在應(yīng)力集中區(qū)域金屬的承載能力較小，極易延展出裂紋；在連續(xù)承載情 況下，裂紋不繼擴(kuò)展，在車輪表面產(chǎn)生剝離和掉塊。車輪一旦出現(xiàn)表面 剝離和掉塊， 一方面可能會在火車連續(xù)重載下使缺陷擴(kuò)展，最終導(dǎo)致車 輪"崩輪"而使列車跨塌；另一方面可能會由于行車中的振動，使車軸 的負(fù)荷加大，嚴(yán)重時即導(dǎo)致車軸的斷裂，列車傾覆。目前，國內(nèi)外對車輪的質(zhì)量檢測通常采用壓電超聲波探傷法。壓電超聲縱波法用于車輪表面探傷存在著局限性首先是對徑向缺陷的檢測 靈敏度低，而徑向缺陷恰恰是導(dǎo)致車輪剝離甚至崩裂的致命缺陷；其次 是壓電超聲探傷法離不開液態(tài)耦合介質(zhì)，若想在機(jī)車不用解體的情況下 對車輪進(jìn)行全面^r查是非常困難的。更重要的是，對于壓電超聲縱波法， 車輪表面及近表面區(qū)域?qū)儆跈z測盲區(qū)。因此，可以對行駛中的列車車輪實(shí)現(xiàn)自動檢測，及時發(fā)現(xiàn)車輪表面 上的缺陷，避免事故的發(fā)生是十分重要的。電磁超聲探傷是近年來發(fā)展起來的新興無損檢測技術(shù)。由于電磁超聲 探傷法具有不使用耦合劑、快速、靈敏等一系列優(yōu)點(diǎn)，所以將這一技術(shù) 用于行駛車輪表面的檢查是惟一可行的方案。例如，中國實(shí)用新型專利 (申請?zhí)?2000320111599.3,申請日2003. 11. 20 )公開了一種"鐵路機(jī) 車、車輛車輪踏面在線自動化探傷裝置"，是對火車車輪踏面進(jìn)行檢測。 另外，本申請的申請人于2006年10月20日申請的實(shí)用新型專利 200620134118. 4,為"火車車輪踏面電磁超聲探頭裝置"，它提供了一種 火車車輪踏面電磁超聲，但是上述申請均沒有提供對于火車車輪表面的 電磁超聲全自動檢測的裝置和方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個目的是提供一種火車車輪表面自動電磁超聲檢測裝置， 可通過計算機(jī)控制、全自動的完成火車車輪表面的電磁超聲檢測。
本發(fā)明的另一個目的是提供一種火車車輪表面自動電磁超聲檢測方法。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明是這樣實(shí)現(xiàn)的
一種火車車輪表面自動電磁超聲檢測裝置，包括電磁超聲換能器，火 車車輪經(jīng)過時觸發(fā)電磁超聲換能器產(chǎn)生的超聲波經(jīng)過連接線路輸入電磁
超聲探傷儀，該電^f茲超聲探傷儀包括如下部件 計算機(jī)(11),
脈沖發(fā)生器(12 ):由計算機(jī)(11 )控制產(chǎn)生連續(xù)的方脈沖， 脈沖串產(chǎn)生器(13):將脈沖發(fā)生器(12)產(chǎn)生的連續(xù)脈沖切割成脈 沖串，
功率放大器(U):使脈沖串增加能量，并饋電給電磁超聲換能器15, 其中，從電磁超聲換能器(15 )獲得的帶有車輪表面質(zhì)量信息的檢測
信號首先經(jīng)前置放大器(16)進(jìn)行放大，然后送檢波器(17)做解調(diào)處
理；
解調(diào)后的檢測信號通過衰減器(18 )增減幅度，再經(jīng)視頻放大器(19) 最終放大后輸入計算機(jī)11，計算機(jī)ll完成對信號的甄別，判斷是否具有 有害缺陷，并將4企測結(jié)果進(jìn)行顯示、分類、編輯、統(tǒng)計和存儲。
電磁超聲換能器(15)包括至少以下兩種換能器車輪踏面換能器(1 ) 和車輪輪緣換能器(2),它們分別緊貼固定在鋼軌的外側(cè)面和內(nèi)側(cè)面。
所述的電磁超聲探傷儀中，計算機(jī)(ll)通過D/A連接脈沖發(fā)生器 (12)。
所述的車輪踏面換能器(1)包括扁平線圈(3)、殼體(4)、釹鐵硼 磁鐵(5)和彈簧(6);殼體(4)下部為平板，其上有用于固定車輪踏 面換能器(1 )的安裝孔；釹鐵硼磁鐵(5 )安裝在殼體(4 )中的彈簧(6 ) 上面。
彈簧(6 )向上頂推磁鐵(5 )和扁平線圈(3 )，使扁平線圈(3 )貼 近車輪踏面。
所述的車輪輪緣換能器(2)包括曲面線圈(7)、殼體(8)、釹鐵硼 磁鐵(9)和彈簧(10);殼體(8)下部為平板，其上有用于固定車輪輪 緣換能器(2 )的安裝孔，釹鐵硼磁鐵(9 )安裝在殼體(8 )中的彈簧(10 ) 上面。
彈簧(10)作向上頂推磁鐵(9)和曲面線圈(7),使曲面線圈(7) 貼近車輪輪緣。
上述的殼體是不銹鋼材料。
所述衰減器(18)通過I/O連接計算機(jī)(11)。
一種火車車輪表面自動電磁超聲檢測方法，是火車車輪經(jīng)過時觸發(fā) 電磁超聲換能器產(chǎn)生的超聲波經(jīng)過連接線路輸入電^f茲超聲探傷儀，執(zhí)行 如下步驟
計算機(jī)(11)控制脈沖發(fā)生器(12)產(chǎn)生連續(xù)的方脈沖，
脈沖串產(chǎn)生器(13)將脈沖發(fā)生器(12)產(chǎn)生的連續(xù)脈沖切割成脈沖串，
功率放大器(14)使脈沖串增加能量，并饋電給電磁超聲換能器15，
從電磁超聲換能器(15)獲得的帶有車輪表面質(zhì)量信息的檢測信號首先經(jīng)前置放大器(16)進(jìn)行放大，然后送檢波器(17)做解調(diào)處理；
解調(diào)后的檢測信號通過衰減器(18)增減幅度，再經(jīng)視頻放大器(19) 最終放大后輸入計算機(jī)(ll)，計算機(jī)(ll)完成對信號的甄別，判斷是否 具有有害缺陷，并將檢測結(jié)果進(jìn)行顯示、分類、編輯、統(tǒng)計和存儲。 計算機(jī)(11)通過D/A控制脈沖發(fā)生器(12)。 所述衰減器(18)的增減調(diào)節(jié)通過I/O控制進(jìn)行。 本發(fā)明用于火車車輪表面的自動檢測時可以做到
① 無需對車輪表面進(jìn)行逐點(diǎn)掃查，在換能器與車輪接觸的瞬間，超 聲波既可在車輪內(nèi)傳播數(shù)周，完成對整個車輪表面的檢查；
② 能檢測出車輪表面和近表面內(nèi)的缺陷；
③ 能才企測出車輪表面長15咖深lmm的裂紋； 全自動檢測，無需操作人員判傷。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果在于不像傳統(tǒng)的壓電超聲探傷 那樣需要使用液態(tài)耦合介質(zhì)，不需要額外增加輔助裝置，不需要特殊的 機(jī)械動作，只將電磁超聲換能器安裝在鐵道線上即可。在檢測過程中火 車不需要停頓，不占用時間。列車行駛中的車輪表面自動探傷可以從根 本上改變行駛車輪的運(yùn)行狀況，減少由于車輪缺陷造成的事故。


圖1為本發(fā)明火車車輪表面自動電磁超聲檢測裝置的電磁超聲探傷儀的 電路組成框圖。
圖2為圖1中電磁超聲換能器15 (分別為車輪踏面換能器1和車輪輪緣
換能器2)的安裝示意圖。
圖3為圖2中車輪踏面換能器1的機(jī)械結(jié)構(gòu)示意圖。
圖4為圖2中車輪輪緣換能器2的機(jī)械結(jié)構(gòu)示意圖。
上述附圖中
1車輪踏面換能器 5、 9釹鐵硼磁鐵 ll計算機(jī) 14功率放大器 17檢波器 TRIG-觸發(fā)器
2車輪輪緣換能器 3扁平線圈 4、 8殼體 6、 10彈簧 7曲面線圈
12脈沖發(fā)生器 13脈沖串產(chǎn)生器
15電磁超聲換能器 16前置放大器 18衰減器 19視頻放大器 A/D -模數(shù)轉(zhuǎn)換 D/A數(shù)摸轉(zhuǎn)換
I/O-輸入輸出控制 CRT-顯示器 HDD-硬盤存儲器
CD-ROM-光盤驅(qū)動器 R32-計算機(jī)R32接口。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖介紹本發(fā)明的實(shí)施例。
本發(fā)明的火車車輪表面自動電磁超聲檢測裝置由電磁超聲換能器和 電磁超聲探傷儀組成。
本發(fā)明的檢測裝置的組成框圖如圖1所示。由計算機(jī)11控制D/A在 脈沖發(fā)生器12處產(chǎn)生連續(xù)的方脈沖；脈沖串產(chǎn)生器13將脈沖發(fā)生器12 產(chǎn)生的連續(xù)脈沖切割成脈沖串；功率放大器14使脈沖串增加能量，并饋 電給電磁超聲換能器15;從電磁超聲換能器15獲得的帶有車輪表面質(zhì)量 信息的4全測信號首先經(jīng)前置放大器16進(jìn)行放大；然后送檢波器17做解
調(diào)處理；解調(diào)后的檢測信號通過衰減器18增減幅度，以適應(yīng)計算機(jī)11 對信號幅度的處理要求；衰減器18的增減調(diào)節(jié)通過1/0控制進(jìn)行；經(jīng)過 衰減器18調(diào)節(jié)的檢測信號再經(jīng)視頻放大器19的最終放大處理后，做A/D 轉(zhuǎn)換送交計算機(jī)ll。計算機(jī)ll完成對信號的甄別，判斷是否具有有害缺 陷，并將檢測結(jié)果進(jìn)行顯示、分類、編輯、統(tǒng)計和存儲。
計算機(jī)11對檢測信號進(jìn)行甄別、判斷是否有缺陷的方法是在電磁 超聲波傳播的時間域內(nèi)設(shè)定報警閘門，當(dāng)超聲波的回波信號高于報警閘 門時，即判斷為有缺陷存在，并即時驅(qū)動儀器的聲、光報警器給出報警。 與此同時，將缺陷的信號波形存儲在計算機(jī)硬盤(HDD)中， 一并存儲的 還有車輪的編號和序號等，使檢測結(jié)果與問題車輪相對應(yīng)。以上功能均 由計算機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)、完成。
TRIG—I/O的功能是在鋼軌旁靠近電磁超聲換能器處安裝一接近開 關(guān)(或光電開關(guān))，當(dāng)每一車輪滾過換能器時，接近開關(guān)(或光電開關(guān)) 便給出一個觸發(fā)(TRIG)信號，通過I/O通知計算機(jī)車輪的達(dá)到，計算 機(jī)在車輪接觸換能器的短暫時間(即TRIG給出信號)內(nèi)'，對探測信號進(jìn) 行甄別和判斷。待下一個車輪到達(dá)時，計算機(jī)做同樣工作。依此類推。 在各車輪到達(dá)換能器的間隔時間內(nèi)，計算機(jī)不對信號進(jìn)行判斷、處理。
11 —D/A —TRIG的電路的作用是計算機(jī)11控制D/A使之給出一個 精準(zhǔn)的電平，該電平作為脈沖發(fā)生器(或壓控振蕩器)的輸入使其產(chǎn)生 一個固定頻率的脈沖波。以每個脈沖的上升沿作為觸發(fā)(TRIG)指令， 通知將脈沖發(fā)生器12產(chǎn)生的連續(xù)脈沖切割成脈沖串。由此便產(chǎn)生了每隔 一定時間間隔發(fā)射出 一段脈沖串。該脈沖串經(jīng)功率放大器14增加能量后，
饋電給電磁超聲換能器15。
本發(fā)明的電磁超聲換能器15包括兩種換能器，如圖2所示， 一個為 車輪踏面換能器l,另一個為車輪輪緣換能器2，它們分別安裝在鋼軌的 外側(cè)面和內(nèi)側(cè)面，分別探測車輪踏面上的缺陷和車輪輪緣上的缺陷。
車輪踏面換能器1和車輪輪緣換能器2在鋼軌上的安裝方法如圖2 所示。首先將鋼軌的"軌頭"外側(cè)和內(nèi)側(cè)分別挖掉一塊形成一個缺口， 并使挖掉部分恰與"軌腰"平齊。然后將換能器放入缺口中，緊貼鋼軌 側(cè)壁加以固定。
本發(fā)明中的車輪踏面換能器1的構(gòu)成如圖3所示，它由扁平線圈3、 殼體4、釹鐵硼磁鐵5和彈簧6組成。殼體4采用不銹鋼材料制作，殼體 下部為平板，其上有用于固定換能器的安裝孔。釹鐵硼^f茲鐵5安裝于殼 體4中彈簧6的上面。彈簧6起作向上頂推磁鐵5和扁平線圈3的作用， 使扁平線圈3盡量貼近車輪踏面。
本發(fā)明中的車輪輪緣換能器2的構(gòu)成如圖4所示，它由曲面線圈7、 殼體8、釹鐵硼磁鐵9和彈簧IO組成。殼體8采用不銹鋼材料制作，殼 體下部為平板，其上有用于固定換能器的安裝孔。釹鐵硼磁鐵9安裝于 殼體8中彈簧10的上面。彈簧IO起作向上頂推磁鐵9和曲面線圈7的 作用，使曲面線圈7盡量貼近車輪輪緣。
權(quán)利要求
1、一種火車車輪表面自動電磁超聲檢測裝置，包括電磁超聲換能器，其特征是火車車輪經(jīng)過時觸發(fā)電磁超聲換能器產(chǎn)生的超聲波經(jīng)過連接線路輸入電磁超聲探傷儀，該電磁超聲探傷儀包括如下部件計算機(jī)(11)，脈沖發(fā)生器(12)由計算機(jī)(11)控制產(chǎn)生連續(xù)的方脈沖，脈沖串產(chǎn)生器(13)將脈沖發(fā)生器(12)產(chǎn)生的連續(xù)脈沖切割成脈沖串，功率放大器(14)使脈沖串增加能量，并饋電給電磁超聲換能器15，其中，從電磁超聲換能器(15)獲得的帶有車輪表面質(zhì)量信息的檢測信號首先經(jīng)前置放大器(16)進(jìn)行放大，然后送檢波器(17)做解調(diào)處理；解調(diào)后的檢測信號通過衰減器(18)增減幅度，再經(jīng)視頻放大器(19)最終放大后輸入計算機(jī)11，計算機(jī)11完成對信號的甄別，判斷是否具有有害缺陷，并將檢測結(jié)果進(jìn)行顯示、分類、編輯、統(tǒng)計和存儲。
1、 一種火車車輪表面自動電磁超聲檢測裝置，包括電磁超聲換能器，其特征是火車車輪經(jīng)過時觸發(fā)電磁超聲換能器產(chǎn)生的超聲波經(jīng)過連接 線路輸入電磁超聲探傷儀，該電磁超聲探傷儀包括如下部件 計算機(jī)(11),脈沖發(fā)生器(12 ):由計算機(jī)(11 )控制產(chǎn)生連續(xù)的方脈沖， 脈沖串產(chǎn)生器(13):將脈沖發(fā)生器(12)產(chǎn)生的連續(xù)脈沖切割成脈 沖串，功率放大器(14 ):使脈沖串增加能量，并饋電給電磁超聲換能器15， 其中，從電磁超聲換能器(15 )獲得的帶有車輪表面質(zhì)量信息的檢測信號首先經(jīng)前置放大器(16)進(jìn)行放大，然后送檢波器(17)做解調(diào)處理；解調(diào)后的檢測信號通過衰減器(18 )增減幅度，再經(jīng)視頻放大器(19) 最終放大后輸入計算機(jī)ll，計算機(jī)ll完成對信號的甄別，判斷是否具有 有害缺陷，并將檢測結(jié)果進(jìn)行顯示、分類、編輯、統(tǒng)計和存儲。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的檢測裝置，其特征是電磁超聲換能器(15) 包括至少以下兩種換能器車輪踏面換能器(1 )和車輪輪緣換能器(2 ), 它們分別緊貼固定在鋼軌的外側(cè)面和內(nèi)側(cè)面。
3、根據(jù)權(quán)利要求1所述的檢測裝置，其特征是所述的電磁超聲探傷2儀中，計算機(jī)(11)通過D/A連接脈沖發(fā)生器(12)。
4、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的檢測裝置，其特征是所述的車輪踏面換 能器(1 )包括扁平線圈(3 )、殼體(4 )、釹鐵硼磁鐵(5 )和彈簧(6 ); 殼體(4)下部為平板，其上有用于固定車輪踏面換能器(1)的安裝孔； 釹鐵硼^茲4失(5 )安裝在殼體(4 )中的彈簧(6 )上面。
5、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的檢測裝置，其特征是彈簧(6)向上頂推 磁鐵(5)和扁平線圈(3)，使扁平線圈(3)貼近車輪踏面。
6、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的檢測裝置，其特征是所述的車輪輪緣換 能器(2 )包括曲面線圈(7 )、殼體(8)、釹鐵硼f茲鐵(9 )和彈簧(10 ); 殼體(8)下部為平板，其上有用于固定車輪輪緣換能器(2)的安裝孔， 釹鐵硼磁鐵(9 )安裝在殼體(8 )中的彈簧(10 )上面。
7、 根據(jù)權(quán)利要求6所述的檢測裝置，其特征是彈簧(10)作向上 頂推磁鐵(9)和曲面線圈(7)，使曲面線圈(7)貼近車輪輪緣。
8、 根據(jù)權(quán)利要求4或6所述的檢測裝置，其特征是上述的殼體是 不銹鋼材料。
9、根據(jù)權(quán)利要求1所述的檢測裝置，其特征是所述衰減器(18)通過I/O連接計算機(jī)(ll)。
10、 一種火車車輪表面自動電磁超聲檢測方法，是火車車輪經(jīng)過時觸發(fā)電磁超聲換能器產(chǎn)生的超聲波經(jīng)過連接線路輸入電磁超聲探傷儀，其特征是執(zhí)行如下步驟計算機(jī)(11)控制脈沖發(fā)生器(12)產(chǎn)生連續(xù)的方脈沖， 脈沖串產(chǎn)生器(13)將脈沖發(fā)生器(12)產(chǎn)生的連續(xù)脈沖切割成脈沖串， 功率放大器(14)使脈沖串增加能量，并饋電給電磁超聲換能器15, 從電磁超聲換能器(15)獲得的帶有車輪表面質(zhì)量信息的檢測信號首先經(jīng)前置放大器(16)進(jìn)行放大，然后送檢波器(17)做解調(diào)處理；解調(diào)后的檢測信號通過衰減器(18)增減幅度，再經(jīng)視頻放大器(19)最終放大后輸入計算機(jī)(ll),計算機(jī)(ll)完成對信號的甄別，判斷是否具有有害缺陷，并將檢測結(jié)果進(jìn)行顯示、分類、編輯、統(tǒng)計和存儲。
11、 根據(jù)權(quán)利要求IO所述的檢測方法，其特征是計算機(jī)(11)通過D/A 控制脈沖發(fā)生器(12)。
12、 根據(jù)權(quán)利要求10所述的檢測方法，其特征是所述衰減器(18)的 增減調(diào)節(jié)通過I/O控制進(jìn)行。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種火車車輪表面自動電磁超聲檢測裝置和方法，該裝置由電磁超聲換能器和電磁超聲探傷儀等構(gòu)成。它通過安裝在鋼軌上電磁超聲換能器測量火車經(jīng)過時車輪踏面和車輪輪緣的信號，并經(jīng)連接線路輸入電磁超聲探傷儀，經(jīng)過對信號處理和甄別，判斷車輪表面是否有缺陷，實(shí)現(xiàn)自動檢測。在檢測過程中火車不需要停頓，不占用時間，對行駛中的列車車輪自動探傷，通過電磁超聲探傷儀對接收檢測信號的甄別和判斷，及時發(fā)現(xiàn)車輪表面上的缺陷。
文檔編號G01N29/04GK101149358SQ20071017681
公開日2008年3月26日 申請日期2007年11月5日 優(yōu)先權(quán)日2007年11月5日
發(fā)明者濤 劉, 岳東平, 張偉代, 張建衛(wèi), 凱 童, 弘 范, 賈慧明 申請人:鋼鐵研究總院