[发明专利]一种履带式钢轨探伤的无线超声波探头组件及其探伤方法

说明书

技术领域

本发明涉及超声波无损探测技术和无线通信技术，具体涉及履带式钢轨探伤的超声波探头组件及其探伤方法。

背景技术

我国铁路运输繁忙，列车运行间隔只有十几分钟，同时，运营线路近八万公里，线路状况较差，超期服役钢轨数量很大，导致钢轨损伤发生率高。为了保障铁路运输安全，需要定期对线路进行检查，并对损坏的钢轨进行更换。目前检测钢轨内部缺陷的主要设备为小型钢轨超声波探伤仪，由人工推行的方法进行钢轨探伤。为防止损伤的发生和恶化，平均每年每条线路需检测需指频率为十遍以上，总检测里程近一百万公里。全线有近万名专职钢轨探伤人员负责钢轨内部损伤的检测。随着中国铁路的进一步提速，对能够完成钢轨高速探伤设备的需求日益迫切，研究开发高速钢轨探伤的装置，对铁路运输业具有重要意义。

超声波是指频率超过20kHz的声波，超声波探伤利用了其三个特性：一是反射特性，当超声波由一种介质进入另一种介质时会发生反射，当介质密度相差悬殊时，声波几乎完全被反射回来；二是衰减特性，在传播过程中，由于受到介质或者杂质的阻碍，强度会产生衰减；三是声速特性，在同样条件下，其在同一介质中传播速度为常数。对钢轨进行探伤基本原理是利用声波在不同介质中的传播特性，用频率高于2MHz的声波射入钢轨中，当遇到钢轨损伤时，反射回来的超声波信号会异于正常反射波，因此可根据检测反射波来判断伤痕的大小及位置。通常，探伤仪上安装有不同角度的超声波探头，分别检查不同部位的损伤。如65°~75°倾斜角超声波探头用来发现轨头内的核伤或横裂，35°~45°倾斜角超声波探头用来探测轨腰及螺栓孔处的损伤，垂直超声波探头则用来探轨头、轨腰以及轨底的水平裂纹、纵裂纹。

传统的脉冲回波法作为超声波无损检测的主流已经广泛应用于钢轨探伤领域。它利用超声波探头向受检工件发射超声波脉冲，并根据反射波的能量大小以及相位信息来判断钢轨有无缺陷。脉冲回波法由于长期应用于钢轨探伤领域，因而它在技术上相对成熟。标志当前领先技术的是由美国Sprry公司制造的RTS系列大型钢轨探伤车。该系列大型钢轨探伤车由机械子系统和后台处理子系统两大部分构成。其中机械子系统由用于布置超声波探头组件的探伤小车和液压系统、空气系统、水系统及标记系统等机构组成；后台处理子系统主要由主计算机、A/D和D/A转换器、远程放大器、显示器以及系统打印机等外部设备组成。实际工作中能够以最高时速80km/h对铁路钢轨进行探伤。当前，用于钢轨探伤的超声波探头有两种形式：轮式探头与滑靴式探头。轮式探头由探头支架和探轮外膜组成，探头支架安装在轮轴上用于固定超声波探头，探轮外膜由透声树脂材料制作，用于包裹整个内腔的透声耦合液。探头支架上一般安装五个超声波探头，向钢轨发射三种不同方向和不同频率的超声波。探伤时，探轮外膜随车运动而向前滚动，而其中的超声波探头不动，以保持超声波的发射和接收方向不变。滑靴式探头则由超声波探头和撬板组合而成，多个超声波探头按不同角度嵌入撬板内，探伤时，超声波探头随撬板沿钢轨轨道面滑动。早期因为轮式探头设计和制作技术比较落后，适应性差，滑靴式探头曾占上风。最近十几年，轮式探头质量明显提高，所以轮式探头又逐渐成了主流。然而，轮式探头在原理上依赖反射波的能量大小，属于对能量敏感的检测方法，定量检测方面性能不佳。这也是在实际应用中利用传统方法进行钢轨探伤时漏检率不能有效控制的原因之一。总结当前普遍使用的轮式超声波探头组件的特点，存在以下缺点和不足：

（1）在钢轨探伤过程中，超声波探头与钢轨始终处于相对运动状态，采样时间只有零点几毫秒，再加上多普勒效应、检测灵敏度不高等一系列问题，使得探测效率低下、探测速度无法提高。

（2）因为声波通常只在垂直、光滑缺陷表面形成反射，所以基于脉冲回波法在探测与钢轨轨道面垂直的轨头核伤及焊缝时，基本无法接收到缺陷回波，漏检概率较大。

（3）易损件消耗量大，维护成本高。现有透声树脂材料制作的探轮外膜每个单价上千元，而且因为需要包裹大量耦合液体，所以轮胎面出现微小的损伤就需要更换。我国铁路干线有3万公里（均为复线，不包括各城市地铁、轻轨及近5万公里的支线），若全部改用大型探伤车检测，年检按最低6次计。钢轨探伤车同时使用4个探轮，按每个探轮100km使用极限计算，仅仅探轮外膜消耗每年就高达上千万元。