[发明专利]基于无线分体轮沿式探头阵列的钢轨探伤装置与方法

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，具体涉及利用无线分体轮沿式探头阵列装置来进行钢轨探伤的方法。

背景技术

我国铁路运输效率居全球第一，以全球6%的营运里程完成25%以上的运量，铁路运输系统异常繁忙，列车运行间隔只有十几分钟。我国铁路线路状态较复杂，超期服役钢轨数量大，超负荷的运营使得铁路钢轨损伤发生率极高，直接危及运输和行车安全。钢轨轨头内部横向疲劳裂纹（俗称核伤）曾引起许多断轨事故。为了确保铁路运营的安全性和乘坐的舒适性，根据我国钢轨探伤作业标准，需要定期对线路进行检修，平均每年每条线路需检测5～10遍以上，由此可见，我国钢轨检修与养护工作量巨大，急需高效、低成本的钢轨探伤设备。

在役钢轨探伤主要检查钢轨在使用中产生的各种疲劳缺陷和伤损，主要包括钢轨核伤、钢轨接头伤损、钢轨水平裂纹、钢轨纵向裂纹、钢轨轨底裂纹以及钢轨焊接接头伤损等，其中钢轨核伤是危害性最大的伤损，也是探伤的主要项目。在役钢轨探伤需要在行进中检测，一旦发现问题及时进行钢轨更换，确保运营安全；同时由于铁路运营里程长，检测量大，户外环境复杂，因此在技术上对钢轨探伤有比较高的要求。在役钢轨探伤方法主要有电磁涡流法、超声检测法、射线、磁粉、渗透等探伤方式。电磁涡流法只能检测金属导体的表面或近表面缺陷，检测深度很浅，难以满足钢轨核伤的检测要求。超声检测法可以检测钢轨内部伤损，与其它探伤方法（如射线、磁粉、渗透等探伤方式）相比，超声波检测钢轨伤损具有灵敏度高、检测速度快、定位准确等优点，已成为国内外钢轨探伤广泛采用的主流手段。

目前，用于钢轨探伤的小型超声探测设备主要以手动推车滑动式探伤仪为主，超声探头固定在探伤车上，通过不同角度的多个斜探头和直探头联合检测，能对轨头和轨腰的核伤、螺孔裂纹、轨腰轨底纵向裂纹伤损探伤。在结构上，采用滑动式结构，探头与钢轨直接接触，探伤时紧贴钢轨运行，信号游程短，损耗低，探测准确度高。但由于是滑动前行检测，摩擦严重，因此探测速度慢，检测速度只有2-3公里/小时，工作效率低下。

而在美国、瑞士、英国、日本等发达国家广泛应用的钢轨探伤设备是机动超声钢轨探伤设备，其技术水平较高。从探头结构上看可分为轮式探头与滑靴式探头。轮式探头结构像一个车轮，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，探头一般置于轮内中间，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。

总结当前普遍使用的轮式超声波探头的特点，存在以下缺点和不足：

（1）    轮式结构的超声探头位于轮子的中间处于轮内耦合液中，超声波从探头发射出去后经历轮内耦合液、探轮外膜和水等多层介质，穿越距离长，经往复透射和反射导致信号损耗大，信号微弱，检测灵敏度低。

（2）    不能支持比较高的运行速度。超声波在耦合液中传播速度较慢（声速约为钢中的1/3），回波将滞后一段时间才能被超声探头准确接收。因此，为避免超声回波信号丢失，检测速度不能太快，不能支持比较高的运行速度。为缩短回波延时，可减少探轮直径，从而减少超声波在耦合液中的传播时间，但是直径变小，探轮表面线速度会变高，会令轮内耦合液自身出现扰动而升温干扰声波传输，出现无数杂反射波，令探伤难以进行。

（3）    移动性不好，需要订制专门的探伤车。轮式超声波探头发射短脉冲波，发射时间短，脉冲幅度高，因此需要较高的发射能量，所以探头和后端系统必须通过有线电缆连接来提供高压驱动，使得整套系统成为庞大的整体，不方便移动，需要订制专门的探伤车。

（4）    受轮式空间限制，每个探轮通常只能安装5-7个探头，探头数量少，探伤精度难以进一步提高；且探头个数有限，会导致接收信号的能力有限，容易发生漏检。