一种履带式钢轨探伤的无线超声波探头组件制造技术

本实用新型专利技术公开了一种履带式钢轨探伤的无线超声波探头组件，所述组件中每个履带片包括履带片片基以及内嵌在片基中的超声波探头阵列、电池、压力传感器、超声波收发电路、转换器和UWB通信模块；电池与超声波收发电路、转换器和UWB通信模块连接；超声波收发电路、UWB通信模块、压力传感器分别与转换器连接，超声波收发电路还与超声波探头阵列连接。当超声波在传播方向遇到钢轨内部的核伤、水平裂纹以及纵裂纹等损伤时，损伤部位会对超声波产生反射和散射效应。本实用新型专利技术采用履带滚进方式代替传统的车轮滚动方式，实现了超声波探头与钢轨之间相对静止，使得数据采样时间大大增加；同时能提高检测的灵活性并降低检测成本。（*该技术在2021年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本技术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。
技术介绍
我国鉄路运输繁忙，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。为了保障鉄路运输安全，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。随着中国鉄路的进ー步提速，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ー是反射特性，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；ニ是衰减特性，在传播过程中，由于受到介质或者杂质的阻碍，強度会产生衰减；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エ件发射超声波脉冲，井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( I)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、探測速度无法提高。(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測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。我国鉄路 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IOOkm使用极限计算，仅仅探轮外膜消耗毎年就高达上千万元。(4)通过性较差、操作较复杂。钢轨道岔中的有害空间少则几十毫米，多则ー百多毫米。对于主流的轮式探头，因为接触面小，过道岔时会直接陷入道岔的有害空间中，对超声波探头造成很大的冲击，容易毁坏超声波探头。为了不至于发生此类毁坏超声波探头的事件，每次过道岔时都要人为将超声波探头提起，给探伤车操纵者造成很大的不便，并且也不能完全杜绝这类事件的发生。
技术实现思路
针对目前在钢轨超声波探伤
存在的ー些诸如探伤速度难以提高、漏检率高、成本高及操作复杂等不足，本技术g在提出履带式钢轨探伤的无线超声波探头组件，利用超宽带(Ultra ffide-Band, UWB)无线通信的方法将后台处理子系统发出的连续多频调制超声波信号直接传至履带片片基内的超声波探头，通过测量该连续多频调制超声波信号的反射波信号，实现对钢轨的无损检測。本技术采用履带滚进方式代替传统的车轮滚动方式，实现了超声波探头与钢轨之间相对静止，使得数据采样时间大大增加；同时采用UWB技术用于后台处理子系统与超声波探头组件之间的短距离无线通信，将后台处理子系统与超声波探头组件物理分开，极大提高了探测的灵活性；另外，对超声波信号采用收发分离方式取代传统的收发共用方式，可大幅度提高接收信号的信噪比。本技术所述的后台处理子系统与现有大型钢轨探伤车的后台处理子系统在结构上类似，不同之处在于加装了ー个UWB通信模块，用UWB无线通信的方式取代现有后台处理子系统与超声波探头组件之间的有线连接。本技术通过如下技术方案实现。一种履带式钢轨探伤的无线超声波探头组件，其包括若干个履带片，每个履带片包括履带片片基以及内嵌在履带片片基中的超声波探头阵列、电池、压カ传感器、超声波收发电路、转换器和UWB通信模块；所述电池与超声波收发电路、转换器和UWB通信模块连接；超声波收发电路、UffB通信模块、压カ传感器分别与转换器连接，超声波收发电路还与超声波探头阵列连接；压力传感器负责检测履带片的压カ状态；超声波收发电路将连续多频调制超声波信号转发给相应的超声波探头，超声波收发电路还缓存各个超声波探头接收到的反射波信号并传至转换器；转换器包括A/D和D/A转换器，负责模拟信号与数字信号之间的转换；UWB通信模块将后台处理子系统产生的连续多频调制超声波信号传送至超声波收发电路，同时将各超声波探头接收的反射波信号及压カ传感器的信号传送给后台处理子系统进行处理。作为上述履带式钢轨探伤的无线超声波探头组件的优化方案，所述超声波探头阵列中行与行平行布置，列与列对齐布置；超声波探头阵列中与钢轨长度方向平行的两侧超声波探头采用60° 10°倾斜角布置，用来探测轨头内的核伤和横裂；超声波探头阵列中位于阵列中部的若干超声波探头采用0°倾斜角布置，用来探测轨头、轨腰和轨底的水平裂纹和纵裂纹；位于所述两侧和中部以外的超声波探头采用30°飞0°倾斜角布置，用来探测轨腰及螺栓孔损伤；所述倾斜角为超声波探头发射方向与钢轨横截面本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：韦岗，余业林，曹燕，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：实用新型
国别省市：