專利名稱：一種基于相控陣探頭的機車車輛車輪缺陷檢測裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及到一種機車車輛車輪輪輻區(qū)域超聲波探傷檢測裝置。
背景技術(shù)：
車輪是包括動車組在內(nèi)的機車車輛走行系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，其基本結(jié)構(gòu)如圖1
所示，包括輪緣63、踏面64、輪輞62、輪輻61、輻板孔611、輪轂60。車 輪6的內(nèi)部狀態(tài)和表面的裂紋直接關(guān)系到行車安全。鐵路提速的大發(fā)展以及高 速動車組的快速建設(shè)，對車輪的質(zhì)量提出了更高的要求。為避免有缺陷的車輪 在運行時發(fā)生事故，確保列車行駛的安全，需要對車輪輪輞和輪輻部分進行探 傷。同時，為提高高速列車的運營效率，要求對車輪輪輞輪輻進行不拆卸輪對 的在線式檢測(探傷)。車輪探傷目前較有效的方法是超聲波檢測，其原理是 如果介質(zhì)即車輪中有氣孔、裂紋、分層等缺陷(缺陷中有氣體)或夾雜，超聲 波傳播到介質(zhì)與缺陷的界面處時，就會全部或部分反射。反射回來的超聲波被 探頭接收，可以根據(jù)波形的變化特征判斷缺陷在工件的深度、位置和形狀。超 聲波探傷優(yōu)點是檢測厚度大、靈敏度高、速度快、成本低、對人體無害，能對 缺陷進行定位和定量，適合輪輞輪輻的無損探傷。
由于車輪輪輞62部分距離踏面64的距離較小，而且結(jié)構(gòu)差別不大，因此 輪輞62部分的探傷與輪輻區(qū)域相比更容易；而輪輻61區(qū)域結(jié)構(gòu)復(fù)雜且離踏面 64表面距離較遠，要檢測整個輪輻61區(qū)域需要的探頭數(shù)量大，對探頭布局要求 嚴格，尤其是在線式檢測的空間約束更大。目前尚無對輪輻61區(qū)域進行在線自 動化檢測的簡單有效方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就是提供一種基于相控陣探頭的機車車輛車輪缺陷檢測裝 置，該裝置能夠從踏面上在線自動化檢測車輪輪幅區(qū)域各點的缺陷，檢測效率 高，檢測結(jié)果準確，且其結(jié)構(gòu)簡單，使用操作方便。
本發(fā)明實現(xiàn)其發(fā)明目的，所采用的技術(shù)方案是， 一種基于相控陣探頭的機
車車輛車輪缺陷檢測裝置，其結(jié)構(gòu)特點是
與控制機構(gòu)相連的探頭支架上連接有超聲波相控陣探頭，相控陣探頭置于
3輪對的踏面上，輪對踏面的下部置于頂轉(zhuǎn)輪裝置的頂輪和轉(zhuǎn)輪上；超聲波相控 陣探頭與數(shù)據(jù)處理及控制計算機相連；
所述的相控陣探頭有左、右兩個，左探頭和右探頭等距離地遠離輪緣，而
與車輪滾動圓的軸向距離為0 10mm;左探頭和右探頭的在車輪滾動圓上相距的 弧長為220 600mm;左探頭和右探頭的軸線與車輪滾動圓面的扭轉(zhuǎn)角度相同，該 扭轉(zhuǎn)角度為0 30度。
本發(fā)明的工作過程和工作原理是-
利用頂轉(zhuǎn)輪裝置將輪對向上頂起，再由控制機構(gòu)將探頭支架置于輪對的踏 面上，從而使相控陣探頭按設(shè)定位置分布在車輪的踏面上;頂轉(zhuǎn)輪裝置驅(qū)動轉(zhuǎn) 輪轉(zhuǎn)動，帶動輪對相對于探頭作圓周運動。完成車輪踏面表面的濕潤后，相控 陣探頭自動一次性的完成對輪輻區(qū)域不同深度、不同方向的缺陷檢測，其超聲 檢測的工作原理如下
每個超聲波相控陣探頭由多個陣元組成，工作時，數(shù)據(jù)處理及控制計算機根 據(jù)幾何聲程差，計算出可使各陣元的發(fā)射聲束在聚焦點聚焦的各陣元激勵信號 所需的延時時間。再以該設(shè)定的延遲時間順序激勵各陣元，使各陣元按設(shè)定的延 時規(guī)律依次發(fā)射出超聲波，在設(shè)定的聚集點處相干疊加增強，在聚集點以外區(qū)域 疊加減弱，甚至抵消。接收聚焦和上述的發(fā)射聚焦為互逆的過程,遵守相同的幾 何聚焦延遲規(guī)律即各陣元接收檢測回波信號，按照相同的聚焦時間延遲量進行 延遲，由數(shù)據(jù)處理及控制計算機將各延遲后的信號求和，作為檢測回波信號，該 檢測信號主要來自焦點和焦點附近的回波信號，聚焦區(qū)域外的回波信號則減弱 甚至抵消,從而實現(xiàn)接收聚焦；這樣即完成對聚焦點和焦點附近的探傷檢測。通 過對聚焦點的偏轉(zhuǎn)變換，可以實現(xiàn)對車輪不同位置的掃描探傷檢測。
本發(fā)明的左探頭和右探頭組成的探頭對可以有以下兩種工作方式
方式一周向缺陷的檢測
左探頭和右探頭一個發(fā)射信號、另一個接收信號。當車輪輪幅中存在周向缺 陷時， 一側(cè)的發(fā)射信號傳播到該周向缺陷時，由于該缺陷對超聲波的阻礙作用， 超聲波將以左探頭和右探頭中間的車輪半徑為i對稱軸，向另一側(cè)反射，而被另 一側(cè)的探頭接收。因此，此種方式下可以檢測車輪輪幅中的周向缺陷。同時， 由于兩個探頭的發(fā)射聚焦點和接收聚焦點設(shè)定于兩個探頭的對稱軸線上，即兩 探頭正中間的車輪半徑也即檢測半徑上，數(shù)據(jù)處理及控制計算機控制左右探頭的聚焦點變化，可實現(xiàn)該半徑線上從車輪圓心處至輪幅與輪輞交界處的周向缺 陷的掃描探測，當車輪旋轉(zhuǎn)一周后，即可完成整個輪幅區(qū)域的周向缺陷掃描檢 測。并且由于一探頭的發(fā)射路徑和另一探頭的接收路徑位于檢測半徑的兩側(cè)且 指向檢測半徑，避開了位于檢測半徑上的幅孔對檢測信號的反射阻擋，可有效 地實現(xiàn)檢測半徑上幅孔與車輪圓心之間的缺陷的檢測。
由于左探頭和右探頭等距離地遠離輪緣，而與車輪滾動圓的軸向距離為0 IO咖，并配合左探頭和右探頭的軸線與車輪滾動圓面的扭轉(zhuǎn)角度的調(diào)整，使其 反射信號和接收信號也能避開輪幅輪輞交界處的凹槽及曲線幅板內(nèi)陷處的阻 擋，而實現(xiàn)對凹槽及曲線幅板下方缺陷的有效檢測。
方式二徑向缺陷的檢測
左探頭和右探頭均既發(fā)射信號又接收信號。當車輪輪幅中缺陷的方向與發(fā)射 方向相垂直時，這種缺陷通常為徑向或接近徑向的缺陷，此時，探頭發(fā)射的信 號將沿相同的路徑反射回同一探頭而被接收。數(shù)據(jù)處理及控制計算機通過設(shè)定 和調(diào)整兩個探頭的發(fā)射及接收聚焦點，可實現(xiàn)輪幅區(qū)域的徑向或接近徑向的缺 陷的掃描探測，當車輪旋轉(zhuǎn)一周后，即可完成整個輪幅區(qū)域的徑向缺陷掃描檢
同樣，通過調(diào)整左探頭和右探頭與車輪滾動圓的軸向距離并配合左探頭和右 探頭的軸線與車輪滾動圓面的扭轉(zhuǎn)角度的調(diào)整，使其信號也能避開輪幅輪輞交 界處的凹槽及曲線幅板內(nèi)陷處的阻擋，而實現(xiàn)對凹槽及曲線幅板下方缺陷的有 效檢測。
以上兩種工作方式可以單獨進行，也可交替進行，從而實現(xiàn)整個輪幅區(qū)域內(nèi) 周向和/或徑向缺陷的檢測。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是
一、采用普通的超聲波探頭進行，需要分布眾多的探頭進行檢測，而受在 線檢測空間的約束，其制備安裝難度極大。而本發(fā)明僅需在車輪的踏面上用探 頭支架固定左右兩個相控探頭，用頂轉(zhuǎn)輪裝置將輪對頂起，利用相控陣探頭的 偏轉(zhuǎn)和聚焦，在線式、自動地實現(xiàn)對車輪輪幅區(qū)域各點的掃描檢測，所需探頭 數(shù)量少，結(jié)構(gòu)簡單，占用空間小，方便實施在線檢測。
由于相控陣探頭接收處理的檢測信號是在聚焦點處的信號，其信號強度遠 高于非聚焦點的信號強度，也高于普通探頭的信號強度，故其檢測信號的信噪
5比高，檢測結(jié)果的精度高，可靠性強。
二、采用左、右探頭分別從檢測半徑兩側(cè)分別發(fā)射和接收信號，避開了位于 檢測半徑上的幅孔對檢測信號的反射阻擋，能有效地實現(xiàn)檢測半徑上幅孔與車 輪圓心之間的周向缺陷的檢測。同時左、右探頭自發(fā)自收信號，也能有效實現(xiàn) 對徑向或接近徑向缺陷的檢測。并且由于左探頭和右探頭等距離地遠離輪緣，
而與車輪滾動圓的軸向相隔0 10mm的距離，同時還可通過扭轉(zhuǎn)左右探頭與滾 動圓的扭轉(zhuǎn)角度的調(diào)整，這樣本發(fā)明可避開輪幅輪輞交界處的凹槽及曲線幅板 內(nèi)陷處對檢測信號的阻擋，能夠?qū)Π疾奂扒€幅板下方及曲線幅板不同深度的 缺陷的有效檢測。因此，本發(fā)明實現(xiàn)了現(xiàn)有技術(shù)中所無法檢測部位的缺陷的檢
上述的相控陣探頭還有一個中探頭，該中探頭位于左、右探頭之間。 中探頭的超聲波發(fā)射路徑和接收路徑均與檢測半徑方向重疊，可以近距離地 檢測輪輞、輪輞和輪幅交界處的周向或接近周向缺陷；同時它能檢測輪幅區(qū)域 中，輻板孔上方區(qū)域及無輻板孔阻擋的檢測半徑上的周向缺陷。使本裝置能夠 更全面地檢測到車輪輪幅及輪輞的缺陷。
上述的左、中、右探頭的陣列換能器的陣元數(shù)目為16 128個晶片。 下面結(jié)合附圖和具體的實施方式對本發(fā)明作進一步詳細的說明。


圖l是車輪的剖視結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是本發(fā)明實施例工作在方式一時的結(jié)構(gòu)示意及檢測原理圖。 圖3是本發(fā)明實施例工作在方式二時的結(jié)構(gòu)示意及檢測原理圖。 圖4是本發(fā)明實施例未畫探頭支架的俯視結(jié)構(gòu)示意圖。 圖5是本發(fā)明實施例的中間探頭對直線幅板的車輪缺陷檢測剖面的聚焦、掃 描示意圖。
圖6是本發(fā)明實施例的右(左)探頭對直線幅板的車輪缺陷檢測剖面的聚焦、 掃描示意圖。
圖7是本發(fā)明實施例的右(左)探頭對曲線幅板的車輪缺陷檢測剖面的聚焦、 掃描示意圖。
具體實施例方式
實施例
圖2、 3、 4示出，本發(fā)明的一種具體實施方式
為 一種基于相控陣探頭 的機車車輛車輪缺陷檢測裝置，該設(shè)備的與控制機構(gòu)相連的探頭支架56上連接 有超聲波相控陣探頭，相控陣探頭置于輪對的兩車輪6的踏面64上，車輪踏面 64的下部置于頂轉(zhuǎn)輪裝置的頂輪91和轉(zhuǎn)輪92上；超聲波相控陣探頭與數(shù)據(jù)處 理及控制計算機相連；
相控陣探頭有左、右兩個11、 12，左探頭11和右探頭12分別位于車輪6 垂向直徑的左側(cè)和右側(cè)，二者在車輪滾動圓69上相距的弧長為220 600mm;且 左探頭11和右探頭12位于踏面64上遠離輪緣63的一側(cè)，與車輪滾動圓69的 軸向距離相等，均為0 10mm;左探頭11和右探頭12的陣列方向與車輪滾動圓 69的扭轉(zhuǎn)角度ci相同，該扭轉(zhuǎn)角度a為0 30度。
圖2、 3、 4示出，本例相控陣探頭還有一個中探頭13，該中探頭13位于 左、右探頭ll、 12之間。
左、中、右探頭H、 13、 12的陣列換能器的陣元數(shù)目為16 128個晶片。 圖2及圖1還示出了左、右探頭ll、 12工作在方式一時對車輪輪幅61進行 周向缺陷70檢測的原理。圖中，左探頭11和右探頭12—個發(fā)射信號、另一個 接收信號。當車輪6輪幅61中存在周向缺陷70時， 一側(cè)的發(fā)射信號傳播到該 周向缺陷70時，由于該缺陷70對超聲波的阻礙作用，超聲波將以左探頭ll和 右探頭12中間的車輪半徑80為對稱軸，向另一側(cè)反射，而被另一側(cè)的探頭接 收。因此，此種方式下可以檢測車輪輪幅61中的周向缺陷70。同時，由于兩個 探頭ll、 12的發(fā)射聚焦點和接收聚焦點設(shè)定于兩個探頭的對稱軸線上，即兩探 頭正中間的車輪半徑80也即檢測半徑80上，數(shù)據(jù)處理及控制計算機控制左右 探頭的聚焦點變化，可實現(xiàn)該半徑線80上從圓心處至輪幅61與輪輞62交界處 的周向缺陷70的掃描探測，當車輪6在頂轉(zhuǎn)輪裝置的驅(qū)動下，旋轉(zhuǎn)一周后，即 可完成整個輪幅61區(qū)域周向缺陷70的掃描檢測。并且由于一探頭的發(fā)射路徑 和另一探頭的接收路徑位于檢測半徑80的兩側(cè)且指向檢測半徑80，避開了位于 檢測半徑80上的幅孔611對檢測信號的反射阻擋，可有效地實現(xiàn)檢測半徑80 上幅孔611與車輪6圓心之間的缺陷的檢測。
左、右探頭11、 12工作在方式二時，對車輪輪幅61進行徑向缺陷檢測71的原理參見圖3及圖1:左探頭11和右探頭12均既發(fā)射信號又接收信號。
車輪輪幅61中徑向缺陷71的方向與發(fā)射方向相垂直時，探頭11或12發(fā)射的 信號將沿相同的路徑反射回同一探頭11或12而被接收。數(shù)據(jù)處理及控制計算 機通過設(shè)定和調(diào)整兩個探頭11和12的發(fā)射角A及聚焦點，可實現(xiàn)輪幅61區(qū)域 的徑向或接近徑向的徑向缺陷71的掃描探測，當車輪6旋轉(zhuǎn)一周后，即可完成 整個輪幅61區(qū)域的徑向缺陷71掃描檢測。
圖5示出，中探頭13的陣列換能器各陣元沿中探頭所在車輪6半徑方向， 依次觸發(fā)并以同一聚集深度(長度)發(fā)射到車輪6中，可以覆蓋輪輻61、輪輻 61輪輞62交接區(qū)域，及所在半徑上未被輪幅孔61阻擋部分的輪輻61區(qū)域的周 向缺陷檢測。
圖6示出，利用左、右探頭ll、 12能檢測普通探頭很難檢測到的缺陷，例 如直輻板凹槽結(jié)構(gòu)下方缺陷73。
圖7示出，利用左、右探頭ll、 12可以檢測曲線輻板角深處的缺陷74。
8
權(quán)利要求
1、一種基于相控陣探頭的機車車輛車輪缺陷檢測裝置，其特征在于與控制機構(gòu)相連的探頭支架(56)上連接有超聲波相控陣探頭，相控陣探頭置于輪對的兩車輪的踏面上，車輪踏面的下部置于頂轉(zhuǎn)輪裝置的頂輪(91)和轉(zhuǎn)輪(92)上；超聲波相控陣探頭與數(shù)據(jù)處理及控制計算機相連；所述的相控陣探頭有左、右兩個(11、12)，左探頭(11)和右探頭(12)分別位于車輪6垂向直徑的左側(cè)和右側(cè)，二者在車輪滾動圓69上相距的弧長為220～600mm；且左探頭(11)和右探頭(12)位于踏面64上遠離輪緣63的一側(cè)，與車輪滾動圓69的軸向距離相等，均為0～10mm；左探頭(11)和右探頭(12)的陣列方向與車輪滾動圓69的扭轉(zhuǎn)角度(α)相同，該扭轉(zhuǎn)角度(α)為0～30度。
2、 如權(quán)利要求1所述的一種基于相控陣探頭的機車車輛車輪缺陷檢測裝置，其特征在于所述的相控陣探頭還有一個中探頭(13)，該中探頭(13)位于左、右探頭(11、 12)之間。
3、如權(quán)利要求2所述的一種基于相控陣探頭的機車車輛車輪缺陷檢測裝置，其特征在于所述的左、中、右探頭(11、 13、 12)的陣列換能器的陣元數(shù)目為16 128個晶片。
全文摘要
一種基于相控陣探頭的機車車輛車輪缺陷檢測裝置與控制機構(gòu)相連的探頭支架上連接有超聲波相控陣探頭，相控陣探頭置于輪對的踏面上，輪對踏面的下部置于頂轉(zhuǎn)輪裝置的頂輪和轉(zhuǎn)輪上；超聲波相控陣探頭的與數(shù)據(jù)處理及控制計算機相連；相控陣探頭為二個；左、右探頭等距離地遠離輪緣，而與車輪滾動圓的軸向距離為0～10mm；左探頭和右探頭的在車輪滾動圓上相距的弧長為220～400mm；左探頭和右探頭的軸線與車輪滾動圓面的扭轉(zhuǎn)角度相同，該扭轉(zhuǎn)角度為0～30度。該裝置能夠從踏面上在線自動化檢測車輪輪幅缺陷，檢測效率高，檢測結(jié)果準確，且其結(jié)構(gòu)簡單，使用操作方便。
文檔編號G01N29/04GK101639463SQ20091016433
公開日2010年2月3日 申請日期2009年9月3日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月3日
發(fā)明者渝 張, 彭建平, 彭朝勇, 凱 楊, 黎 王, 王澤勇, 波 趙, 趙全柯, 高曉蓉 申請人:北京主導(dǎo)時代科技有限公司