專利名稱：一種采用相控陣探頭的列車車輪缺陷檢測(cè)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及到一種列車車輪輪輻區(qū)域超聲波探傷檢測(cè)裝置。
背景技術(shù)：
車輪是包括動(dòng)車組在內(nèi)的列車走行系統(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(dòng)車組的快速建設(shè)，對(duì)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(yùn)行時(shí)發(fā)生事故，確保列車行駛的安全，需要對(duì)車 輪輪輞和輪輻部分進(jìn)行探傷。同時(shí)，為提高高速列車的運(yùn)營(yíng)效率，要求對(duì)車輪輪輞輪輻進(jìn)行 不拆卸輪對(duì)的在線式檢測(cè)(探傷)。車輪探傷目前較有效的方法是超聲波檢測(cè)，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(shí)，就會(huì)全部或部分反射。反射回來(lái)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(diǎn)是檢測(cè)厚度大、靈敏度高、 速度快、成本低、對(duì)人體無(wú)害，能對(duì)缺陷進(jìn)行定位和定量，適合輪輞輪輻的無(wú)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(yuǎn)，要 檢測(cè)整個(gè)輪輻61區(qū)域需要的探頭數(shù)量大，對(duì)探頭布局要求嚴(yán)格，尤其是在線式檢測(cè)的空間 約束更大。目前尚無(wú)對(duì)輪輻61區(qū)域進(jìn)行在線自動(dòng)化檢測(cè)的簡(jiǎn)單有效方法。

發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型的目的就是提供一種采用相控陣探頭的列車車輪缺陷檢測(cè)裝置，該裝 置能夠從踏面上在線自動(dòng)化檢測(cè)車輪輪幅區(qū)域各點(diǎn)的缺陷，檢測(cè)效率高，檢測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確，且 其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用操作方便。 本實(shí)用新型實(shí)現(xiàn)其發(fā)明目的，所采用的技術(shù)方案是，一種采用相控陣探頭的列車 車輪缺陷檢測(cè)裝置，其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是 與控制機(jī)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(duì)的 踏面上，輪對(duì)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(jì)算機(jī)相連。 相控陣探頭有左、右兩個(gè)，左探頭和右探頭等距離地遠(yuǎn)離輪緣，而與車輪滾動(dòng)圓的 軸向距離為0 10mm ;左探頭和右探頭的在車輪滾動(dòng)圓上相距的弧長(zhǎng)為220 600mm ;左探 頭和右探頭的軸線與車輪滾動(dòng)圓面的扭轉(zhuǎn)角度相同，該扭轉(zhuǎn)角度為0 30度。 本實(shí)用新型的工作過(guò)程和工作原理是 利用頂轉(zhuǎn)輪裝置將輪對(duì)向上頂起，再由控制機(jī)構(gòu)將探頭支架置于輪對(duì)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(dòng)轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)輪對(duì) 相對(duì)于探頭作圓周運(yùn)動(dòng)。完成車輪踏面表面的濕潤(rùn)后，相控陣探頭自動(dòng)一次性的完成對(duì)輪 輻區(qū)域不同深度、不同方向的缺陷檢測(cè)，其超聲檢測(cè)的工作原理如下[0010] 每個(gè)超聲波相控陣探頭由多個(gè)陣元組成，工作時(shí)，數(shù)據(jù)處理及控制計(jì)算機(jī)根據(jù)幾
何聲程差，計(jì)算出可使各陣元的發(fā)射聲束在聚焦點(diǎn)聚焦的各陣元激勵(lì)信號(hào)所需的延時(shí)時(shí) 間。再以該設(shè)定的延遲時(shí)間順序激勵(lì)各陣元，使各陣元按設(shè)定的延時(shí)規(guī)律依次發(fā)射出超聲 波，在設(shè)定的聚集點(diǎn)處相干疊加增強(qiáng)，在聚集點(diǎn)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(guò)程，遵守相同的幾何聚焦延遲規(guī)律即各陣元接收檢測(cè)回波信 號(hào)，按照相同的聚焦時(shí)間延遲量進(jìn)行延遲，由數(shù)據(jù)處理及控制計(jì)算機(jī)將各延遲后的信號(hào)求 和，作為檢測(cè)回波信號(hào)，該檢測(cè)信號(hào)主要來(lái)自焦點(diǎn)和焦點(diǎn)附近的回波信號(hào)，聚焦區(qū)域外的回
波信號(hào)則減弱甚至抵消，從而實(shí)現(xiàn)接收聚焦；這樣即完成對(duì)聚焦點(diǎn)和焦點(diǎn)附近的探傷檢測(cè)。
通過(guò)對(duì)聚焦點(diǎn)的偏轉(zhuǎn)變換，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)車輪不同位置的掃描探傷檢測(cè)。 本實(shí)用新型的左探頭和右探頭組成的探頭對(duì)可以有以下兩種工作方式 方式一周向缺陷的檢測(cè) 左探頭和右探頭一個(gè)發(fā)射信號(hào)、另一個(gè)接收信號(hào)。當(dāng)車輪輪幅中存在周向缺陷時(shí)， 一側(cè)的發(fā)射信號(hào)傳播到該周向缺陷時(shí)，由于該缺陷對(duì)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對(duì)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(cè)車輪輪幅中的周向缺陷。同時(shí)，由于兩個(gè)探頭的發(fā)射聚焦點(diǎn)和接收聚焦點(diǎn) 設(shè)定于兩個(gè)探頭的對(duì)稱軸線上，即兩探頭正中間的車輪半徑也即檢測(cè)半徑上，數(shù)據(jù)處理及 控制計(jì)算機(jī)控制左右探頭的聚焦點(diǎn)變化，可實(shí)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(cè)，當(dāng)車輪旋轉(zhuǎn)一周后，即可完成整個(gè)輪幅區(qū)域的周向缺陷掃描 檢測(cè)。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(cè)半徑的兩側(cè)且指向檢測(cè) 半徑，避開了位于檢測(cè)半徑上的幅孔對(duì)檢測(cè)信號(hào)的反射阻擋，可有效地實(shí)現(xiàn)檢測(cè)半徑上幅 孔與車輪圓心之間的缺陷的檢測(cè)。
由于左探頭和右探頭等距離地遠(yuǎn)離輪緣，而與車輪滾動(dòng)圓的軸向距離為0
lOmm，并配合左探頭和右探頭的軸線與車輪滾動(dòng)圓面的扭轉(zhuǎn)角度的調(diào)整，使其反射信號(hào)和
接收信號(hào)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(shí)現(xiàn)對(duì)凹槽及曲線
幅板下方缺陷的有效檢測(cè)。 方式二徑向缺陷的檢測(cè) 左探頭和右探頭均既發(fā)射信號(hào)又接收信號(hào)。當(dāng)車輪輪幅中缺陷的方向與發(fā)射方向 相垂直時(shí)，這種缺陷通常為徑向或接近徑向的缺陷，此時(shí)，探頭發(fā)射的信號(hào)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(jì)算機(jī)通過(guò)設(shè)定和調(diào)整兩個(gè)探頭的發(fā)射及接收 聚焦點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)輪幅區(qū)域的徑向或接近徑向的缺陷的掃描探測(cè)，當(dāng)車輪旋轉(zhuǎn)一周后，即可完 成整個(gè)輪幅區(qū)域的徑向缺陷掃描檢測(cè)。 同樣，通過(guò)調(diào)整左探頭和右探頭與車輪滾動(dòng)圓的軸向距離并配合左探頭和右探頭 的軸線與車輪滾動(dòng)圓面的扭轉(zhuǎn)角度的調(diào)整，使其信號(hào)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(shí)現(xiàn)對(duì)凹槽及曲線幅板下方缺陷的有效檢測(cè)。 以上兩種工作方式可以單獨(dú)進(jìn)行，也可交替進(jìn)行，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)輪幅區(qū)域內(nèi)周向 和/或徑向缺陷的檢測(cè)。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型的有益效果是 —、采用普通的超聲波探頭進(jìn)行，需要分布眾多的探頭進(jìn)行檢測(cè)，而受在線檢測(cè)空 間的約束，其制備安裝難度極大。而本實(shí)用新型僅需在車輪的踏面上用探頭支架固定左右兩個(gè)相控探頭，用頂轉(zhuǎn)輪裝置將輪對(duì)頂起，利用相控陣探頭的偏轉(zhuǎn)和聚焦，在線式、自動(dòng)地 實(shí)現(xiàn)對(duì)車輪輪幅區(qū)域各點(diǎn)的掃描檢測(cè)，所需探頭數(shù)量少，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，占用空間小，方便實(shí)施 在線檢測(cè)。 由于相控陣探頭接收處理的檢測(cè)信號(hào)是在聚焦點(diǎn)處的信號(hào)，其信號(hào)強(qiáng)度遠(yuǎn)高于非 聚焦點(diǎn)的信號(hào)強(qiáng)度，也高于普通探頭的信號(hào)強(qiáng)度，故其檢測(cè)信號(hào)的信噪比高，檢測(cè)結(jié)果的精 度高，可靠性強(qiáng)。 二、采用左、右探頭分別從檢測(cè)半徑兩側(cè)分別發(fā)射和接收信號(hào)，避開了位于檢測(cè)半 徑上的幅孔對(duì)檢測(cè)信號(hào)的反射阻擋，能有效地實(shí)現(xiàn)檢測(cè)半徑上幅孔與車輪圓心之間的周向 缺陷的檢測(cè)。同時(shí)左、右探頭自發(fā)自收信號(hào)，也能有效實(shí)現(xiàn)對(duì)徑向或接近徑向缺陷的檢測(cè)。 并且由于左探頭和右探頭等距離地遠(yuǎn)離輪緣，而與車輪滾動(dòng)圓的軸向相隔0 10mm的距 離，同時(shí)還可通過(guò)扭轉(zhuǎn)左右探頭與滾動(dòng)圓的扭轉(zhuǎn)角度的調(diào)整，這樣本實(shí)用新型可避開輪幅 輪輞交界處的凹槽及曲線幅板內(nèi)陷處對(duì)檢測(cè)信號(hào)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(cè)。因此，本實(shí)用新型實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)有技術(shù)中所無(wú)法檢測(cè)部位 的缺陷的檢測(cè)。 上述的相控陣探頭還有一個(gè)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(cè)半徑方向重疊，可以近距離地檢測(cè)
輪輞、輪輞和輪幅交界處的周向或接近周向缺陷；同時(shí)它能檢測(cè)輪幅區(qū)域中，輻板孔上方區(qū)
域及無(wú)輻板孔阻擋的檢測(cè)半徑上的周向缺陷。使本裝置能夠更全面地檢測(cè)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(gè)晶片。
以下結(jié)合附圖和具體的實(shí)施方式對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步詳細(xì)的說(shuō)明。

圖1是車輪的剖視結(jié)構(gòu)示意圖。 圖2是本實(shí)用新型實(shí)施例工作在方式一時(shí)的結(jié)構(gòu)示意及檢測(cè)原理圖。 圖3是本實(shí)用新型實(shí)施例工作在方式二時(shí)的結(jié)構(gòu)示意及檢測(cè)原理圖。 圖4是本實(shí)用新型實(shí)施例未畫探頭支架的俯視結(jié)構(gòu)示意圖。 圖5是本實(shí)用新型實(shí)施例的中間探頭對(duì)直線幅板的車輪缺陷檢測(cè)剖面的聚焦、掃 描示意圖。 圖6是本實(shí)用新型實(shí)施例的右(左)探頭對(duì)直線幅板的車輪缺陷檢測(cè)剖面的聚 焦、掃描示意圖。 圖7是本實(shí)用新型實(shí)施例的右(左)探頭對(duì)曲線幅板的車輪缺陷檢測(cè)剖面的聚 焦、掃描示意圖。
具體實(shí)施方式實(shí)施例 圖2、3、4示出，本實(shí)用新型的一種具體實(shí)施方式
為一種采用相控陣探頭的列車 車輪缺陷檢測(cè)裝置，該設(shè)備的與控制機(jī)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(duì)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
591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(jì)算機(jī)相連。 相控陣探頭有左、右兩個(gè)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(dòng)圓69上相距的弧長(zhǎng)為220 600mm ;且左探頭11和右探頭 12位于踏面64上遠(yuǎn)離輪緣63的一側(cè)，與車輪滾動(dòng)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(dòng)圓69的扭轉(zhuǎn)角度a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(gè)中探頭13，該中探頭13位于左、右探頭 11、12之間。 左、中、右探頭11、13、12的陣列換能器的陣元數(shù)目為16 128個(gè)晶片。 圖2及圖1還示出了左、右探頭11、12工作在方式一時(shí)對(duì)車輪輪幅61進(jìn)行周向缺 陷70檢測(cè)的原理。圖中，左探頭11和右探頭12—個(gè)發(fā)射信號(hào)、另一個(gè)接收信號(hào)。當(dāng)車輪 6輪幅61中存在周向缺陷70時(shí)，一側(cè)的發(fā)射信號(hào)傳播到該周向缺陷70時(shí)，由于該缺陷70 對(duì)超聲波的阻礙作用，超聲波將以左探頭11和右探頭12中間的車輪半徑80為對(duì)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(cè)車輪輪幅61中的周向缺 陷70。同時(shí)，由于兩個(gè)探頭11、12的發(fā)射聚焦點(diǎn)和接收聚焦點(diǎn)設(shè)定于兩個(gè)探頭的對(duì)稱軸線 上，即兩探頭正中間的車輪半徑80也即檢測(cè)半徑80上，數(shù)據(jù)處理及控制計(jì)算機(jī)控制左右探 頭的聚焦點(diǎn)變化，可實(shí)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(cè)，當(dāng)車輪6在頂轉(zhuǎn)輪裝置的驅(qū)動(dòng)下，旋轉(zhuǎn)一周后，即可完成整個(gè)輪幅61區(qū)域周向 缺陷70的掃描檢測(cè)。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(cè)半徑80 的兩側(cè)且指向檢測(cè)半徑80，避開了位于檢測(cè)半徑80上的幅孔611對(duì)檢測(cè)信號(hào)的反射阻擋， 可有效地實(shí)現(xiàn)檢測(cè)半徑80上幅孔611與車輪6圓心之間的缺陷的檢測(cè)。 左、右探頭11、 12工作在方式二時(shí)對(duì)車輪輪幅61進(jìn)行徑向缺陷檢測(cè)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(hào)又接收信號(hào)。車輪輪幅61中徑向缺陷 71的方向與發(fā)射方向相垂直時(shí)，探頭11或12發(fā)射的信號(hào)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(jì)算機(jī)通過(guò)設(shè)定和調(diào)整兩個(gè)探頭11和12的發(fā)射角A 及聚焦點(diǎn)，可實(shí)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(cè)，當(dāng)車輪6旋轉(zhuǎn) 一周后，即可完成整個(gè)輪幅61區(qū)域的徑向缺陷71掃描檢測(cè)。 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(zhǎng)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(cè)。 圖6示出，利用左、右探頭11、 12能檢測(cè)普通探頭很難檢測(cè)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11、12可以檢測(cè)曲線輻板角深處的缺陷74。
權(quán)利要求一種采用相控陣探頭的列車車輪缺陷檢測(cè)裝置，其特征在于與控制機(jī)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(duì)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(jì)算機(jī)相連；所述的相控陣探頭有左、右兩個(gè)(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(dòng)圓69上相距的弧長(zhǎng)為220～600mm；且左探頭(11)和右探頭(12)位于踏面64上遠(yuǎn)離輪緣63的一側(cè)，與車輪滾動(dòng)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(dòng)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所述的一種采用相控陣探頭的列車車輪缺陷檢測(cè)裝置，其特征在于 所述的相控陣探頭還有一個(gè)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所述的一種采用相控陣探頭的列車車輪缺陷檢測(cè)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(gè)晶片。
專利摘要一種采用相控陣探頭的列車車輪缺陷檢測(cè)裝置與控制機(jī)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(duì)的踏面上，輪對(duì)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(jì)算機(jī)相連；相控陣探頭為二個(gè)；左、右探頭等距離地遠(yuǎn)離輪緣，而與車輪滾動(dòng)圓的軸向距離為0～10mm；左探頭和右探頭的在車輪滾動(dòng)圓上相距的弧長(zhǎng)為220～400mm；左探頭和右探頭的軸線與車輪滾動(dòng)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(dòng)化檢測(cè)車輪輪幅缺陷，檢測(cè)效率高，檢測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確，且其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用操作方便。
文檔編號(hào)G01N29/04GK201477076SQ20092017655
公開日2010年5月19日 申請(qǐng)日期2009年9月3日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月3日
發(fā)明者張渝, 彭建平, 彭朝勇, 楊凱, 王澤勇, 王黎, 趙全柯, 趙波, 高曉蓉 申請(qǐng)人:北京主導(dǎo)時(shí)代科技有限公司