[发明专利]一种基于三向超声衍射的小型履带式钢轨探伤装置与方法

说明书

技术领域

本发明属于钢轨无损检测技术领域，具体涉及一种利用超声衍射和三向履带式滚进的钢轨探伤装置与方法。

背景技术

随着铁路交通运输的高速发展，铁路运输线路越来越繁忙，车流密度也随之增加。而运输线路上的钢轨在承担繁重的运输任务的过程中，由于列车对钢轨造成摩擦、挤压、弯曲和冲击作用，钢轨不可避免地会产生各种损伤，对于看得见的外部损伤如锈蚀、轨头压溃、剥离掉快、侧磨等都可以及时处理；而对于钢轨内部存在的残留夹杂和白点引起的核伤通过肉眼则无法识别，这些内部损伤长期存留于日夜运行的铁轨中将造成钢轨的横向裂纹、轨头断裂等严重的交通安全隐患。这些看不见的内伤，只有通过钢轨探伤仪才能发现，然后根据探伤结果对钢轨及时地进行相应处理。

技术上，超声波良好的声学特性以及近二十年来计算机与数字电子技术的长足发展为钢轨无损检测带来了更快捷、更准确、更人性化的应用。而传统的脉冲回波法作为超声无损检测的主流已经广泛应用于钢轨探伤领域。它利用超声探头向受检工件发射超声脉冲，并根据由工件缺陷反射回来的能量大小以及相位信息作为判定缺陷的依据。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。然而，它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，在实际应用中，由于脉冲回波法的回波幅值敏感特性，使得它在定量检测方面往往性能不佳，这也是利用传统方法进行钢轨探伤的漏检风险不能更有效控制的原因之一。另一方面，在钢轨探伤中，与钢轨表面垂直的裂纹类缺陷的危害性往往很大，而对于这种取向与检测面垂直的缺陷，常规的脉冲回波检测方法常常因为难以做到入射声波与缺陷的反射面垂直，造成缺陷检出的困难，如果需要这类缺陷的位置、长度等定量信息时，常规的超声检测法通常无能为力。

利用超声衍射原理进行无损检测的技术克服了常规脉冲回波法的诸多不足，具有广阔的应用空间，并为现代钢轨探伤技术带来了新的契机。它的物理基础是由荷兰物理学家惠更斯1690年提出的惠更斯原理。该原理指出，介质中的波动传到的各点，都可以看作是发射声波的新波源，以后时刻的波阵面，可由这些新波源发出的子波波前的包络面做出。超声波从探头向受检物发射超声波，当超声波遇到诸如裂纹等线性缺陷时，会在缺陷的尖端部位产生衍射，根据惠更斯原理，每个缺陷的边缘都可以看作是超声波的信号源，并向外发射超声衍射波。利用超声衍射原理进行探伤就是记录下这些衍射波信号，作为判定损伤的依据。21世纪初，由英国国家无损检测中心提出的超声衍射时差法传入我国，该方法在我国无损检测领域逐步得到应用。然而，它在弥补传统脉冲回波法不足的同时，却带来了一些其它缺陷。例如，对横向缺陷检测能力差，在超声衍射时差法的缺陷图中，容易将横向缺陷误判为点缺陷；由于直通波与近表面缺陷衍射波容易混淆而导致该类缺陷检出效果不佳等劣势。

另一方面，我国铁路网的完善与大幅度提速对钢轨探伤速度与效率提出了更高的要求。2009年我国建成的世界上里程最长、运营速度最高的武广高铁客运新干线其时速已经达到350公里。然而，现行的大型钢轨探伤车的时速却依然停留在几十公里，而小型的手推式探伤车时速仅仅只有几公里，这远远不能满足日益繁忙、高效的铁道运输和维护的需要。对于限制当前机动探伤车时速的主要原因在于必须控制探伤车行车速度以保证超声探头有足够的数据采样时间而不致回波失落。然而，当前机动探伤车在高速运行时，由于其探头与钢轨某一固定位置的接触时间过短而普遍不能满足高速探伤的需要。

于1999年8月11日公开的中国发明专利申请CN1225453A，提出了一种改变传统液态耦合剂而采用固态耦合介质进行钢轨探伤的方法，该方法利用超声波束直接通过固态的滑板耦合到钢轨内，减小了在使用耦合液时出现的滞后，它能在一定程度上减少回波失落，然而该方法仍然存在一些缺陷与不足：首先，采用固态耦合介质不能从实质上增加探头数据采样的时间，实际上的探伤速度并不能大幅度提高，而且固态耦合介质在磨损后影响探伤性能且更换复杂；第二，采用传统的脉冲回波法进行缺陷检测，在遇到取向与检测面垂直的缺陷难以检出，而且不能精确地定量检出缺陷的大小。

发明内容

针对目前在超声钢轨探伤技术领域存在的一些诸如探伤速度难以提高、效率低下、与检测面垂直的缺陷检出率低以及定量检测性能不佳等不足，本发明提出一种基于三向超声衍射的小型履带式钢轨探伤装置与方法。本发明采用履带式滚进代替传统的车轮驱动探伤车行走，从而使相同的探伤速度下对钢轨某一区域的数据采样时间大大增加。另一方面，该探伤装置行车系统的履带式结构是三向的，而利用所述装置的结构实现了一种更为精确的探伤方法。