超声波高速铁轨探伤及其装置初步探究

张甘霖、林维、陆誉 yu、范睿捷、张超、吕阶平

研究意义？研究意义？

我国铁路运输繁忙，线路状况较差，我国铁路运输繁忙，线路状况较差，钢轨伤损发生率高钢轨伤损发生率高

主要设备为小型钢轨超声探伤仪，由人工进主要设备为小型钢轨超声探伤仪，由人工进行钢轨伤损的检测 行钢轨伤损的检测

平均每年每条线路检测需十遍以上，总检平均每年每条线路检测需十遍以上，总检测里程近一百万公里 测里程近一百万公里

铁路对于能在现有鱼尾板联结线路上完成高铁路对于能在现有鱼尾板联结线路上完成高速探伤的设备需求日益迫切速探伤的设备需求日益迫切

中国铁路钢轨现状？中国铁路钢轨现状？

19541954 年引进瑞士年引进瑞士 MATISAMATISA 设备设备 19691969 年：上海无线电年：上海无线电 2222 厂研制首台厂研制首台AA 型脉冲反射式钢轨探伤仪（型脉冲反射式钢轨探伤仪（ JGT-1JGT-1型）型）

19931993 年开始，上海铁路局陆续引进了年开始，上海铁路局陆续引进了一批国外产高速探伤车 一批国外产高速探伤车

中国铁路钢轨现状中国铁路钢轨现状

据上海铁路局方面据上海铁路局方面 20012001 年的一组数年的一组数据，检测重复性几乎达到据，检测重复性几乎达到 100%,100%, 可见可见检测可靠性还是相当稳定的。检测可靠性还是相当稳定的。 20022002年年 1010 月对宣杭线的检查，检查出损伤月对宣杭线的检查，检查出损伤处处 1717 处，复核检查出处，复核检查出 1414 处，切实减处，切实减轻铁道探伤员工工作负担轻铁道探伤员工工作负担 90%90% ，效果，效果理想。理想。

钢轨损伤具体列举钢轨损伤具体列举

钢轨伤损和形成原因：钢轨伤损和形成原因： 1.1. 钢轨核伤（危害最大的伤损，也是钢轨核伤（危害最大的伤损，也是

探伤的主要项目）探伤的主要项目） 2.2. 钢轨接头伤损钢轨接头伤损 3.3. 钢轨水平和纵向裂纹钢轨水平和纵向裂纹 4.4. 钢轨轨底裂纹钢轨轨底裂纹 5.5. 钢轨焊接接头伤损钢轨焊接接头伤损

钢轨损伤具体列举钢轨损伤具体列举

除材质因素外还有下列原因：除材质因素外还有下列原因：– 接触疲劳形成的核伤接触疲劳形成的核伤– 轨面剥离形成的核伤轨面剥离形成的核伤– 鱼鳞破损形成的核伤鱼鳞破损形成的核伤– 擦伤焊补形成的核伤擦伤焊补形成的核伤

钢轨核伤 （此图为白核伤钢轨核伤 （此图为白核伤损）损）

钢轨水平和纵向裂纹钢轨水平和纵向裂纹

焊接接头断口焊接接头断口

可以采用的备选检测技术可以采用的备选检测技术

主要有以下六类技术：主要有以下六类技术： 1.1. 射线探伤（射线探伤（ RTRT ）） ;; 2.2. 磁粉探伤（磁粉探伤（ MTMT ）；）； 3.3. 渗透探伤（渗透探伤（ PTPT ）；）； 4.4. 涡流探伤（涡流探伤（ ETET ）；）； 5.5. 超声探伤（超声探伤（ UTUT ）；）； 6.6. 计算机断层成像技术计算机断层成像技术 (CT)(CT) 。。

在铁道钢轨探伤领域，目前主要使用磁在铁道钢轨探伤领域，目前主要使用磁粉探伤和超声探伤粉探伤和超声探伤

磁粉探伤成本低，应用也仍不广泛磁粉探伤成本低，应用也仍不广泛 超声技术是本次设计的重点超声技术是本次设计的重点

超声波探伤原理超声波探伤原理

超声波是指频率为超过超声波是指频率为超过 20kHz20kHz 的声波，探的声波，探伤利用了其三个特性：伤利用了其三个特性：

发射特性：当超声波由一种介质进入另一种发射特性：当超声波由一种介质进入另一种介质的时候会发生反射，当介质密度相差悬介质的时候会发生反射，当介质密度相差悬殊时，声波几乎完全反射回来。殊时，声波几乎完全反射回来。

衰减特性：在传播过程中，由于受到介质或衰减特性：在传播过程中，由于受到介质或者杂志的阻碍，强度会产生衰减。者杂志的阻碍，强度会产生衰减。

声速特性：在同样条件下，其在同一介质中声速特性：在同样条件下，其在同一介质中传播速度为常数，这是进行测量的基础。传播速度为常数，这是进行测量的基础。

超声波探伤原理超声波探伤原理 对钢轨进行探伤基本原理是利用声波在不同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，用介质中的传播特性，用 200kHz200kHz 的声波射人的声波射人钢轨中，当遇到钢轨损伤时，根据反射回来钢轨中，当遇到钢轨损伤时，根据反射回来的信号，即可判断伤痕的大小及位置。在探的信号，即可判断伤痕的大小及位置。在探伤仪上安装有不同角度的探头，分别检查不伤仪上安装有不同角度的探头，分别检查不同部位的损伤。如同部位的损伤。如 7070 度角探头。用来发现度角探头。用来发现轨头内的核伤或横裂，轨头内的核伤或横裂， 35~4535~45 度角探头可度角探头可探轨腰及螺栓孔损伤，垂直探头发射纵波，探轨腰及螺栓孔损伤，垂直探头发射纵波，可探轨头轨腰轨底的水平裂纹、纵裂纹。可探轨头轨腰轨底的水平裂纹、纵裂纹。

脉冲反射法是超声波探伤中应用最广泛的方脉冲反射法是超声波探伤中应用最广泛的方法。 法。

本次课程设计探伤装置的框图显示如下：（不包本次课程设计探伤装置的框图显示如下：（不包括小车机械部分设计。） 括小车机械部分设计。）

系统框图系统框图

以上即为我们的系统结构简图。以上即为我们的系统结构简图。

如果以文字描述大类，除了以上系统框图，我们如果以文字描述大类，除了以上系统框图，我们设计的探伤装置主要由探头、超声收发装置、探设计的探伤装置主要由探头、超声收发装置、探头伺服控制系统、探伤数据采集系统、损伤分析头伺服控制系统、探伤数据采集系统、损伤分析系统、耦合液喷淋系统、主控计算机以及外设等系统、耦合液喷淋系统、主控计算机以及外设等组成。组成。

轮式探头，轮子由透声树脂材料制作，轮式探头，轮子由透声树脂材料制作，内充透声液，轴上装固定探头。一般有内充透声液，轴上装固定探头。一般有三个探头芯，向钢轨发射三种不同方向三个探头芯，向钢轨发射三种不同方向和不同波型的超声波。探伤时，轮胎随和不同波型的超声波。探伤时，轮胎随车运动而转动，而其中的探头芯不动，车运动而转动，而其中的探头芯不动，以保持声波的发射和接收方向不变。以保持声波的发射和接收方向不变。

探头的设计探头的设计

超声波接收部分超声波接收部分

有了探头，接下来是超声波的发射接收有了探头，接下来是超声波的发射接收部分，其基本原理在上文“设计原理”部分，其基本原理在上文“设计原理”部分有详细出示，就简而言之，是发射部分有详细出示，就简而言之，是发射一个始波而后根据其反射回来的回波来一个始波而后根据其反射回来的回波来判断是否存在各种伤损。判断是否存在各种伤损。

接收部分的电路框图接收部分的电路框图

数据采集和处理部分 数据采集和处理部分

数据采集和处理部分主要分成两块，数据采集和处理部分主要分成两块， 一个是数据采集部分一个是数据采集部分 一个则是数据记录部分一个则是数据记录部分 选择基于选择基于 DSPDSP 芯片为核心的数据采集芯片为核心的数据采集

和处理部分。和处理部分。 数据采集部分的电路结构图 数据采集部分的电路结构图

探伤走行车设计探伤走行车设计 钢轨探伤小车的设计必须达到下列目标：　钢轨探伤小车的设计必须达到下列目标：　 11 ，不脱轨、不倾覆、不失稳；，不脱轨、不倾覆、不失稳； 22 ，运行平稳；，运行平稳； 33 ，顺利通过曲线；，顺利通过曲线； 44 ，各零部件需要满足强度要求；，各零部件需要满足强度要求； 55 ，兼顾性能指标、可靠性指标、经济性指，兼顾性能指标、可靠性指标、经济性指标三者协调；标三者协调；

66 ，在满足性能要求的条件下，结构尽可能，在满足性能要求的条件下，结构尽可能简单，便于制造和维修，主要零部件应立足简单，便于制造和维修，主要零部件应立足于国内生产制造；于国内生产制造；

已有探伤车外形已有探伤车外形

探伤走行车设计探伤走行车设计 77 ，探伤小车抬起锁紧后应满足车辆限界要，探伤小车抬起锁紧后应满足车辆限界要

求；求； 88 ，满足探伤超声传感器和对中伺服系统的，满足探伤超声传感器和对中伺服系统的安装要求；安装要求；

99 ，应保证在直线段以８０ｋｍ／ｈ速度以，应保证在直线段以８０ｋｍ／ｈ速度以下运行的安全性，在半径大于下运行的安全性，在半径大于 350350ｍ的曲线ｍ的曲线段和直线道岔区段以不大于段和直线道岔区段以不大于 4040ｋｍ／ｈ速ｋｍ／ｈ速度运行的安全性；度运行的安全性；

1010 ，探伤小车与探伤车辆组装后，无论是探，探伤小车与探伤车辆组装后，无论是探伤检测时，还是吊起锁紧后，都不影响探伤伤检测时，还是吊起锁紧后，都不影响探伤车辆的运行安全。　 车辆的运行安全。　

主要特点主要特点

1.1. 双导向轮结构双导向轮结构 ２．探头伺服对中系统２．探头伺服对中系统 ３．绝缘方式３．绝缘方式 ４．探头升降装置４．探头升降装置 ５．斜拉杆５．斜拉杆

１．双导向轮结构１．双导向轮结构取消使用转向架结构，使用了取消使用转向架结构，使用了双导向轮结构。双导向轮结构双导向轮结构。双导向轮结构通过道岔时，循迹导向性好。通过道岔时，循迹导向性好。前一个导向轮过轨缝时因后导前一个导向轮过轨缝时因后导向轮与轨面支撑不会中心位置向轮与轨面支撑不会中心位置下降，避免产生跳动。下降，避免产生跳动。

２．探头伺服对中系统２．探头伺服对中系统探头伺服对中由对中传感器、步进电探头伺服对中由对中传感器、步进电机、滚珠丝杠、左右轴承座组成。机、滚珠丝杠、左右轴承座组成。两组传动系统固定在两层基座上，低两组传动系统固定在两层基座上，低层传动系统控制一侧轮探头，上层传层传动系统控制一侧轮探头，上层传动系统固定在下层的轴承座上，控制动系统固定在下层的轴承座上，控制另一侧轮探头。优点是列车直线行驶另一侧轮探头。优点是列车直线行驶时，轨距保持不变，只用低层传动系时，轨距保持不变，只用低层传动系统就可以同时两侧轮探头达到伺服对统就可以同时两侧轮探头达到伺服对中的要求。中的要求。

３．绝缘方式３．绝缘方式测试中发现由步进电机驱动器产生测试中发现由步进电机驱动器产生的高频干扰通过传动系统进人轮探的高频干扰通过传动系统进人轮探头测试信号中，需要采用绝缘联轴头测试信号中，需要采用绝缘联轴器连接步进电机与丝杠副，电机与器连接步进电机与丝杠副，电机与电机座由绝缘板过渡连接，使伺服电机座由绝缘板过渡连接，使伺服电机与丝杠之间绝缘整体小车电机与丝杠之间绝缘整体小车

４．探头升降装置　４．探头升降装置　探头升降采用气缸装置。由于结构空探头升降采用气缸装置。由于结构空间的限制，采用气缸同向固定，杠杆间的限制，采用气缸同向固定，杠杆收缩时压紧轮探头，顶出时抬起轮探收缩时压紧轮探头，顶出时抬起轮探头，抬起力大于压紧力，在压紧出气头，抬起力大于压紧力，在压紧出气端设有节流阀调速。端设有节流阀调速。

５．斜拉杆　５．斜拉杆　在压紧接头旁边固定另外一个接头，通在压紧接头旁边固定另外一个接头，通过两端杆端关节轴承连接拉杆与中心导过两端杆端关节轴承连接拉杆与中心导向轴基座侧面的固定接头。拉杆两端的向轴基座侧面的固定接头。拉杆两端的杆端关节轴承螺纹为左右旋，转动拉杆，杆端关节轴承螺纹为左右旋，转动拉杆，可以调整拉力。４根对称分布的拉杆，可以调整拉力。４根对称分布的拉杆，消除了前后侧向力不同时对小车形状的消除了前后侧向力不同时对小车形状的影响。充分考虑小车对于轨道方向不平影响。充分考虑小车对于轨道方向不平顺及轨道高低不平顺的通过性能，也保顺及轨道高低不平顺的通过性能，也保证了小车高速通过弯道的平稳性。证了小车高速通过弯道的平稳性。

探伤车组系统探伤车组系统

轮式车组外形轮式车组外形

牵引生活车牵引生活车

参考书目参考书目 《《 80318031单片机在钢轨探伤中的应用》单片机在钢轨探伤中的应用》 陈子森，周伟斌陈子森，周伟斌 《超声波在钢轨探伤中的应用》 胡金萍，任建平 《超声波在钢轨探伤中的应用》 胡金萍，任建平 《山西电子技术》《山西电子技术》 20062006 年第３期年第３期

《钢轨探伤车及其国产化的途径》 聂建复 时福久《钢轨探伤车及其国产化的途径》 聂建复 时福久 《高速钢轨探伤车中走行小车的设计及试验》 牟斌 《高速钢轨探伤车中走行小车的设计及试验》 牟斌 陈军德 李刚《铁道机车车辆》陈军德 李刚《铁道机车车辆》 200200１年第４期１年第４期

《新型钢轨探伤中试试验车探伤小车的研制》 金炜 《新型钢轨探伤中试试验车探伤小车的研制》 金炜 范荣巍 孙琼《铁道机车车辆》范荣巍 孙琼《铁道机车车辆》

《超声波探伤仪在高速钢轨检测中的应用》 王铁楠，《超声波探伤仪在高速钢轨检测中的应用》 王铁楠，刘杰《设计，研究，分析》刘杰《设计，研究，分析》

参考书目参考书目 《钢轨超声探伤数据记录系统的设计》《钢轨超声探伤数据记录系统的设计》 张国张国勋《现代电子技术》勋《现代电子技术》

《钢轨高速探伤检测系统中的伤损分析》 祝连庆《钢轨高速探伤检测系统中的伤损分析》 祝连庆《仪器仪表学报》《仪器仪表学报》

《钢轨在线超声探伤仪探头工作机构的研究与开发》《钢轨在线超声探伤仪探头工作机构的研究与开发》王铁楠《无损探伤》王铁楠《无损探伤》

《基于《基于 TMS320C6201TMS320C6201 的钢轨超声波探伤系统》的钢轨超声波探伤系统》邓宗全《机电一体化》邓宗全《机电一体化》

《检定钢轨超声波探伤仪衰减器测量不确定度分析》《检定钢轨超声波探伤仪衰减器测量不确定度分析》唐贵强《计量工作》唐贵强《计量工作》

《智能型超声波钢轨探伤仪》《智能型超声波钢轨探伤仪》吉林化工学院吉林化工学院 --梁炜梁炜

小组分工小组分工

资料搜集：张甘霖，范睿捷资料搜集：张甘霖，范睿捷 提纲：张超提纲：张超 报告撰写：吕阶平报告撰写：吕阶平 PPTPPT 制作：林维，陆誉制作：林维，陆誉 yuyu 　 　

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