[发明专利]一种基于相控阵探头的机车车辆车轮缺陷检测装置

说明书

技术领域

本发明涉及到一种机车车辆车轮轮辐区域超声波探伤检测装置。

背景技术

车轮是包括动车组在内的机车车辆走行系统的关键部件，其基本结构如图1所示，包括：轮缘63、踏面64、轮辋62、轮辐61、辐板孔611、轮毂60。车轮6的内部状态和表面的裂纹直接关系到行车安全。铁路提速的大发展以及高速动车组的快速建设，对车轮的质量提出了更高的要求。为避免有缺陷的车轮在运行时发生事故，确保列车行驶的安全，需要对车轮轮辋和轮辐部分进行探伤。同时，为提高高速列车的运营效率，要求对车轮轮辋轮辐进行不拆卸轮对的在线式检测(探伤)。车轮探伤目前较有效的方法是超声波检测，其原理是：如果介质即车轮中有气孔、裂纹、分层等缺陷(缺陷中有气体)或夹杂，超声波传播到介质与缺陷的界面处时，就会全部或部分反射。反射回来的超声波被探头接收，可以根据波形的变化特征判断缺陷在工件的深度、位置和形状。超声波探伤优点是检测厚度大、灵敏度高、速度快、成本低、对人体无害，能对缺陷进行定位和定量，适合轮辋轮辐的无损探伤。

由于车轮轮辋62部分距离踏面64的距离较小，而且结构差别不大，因此轮辋62部分的探伤与轮辐区域相比更容易；而轮辐61区域结构复杂且离踏面64表面距离较远，要检测整个轮辐61区域需要的探头数量大，对探头布局要求严格，尤其是在线式检测的空间约束更大。目前尚无对轮辐61区域进行在线自动化检测的简单有效方法。

发明内容

本发明的目的就是提供一种基于相控阵探头的机车车辆车轮缺陷检测装置，该装置能够从踏面上在线自动化检测车轮轮幅区域各点的缺陷，检测效率高，检测结果准确，且其结构简单，使用操作方便。

本发明实现其发明目的，所采用的技术方案是，一种基于相控阵探头的机车车辆车轮缺陷检测装置，其结构特点是：

与控制机构相连的探头支架上连接有超声波相控阵探头，相控阵探头置于轮对的踏面上，轮对踏面的下部置于顶转轮装置的顶轮和转轮上；超声波相控阵探头与数据处理及控制计算机相连；

所述的相控阵探头有左、右两个，左探头和右探头等距离地远离轮缘，而与车轮滚动圆的轴向距离为0～10mm；左探头和右探头的在车轮滚动圆上相距的弧长为220～600mm；左探头和右探头的轴线与车轮滚动圆面的扭转角度相同，该扭转角度为0～30度。

本发明的工作过程和工作原理是：

利用顶转轮装置将轮对向上顶起，再由控制机构将探头支架置于轮对的踏面上，从而使相控阵探头按设定位置分布在车轮的踏面上；顶转轮装置驱动转轮转动，带动轮对相对于探头作圆周运动。完成车轮踏面表面的湿润后，相控阵探头自动一次性的完成对轮辐区域不同深度、不同方向的缺陷检测，其超声检测的工作原理如下：

每个超声波相控阵探头由多个阵元组成，工作时，数据处理及控制计算机根据几何声程差，计算出可使各阵元的发射声束在聚焦点聚焦的各阵元激励信号所需的延时时间。再以该设定的延迟时间顺序激励各阵元，使各阵元按设定的延时规律依次发射出超声波，在设定的聚集点处相干叠加增强，在聚集点以外区域叠加减弱，甚至抵消。接收聚焦和上述的发射聚焦为互逆的过程，遵守相同的几何聚焦延迟规律即各阵元接收检测回波信号，按照相同的聚焦时间延迟量进行延迟，由数据处理及控制计算机将各延迟后的信号求和，作为检测回波信号，该检测信号主要来自焦点和焦点附近的回波信号，聚焦区域外的回波信号则减弱甚至抵消，从而实现接收聚焦；这样即完成对聚焦点和焦点附近的探伤检测。通过对聚焦点的偏转变换，可以实现对车轮不同位置的扫描探伤检测。

本发明的左探头和右探头组成的探头对可以有以下两种工作方式：

方式一：周向缺陷的检测

左探头和右探头一个发射信号、另一个接收信号。当车轮轮幅中存在周向缺陷时，一侧的发射信号传播到该周向缺陷时，由于该缺陷对超声波的阻碍作用，超声波将以左探头和右探头中间的车轮半径为对称轴，向另一侧反射，而被另一侧的探头接收。因此，此种方式下可以检测车轮轮幅中的周向缺陷。同时，由于两个探头的发射聚焦点和接收聚焦点设定于两个探头的对称轴线上，即两探头正中间的车轮半径也即检测半径上，数据处理及控制计算机控制左右探头的聚焦点变化，可实现该半径线上从车轮圆心处至轮幅与轮辋交界处的周向缺陷的扫描探测，当车轮旋转一周后，即可完成整个轮幅区域的周向缺陷扫描检测。并且由于一探头的发射路径和另一探头的接收路径位于检测半径的两侧且指向检测半径，避开了位于检测半径上的幅孔对检测信号的反射阻挡，可有效地实现检测半径上幅孔与车轮圆心之间的缺陷的检测。