专利名称：：钢轨踏面裂纹超声波检测装置及检测方法
技术领域：
：本发明涉及超声波检测装置及检测方法，具体涉及钢轨踏面裂紋超声波;险测装置及检测方法。
背景技术：
：近年来，随着我国铁路的大面积提速，列车的运行速度和载重量都得到了4艮大提高，由此导致了钢轨缺陷出现了新的形式，在一些线路上出现了大量的钢轨踏面斜裂紋，调查统计表明其斜裂紋平均间距为41腿，较大的达到160mm,裂紋一般与钢轨踏面成15。-30。的方向斜向下发展，当裂紋发展到距踏面6-8腿时，裂紋几乎横向扩展并快速断裂，所以最好是能够在裂紋发展到5腿左右时将其识别出，这样既不会造成过度浪费，也能够防止钢轨断裂。钢轨踏面斜裂紋一般成段分布，目视可见，因此目前的主要矛盾不是裂紋能不能检测的问题，而是对存在的斜裂紋如何进行评价的问题，即如何对斜裂紋的深度做出准确的定量。只有准确地对钢轨踏面斜裂紋的深度进行定量，才能准确掌握钢轨的运营状态，了解其使用性能，及时有针对性地对斜裂紋钢轨采取相应的防断措施，保证铁路行车安全，同时节约钢轨的养护费用、延长钢轨使用寿命、降低换轨成本。目前国内外的铁路部门都采用超声波技术检测钢轨在使用过程中产生的各种疲劳缺陷。从探伤设备上来看，主要分为大型钢轨超声波探伤车和手推式探伤小车(包括探伤仪和小车)，两种设备所采用的探伤方法基本相同(见图l),主要配置70。、45°(或37°~45°之间其他角度)、0°三种探头。70°探头主要用来检测轨头核伤，37°探头主要用来检测螺栓孔裂紋及钢轨内部的斜裂紋，0°探头主要用来探测钢轨内部的水平裂紋，同时用来监测探头的耦合状态(如图1所示)。从以上分析可以看出，现有的探伤技术主要是探测钢轨内部的各种缺陷，没有针对钢轨踏面裂紋进行检测与评价的专门技术，只能依靠现有配置，通过测量70°探头的二次波的回波幅度来对裂紋进4亍定量。而回波幅度不仅仅与裂紋的大小有关，还与其他多种因素有关，如裂紋取向、表面粗糙度，耦合状态等。钢轨踏面斜裂紋回波幅度法定量主要有以下几点不足(l)斜裂紋严重影响声波的入射，进而影响回波高度和定量精度；(2)回波幅度法定量时只能根据回波高度粗略地给出裂紋深度的范围，不能给出裂紋的具体深度；(3)回波幅度法定量时利用的对比试块中的人工裂紋与实际裂紋差异较大，影响定量精度；(4)由于回波幅度受多种因素影响，测量结果重复性差。—而传统的利用T0FD原理的探伤设备主要用于焊缝的探测，使用时沿焊缝方向进行扫描，；险测的裂紋主要是沿着焊缝方向的裂紋，获取单个裂紋的各处的精确深度。而本发明所要检测的裂紋主要是钢轨表面的斜裂紋，这种裂紋大量存在,.对其判断的精确程度要求不高，却要求能够简单迅速的做出判断。而且这种裂紋往往为大体上垂直于钢轨延伸方向或与垂直于钢轨的方向成一定角度(例如，15°、30°或其它角度)，而传统的利用T0FD的探伤设备要想对其测量必须针对每个裂紋单独设置扫描方向，设置探头位置角度等，综上，无论从成本考虑还是从效率考虑，其都不适用于对钢轨斜裂紋深度是否超过阈值的快速判断。因此目前的定量方法还不能很好地解决钢轨斜裂紋的定量问题，还不能对钢轨斜裂紋做出准确地评价。所以，需要一种成本低廉的、能够快速准确的对钢轨踏面斜裂紋进行定量评估的检测方法和检测装置。
发明内容针对现有技术中的上述不足，本发明提供了一种成本低廉的、能够快速准确的对钢轨踏面斜裂紋进行定量评估的检测方法和检测装置。一方面，本发明提供一种用于钢轨踏面斜裂紋的检测装置，包括检测探头和信号处理装置，其中所述检测探头包括探头外壳以及设置在所述探头外壳内的第一探头、第二探头和隔声层，其中所述第一探头和第二探头相对设置在所述隔声层的两侧，所述信号处理装置用于接收所述第二探头收到的信号并判定所述裂紋深度是否大于设定的裂紋深度标准。上述的检测装置，其中，所述裂紋深度标准设定为5mm。上述的检测装置，其中，所述检测探头入射点间距为20腿，探头的折射角度为60度。上述的检测装置，其中，所述检测探头采用的声波频率为5MHz,脉冲宽度1.52个波长。上述的检测装置，其中，检测时，检测探头中的第一探头和第二探头的连线方向大体上与钢轨延伸方向平行设置，并沿钢轨延伸方向扫描。'另一方面，本发明提供一种采用权利要求1所述的检测装置检测钢轨踏面斜裂紋的检测方法，包括a.利用第一探头朝向所述钢轨发射声波，b.利用第二探头接受所述声波的侧向波及衍射波c.判定在设定的时间门内是否存在衍射波d.若在设定的时间门内存在衍射波，判定所述^"射波的强度是否超过特定强度阈值。上述的检测方法，其中，所述时间门对应于5mm以上的钢轨踏面斜裂紋。上述的检测方法，.其中，所述第一探头和第二探头之间的距离为20mm,所述第一探头发射的声波频率为5MHz,脉冲宽度1.5~2个波长。上述的检测方法，其中，检测时，所述第一探头和第二探头的连线方向与钢轨延伸方向大体上平行设置，并沿钢轨延伸方向扫描。图1为钢轨探伤原理示意图；图2为声波与缺陷的相互作用示意图；图3为本发明的一个实施例的探头布置示意图；图4(a)为图3中的检测探头用于检测时的筒单示意图，图4(b)为所检测到的波形的示意图。具体实施例方式下面首先对TOFD原理进行简单的介绍。图2为声波与缺陷的相互作用示意图。如图2所示，当入射波l入射到裂紋状缺陷上时，声波除了产生反射波2和透射波3外，还会在缺陷的尖端产生衍射波4、5。缺陷尖端产生的衍射波4、5，尽管其能量远远低于反射波2的能量，在回波幅度定量法中一般很少利用，但由于其向四周传播，没有明显的指向性，声波更易于接收，而且其传播时间中包含着丰富的空间位置信息，因此可以通过测量缺陷上下尖端衍射波4、5的传播时间对缺陷的上下尖端进行定位，进而对缺陷的大小进行定量。本发明提供的钢轨斜裂紋探测装置及方法，可以沿钢轨延伸方向进行扫描，快速的识别出高于所设定的安全标准的钢轨表面斜裂紋。下面根据本发明一个实施例对本发明的检测装置进行详细描述。本实施例中的检测装置包括检测探头和信号处理装置。如图3所示，本实施例中的检测探头包括第一探头和第二探头、隔声层和探头外壳。其中第一探头包括第一晶片1、第一插接件2和第一探头斜楔3;第二探头包括第二晶片1，、第二插接件2'和第二探头斜楔3，。所述第一晶片1和第二晶片1，分别设置在第一探头斜楔3与第二探头斜楔3'的斜面上。所述第一探头和所述第二探头大体上对称的设置在所述隔声层4的两侧。并且为便于携带和使用，上述两个探头以及置于其间的隔声层4通过探头外壳6封装在一起。本实施例中的信号处理装置采用接受并显示信号的普通的信号处理装置。在本实施例中的检测装置设计用于检测深度为5證以上的钢轨踏面斜裂紋。所以，通过实验及分析，将本实例的探头参数优选为探头入射点间距20mm，声波频率5MHz,脉冲宽度1.5~2个波长左右，探头的折射角度60度(是指声波信号在被测工件中传播时与工件表面法线间的夹角)。下面描述利用上述实施例中的检测装置进行钢轨踏面斜裂紋检测的过程。为了便于说明，图4(a)仅示意性的画出了图3中的两个探头。如图4(a)所示，第一探头1和第二探头2相对放置，第一探头l发射声波，第二探头2接收声波。第一探头l(发射探头)的晶片振动产生声波，经过探头斜楔后声波进入工件，声波首先沿工件表面传播并被第二探头2(接受探头)接收，称其为侧向波。如果工件存在裂紋，声波就会与裂紋尖端作用产生衍射波，衍射波向四周传播，一部分能量被第二探头2接收。由于衍射波的传播路径比侧向波传播路径长，所以衍射波迟于侧向波被第二探头接收。当接收探头和发射探头之间.的距离固定时，侧向波被接收的时间固定，即侧向波在信号处理装置(其信号显示屏幕上)上出现的位置固定。同理，由于衍射波的传播时间只与裂紋的深度有关，所以通过测量衍射波被接收的时间，或者比较侧向波与衍射波之间的时间差，就可以判断裂紋的深度。缺陷深度"与探头半间距S、侧向波与衍射波之间的声时差Af之间的关系为令eiAf="A,则上式可以改写为:2"//(2)式中q为纵波声速，义为声波波长，"为脉冲回波周期数，/为探头频率。裂紋检测深度与检测探头频率/、检测探头半间距S及声波周期数"之间的关系如表1表4中所示。从表中数据可以看出，探头频率越高、探头半间距越短、声波周期数越少(或声波脉宽越短)，裂紋的可测深度越浅，反之，裂紋的可测深度越深。由于检测探头入射点间距(第一探头和第二探头之间的间距)一般约为20腿以上，所以检测探头半间距S最小值可取IO咖，而检测探头的脉冲宽度一般可达到1."~2义，如果检测探头频率取较常用的5MHz，从表1和表3可以看出，对于5mm以上的裂紋，用本实施例的斜裂紋探测装置可以探测，而5mm以下的裂紋由于其侧向波与衍射波重叠在一起无法分辨。即用本实施例的斜裂紋探测装置可以判断钢轨踏面开口裂紋深度是否超过5mm。在实际应用时，以这样的方式沿着钢轨的延伸方向移动检测探头即检测探头中的第一探头和第二探头的连线方向大体上与延伸方向平行。这样，由于钢轨踏面斜裂紋的方向与钢轨延伸方向大体上垂直或与垂直于钢轨的方向成一定角度，所以钢轨踏面斜裂紋的方向一般垂直于扫描方向。当检测探头扫过5mm以上的裂紋时，如图4(b)中所示，信号处理装置在收到侧向波信号之后A^"义，将收到书于射波信号。所以可以通过在信号处理装置中设置针对5腿以上踏面斜裂紋的时间门(对应于5mm以上踏面斜裂紋的衍射波传播时间)，只要在时间门内出现高于特定强度阈值(根据干扰、信号强度等设定)的信号，即证明出现5mm以上裂紋，从而发出报警。根据具体需要，还可以设置所检测的斜裂紋深度的上限，例如8腿。表l裂纟丈;险测深度与声波频率及声时差之间的关系(f=5MHz,"=1.5)<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>采用本发明的检测方法和检测装置进行冲全测具有以下优点1.定量精度高常规回波幅度法定量精度受检测面状态、缺陷取向、缺陷表面状态、缺陷大小等诸多因素影响，定量精度较差，而该技术的定量精度只与声波传播时间有关，从原理上保证了该技术具有更高的精度和可靠性。2.检测速度快该技术的特点是能够快速判断裂紋深度是否超过某一限度值，不必判断每一条裂紋的具体深度，即对深度较小、危险性较小的裂紋可以不予考虑，只须对深度超过该限度值、危险性大的裂紋进行判断，因此减少了检测工作量，节省了探伤工上线占道时间。3.操作简单，检测费用低该技术根据需要检出的裂紋的限度值，使用该技术专用检测探头，即可迅速检测出裂紋是否超过事先设定的限度值。操作筒单，只须观察在特定时间段内信号处理装置上是否出现缺陷信号即可，凡是有缺陷信号出现，则裂紋深度即超过设定的限度值。而且该技术不必使用专用的T0FD检测设备和扫查装置，可以节省大量费用。虽然以上实施例中，所述检测探头的入射点间距为20mm,探头的折射角度为60度，所述检测探头采用的声波频率为5MHz,脉冲宽度1.52个波长。但是根据具体应用需要，所述探头入射点间距、声波频率及折射角度可以适当改变，例如探头入射点间距在16讓-25mm范围内改变，声波频率在4MHz-7顧z范围内改变，折射角度在50-70度范围内改变。最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。权利要求1.一种用于钢轨踏面斜裂纹的检测装置，包括检测探头和信号处理装置，其中所述检测探头包括探头外壳以及设置在所述探头外壳内的第一探头、第二探头和隔声层，其中所述第一探头和第二探头相对设置在所述隔声层的两侧，所述信号处理装置用于接收所述第二探头收到的信号并判定所述裂纹深度是否大于设定的裂纹深度标准。2.权利要求1所述的检测装置，其中，所述裂紋深度标准设定为5mm。3.权利要求1所述的检测装置，其中，所述检测探头入射点间距为20mm,探头的折射角度为60度。4.权利要求1所述的检测装置，其中，所述检测探头采用的声波频率为5MHz,脉冲宽度1.52个波长。5.权利要求1所述的检测装置，其中，检测时，检测探头中的第一探头和第二探头的连线方向大体上与钢轨延伸方向平行设置，并沿钢轨延伸方向扫描。6.—种采用权利要求1所述的检测装置检测钢轨踏面斜裂紋的检测方法，包括a.利用第一探头朝向所述钢轨发射声波，b.利用第二探头接受所述声波的侧向波及衍射波c.判定在设定的时间门内是否存在衍射波d.若在设定的时间门内存在衍射波，判定所述衍射波的强度是否超过特定强度阈值。7.权利要求6所述的检测方法，其中，所述时间门对应于5mm以上的钢轨踏面斜裂紋。8.权利要求6所述的检测方法，其中，所述第一探头和第二探头之间的距离为20mm,所述第一探头发射的声波频率为5MHz,脉冲宽度1.5~2个波长。9.权利要求6所述的检测方法，其中，检测时，所迷第一探头和第二探头的连线方向与钢轨延伸方向大体上平行设置，并沿钢轨延伸方向扫描。全文摘要本发明提供一种钢轨踏面斜裂纹超声波检测装置及检测方法。本发明的检测装置利用本发明的一体的检测探头和普通信号处理装置对钢轨踏面斜裂纹是否超过特定阈值进行判断。本发明的检测探头包括两个封装在一起的独立探头，便于携带和使用。本发明的检测方法通过使用本发明的检测探头结合普通信号处理装置对表面开口裂纹深度是否超过特定阈值(例如5mm)进行快速判断。文档编号G01N29/04GK101424664SQ20081023924公开日2009年5月6日申请日期2008年12月5日优先权日2008年12月5日发明者涂占宽,熊小兰,郑莉莉,黎连修申请人:中国铁道科学研究院金属及化学研究所