一种自动化铁轨探伤设备的制作方法

1.本实用新型属于铁轨探伤技术领域，更具体地说，特别涉及一种自动化铁轨探伤设备。


背景技术：

2.目前，中国目前的铁路总里程位居世界第一，每天在铁道线上，奔驰着成百上千趟客货列车，为了铁路的安全通畅，必须时刻保证铁轨的稳定可靠，没有致命缺陷。铁轨探伤技术就是利用超声波发射、接收设备，对铁轨的内部结构进行检查，以发现潜在的安全隐患，及时进行铁轨修复或者更换。
3.现在常规的铁轨探伤设备，按检测效率可以分为人工手持式以及自动化小车式，其核心组件-超声波发射接收装置，通常为双晶片探头(一发一收)或者相控阵探头。然而，不论是双晶片探头还是相控阵探头，目前都是利用压电块体材料进行超声发射与接收，而且探头需要直接或者加上延迟块后间接与铁轨接触，长时间使用后超声探头不可避免地会产生磨损，影响检测精度。另外，由于压电块体超声探头与空气的耦合效率比较低，铁轨探伤时，需要不停地在超声探头与铁轨间加入耦合液体，通常为水，可持续性较差。
4.除此之外，现有技术进行铁轨超声探伤时，常规做法是在超声检测系统中预设了某个温度下铁轨中超声波传播的速度，但是当铁轨温度大幅变化时，超声波在铁轨内的传播速度也会变化，进而影响超声探伤的精度。
5.虽然已有相关专利提到使用空气耦合超声探头进行铁轨探伤，以及使用温度传感器进行铁轨探伤时的温度补偿，但这些专利与本发明仍存在显著区别。例如，专利号为cn112834613b的发明专利公开一种tbm隧道电瓶车铁轨探伤预警机器人系统，该专利提到使用空气耦合超声探头进行铁轨探伤，但没有提到对被探测的铁轨进行温度测量，也未提到测量超声探头与铁轨之间的距离；
6.另外，专利号为cn207257676u的发明专利公开了一种带有温度补偿功能的超声波轨道探伤检测装置，该专利提到使用温度传感器进行温度补偿，但未提到使用空气耦合超声探头，也未提到对被探测铁轨进行温度测量，探头与铁轨之间的距离使用超声检测，也与本发明使用激光测距存在明显区别。


技术实现要素：

7.针对现有技术的不足，本实用新型提供了一种自动化铁轨探伤设备，其优点在于，可以进行无接触式探伤，无需在铁轨上喷洒耦合液体，减小探伤设备的负载，延长了单次扫查的可持续时间，节省一定的成本，以解决上述背景技术中提出的问题。
8.为实现以上目的，本实用新型通过以下技术方案予以实现：一种自动化铁轨探伤设备，包括主体
9.所述主体底部设置有电池模块，所述电池模块底部控制驱动有四个车轮，且车轮底部对应贴合铁轨，所述电池模块底部设有空气耦合超声探头，所述空气耦合超声探头一
侧设置有多个激光测距模块，另一侧设置有多个红外测温模块；
10.所述主体上安装有多个安全座椅，
11.所述主体顶部还设置有运动控制系统、超声检测系统以及信号传输系统，所述运动控制系统用于设备整体驱动，所述超声检测系统可对铁轨进行全方位的探伤工作，所述信号传输系统将位置信号连同铁轨缺陷数据记录在超声检测系统中，并通过信号传输系统同步上传至探伤设备出发地的铁路中心服务器中。
12.在一些实施方式中，所述空气耦合超声探头外部通过铝合金框架包裹定位，所述铝合金框架通过定位螺丝安装在电池模块底部，所述铝合金框架上设置有多道通风散热孔，所述激光测距模块以及红外测温模块对称固定铝合金框架底部；空气耦合超声探头、红外测温模块及激光测距模块之间间隔在1mm至5mm范围内。
13.在一些实施方式中，所述空气耦合超声探头包括探头体，所述探头体一端设有探头透镜，所述空气耦合超声探头一侧连接有传输线，所述传输线用于超声、激光以及红外信号的传输。
14.在一些实施方式中，所述激光测距模块由激光发射器以及激光接收透镜组成，红外测温模块由红外测温传感器组成，激光测距模块和红外测温模块分别用于测量超声探头距离铁轨表面的距离，以及铁轨表面的温度。
15.在一些实施方式中，所述运动控制系统包括自动运行模块与手动运行模块，通过实际的工作环境以及工作状态进行手动或自动的切换。
16.在一些实施方式中，所述超声检测系统由空气耦合超声探头、超声成像分析记录系统以及铁轨红外测温模块组成。
17.在一些实施方式中，所述信号传输系统由定位系统以及无线传输模块组成。
18.与现有技术相比，本实用新型提供了一种自动化铁轨探伤设备，具备以下有益效果：
19.1、该一种自动化铁轨探伤设备，通过非接触式扫查，无需在铁轨上喷洒耦合液体，减小探伤设备的负载，延长了单次扫查的可持续时间，节省一定的成本，除此之外，由于在空气耦合超声探头两侧安装了激光测距模块和红外测温模块，分别用于测量超声探头距离铁轨表面的距离，以及铁轨表面的温度，使得超声在空气及铁轨中传播的速度参数更准确，提高了超声探伤检测的精度。、
20.2、该一种自动化铁轨探伤设备，通过主体上安装的运动控制系统、超声检测系统以及信号传输系统，可以在铁轨上移动的同时进行检测铁轨是否存在缺陷，如果获得异常信号或图像，定位系统会记录下定位系统提供的地理位置信号后随即制动，然后回到可疑位置，并在该位置前后移动一定的距离，作出二次判断；通过多次数据统计对比，一旦确认是铁轨内部缺陷，超声检测系统将该位置信号以及铁轨缺陷数据记录在超声检测系统中，并通过无线传输模块，同步上传至探伤出发地的铁路中心服务器中，进行专业的分析处理，以最快速度进行铁轨的维护处理。
附图说明
21.图1是本实用新型的结构示意图。
22.图2是本实用新型中空气耦合超声探头的结构示意图。
23.图3是本实用新型中空气耦合超声探头的正视图。
24.图4是本实用新型中空气耦合超声探头的扫查工作图。
25.图5是本实用新型的探伤功能框图。
26.图中，1、主体；2、电池模块；3、车轮；4、铝合金框架；5、空气耦合超声探头；501、通风散热孔；502、定位螺丝；503、传输线；504、探头体；505、探头透镜；6、运动控制系统；7、超声检测系统；8、信号传输系统；9、安全座椅；10、铁轨；11、激光测距模块；111、激光发射器；112、激光接收透镜；12、红外测温模块；121、红外测温传感器。
具体实施方式
27.下面结合附图和实施例对本实用新型的实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本实用新型，但不能用来限制本实用新型的范围。
28.在本实用新型的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上；术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前端”、“后端”、“头部”、“尾部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
29.在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
30.请参阅图1至图5，本实用新型提供一种技术方案：一种自动化铁轨10探伤设备，包括主体1，超声检测系统7主体1底部设置有电池模块2，超声检测系统7电池模块2底部控制驱动有四个车轮3，且车轮3底部对应贴合铁轨10，从而可以在铁轨10上进行整体移动，超声检测系统7电池模块2底部设有空气耦合超声探头5，超声检测系统7空气耦合超声探头5外部通过铝合金框架4包裹定位，超声检测系统7铝合金框架4通过定位螺丝502安装在电池模块2底部，超声检测系统7铝合金框架4上设置有多道通风散热孔501，利用多道通风散热孔501可以进行空气耦合超声探头5的散热，避免长时间工作所带来的高温，影响实际性能。
31.如图2、3所示，空气耦合超声探头5包括探头体504，探头体504一端设有探头透镜505，超声检测系统7空气耦合超声探头5一侧连接有传输线503，超声检测系统7传输线503用于超声、激光以及红外信号的传输，超声检测系统7空气耦合超声探头5一侧设置有多个激光测距模块11，另一侧设置有多个红外测温模块12，且对称固定铝合金框架4底部；空气耦合超声探头5、红外测温模块12及激光测距模块11之间间隔在1mm至5mm范围内。
32.激光测距模块11由激光发射器111以及激光接收透镜112组成，红外测温模块12由红外测温传感器121组成，激光测距模块11和红外测温模块12分别用于测量超声探头距离铁轨10表面的距离，以及铁轨10表面的温度，并将具体数据传入相应的超声成像分析记录系统中，校正超声波在空气中和铁轨10中传播的纵波声速，以此获得更精确的铁轨10形状尺寸。具体校正方法为，激光测距模块11获得的超声探头距离铁轨10表面距离为d，探伤设备激励并接收到超声探头回波的时间为t，则超声在空气中的传播速度v＝2*d/t；红外测温
模块12获得的铁轨10表面摄氏温度为t，通过查询预设在探伤系统中的温度-声速曲线或对照表，可获得t温度下，超声在铁轨10材质(主要是钢铁)中的传播速度。
33.红外测温模块12的测量温度范围为0℃到100℃，包括红外测温传感器121及相关硬件电路；激光测距模块11的测距范围为0.03米到10米，包括激光发射器111、激光接收透镜112及相关硬件电路。红外测温及激光测距模块11的信号传输线503及电源供给线均使用超声探头中的信号传输线503(同轴电缆线)，与相关探伤系统连接。
34.如图1、4所示，空气耦合超声探头5对铁轨10截面进行超声成像，该探头体504优选mems(micro-electro-mechanical system)换能器，可以是pmut(piezoelectric micromachined ultrasonic transducer)，探头体504中心频率在50khz到5mhz范围内，或者是cmut(capacitive micromachined ultrasonic transducer)探头，中心频率在1mhz到5mhz范围内；或者次选是传统压电材(压电陶瓷、压电单晶、压电薄膜等)料制作的探头；探头体504的结构可以分为多种类型，具体可以分为单晶片结构、双晶片结构、相控阵阵列式结构以及凸形阵列式结构，其中优选的方案是相控阵阵列式探头。
35.探头体504若是相控阵阵列式，则探头阵元数为32至128个。相控阵式空气耦合探头，由超声换能器及同轴电缆线组成，超声换能器用于发射及接收超声波，同轴电缆线用于探伤系统与超声换能器、红外测温模块12、激光测距模块11之间的电学连接。该空气耦合超声探头5可以在90度扇形成像区域内，对铁轨10完整截面进行成像分析，利用超声波在铁轨10内传播的时间及反射、折射信号的强弱，判断铁轨10内部是否存在缺陷，并将缺陷情况传输到探伤系统中。
36.如图1、5所示，超声检测系统7主体1上安装有多个安全座椅9，为工作人员提供工作位置，超声检测系统7主体1顶部还设置有运动控制系统6、超声检测系统7以及信号传输系统8，超声检测系统7运动控制系统6包括自动运行模块与手动运行模块，通过实际的工作环境以及工作状态进行手动或自动的切换，使得设备进行相应的驱动，超声检测系统7超声检测系统7由空气耦合超声探头5、超声成像分析记录系统以及铁轨10红外测温模块12组成，利用超声检测系统7对铁轨10进行全方位的探伤工作，超声检测系统7信号传输系统8包括定位系统以及无线传输模块，铁轨10上若出现内部缺陷，则立即根据定位系统提供的地理位置信号，将该位置信号连同铁轨10缺陷数据记录在超声检测系统7中，并通过无线传输模块，同步上传至探伤设备出发地的铁路中心服务器中，及时进行相关处理。
37.实际工作时，电动探伤设备可以手动控制在铁轨10上前进或者后退，也可以设定为自动前进或者后退，同时电动探伤设备的主体1可以承载至少两位驾乘人员的质量。探伤设备移动时，位于探伤设备上超声探头前后两侧的红外测温模块12，将测得的铁轨10表面空气及铁轨10本体温度数据传入超声成像分析记录系统中，校正超声波在空气中和铁轨10中传播的纵波声速，以此获得更精确的铁轨10形状尺寸。空气耦合超声探头5随着探伤设备的移动，对铁轨10截面进行超声成像。
38.空气耦合超声探头5可以在90度扇形成像区域内，对铁轨10完整截面进行成像分析，利用超声波在铁轨10内传播的时间及反射、投射信号的强弱，判断铁轨10内部是否存在缺陷，并定位相应的缺陷。超声成像分析记录系统，以最大间隔周期不超过1毫秒，激励超声探头并接收超声信号，检测铁轨10是否存在缺陷，如果获得异常信号或图像，定位系统会记录下定位系统提供的地理位置信号后随即制动，然后回到可疑位置，并在该位置前后移动
一定的距离，作出二次判断。一旦确认是铁轨10内部缺陷，超声检测系统7根据定位系统提供的地理位置信号，将该位置信号连同铁轨10缺陷数据记录在超声检测系统7中，并通过无线传输模块，同步上传至探伤出发地的铁路中心服务器中。
39.以上所述，仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，根据本实用新型的技术方案及其实用新型构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。