一种车轴缺陷检测导波换能器以及车轴缺陷检测装置

本发明涉及车轴缺陷检测，尤其涉及一种车轴缺陷检测导波换能器以及车轴缺陷检测装置。

背景技术：

1、高速列车作为旅客与大宗货物运输的重要载体，是轨道交通高新技术成果的集中体现。然而，高速列车往往运行在强振动、大负载、高周期等恶劣条件下，直接参与列车驱动的行走机构常年面对沙尘、暴雨、高温、高寒等极端环境，服役工况非常复杂。其中，车轴是高速列车转向架的关键承载部件，直接连接着车轮和悬挂装置，既承担了齿轮传动系统的直接输出，又作为轮对的核心组成部件承载着机车的自重与附加载荷。然而，车轴轴颈在服役过程中长期受到旋转弯曲和冲击作用，极易萌生疲劳裂纹。当裂纹发展到一定程度时，轴颈在交变应力的作用下易发生冷切，从而导致列车脱轨重大安全事故。因此，如何针对在役列车旋转车轴开展高灵敏度的微裂纹在线检测与定量化安全评估研究，是高速列车安全检测领域亟需解决的关键问题。

2、发明人了解的一种检测技术采用了接触式压电超声换能器与空心车轴同步旋转的方式激发出超声导波，并通过换能器的全周向布置与激发获取了车轴表面缺陷的周向和轴向声场信号，讨论了导波对缺陷深度和长度的敏感性。然而，高速列车的运行环境非常恶劣，车轴长期处于高速旋转和往复振动状态，现有的声发射检测技术严重依赖于复杂的去噪算法与裂纹信号特征提取方法，且仅对扩展过程中的大裂纹敏感，无法实现早期疲劳微裂纹的有效检测。

3、因此，需要研发一种新型的检测装置对车轴中的裂纹进行有效检测，为高速列车转动构件的安全评估提供新的解决途径。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种车轴缺陷检测导波换能器以及车轴缺陷检测装置，以解决现有技术存在的问题，能够将激励的超声信号强度相比于传统的跑道线圈换能器提高两倍以上，使得声波的传播距离更长，提高了缺陷检测灵敏度；还能够将激励的超声信号波包宽度降低一半，使得缺陷的当量长度、宽度、深度指标参数更加容易量化。

2、为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

3、一种车轴缺陷检测导波换能器，包括柔性基材、永磁体、上层线圈以及下层线圈；所述柔性基材用于固定在所述车轴的端部圆周壁面上；所述永磁体位于所述柔性基材上方，并间隔排列设置有多个，相邻设置的两所述永磁体的磁极相反；相邻两所述永磁体的间距与导波的波长相等；所述上层线圈设置在所述柔性基材的顶部，位于所述永磁铁的下方，沿单个所述永磁体的延伸方向，所述上层线圈呈斜回折形，所述上层线圈的斜折回形中导线的间距与导波的波长相等；所述下层线圈设置在所述柔性基材的底部，沿单个所述永磁的延伸方向，所述下层线圈呈斜折回形，所述下层线圈的斜折回形中导线的间距与导波的波长相等，且所述下层线圈的斜回折角度与所述上层线圈的斜回折角度互补；在所述柔性基材表面的垂直方向上，所述上层线圈和所述下层线圈交叠形成交叠区域，在多个所述永磁体的排列方向上，所述交叠区域的分布范围大于多个所述永磁铁的分布范围；在单个所述永磁体的延伸方向上，所述下层线圈中的电流方向与所述上层线圈中的电流方向相反。

4、作为一实施方式，所述上层线圈相对于单个所述永磁体的延伸方向的回折角度为45°，所述下层线圈相对于单个所述永磁体的延伸方向的回折角度为135°。

5、作为一实施方式，所述上层线圈中电流大小与所述下层线圈中电流大小的比值可调。

6、作为一实施方式，相邻两所述永磁体的间距为16mm。

7、作为一实施方式，单个所述永磁铁的宽度为4mm～6mm。

8、作为一实施方式，所述上层线圈和所述下层线圈的导线径向截面积相同，为0.2mm2～0.5mm2。

9、作为一实施方式，所述上层线圈和所述下层线圈的匝数相同，为10～100。

10、作为一实施方式，所述上层线圈和所述下层线圈的分段长度相同，为6.4mm～80mm。

11、作为一实施方式，所述柔性基材为柔性电路板，所述柔性电路板通过粘接的方式固定在所述车轴上。

12、本发明还提供一种车轴缺陷检测装置，包括发射组件和接收组件，所述发射组件包括如上述的车轴缺陷检测导波换能器，所述导波换能器中的柔性基材固定在所述车轴的一端圆周面上，所述接收组件包括接收器，所述接收器固定在所述车轴的另一端圆周面上。

13、本发明相对于现有技术具有如下技术效果：

14、本发明中的车轴缺陷检测导波换能器通过设置双层斜折回形的线圈以及位于线圈上方的永磁体，能够将激励的超声信号强度相比于传统的跑道线圈换能器提高两倍以上，使得声波的传播距离更长，提高了缺陷检测灵敏度；而且本发明中的导波换能器还能够将激励的超声信号波包宽度降低一半，使得缺陷的当量长度、宽度、深度指标参数更加容易量化。

15、本发明中的其他技术方案还具有如下技术效果：

16、本发明中上层线圈和下层线圈中的电流大小比例可调，可以灵活控制螺旋导波的发射角度，实现车轴多走向裂纹缺陷的有效监测，避免导波发射角度单一导致多走向裂纹缺陷漏检的情况出现。

技术特征：

1.一种车轴缺陷检测导波换能器，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的车轴缺陷检测导波换能器，其特征在于，所述上层线圈相对于单个所述永磁体的延伸方向的回折角度为45°，所述下层线圈相对于单个所述永磁体的延伸方向的回折角度为135°。

3.根据权利要求1所述的车轴缺陷检测导波换能器，其特征在于，所述上层线圈中电流大小与所述下层线圈中电流大小的比值可调。

4.根据权利要求1所述的车轴缺陷检测导波换能器，其特征在于，相邻两所述永磁体的间距为16mm。

5.根据权利要求1所述的车轴缺陷检测导波换能器，其特征在于，单个所述永磁铁的宽度为4mm～6mm。

6.根据权利要求1所述的车轴缺陷检测导波换能器，其特征在于，所述上层线圈和所述下层线圈的导线径向截面积相同，为0.2mm2～0.5mm2。

7.根据权利要求1所述的车轴缺陷检测导波换能器，其特征在于，所述上层线圈和所述下层线圈的匝数相同，为10～100。

8.根据权利要求1所述的车轴缺陷检测导波换能器，其特征在于，所述上层线圈和所述下层线圈的分段长度相同，为6.4mm～80mm。

9.根据权利要求1所述的车轴缺陷检测导波换能器，其特征在于，所述柔性基材为柔性电路板，所述柔性电路板通过粘接的方式固定在所述车轴上。

10.一种车轴缺陷检测装置，其特征在于，包括发射组件和接收组件，所述发射组件包括如权利要求1～9任意一项所述的车轴缺陷检测导波换能器，所述导波换能器中的柔性基材固定在所述车轴的一端圆周面上，所述接收组件包括接收器，所述接收器固定在所述车轴的另一端圆周面上。

技术总结
本发明提供一种车轴缺陷检测导波换能器以及车轴缺陷检测装置，涉及车轴缺陷检测技术领域，包括柔性基材、永磁体、上层线圈以及下层线圈；柔性基材用于固定在车轴的端部圆周壁面上；永磁体位于柔性基材上方，相邻设置的两永磁体的磁极相反；相邻两永磁体的间距与导波的波长相等；上层线圈和下层线圈分别设置在柔性基材的顶部、底部，且均呈斜回折形，下层线圈的斜回折角度与上层线圈的斜回折角度互补；下层线圈中的电流方向与上层线圈中的电流方向相反；本发明能够将激励的超声信号强度提高两倍以上，使得声波的传播距离更长；而且本发明中的导波换能器还能够将激励的超声信号波包宽度降低一半，使得缺陷参数更加容易量化。

技术研发人员：孙洪宇,黄鑫城,冯其波,李家琨,彭丽莎,黄松岭,姚凯
受保护的技术使用者：北京交通大学
技术研发日：
技术公布日：2025/2/24