一种基于相控阵超声的钢轨缺陷检测方法

1.本发明属于钢轨超声无损检测技术领域，具体涉及一种基于相控阵超声的钢轨缺陷检测方法。


背景技术：

2.轨道作为列车的载体，长期工作在复杂恶劣的条件下，容易在内部产生缺陷。如果将钢轨分为轨头、轨腰和轨底三部分来看，比较典型的缺陷有：轨头水平裂纹、轨头纵向裂纹、轨头横向渐进裂纹、轨腰轨底斜裂纹等。一旦发生失效或故障，将会造成不可估量的人员财产损失。
3.超声无损检测凭借其高安全性、高可靠性、强适应性以及特征参量丰富性等优势，成为了钢轨检测的重要方法。在早期，检测人员多采用常规超声探头，使用脉冲反射法的a型超声显示来进行钢轨探伤，但该方式不够直观，对检测人员的熟练度要求较高，易造成漏检、误检的情况，并且需要在轨道外侧利用繁杂的机械结构设置多个探头，才能使超声探伤区域较为完整地覆盖整个轨道截面。相控阵超声可以弥补这些缺点，可通过设定延时法则，让探头进行声束聚焦和偏转，可以做到一个探头检测多个角度上的缺陷，在扫查范围、声束可达性和灵敏度等方面都有明显优势。然而，利用相控阵超声探头沿不同方向发射波束的方法需按次序依次发射各波束，这导致成像的速率低下。如何在满足探伤结构精简和探伤高质量的前提下，提高钢轨扫查的速率，是目前亟需解决的关键问题。


技术实现要素：

4.为了解决背景技术中常规超声探头检测易造成漏检和误检以及传统相控阵扫查方法成像速率低下的问题，本发明提供了一种基于相控阵超声的钢轨缺陷检测方法，通过相控阵探头同时激发的多个聚焦波束对钢轨内几个关键区域的伤损进行检测，能够实现高精度且高效率的钢轨无损检测。
5.本发明采用如下技术方案：
6.本发明提供了一种基于相控阵超声的钢轨缺陷检测方法，其包括以下步骤：
7.步骤一，将用于检测的128阵元超声相控阵探头安装在六自由度机械臂的末端；将待测钢轨置于水箱中；
8.步骤二，调整机械臂位姿，使超声相控阵探头的阵元沿钢轨宽度方向排布，探头中心与轨面垂直高度为128mm，并且阵元的中垂线与钢轨表面成24.2
°
夹角；
9.步骤三，操纵机械臂，使探头移动至钢轨一端，在移动过程中，时刻观察探头与钢轨的相对位置，直到探头移动到初始检测位置为止；
10.步骤四，将相控阵超声探头的阵元分为五组，设置各组阵元组内阵元的发射与接收的延时法则，五组阵元组按各自内部阵元的延迟法则同时向五个方向发射聚焦波束，以检测样轨内不同区域的伤损；检测时确保钢轨与探头之间有水层作为耦合层；
11.步骤五，操纵机械臂，使机械臂末端带动探头沿钢轨长度方向匀速直线运动，边移
动边由探头进行钢轨缺陷检测，直至探头在垂直方向上超出钢轨另一端。
12.作为本发明的优选方案，所述超声探头发出的波形为纵波，进入钢轨后只存在横波。
13.作为本发明的优选方案，所述钢轨放置于可完全容纳钢轨的水箱中央，水箱上方开口，在检测前，需注水直至水面距离钢轨上表面140mm以上。
14.作为本发明的优选方案，将所述128阵元超声相控阵探头的阵元从左至右按顺序分别编号为1-128号，并分为五组，第一组包括1—50号阵元，第二组包括51—60号阵元，第三组包括61—68号阵元，第四组包括69—78号阵元，第五组包括79—128号阵元；
15.所述五组阵元所发射的超声波分别用于检测样轨内不同区域的伤损，第一组阵元扫查轨头右上侧偏角处的伤损，第二组阵元扫查钢轨右轨颚附近的伤损，第三组阵元扫查轨头中部位置的伤损，第四组阵元扫查钢轨左轨颚附近的伤损，第五组阵元扫查轨头左上侧偏角处的伤损。
16.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
17.(1)各组阵元均采用聚焦法则，将波束聚焦于缺陷附近，能够使各缺陷的回波信号最为强烈，以确保良好的检测准确性和检测信噪比，以此检测出传统钢轨检测手段所检测不到的细小缺陷。
18.(2)各组阵元同时发射波束并接收，确保探头与钢轨处于某一相对位姿时，仅需一次发射和接收便可实线整个截面的检测，以确保高检测速率，相比起一般的相控阵超声钢轨检测手段，效率提升了五倍。
19.(3)使用一个超声相控阵探头替代传统检测中的多个超声单探头，可将传统钢轨检测设备中十个单探头的探头架替换为两个相控阵探头的探头架，使整体探伤设备的体积更小，探头架等机械结构更为精简。
附图说明
20.图1为本发明的整体方案示意图；
21.图2为本发明的第一、第五组阵元波束传播路径示意图；
22.图3为本发明的第二、第四组阵元波束传播路径示意图；
23.图4本发明的第三组阵元波束传播路径示意图。
具体实施方式
24.下面结合附图和具体实施例对本发明实施的可行性和技术方案的具体细节作进一步说明。
25.本发明为一种钢轨缺陷检测方法，适用于钢轨样品出厂前的缺陷检测。在测试前需保证样轨与探头之间有水层作为耦合层，故首先将所述样轨放置于可完全容纳钢轨的水箱中央，水箱上方开口，在检测前，需注水直至水面距离样轨上表面140mm以上。
26.如图1、图2所示，须在进行测试前，保证相控阵超声探头与被测样轨处于一特定相对位姿，方法如下：
27.步骤一，将用于检测的128阵元超声相控阵探头安装在可沿被测钢轨长度方向匀速直线运动的机械臂的末端。
28.步骤二，调整机械臂位姿，使超声相控阵探头的128阵元沿钢轨宽度方向排布，探头中心与轨面垂直高度为128mm，并且阵元的中垂线与钢轨表面成24.2
°
夹角。
29.步骤三，操纵机械臂，使探头移动至样轨一端，在移动过程中，需时刻观察探头与样轨的相对位置，直到探头移动到初始检测位置，由于本发明的超声相控阵探头与钢轨表面呈倾斜安装，因此所述初始检测位置需要距离样轨前端面50mm以上为止，优选为距离样轨前端面50-100mm的位置。
30.进行完上述操作后，便可启动探头，配合机械臂末端的匀速直线运动开始进行扫查步骤，方法如下：
31.步骤四，将相控阵超声探头的阵元分为五组，设置各组阵元组内阵元的发射与接收的延时法则，五组阵元组按各自内部阵元的延迟法则同时向五个方向发射聚焦波束，以检测样轨内不同区域的伤损；检测时确保钢轨与探头之间有水层作为耦合层；
32.步骤五，操纵机械臂，使机械臂末端带动探头沿样轨长度方向匀速直线运动，直至探头在竖直方向上超出样轨另一端。在此期间，探头一直在执行发射及接收超声波的操作。
33.所述超声探头发出的波形为纵波，进入样轨后只存在横波。
34.将所述128阵元超声相控阵探头的阵元按顺序分别编号(从一端到另一端分别编号1-128号)并分为五组，第一组包括1—50号阵元，第二组包括51—60号阵元，第三组包括61—68号阵元，第四组包括69—78号阵元，第五组包括79—128号阵元。
35.所述五组阵元所发射的超声波分别用于检测样轨内不同区域的伤损，第一组阵元扫查轨头右上侧偏角处的伤损，第二组阵元扫查钢轨右轨颚附近的伤损，第三组阵元扫查轨头中部位置的伤损，第四组阵元扫查钢轨左轨颚附近的伤损，第五组阵元扫查轨头左上侧偏角处的伤损。
36.如图2所示，第一组阵元所发射波束的传播路径为：
37.确定第一组阵元的波束发射点为其中点a，根据预设的轨头右上侧偏角伤损检测位置h、水中纵波和钢轨中横波的传播速度、折射定律、反射定律，解出波束在钢轨上表面的折射点c和在右轨颚的反射点f；连接所述发射点a和入射点c得到波束在水中的传播路径ac；根据折射定律，波束在所述钢轨中由入射点c传播至轨颚反射点f；根据反射定律，波束再由反射点f传播至轨头右上侧偏角伤损检测位置h；最终波束由h原路返回至发射点a。
38.上述路径规划中，首先根据《铁总运[2017]31号》中gts-60sg试块所定义的φ3
×
15右轨头侧钻孔伤损，确定第一组阵元的最终聚焦点为该伤损表面一点h。将第一组阵元的中心定为a点。根据费马原理可知，超声波在介质中从一点传播到另一点时，总是沿所需时间最短的路径传播，水中纵波和钢轨中横波的传播速度均已知，分别为1497m/s和3200m/s，因此可解出波束在钢轨上表面的折射点c和在右轨颚的反射点f，从而得到超声波束的传播路径为a-c-f-h。测量ac与超声探头平面的夹角即为发射偏转角，根据此角度以及波束最终聚焦在h点的特性，计算出第一组各个阵元发射的延时量即第一组阵元发射的延时法则。在此情况下，1号阵元最先发射而50号阵元最后发射。
[0039]
如图3所示，第二组阵元所发射波束的传播路径为：
[0040]
确定第二组阵元的波束发射点为其中点i，根据预设的钢轨右轨颚伤损检测位置n、水中纵波和钢轨中横波的传播速度、折射定律，解出波束在钢轨上表面的入射点为l；连接所述发射点i和入射点l得到波束在水中的传播路径il，波束在所述钢轨中由入射点l传
播至钢轨右轨颚伤损检测位置n；最终波束由n原路返回至发射点i。
[0041]
上述路径规划中，首先根据《铁总运[2017]31号》中gts-60sg试块所定义的r4右轨颚半圆形刻槽伤损，确定第二组阵元的最终聚焦点为该伤损上一点n，将第二组阵元的中心定为i点。根据费马原理可知，超声波在介质中从一点传播到另一点时，总是沿所需时间最短的路径传播，水中纵波和钢轨中横波的传播速度均已知，分别为1497m/s和3200m/s，因此可解出波束在钢轨上表面的折射点l，从而得到超声波束的传播路径为i-l-n。测量il与超声探头平面的夹角即为发射偏转角，根据此角度以及波束最终聚焦在n点的特性，计算出第二组各个阵元发射的延时量即第二组阵元发射的延时法则。在此情况下，51号阵元最先发射而60号阵元最后发射。
[0042]
如图4所示，第三组阵元所发射波束的传播路径为：
[0043]
确定第三组阵元的波束发射点为其中点o，根据预设的轨头中心缺陷检测位置q、水中纵波和钢轨中横波的传播速度、折射定律，解出波束在钢轨上表面的入射点为p；连接所述发射点o和入射点p得到波束在水中的传播路径op；根据折射定律，波束在所述钢轨中由入射点p传播至轨头中心缺陷检测位置q；最终波束由q原路返回至发射点o。
[0044]
上述路径规划中，首先根据《铁总运[2017]31号》中gts-60sg试块所定义的φ4轨头中心平底孔伤损，确定第三组阵元的最终聚焦点为该伤损端面上一点q。将第三组阵元的中心定为o点。根据费马原理可知，超声波在介质中从一点传播到另一点时，总是沿所需时间最短的路径传播，水中纵波和钢轨中横波的传播速度均已知，分别为1497m/s和3200m/s，因此可解出波束在钢轨上表面的折射点p，从而得到超声波束的传播路径为o-p-q。测量op与超声探头平面的夹角即为发射偏转角，根据此角度以及波束最终聚焦在q点的特性，计算出第三组各个阵元发射的延时量即第三组阵元发射的延时法则。在此情况下61号阵元与68号阵元最先发射而64号阵元与65号阵元最后发射。
[0045]
如图3所示，第四组阵元所发射波束的传播路径为：
[0046]
确定第四组阵元的波束发射点为其中点j，根据预设的左轨颚缺陷检测位置m、水中纵波和钢轨中横波的传播速度、折射定律，解出波束在选取所述钢轨上表面的入射点为k；连接所述发射点j和入射点k得到波束在水中的传播路径jk；根据折射定律，波束在所述钢轨中由入射点k传播至左轨颚缺陷检测位置m；最终波束由m原路返回至发射点j。
[0047]
上述路径规划中，首先根据《铁总运[2017]31号》中gts-60sg试块所定义的r4左轨颚半圆形刻槽伤损，确定第四组阵元的最终聚焦点为该伤损上一点m，将第四组阵元的中心定为j点。根据费马原理可知，超声波在介质中从一点传播到另一点时，总是沿所需时间最短的路径传播，水中纵波和钢轨中横波的传播速度均已知，分别为1497m/s和3200m/s，因此可解出波束在钢轨上表面的折射点k，从而得到超声波束的传播路径为j-k-m。测量jk与超声探头平面的夹角即为发射偏转角，根据此角度以及波束最终聚焦在m点的特性，计算出第四组各个阵元发射的延时量即第四组阵元发射的延时法则。在此情况下，78号阵元最先发射而69号阵元最后发射。
[0048]
如图2所示，第五组阵元所发射波束的传播路径为：
[0049]
确定第五组阵元的波束发射点为其中点b，根据预设的轨头左上侧偏角处缺陷检测位置g、水中纵波和钢轨中横波的传播速度、折射定律、反射定律，解出波束在选取所述钢轨上表面的入射点为d、轨颚反射点e；连接所述发射点b和入射点d得到波束在水中的传播
路径bd；根据折射定律，波束在所述钢轨中由入射点d传播至轨颚反射点e；根据反射定律，波束再由反射点e传播至轨头左上侧偏角处缺陷检测位置g；最终波束由g原路返回至发射点b。
[0050]
上述路径规划中，首先根据《铁总运[2017]31号》中gts-60sg试块所定义的φ3
×
15左轨头侧钻孔伤损，确定第五组阵元的最终聚焦点为该伤损表面一点g。将第五组阵元的中心定为b点。根据费马原理可知，超声波在介质中从一点传播到另一点时，总是沿所需时间最短的路径传播，水中纵波和钢轨中横波的传播速度均已知，分别为1497m/s和3200m/s，因此可解出波束在钢轨上表面的折射点d和在左轨颚的反射点e，从而得到超声波束的传播路径为b-d-e-g。测量bd与超声探头平面的夹角即为发射偏转角，根据此角度以及波束最终聚焦在g点的特性，计算出第五组各个阵元发射的延时量即第五组阵元发射的延时法则。在此情况下，128号阵元最先发射而79号阵元最后发射。
[0051]
五组阵元同时发射并接收，以此提高扫查速率。
[0052]
本发明用超声相控阵探头产生超声波束，使之入射至钢轨内部，通过回波信息来检测钢轨中的缺陷。其中被测钢轨针对43kg/m～75kg/m型钢轨，执行tb/t2340-2012《钢轨超声波探伤仪》标准规范。
[0053]
由于超声波传播的路程与时间成正比，因此系统根据超声波回波在钢轨中的传播时间来确定缺陷的位置。此处需要注意，由于探头接受到的回波在缺陷与换能器之间传播了一个来回，由传播时间计算得到的传播路程是缺陷与换能器之间距离的两倍，需取该计算结果的一半来得到实际的缺陷距离。
[0054]
监视闸门用于监测伤损回波，此闸门为“进波报警”，即伤损信号超过设定的阈值之后，发出报警动作，若回波低于设置的阈值或不在闸门内，则不报警。五组阵元的闸门范围设定表如下：
[0055][0056]
根据tjgw157-2017双轨式钢轨超声波探伤仪暂行技术条例7.3.5测量方法，在检测中，超声脉冲发射距离间隔不大于3mm，而相控阵超声探头相邻两次发射脉冲的间隔约为500μs，可得到传统相控阵扫查方法的最高扫查速率为1.2m/s，而本发明的扫查速率最高为6m/s。因此本发明可以大幅提升相控阵超声检测钢轨的效率。
[0057]
上述实施例用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种基于相控阵超声的钢轨缺陷检测方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一，将用于检测的128阵元超声相控阵探头安装在六自由度机械臂的末端；将待测钢轨置于水箱中；步骤二，调整机械臂位姿，使超声相控阵探头的阵元沿钢轨宽度方向排布，探头中心与轨面垂直高度为128mm，并且阵元的中垂线与钢轨表面成24.2
°
夹角；步骤三，操纵机械臂，使探头移动至钢轨一端，在移动过程中，时刻观察探头与钢轨的相对位置，直到探头移动到初始检测位置为止；步骤四，将相控阵超声探头的阵元分为五组，设置各组阵元组内阵元的发射与接收的延时法则，五组阵元组按各自内部阵元的延迟法则同时向五个方向发射聚焦波束，以检测样轨内不同区域的伤损；检测时确保钢轨与探头之间有水层作为耦合层；步骤五，操纵机械臂，使机械臂末端带动探头沿钢轨长度方向匀速直线运动，边移动边由探头进行钢轨缺陷检测，直至探头在垂直方向上超出钢轨另一端。2.根据权利要求1所述的一种基于相控阵超声的钢轨缺陷检测方法，其特征在于：所述超声探头发出的波形为纵波，进入钢轨后只存在横波。3.根据权利要求1所述的一种基于相控阵超声的钢轨缺陷检测方法，其特征在于：所述钢轨放置于可完全容纳钢轨的水箱中央，水箱上方开口，在检测前，需注水直至水面距离钢轨上表面140mm以上。4.根据权利要求1所述的一种基于相控阵超声的钢轨缺陷检测方法，其特征在于：将所述128阵元超声相控阵探头的阵元从左至右按顺序分别编号为1-128号，并分为五组，第一组包括1—50号阵元，第二组包括51—60号阵元，第三组包括61—68号阵元，第四组包括69—78号阵元，第五组包括79—128号阵元；所述五组阵元所发射的超声波分别用于检测样轨内不同区域的伤损，第一组阵元扫查轨头右上侧偏角处的伤损，第二组阵元扫查钢轨右轨颚附近的伤损，第三组阵元扫查轨头中部位置的伤损，第四组阵元扫查钢轨左轨颚附近的伤损，第五组阵元扫查轨头左上侧偏角处的伤损。5.根据权利要求4所述的一种基于相控阵超声的钢轨缺陷检测方法，其特征在于，第一组阵元所发射波束的传播路径为：确定第一组阵元的波束发射点为其中点a，根据预设的轨头右上侧偏角伤损检测位置h、水中纵波和钢轨中横波的传播速度、折射定律、反射定律，解出波束在钢轨上表面的折射点c和在右轨颚的反射点f；连接所述发射点a和入射点c得到波束在水中的传播路径ac；根据折射定律，波束在所述钢轨中由入射点c传播至轨颚反射点f；根据反射定律，波束再由反射点f传播至轨头右上侧偏角伤损检测位置h；最终波束由h原路返回至发射点a；第一组阵元的延迟法则为：测量ac与超声探头平面的夹角即为发射偏转角，根据此角度以及波束最终聚焦在h点的特性，计算出第一组各个阵元发射的延时量即第一组阵元发射的延时法则；其中，1号阵元最先发射而50号阵元最后发射。6.根据权利要求4所述的一种基于相控阵超声的钢轨缺陷检测方法，其特征在于，第二组阵元所发射波束的传播路径为：确定第二组阵元的波束发射点为其中点i，根据预设的钢轨右轨颚伤损检测位置n、水中纵波和钢轨中横波的传播速度、折射定律，解出波束在钢轨上表面的入射点为l；连接所
述发射点i和入射点l得到波束在水中的传播路径il，波束在所述钢轨中由入射点l传播至钢轨右轨颚伤损检测位置n；最终波束由n原路返回至发射点i；第二组阵元的延迟法则为：测量il与超声探头平面的夹角即为发射偏转角，根据此角度以及波束最终聚焦在n点的特性，计算出第二组各个阵元发射的延时量即第二组阵元发射的延时法则；其中，51号阵元最先发射而60号阵元最后发射。7.根据权利要求4所述的一种基于相控阵超声的钢轨缺陷检测方法，其特征在于，第三组阵元所发射波束的传播路径为：确定第三组阵元的波束发射点为其中点o，根据预设的轨头中心缺陷检测位置q、水中纵波和钢轨中横波的传播速度、折射定律，解出波束在钢轨上表面的入射点为p；连接所述发射点o和入射点p得到波束在水中的传播路径op；根据折射定律，波束在所述钢轨中由入射点p传播至轨头中心缺陷检测位置q；最终波束由q原路返回至发射点o；第三组阵元的延迟法则为：测量op与超声探头平面的夹角即为发射偏转角，根据此角度以及波束最终聚焦在q点的特性，计算出第三组各个阵元发射的延时量即第三组阵元发射的延时法则，其中，61号阵元与68号阵元最先发射而64号阵元与65号阵元最后发射。8.根据权利要求4所述的一种基于相控阵超声的钢轨缺陷检测方法，其特征在于，第四组阵元所发射波束的传播路径为：确定第四组阵元的波束发射点为其中点j，根据预设的左轨颚缺陷检测位置m、水中纵波和钢轨中横波的传播速度、折射定律，解出波束在选取所述钢轨上表面的入射点为k；连接所述发射点j和入射点k得到波束在水中的传播路径jk；根据折射定律，波束在所述钢轨中由入射点k传播至左轨颚缺陷检测位置m；最终波束由m原路返回至发射点j；第四组阵元的延迟法则为：测量jk与超声探头平面的夹角即为发射偏转角，根据此角度以及波束最终聚焦在m点的特性，计算出第四组各个阵元发射的延时量即第四组阵元发射的延时法则，其中，78号阵元最先发射而69号阵元最后发射。9.根据权利要求4所述的一种基于相控阵超声的钢轨缺陷检测方法，其特征在于，第五组阵元所发射波束的传播路径为：确定第五组阵元的波束发射点为其中点b，根据预设的轨头左上侧偏角处缺陷检测位置g、水中纵波和钢轨中横波的传播速度、折射定律、反射定律，解出波束在选取所述钢轨上表面的入射点为d、轨颚反射点e；连接所述发射点b和入射点d得到波束在水中的传播路径bd；根据折射定律，波束在所述钢轨中由入射点d传播至轨颚反射点e；根据反射定律，波束再由反射点e传播至轨头左上侧偏角处缺陷检测位置g；最终波束由g原路返回至发射点b；第五组阵元的延迟法则为：测量bd与超声探头平面的夹角即为发射偏转角，根据此角度以及波束最终聚焦在g点的特性，计算出第五组各个阵元发射的延时量即第五组阵元发射的延时法则，其中，128号阵元最先发射而79号阵元最后发射。

技术总结
本发明公开了一种基于相控阵超声的钢轨缺陷检测方法，该方法包括：用于检测钢轨的探头为一个128阵元的相控阵超声探头，安装在可沿钢轨纵向运动的机械臂上，将相控阵超声探头的阵元分为五组，第一组包括1—50号阵元，用于扫查轨头右上侧偏角处的伤损，第二组包括51—60号阵元，用于扫查钢轨右轨颚附近的伤损，第三组包括61—68号阵元，用于扫查轨头中部、轨腰及轨底中部位置的伤损，第四组包括69—78号阵元，用于扫查钢轨左轨颚附近的伤损，第五组包括79—128号阵元，用于扫查轨头左上侧偏角处的伤损，轨内波形为横波。本发明通过相控阵探头同时激发的多个波束对钢轨内几个关键区域的伤损进行检测，能够实现高精度且高效率的钢轨无损检测。钢轨无损检测。钢轨无损检测。


技术研发人员：翁晨昕 金浩然 武二永 杨克己
受保护的技术使用者：浙江大学
技术研发日：2023.04.20
技术公布日：2023/7/25