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基本信息
- 項目名稱：
- 應(yīng)用于鋼軌檢測的便攜式渦流探傷儀的研制
- 小類：
- 機械與控制
- 大類：
- 科技發(fā)明制作B類
- 簡介：
- 鋼軌損傷是影響鐵路運行安全的重要因素。本作品針對現(xiàn)有的傳統(tǒng)檢測方法，如榔頭敲擊并結(jié)合經(jīng)驗判斷等精度有限、效率低、往往漏檢的問題，基于渦流檢測原理，設(shè)計制作了一種巡道工人使用的日常檢測探傷儀器，具有實用性強、靈敏便攜、價格低廉等優(yōu)點，可在鐵路系統(tǒng)中推廣應(yīng)用。
- 詳細(xì)介紹：
- 高速發(fā)展的鐵路對鋼軌的安全性提出了更高的要求，對鋼軌損傷（主要包括疲勞裂紋和焊縫損傷）的迅速、準(zhǔn)確和全面的檢測至關(guān)重要。目前我國對鋼軌損傷的檢測還主要依靠巡道工人的日常檢測，一般方法為榔頭敲擊并結(jié)合個人經(jīng)驗判斷，不僅精度有限而且效率低，亟待解決。本作品是專為巡道工人設(shè)計的，檢測有效、便攜、價格低，并期望成為一種常用檢測工具。 本作品基于渦流感應(yīng)原理設(shè)計制作，鋼軌表面在交變磁場作用下產(chǎn)生渦流，渦流產(chǎn)生反磁場。沒有裂紋時，其分布和大小不變；有裂紋時，產(chǎn)生變化，檢測線圈感應(yīng)反磁場的變化，并轉(zhuǎn)化為電信號顯示出來，以反映缺陷情況，當(dāng)裂縫寬度超過安全限值時蜂鳴器報警。 儀器主要由傳感器、功能電路、電源部分及手持設(shè)備等四部分組成。 傳感器是整個儀器的關(guān)鍵，包括激勵線圈設(shè)計和檢測線圈設(shè)計兩部分。1.將激勵線圈工作時的情況等效為耦合電路，根據(jù)克希荷夫定律確定影響激勵線圈阻抗Z的因素，包括工作頻率、激勵線圈的匝數(shù)、激勵線圈的直徑、激勵線圈與檢測線圈的距離等四個；2.通過理論推導(dǎo)將工作頻率定為64kHz；3.采用正交試驗設(shè)計法，結(jié)合示波器示值幅度對各個試驗綜合評分確定其余三個參數(shù)的組合；4.通過經(jīng)驗公式和實際使用效果綜合確定影響檢測線圈電感量L的因素，包括檢測線圈直徑、匝數(shù)。 系統(tǒng)功能電路設(shè)計分為：1.正弦信號的產(chǎn)生部分，采用ICL8038信號發(fā)生器、AD811集成運算放大器；2.檢測信號處理部分，信號采用AD620儀表放大器放大。 電源部分和手持設(shè)備：采用可充電電池組（24×1.2V×2000mA），一次充電可使用4個小時，能滿足巡道工人半個工作日的需要。使用長80cm的手扶式可折疊桿，減少巡道工勞動強度，不用時可折疊放入背包，攜帶非常方便。 本作品經(jīng)過實際測用，工作性能穩(wěn)定，可推廣使用。
作品圖片
作品專業(yè)信息
設(shè)計、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)
- 高速發(fā)展的鐵路對鋼軌的安全性提出了更高的要求，對鋼軌損傷的迅速、準(zhǔn)確和全面的檢測至關(guān)重要。目前我國對鋼軌損傷的檢測還主要依賴巡道工人的日常檢測，一般方法為榔頭敲擊結(jié)合個人經(jīng)驗判斷，不僅精度有限而且效率低，亟待解決。本作品是專為巡道工人而特殊設(shè)計的，檢測有效、便攜、價格低，并期望成為一種常用工具。 基于渦流檢測原理，鋼軌表面在交變磁場作用下產(chǎn)生渦流，渦流生成反磁場。無裂紋時，反磁場分布和大小不變；有裂紋時，發(fā)生變化，檢測線圈感應(yīng)反磁場的變化，并轉(zhuǎn)化為電信號輸出，以反映缺陷情況，當(dāng)裂縫寬度超過安全限值時報警。 創(chuàng)新點： 1、儀器結(jié)構(gòu)緊湊、整體性高，重量小。長80cm的手扶式可折疊桿，減少巡道工勞動強度，不用時可折疊放入背包。 2、功能性外觀設(shè)計。傳感器外形為凹槽狀，與鋼軌嵌套，并配置固定輪，保持傳感器到鋼軌距離的恒定，檢測迅速、準(zhǔn)確、全面。 3、傳感器研制。影響傳感器靈敏度的參數(shù)較多，應(yīng)用正交試驗法快速準(zhǔn)確地獲得參數(shù)的最佳組合。 4、采用集成電路完成功能電路，提高了整體系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性，同時降低了功耗，保障了系統(tǒng)的長時間穩(wěn)定運行。 在要求條件下可檢測到最小寬度為0.2mm、最大深度為3mm的裂縫；檢測所需的一般速度為0.8m/s，約為成人正常行走速度；探傷儀由可充電電池組（24×1.2V×2000mA）供電，一次充電可使用4個小時，能滿足巡道工人半個工作日的需要；重量4kg；折疊后外型尺寸<230×75×120mm；儀器工作頻率為64kHz。
科學(xué)性、先進(jìn)性
- 鋼軌損傷的設(shè)備多是根據(jù)超聲、射線和渦流法等原理設(shè)計的。超聲儀體積大、操作工序復(fù)雜，對操作人員素質(zhì)要求高；射線對檢測員身體可能造成傷害。研究認(rèn)為，這兩種方法并不適用于我國鐵路的日常檢測。 渦流法檢測靈敏度較高，不受鋼軌表面潮濕和油污的影響，設(shè)計電路簡單，能使儀器結(jié)構(gòu)緊湊輕便，符合本作品的發(fā)明目的。而目前國內(nèi)常見儀器配備復(fù)雜的顯示設(shè)備，增加了成本，無法推廣使用。 經(jīng)過實測，本作品可檢測到最小寬度為0.2mm的表面裂縫，靈敏度已能達(dá)到常用儀器的水平；超聲儀的重量大約為60kg，而本作品為4kg，重量減輕了90%左右，攜帶方便；目前榔頭敲擊等手動檢測方法經(jīng)常彎腰，設(shè)計了80cm長的塑料材質(zhì)可折疊手扶桿，減小了巡道工人的工作強度，不使用時可折疊放入工具包內(nèi)。 主要參考資料： [1]林俊明．電磁（渦流）檢測技術(shù)在中國[J]．無損檢測．2008，30(5)：261—266 [2]朱蘊璞、孔德仁、王芳．傳感器原理及應(yīng)用[M]．北京：國防工業(yè)出版社．2005
獲獎情況及鑒定結(jié)果
- 在第七屆西安高新“挑戰(zhàn)杯”陜西省大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競賽中榮獲一等獎
作品所處階段
- 中期試驗，即在實際鋼軌檢測現(xiàn)場對儀器穩(wěn)定性做進(jìn)一步調(diào)試，同時增強實用性。
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 與鐵路部門進(jìn)行詳細(xì)的產(chǎn)品可行性研究，與專門公司合作生產(chǎn)開發(fā)產(chǎn)品。
作品可展示的形式
- 現(xiàn)場演示，實物、產(chǎn)品
使用說明,技術(shù)特點和優(yōu)勢,適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說明,市場分析,經(jīng)濟效益預(yù)測
- 日常巡檢中，巡道工人可將本作品折疊放入工具包，到達(dá)指定地點，取出儀器，手持扶桿以正常步幅行走，使傳感器在鋼軌上滑行，在重要路段或損傷易發(fā)區(qū)段可稍放慢速度。如果檢測到超出安全標(biāo)準(zhǔn)的裂縫則顯示器顯示一定讀數(shù)，同時蜂鳴器報警，巡道工人及時采取行動以防發(fā)生事故。可見，本作品對檢測人員的技術(shù)水平要求不高，易于操作。 檢測時無須對鋼軌表面除污、去銹，可直接穿透表面的油漆等防腐層進(jìn)行探測；特殊外觀設(shè)計，長80cm的可折疊手扶支桿，減少了巡道工人的彎腰次數(shù)，從而減小了勞動強度；結(jié)構(gòu)緊湊，便于攜帶；操作簡便，一般人員簡單學(xué)習(xí)即可使用；成本低，便于推廣。 因具有以上優(yōu)勢，本作品預(yù)測能滿足目前國內(nèi)鋼軌日常檢測的需要，可取代常規(guī)的、效率低的檢測方法，在巡道工人中推廣使用。 一臺超聲檢測儀的價格約50,000元，本作品成本僅為3,000元，年平均維修費約為100元；平均7公里配備一臺本儀器，全國8萬公里長的鋼軌共需12,000臺，總投資約36,000,000元，年維修費約1,200,000元。
同類課題研究水平概述
- 在國外，鐵路多采用無縫鋼軌，定期檢測占主要地位。巡道班組數(shù)人共同工作，一次檢測維修的鋼軌里程長達(dá)數(shù)百公里，適合采用速度較快的大型超聲波儀器進(jìn)行檢測。這種探傷車的工作方式多為停頓式，即探傷時線路是封閉的，發(fā)現(xiàn)傷損馬上停下來手工復(fù)查，一旦確認(rèn)立即換軌，這種方式我國目前還很難做到，因此，國外對在役鋼軌檢測的研究多專注于大型超聲波探傷車。目前這種探傷車體積大、重量大，檢測速度最高可達(dá)80km/h，但需要多人合作，且價格十分昂貴，小型探傷設(shè)備一般只用來復(fù)查大型探傷車的檢驗結(jié)果。 在國內(nèi)，在役鋼軌多為上世紀(jì)80年代的焊接有縫鋼軌，使用年限長，磨損腐蝕比較嚴(yán)重，檢測要求比國外更加嚴(yán)格。同時我國鐵路運輸繁忙，車流密度大，探傷作業(yè)沒有固定時間，大型設(shè)備難以使用，這點與國外大不相同，因此我國當(dāng)前主要依靠巡道工人的日常檢測。 我國巡道工人每天需要負(fù)責(zé)6萬多公里正線線路和100多萬個焊縫接頭的探傷任務(wù)，平均每人負(fù)責(zé)檢測的鋼軌長度為7公里，與國外相比檢測速度無需太快，但檢測次數(shù)與精度的要求比國外更高。目前，巡道工人大多是彎腰目測、榔頭敲擊鐵軌同時結(jié)合個人經(jīng)驗來進(jìn)行檢測判斷，這一方面加重了勞動強度，另一方面又存在漏檢、誤判的可能，增加了安全風(fēng)險。雖然我國也引進(jìn)過數(shù)臺超聲探傷車，但從實際使用效果來看，不適合國內(nèi)鋼軌的日常檢測。 國內(nèi)目前有些科研機構(gòu)已經(jīng)開始關(guān)注日常檢測儀器的研制，但不是針對巡道工人使用，而是把很大精力放在顯示設(shè)備等方面，有些功能真正的使用價值往往不高，同時巡道工人日常檢測使用的儀器根本無需這些功能，這不僅破壞了儀器的系統(tǒng)性，而且增加了生產(chǎn)成本，無法推廣使用。 當(dāng)前，國內(nèi)還沒有一種巡道工人使用的精確、方便又經(jīng)濟的設(shè)備。渦流檢測法對有縫鋼軌的檢測靈敏度高，不受鋼軌表面潮濕和油污的影響，且設(shè)計電路簡單，能使儀器整體結(jié)構(gòu)緊湊輕便，以渦流技術(shù)研制這樣的一種設(shè)備是可行的。 綜上所述，發(fā)明一種巡道工人使用的鋼軌日常檢測探傷儀器是十分必要和迫切的。
