1超声探头的设计制作和超声探伤仪的选用
　　2超声探伤仪有11个通道同时工作，因此安装在位的探头共11个。除了8号探头为普通斜探头之外，其余十只探头都是我们自行研制的双晶直探头。用双晶直探头代替普通的直探头的原因是双晶探头的盲区小，这样就扩大了检测范围，特别是轨腰部分，厚度都在20 mm以下，减小盲区十分重要。是用于轨腰探伤的6号和7号探头的探测距离―回波幅度特性曲线，从曲线可以看出，这种探头在探测距离4 mm～20 mm的范围内，回波幅度变化不大于4 dB，盲区小于2 mm.

　　双晶直探头的距离―回波幅度曲线上有一个最高点，与最高点相对应的探测距离叫做焦距，它是发和收两个晶片声束轴线的交点的深度。焦距的计算公式不难推导，也能从文献上查到。

　　除了盲区小之外，双晶探头的距离―回波幅度特性曲线与晶片倾斜角度、晶片间距、晶片大小、有机玻璃楔块高度有关，适当地选择上面的参数能得到比较符合理想的距离―回波幅度特性，即在我们需要的探测范围内，灵敏度高，灵敏度的变化小。还可以将两个探头组合起来，得到在较大探测范围内，探伤灵敏度变化不大的效果。例如，用于轨头踏面的5号探头，最大探测距离200 mm，用两个双晶探头的组合来完成5号探头的功能，两个双晶探头的焦距分别是30 mm和90 mm，前者用于5 mm～70 mm的探测距离，后者用于60 mm～200 mm，可以做到在10 mm～200 mm的范围内，回波幅度变化不大于6 dB.

　　探头和供水系统组合在一起如所示，探头前后两端设有储水槽、溢水狭缝和入水孔，组合体的中央部分是探头和电缆插座，前后两端下部溢水狭缝外侧是耐磨损的高锰钢保护块。

　　3机械扫查和电控系统

　　机械系统包括输送辊道与探头架两部分。辊子旋转驱动钢轨向前移动，为了防止钢轨左右偏移，钢轨两侧设有成对的定位轮。为了防止钢轨向上跳动，轨顶踏面上还设有压下轮。在两辊之间设有平台，平台上安装探头架和电控系统的接近开关和编码器。

　　对于钢轨自动探伤的探头架，我们设计了双四连杆机构。第一个四连杆（大四连杆）设有驱动装置，并用弹簧拉紧，在不受驱动作用时为平行四边形。四连杆的驱动装置为一个气缸，当气缸被充气活塞杆向外伸出时，四连杆的转动杆分别绕两根互相平行的轴转动，于是四连杆由平行四边形变为矩形，此时探头被送到了工作位置。大四连杆的两根轴都在钢轨横截面内并与钢轨的高度和宽度方向成45°所示。

　　大四连杆之前还有一个小四连杆，小四连杆的端面上安装探头。小四连杆的两根轴与大四连杆的两根轴互相垂直，小四连杆两轴构成的平面与大四连杆两轴构成的平面平行。小四连杆用两根弹簧拉紧，在弹簧拉力的作用下，四连杆不受外力时为矩形，受到外力作用之后，转动杆围绕两根轴转动，变成平行四边形。当大四连杆在活塞杆的推动下转动到极限位置时，探头由预备位置到达工作位置，在小四连杆的拉紧弹簧的作用下，探头贴紧在钢轨表面上。探头与钢轨表面之间要保持适当的压力，压力太小探头不能保持跟踪钢轨表面，压力太大探头磨损太快。为此要正确的选择探头架的位置，除此之外还要调节弹簧的拉力。一根钢轨检验完毕，驱动大四连杆的气缸被放气，在大四连杆的弹簧的作用下，大四连杆恢复原形（平行四边形） ，探头回到预备位置。总之，大四连杆用于移动探头在预备和工作位置之间往返，小四连杆用于保持探头到达工作位置之后，探头与钢轨表面之间有适当的压力。

　　四连杆机构有三个优点：第一是四连杆在转动过程中，始终保持其端面与不受驱动时的端面平行，容易保持探头表面与钢轨表面平行。第二是能在X、Y、Z三个方向上移动，参看。

　　X、Y、Z分别是钢轨的宽度、高度和长度方向，因此调整探头位置的调整能力强。虽然X、Y、Z三个方向上的移动不是独立的，而是互相关联的，但探头在Z方向上的移动对探伤没有影响，在Y方向的移动量不大时，对探伤也没有影响。第三，如果探头架前端受到Z方向的作用力时，小四连杆端头向Z方向移动，与此同时也在X和Y方向上向后移动离开钢轨。除此之外，当驱动大四连杆的活塞杆伸出并到达极限位置时，大四联杆转过的角度略大一点，使得大四联杆略呈平行四边形而不是准确的矩形，这也有助于提高探头架的抗撞击能力。因此，一旦控制系统发生故障，探头架受到正在运动的钢轨的撞击，其结果只是探头架被撞离开，而不会受到损伤。

　　所有的探头架分为六组，每组探头架由一套独立的电控系统来控制，各套电控系统完全相同，并且共用一个可编程控制器。一套电控系统有两个接近开关K 1和K 2，两个编码器C 1和C 2，两个电磁阀V气和V水，除此之外还有一个标记喷涂器M.V气和V水分别用于接通和切断通向探头架气缸的压缩空气以及通向探头的耦合水。上述元件的分布所示。控制系统的作用有两项：第一是钢轨到达检验位置时，使探头从预备位置移动到工作位置，并施加耦合水。

　　钢轨检测完毕之后，使探头由工作位置回到预备位置并切断耦合水。第二是探伤仪发现缺陷并发出报警信号时，控制打标器在钢轨的有缺陷的位置上喷涂标记。

　　控制系统硬件组成包括：可编程控制器PLC，编码器动作光电开关S 1、S 2，探头动作接近开关K 1、K 2，喷标器K及各种电磁阀，操作台等。

　　PLC选用西门子公司S7 - 300系列，用STEP7软件进行编程，主要是完成编码器及检测元件的信号采集、整个系统的逻辑及联锁控制等。编码器的作用是检测钢轨的长度，并对缺陷在钢轨长度方向上进行定位，以控制喷标器在相应的位置上喷印缺陷标记。其动作过程如下：当光电开关S 1检测到钢轨到来信号时， PLC发出指令，编码器风阀C 1得电，编码器C 1落下并贴到钢轨上，开始进行长度测量，并把信号送给PLC.同时PLC发出指令，使探头水阀（V水）得电，耦合水打开，做好探伤准备。

　　当光电开关S 2检测到钢轨到来信号时， PLC发出指令，编码器风阀C 2得电，编码器C 2落下开始长度测量，并把信号送给PLC，同时编码器C 1抬起，停止检测。当光电开关S 2检测到钢轨离开信号时， PLC发出指令，探头水阀（V水）失电，结束本次探伤。

　　使用两个编码器的作用是：当钢轨尾部离开编码器C 1时，编码器C 2工作，可以使整个探伤过程中都有编码器进行检测。

　　当接近开关K 1检测到钢轨到来信号时， PLC发出指令，探头风阀（V气）得电，探头架落下，探头贴到钢轨上，开始进行探伤，并把信号送给PLC.当接近开关K 2检测到钢轨离开信号时， PLC发出指令，探头风阀（V气）失电，探头架升起，探头离开钢轨，结束探伤。

　　当探头检测到钢轨有缺陷时，给PLC发出一个信号，PLC从编码器数据中记录此时在钢轨长度方向上的位置。

　　当钢轨有缺陷处运行到喷标器时， PLC发出指令，喷标器电磁阀得电，在相应位置上喷印缺陷标记。

　　操作台上设置相应的选择开关、操作按钮、指示灯等，可进行相应的手动、自动操作。

　　4钢轨在线超声自动探伤系统的应用这套系统自2002年初开始投入在线运行，到2004年末，共检验了重轨137. 5万t，平均每年4518万t，没有发生过漏检和误判。在检验过的重轨当中，缺陷超标的钢轨共有3 823 t，产品合格率为99. 72%.是日常检验过程中发现的典型缺陷的一例，是缺陷的扫描电镜照片。

　　发现的缺陷绝大多数在轨头部分，通过解剖观察确定，这些缺陷是Mg、Si、Al、Ca等元素的氧化物构成的夹杂物。这些夹杂物都比较小，长不到4 mm，高1 mm以下。

　　这里还需要说明，探伤系统在运行时并非完全没有误报，实际上是有误报的。但是误报的原因不是探伤系统本身，而是钢轨表面不平。钢轨表面不平产生的干扰波和伤波波形不同，很容易区分，现场工人称之为“水杂波”。为了防止误判采取了两项措施：第一检测过程中注意观察荧光屏，识别“水杂波”，发现误报则判钢轨为合格品。由于通道数多，“水杂波”不可能百分之百地被观察出来，因此又采取了第二项措施。第二项措施是将判废的钢轨再次通过探头架，并降低钢轨运行速度，进行第二次检验，由此区分伤波与干扰波。与此同时还采用静态方法找到伤的准确位置，手工操作涂上标记。由于“水杂波”的原因，自动喷涂标记的装置尚未使用。“水杂波”是一个不利因素，但也有有利的一面，它能显示钢轨表面的疤痕，包括凹坑和凸起。