重載鐵路鋼軌探傷高速試驗(yàn)平臺(tái)超聲驗(yàn)證研究

彭曄

中國(guó)神華能源股份有限公司，北京 100011

新朔鐵路由大準(zhǔn)鐵路、準(zhǔn)池鐵路和新準(zhǔn)鐵路組成，運(yùn)營(yíng)總里程631 km，橫跨山西、內(nèi)蒙古兩省區(qū)，是國(guó)家能源集團(tuán)路網(wǎng)的重要組成部分，是中國(guó)煤炭系統(tǒng)最長(zhǎng)的企業(yè)自建自管專用線路。隨著運(yùn)量的持續(xù)高位運(yùn)行，新朔鐵路鋼軌傷損數(shù)量逐年增多而且傷損的種類日益復(fù)雜［1］。目前新朔鐵路鋼軌探傷主要通過(guò)鋼軌探傷儀完成，成本高，效率低，風(fēng)險(xiǎn)高，需開(kāi)發(fā)一種能實(shí)現(xiàn)不低于80 km/h探傷作業(yè)的新型鋼軌探傷車，通過(guò)編入鐵路運(yùn)行圖完成鋼軌檢測(cè)，與手推式鋼軌探傷儀相結(jié)合，滿足車流密度較大情況下貨運(yùn)鐵路鋼軌探傷需求（60~80 km/h）［2-4］。

世界上大型鋼軌探傷車主要使用探輪式、皮帶輪式和滑靴式檢測(cè)［5］。滑靴式探頭與軌面直接接觸，探頭容易在高速下發(fā)生撞擊，對(duì)線路和接頭平整度要求高。探輪式探頭包裹在探輪里，無(wú)效飛行時(shí)間長(zhǎng)達(dá)100μs［6-7］。皮帶輪式探頭結(jié)合滑靴式與軌面直接接觸優(yōu)勢(shì)，又吸收探輪式包裹保護(hù)探頭設(shè)計(jì)方式，6 mm采樣間距下鋼軌探傷車最高速度達(dá)到80 km/h以上。同等采樣間距下皮帶輪式最高速度約為探輪式的1.5倍，且探頭受皮帶保護(hù)不易損壞。因此，采用皮帶輪式提升探傷速度和效率是一種可行方案。

為驗(yàn)證高速下超聲探傷效果，需建立鋼軌探傷車試驗(yàn)線路，但存在兩個(gè)問(wèn)題：

1）新型鋼軌探傷車生產(chǎn)前需要驗(yàn)證超聲探傷系統(tǒng)在高速條件下的性能。

2）按照標(biāo)準(zhǔn)，緊急制動(dòng)距離不少于800 m，試驗(yàn)線長(zhǎng)度不少于2 km，目前無(wú)適宜的線路鋪設(shè)場(chǎng)地。利用高速試驗(yàn)平臺(tái)代替試驗(yàn)線路可以解決上述問(wèn)題［8］。

皮帶式鋼軌探傷車探傷過(guò)程中，鋼軌、皮帶和探頭相互作用關(guān)系為：鋼軌與皮帶之間為滾動(dòng)摩擦；探頭和皮帶之間為滑動(dòng)摩擦；鋼軌和探頭相對(duì)靜止。要模仿現(xiàn)實(shí)探傷運(yùn)動(dòng)中相互作用關(guān)系，可以對(duì)車輪進(jìn)行加工使其與60 kg/m（簡(jiǎn)稱60軌）鋼軌廓形相同，再在車輪上增設(shè)人工傷損。車輪做高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)代替鋼軌探傷車在線路上高速運(yùn)動(dòng)，探頭固定在高速試驗(yàn)平臺(tái)上，運(yùn)行時(shí)大輪滾動(dòng)帶動(dòng)皮帶轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)超聲探傷系統(tǒng)的高速驗(yàn)證。

本文以新朔鐵路鋼軌探傷現(xiàn)狀為基礎(chǔ)，探討高速鋼軌探傷車的必要性，對(duì)比國(guó)內(nèi)外各種探傷車超聲檢測(cè)方式的優(yōu)劣，選擇皮帶輪式作為高速探傷載體。為建立高速試驗(yàn)平臺(tái)驗(yàn)證高速下超聲探傷性能，介紹鋼軌常見(jiàn)傷損類型和超聲檢測(cè)方式，對(duì)60 kg/m鋼軌和高速試驗(yàn)平臺(tái)樣板輪傷損反射路徑檢測(cè)進(jìn)行理論和仿真分析，同時(shí)開(kāi)展靜態(tài)和動(dòng)態(tài)測(cè)試分析。

1 試驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)

高速試驗(yàn)平臺(tái)傳動(dòng)系統(tǒng)采用11 kW、380 V電機(jī)通過(guò)動(dòng)力傳動(dòng)皮帶帶動(dòng)樣板輪，可以實(shí)現(xiàn)5～80 km/h的線速度調(diào)節(jié)，最高線速度下樣板輪轉(zhuǎn)速達(dá)6 r/s。超聲探傷系統(tǒng)包括超聲主機(jī)、數(shù)據(jù)采集單元和角度探頭，通過(guò)在高速試驗(yàn)平臺(tái)上依次固定不同角度探頭，驗(yàn)證不同速度下角度探頭對(duì)人工傷損檢測(cè)情況，評(píng)估高速下超聲探傷性能。機(jī)械控制單元具備探頭對(duì)中調(diào)節(jié)功能［9］，最大調(diào)節(jié)量為±10 mm，還可通過(guò)探頭下壓力及姿態(tài)調(diào)整確保探頭與樣板輪充分接觸，耦合效果良好。樣板輪直徑1 200 mm，輪廓加工成60軌形狀，人工傷損設(shè)計(jì)要參考鋼軌探傷車不同角度探頭超聲覆蓋范圍及檢測(cè)特點(diǎn)，軌頭區(qū)域加工軌頭橫通孔、軌頭斜孔，軌腰區(qū)域加工軌腰水平裂紋、軌腰斜裂紋，軌底區(qū)域加工軌底月牙。

高速試驗(yàn)平臺(tái)使用車輪代替60軌。因與真實(shí)軌道存在差異，需要評(píng)估對(duì)超聲耦合效果的影響。根據(jù)探頭與鋼軌接觸面積30 mm（寬）×60 mm（長(zhǎng)）、車輪直徑1 200 mm評(píng)估車輪弧度引入的耦合誤差。經(jīng)計(jì)算，沿車輪旋轉(zhuǎn)方向最大耦合間隙為0.72 mm。超聲動(dòng)態(tài)探傷時(shí)探頭與轉(zhuǎn)輪之間有皮帶和水，實(shí)際測(cè)試時(shí)皮帶柔性及耦合水流動(dòng)性均會(huì)填充因車輪弧度導(dǎo)致的耦合間隙。

2 試驗(yàn)及分析

重載鐵路鋼軌傷損主要有：①由輪軌接觸疲勞、軌頭沖擊應(yīng)力、擦傷、軌頭近表面非金屬夾渣疲勞源形成軌頭核傷；②軌道結(jié)構(gòu)不合理、鉆孔不合理、接頭沖擊力大、接頭養(yǎng)護(hù)不良形成軌腰螺孔裂紋；③軌底銹蝕或劃痕、軌腰垂直縱向裂紋向下發(fā)展、軌底與墊板不密貼使軌底局部產(chǎn)生過(guò)大應(yīng)力、焊接工藝不良而形成軌底裂紋。

鋼軌探傷設(shè)備常用的超聲布局方式是使用直打70°一次波或偏斜70°二次波角度探頭檢測(cè)軌頭核傷，見(jiàn)圖1。使用37°或0°角度探頭檢測(cè)軌腰和軌底裂紋，所有角度探頭均采用前后雙向布局掃查［10］。

圖1 鋼軌探傷超聲檢測(cè)原理

2.1 理論計(jì)算

在高速試驗(yàn)平臺(tái)上驗(yàn)證80 km/h速度下直打70°、偏斜70°和37°時(shí)角度探頭的探傷性能，人工傷損類型包含軌頭核傷、軌腰裂紋和軌底裂紋，對(duì)比人工傷損在60軌和1 200 mm直徑樣板輪上的差異。

2.1.1 軌頭核傷一次波與二次波反射路徑

軌頭核傷超聲檢測(cè)如圖2所示，不考慮偏斜角度影響。60軌軌面到軌顎起始處高度h=36 mm，直打70°一次波聲程AC1為105 mm；偏斜70°聲束在軌顎C1處反射，沿鋼軌縱向的反射角θ2近似70°，聲程（AC1+C1P1）約210 mm。

圖2 軌頭核傷超聲檢測(cè)示意

把樣板輪外形輪廓加工成60軌形狀，此時(shí)偏斜70°聲束在軌顎C2處反射，受樣板輪弧度影響反射角θ3不再是70°，利用三角函數(shù)計(jì)算一次波對(duì)應(yīng)弧線AC2角度為18.6°，因此二次波沿鋼軌縱向的反射角θ3近似88.6°，反射角度過(guò)大橫波能量急劇變?nèi)酰瑫r(shí)超聲檢測(cè)聲程AP2達(dá)到384 mm，幾乎是60軌聲程的2倍。可知樣板輪軌頭區(qū)域不適合用于偏斜70°二次波高速探傷驗(yàn)證。

樣板輪軌頭區(qū)域70°一次波檢測(cè)聲程AC2為192 mm，反射聲束角度只與缺陷形態(tài)有關(guān)，不受弧度影響，只需要考慮超聲衰減。假設(shè)在軌頭AB高度1/2處點(diǎn)O作垂線與70°一次波相交，交點(diǎn)為M。在樣板輪M位置與60軌軌頭O位置加工相同的人工傷損，70°一次波檢測(cè)聲程也相同。把點(diǎn)M與樣板輪圓心連接并延長(zhǎng)到樣板輪軌面弧線相交于點(diǎn)N。MN就是樣板輪上人工傷損距軌面的深度，約16 mm。通過(guò)這種方式設(shè)計(jì)軌頭橫孔和斜孔，可實(shí)現(xiàn)直打70°和偏斜70°（一次波）在樣板輪上開(kāi)展高速探傷驗(yàn)證。

2.1.2 軌腰與軌底裂紋超聲反射路徑

軌腰及軌底裂紋超聲檢測(cè)如圖3所示。60軌高度H=176 mm，螺孔中心到軌面距離為97 mm。假設(shè)在螺孔中軸線位置加工37°裂紋E1，在軌底中間位置加工R5H4當(dāng)量軌底月牙F1。螺孔裂紋E1與37°聲束相互作用角度β1為90°，此時(shí)超聲全部反射，超聲檢測(cè)聲程A0E1為121 mm。軌底月牙F1采用端角反射檢測(cè)。根據(jù)超聲原理，當(dāng)角度α1為35°~55°時(shí)不會(huì)發(fā)生橫波分離。37°聲束檢測(cè)時(shí)端角為37°，此時(shí)端角反射率高，超聲檢測(cè)聲程A1F1為220 mm。

圖3 軌腰及軌底裂紋超聲檢測(cè)示意

樣板輪螺孔裂紋E2與37°聲束相互作用角度β2受樣板輪弧度影響，偏移弧線E1E2對(duì)應(yīng)角度為9°，因此螺孔裂紋E2與37°聲束相互作用角度β2增大為99°，此時(shí)超聲檢測(cè)聲程A0E1為129 mm。綜合以上分析，樣板輪螺孔37°裂紋需要增加9°校準(zhǔn)樣板輪弧度引入的偏離，而兩種試塊超聲聲程相近。

樣板輪軌底月牙F2與37°聲束相互作用角度α2同樣受樣板輪弧度影響，偏移弧線F1F2對(duì)應(yīng)角度為21°，37°聲束檢測(cè)時(shí)端角為58°，此時(shí)端角反射率較低，超聲檢測(cè)聲程AF2為257 mm。因?yàn)閳A弧上軌底月牙端角反射二次波復(fù)雜，不適宜校準(zhǔn)，需通過(guò)仿真對(duì)比分析。

2.2 試驗(yàn)仿真及分析

2.2.1 人工傷損設(shè)計(jì)

根據(jù)理論計(jì)算已知軌頭區(qū)域、軌腰區(qū)域、軌底區(qū)域需要的人工傷損類型和參數(shù)見(jiàn)表1。利用CIVA軟件建立1 200 mm樣板輪和60軌人工傷損檢測(cè)仿真模型，見(jiàn)圖4。分析各類型人工傷損在兩種試塊上檢測(cè)增益差和-6 dB采樣長(zhǎng)度，評(píng)估超聲在高速試驗(yàn)平臺(tái)中的驗(yàn)證方案。

表1 人工傷損類型和參數(shù)

圖4 樣板輪模型

2.2.2 軌頭核傷仿真

在距軌頭高度1/2處設(shè)置φ3 mm橫通孔和φ5 mm-17.5°斜孔（樣板輪在距軌面16 mm位置）。直打70°探頭放置在軌面中間位置與鋼軌縱向或周向平行，偏斜70°探頭與鋼軌縱向或周向夾角為18°，探頭中心頻率2.25 MHz，芯片尺寸15 mm（寬）×20 mm（長(zhǎng)）。仿真結(jié)果見(jiàn)圖5。可知，直打70°檢測(cè)樣板輪軌頭橫通孔相較于60軌低1.2 dB；偏斜70°檢測(cè)樣板輪軌頭橫通孔相較于60軌低2 dB。兩種試塊上軌頭核傷差異小于3 dB，利用樣板輪代替60軌進(jìn)行超聲高速探傷驗(yàn)證試驗(yàn)可行。

圖5 仿真檢測(cè)軌頭斜孔

2.2.3 軌腰及軌底裂紋仿真

在軌腰設(shè)置螺孔37°上裂紋，同時(shí)在樣板輪上設(shè)置螺孔46°上裂紋，對(duì)比弧度偏移對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響；在軌底設(shè)置R5H4月牙。探頭參數(shù)與核傷檢測(cè)時(shí)一致。仿真結(jié)果見(jiàn)圖6。可知：①37°檢測(cè)樣板輪螺孔37°上裂紋相較于60軌低2 dB，而經(jīng)過(guò)弧度校準(zhǔn)的樣板輪螺孔46°上裂紋與60軌基本持平。圓弧導(dǎo)致超聲與螺孔裂紋不再呈垂直關(guān)系，超聲反射能量變少，因此樣板輪加工螺孔裂紋角度只需要在原有基礎(chǔ)上增加9°，校準(zhǔn)圓弧導(dǎo)致的角度偏離就可取代60軌。②37°檢測(cè)樣板輪軌底月牙比60軌低5.2 dB。圓弧改變了超聲檢測(cè)軌底月牙角度，入射角度變大后端角反射率降低，軌底月牙經(jīng)過(guò)多次波反射檢測(cè)，在軌底圓弧面波型轉(zhuǎn)換更加復(fù)雜，不適宜通過(guò)調(diào)整月牙角度來(lái)改善端角反射率。需要試驗(yàn)進(jìn)一步評(píng)估其可行性。

圖6 37°仿真檢測(cè)

2.3 試驗(yàn)測(cè)試及分析

鋼軌探傷車在80 km/h速度下脈沖間隔要小于6 mm，此時(shí)鋼軌探傷B型顯示圖譜中出現(xiàn)3點(diǎn)連續(xù)反射波，傷損報(bào)警才算有效。

鋼軌探傷車高速下動(dòng)態(tài)檢測(cè)時(shí)，探頭載體與軌面耦合受接觸時(shí)間、耦合液填充、軌面狀況等影響，探頭超聲入射到鋼軌中的能量比系統(tǒng)低速下標(biāo)定時(shí)低，需要在檢測(cè)靈敏度基礎(chǔ)上增加6 dB。

2.3.1 靜態(tài)試驗(yàn)

基于理論計(jì)算和仿真分析，設(shè)計(jì)60軌人工傷損，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2。可知：靈敏度余量均大于20 dB，滿足高速動(dòng)態(tài)衰減6 dB靈敏度補(bǔ)充。根據(jù)CIVA仿真對(duì)比可類推樣板輪人工傷損檢測(cè)時(shí)信噪比和增益需要下降3~6 dB，此時(shí)檢測(cè)信噪比大于18 dB，滿足高速探傷要求。

表2 60軌人工傷損靜態(tài)檢測(cè)結(jié)果

2.3.2 動(dòng)態(tài)試驗(yàn)

啟動(dòng)高速試驗(yàn)平臺(tái)，樣板輪線速度達(dá)到80 km/h后進(jìn)行勻速往復(fù)循環(huán)運(yùn)動(dòng)，所有缺陷會(huì)周期性出現(xiàn)在超聲檢測(cè)范圍，每次測(cè)試時(shí)在高速平臺(tái)踏面上放置70°探頭、37°探頭依次進(jìn)行測(cè)試。記錄高速下樣板輪缺陷檢測(cè)情況，結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 80 km/h進(jìn)行時(shí)樣板輪人工傷損檢測(cè)結(jié)果

由表3可知：直打70°檢測(cè)軌頭橫通孔信噪比為20 dB且有5個(gè)出波點(diǎn)，偏斜70°檢測(cè)軌頭斜孔信噪比為30 dB且有9個(gè)出波點(diǎn)，軌腰螺孔37°裂紋信噪比達(dá)到31 dB且有11個(gè)出波點(diǎn)，出波點(diǎn)數(shù)均大于3個(gè)，檢出傷損報(bào)警有效；由于圓弧改變了超聲檢測(cè)軌底月牙角度導(dǎo)致超聲波反射率降低，樣板輪軌底R(shí)5H4月牙無(wú)法檢出。高速試驗(yàn)平臺(tái)測(cè)試表明80 km/h速度下該超聲系統(tǒng)對(duì)軌頭核傷、螺孔裂紋的檢測(cè)效果是滿足要求的，而軌底缺陷高速檢出效果無(wú)法用高速試驗(yàn)平臺(tái)驗(yàn)證，需要在試驗(yàn)線進(jìn)行動(dòng)態(tài)測(cè)試。

3 結(jié)語(yǔ)

經(jīng)過(guò)仿真模型優(yōu)化后的樣板輪人工傷損設(shè)計(jì)結(jié)合高速試驗(yàn)平臺(tái)能真實(shí)反映高速下超聲系統(tǒng)檢測(cè)效果。經(jīng)測(cè)試，80 km/h速度下超聲系統(tǒng)檢測(cè)軌頭φ3 mm橫通孔信噪比為20 dB，軌頭φ5 mm-17.5°斜孔信噪比為30 dB，螺孔37°裂紋信噪比達(dá)到31 dB，出波點(diǎn)數(shù)均大于3個(gè)，檢出傷損有效，系統(tǒng)經(jīng)測(cè)試滿足高速下檢測(cè)要求。軌底月牙受樣板輪圓弧曲率影響超聲反射率降低無(wú)法檢出，后續(xù)還需鋪設(shè)試驗(yàn)線對(duì)超聲系統(tǒng)軌底傷損檢測(cè)能力進(jìn)行驗(yàn)證。