移動式在線輪輞輪輻探傷機在機車探傷中的應用

吳杰偉

（中國鐵路廣州局集團有限公司，廣州 510088）

隨著國家經濟建設的快速發展，高速、重載成為機車車輛發展的趨勢，同時對機車車輛檢修設備也提出了更高的要求。車輪是機車重要的走行部件，機車在高速重載行駛過程中，輪對需承受復雜的動態負載，特別是在啟停過程中，在車輪踏面、輪輞、輪輻等部位易出現應力集中現象，造成車輪缺損、剝離、疲勞裂紋等故障的發生。因此，車輪的質量狀況，直接影響行車安全，是保障機車車輛安全行駛的重要環節。

目前機車車輪探傷主要分為落輪探傷和不落輪探傷。落輪探傷是將輪對從車體轉向架中分解，運輸到固定式探傷機上進行探傷作業，耗時費力，一般應用在機車大修的場合。不落輪探傷是指車輪仍在車體轉向架上，無需拆卸車輪的探傷作業，主要分為在線通過式自動探傷和在線人工探傷，如圖1所示。在線通過式自動探傷設備在軌道兩側布置大量的常規探頭，涵蓋整個機車車輪的周長，機車車輪在通過式自動探傷設備預置軌道上通過時，車輪踏面直接與探頭接觸，進而完成探傷作業。人工探傷為探傷人員采用大角度探頭和雙晶直探頭在車輪踏面上規則地滑動進行探傷，通過人工擦油進行耦合。人工探傷由于受人為因素的影響，其覆蓋范圍不固定，檢測的一致性差，還需要牽車輔助探傷，探傷人員需要邊操作探頭邊觀察探傷儀器，操作條件差，勞動強度高。在線通過式自動探傷設備的設備費用高，占用空間大，并且探頭需要經常承受機車輪對的碾壓，探頭磨損嚴重，壽命短，維護成本較高，且探頭的耦合狀態差、靈敏度低、可靠性差。因此需要一種探傷性能穩定，檢測靈敏度高，全壽命周期成本低的設備進行機車車輪的在線探傷作業。

圖1 在線通過式探傷設備（左）和在線人工探傷（右）

1 車輪在線自動探傷設備方案形成

1.1 設備調研

我國在動車組引進初期就采用并普及了在線車輪探傷設備對車輪進行不落輪探傷作業，以保證動車組行車安全。動車組車輛具有運行速度快、軸重小、車輪直徑小、車輪表面清潔度較高等特點，因此配套的檢測依據鐵總運〔2013〕190號文《和諧系列動車組超聲波探傷規定》［1］對超聲檢測工藝、在線自動探傷設備的整體結構和檢測系統均有較高的要求，長達450 m的股道兩側需要布置10余處水源和電源接口，導致設備結構、土建相對復雜且造價高。

機車車輪檢測主要依靠人工采用便攜式超聲檢測設備、渦流檢測設備對車輪進行定期檢測。機車車輛具有載荷高、軸重大、車輪直徑大、運行速度低（相對動車組）、由于線路條件差導致車輪內側面經常附著油泥、污物等。機車車輪檢測參照的TB/T 3256.1-2011《機車在役零部件無損檢測第1部分：通 用 要求》［2］、TB/T 3256.2-2011《機車在役零部件無損檢測第2部分：輪箍、整體輾鋼車輪輪輞超聲波檢測》［3］等標準。

文中以動車組在線車輪探傷設備為基礎，通過優化超聲檢測系統和超聲檢測工藝，相應降低設備成本，并且機車股道較短，也無需布置很多電源和水源接口，土建施工成本低，可滿足機車車輪在線探傷作業“物美價廉”的要求。

1.2 改造方案

移動式在線輪輞輪輻探傷機需要在地溝預鋪小軌道行走并進行探傷作業，為提高作業效率，減少調車作業，需將同一股道2個獨立檢測位連通，增加探傷檢測范圍。因此需要對現場的基礎進行改造，以適應移動式在線輪輞輪輻探傷機的探傷需要。地溝內鋪設小軌道，小軌道內側距800 mm，小軌道頂面到大軌道頂面的距離為1 100 mm。在地溝中間部位預留水管接頭，用于設備水箱的供水。地溝中間部位留有配電箱，為設備供電，整個地溝的側面鋪設拖鏈槽，設備行走時帶動拖鏈在拖鏈槽內運動，無需插拔電纜接頭和水管接頭。并將2個股道中間的水泥過道打通，安裝渡板用于人和設備通過，如圖2所示。為滿足在整條地溝的設備作業需求，地溝需滿足設備的截面圖的界限范圍，如圖3所示。

圖2 地溝改造前和地溝改造后

圖3 設備截面圖

2 車輪在線自動探傷設備的應用

2.1 探傷流程

2.1.1 檢測前準備

檢測前準備包括設備校驗、現場情況檢查2大部分，可同時進行。操作流程如圖4所示。

圖4 檢測前操作流程圖

（1）設備檢查及校驗

首先對檢測設備進行點檢，檢查是否存在影響作業的故障點。點檢通過后設備上電，將用于校驗的對比試樣輪對移動到檢驗位置。

對比試樣輪對到位后，開始靈敏度標定檢測，自動定位選擇試樣輪對定位路徑，定位完成即可開始靈敏度標定（對各檢測通道靈敏度進行校準），合格后打印標定報告，進行開工前校驗（對各檢測通道檢測效果進行確認，要求各檢測通道覆蓋范圍內人工缺陷全部檢出）。若校驗不合格，則重新進行靈敏度標定檢測。若檢測合格，則打印校驗報告，準備進行實車檢測。

（2）現場情況檢查

首先緩解被檢車輛制動，然后依次檢查地溝、車底、輪對是否存在影響檢測的情況，如存在，應立即聯系相關人員解決。

2.1.2 實車檢測

檢測前準備工作均完成后，開始進行實車檢測，整體檢測流程如圖5所示。

圖5 實車檢測流程

實車檢測時，首先錄入被檢實車輪對參數，控制檢測小車自動定位被檢實車輪對，如圖6所示，定位完成后開始進行探傷掃查，依次對機車的輪對進行檢測。完成所有輪對檢測后，返回試樣輪對位置，進行完工校驗檢測。

圖6 實車輪對檢測

2.1.3 完工后作業

完工后作業分為校驗保養、制動恢復2大部分，可同時進行，如圖7所示。

圖7 完工后作業流程

（1）校驗保養

檢測完所有實車車輪后，將設備移動到試樣輪對底下進行完工后校驗。設備完工后校驗與開工前檢測操作流程相似，檢測完成后，查看并打印完工后校驗報表。為保證檢測結果的有效性，完工后校驗只能進行一次，如校驗不合格則當天所有檢測全部無效。

校驗結束后對設備進行清潔與保養，最后歸檔檢測臺賬、備份檢測數據。

（2）制動恢復

按照操作規定，恢復被檢車輛制動。

2.2 設備優點

（1）檢測結果穩定可靠。

設備為自動化檢測設備，可實現自動定位被檢車輪、自動定位探頭組件、自動檢測、自動復位等操作，重復檢測穩定性小于3 dB，相對人工檢測，不會因檢測人員的不同產生差別較大的檢測結果。

（2）采用雙六軸機械臂可實現單軸雙輪同時探傷，大幅提高探傷效率。

設備采用雙六軸機械臂及探頭組件裝置，實現同一輪對雙側車輪同時探傷，探傷過程中不需要拆卸任何車輛配件以及掉頭反向作業，大幅簡化了操作步驟，相較于人工檢測，提高了探傷作業效率，單條輪對的探傷時間小于6 min。

（3）創新研發了基于模式識別的缺陷智能識別系統，應用于機車車輪探傷。

降低了對探傷人員的要求，解決了人工數據分析時，人為主觀因素造成的誤判、漏判等，提高探傷質量，從而快速、準確地實現超聲探傷數據的自動化分析，如圖8所示。

圖8 基于模式識別的缺陷智能識別系統前后對比

（4）研發了基于工業互聯網、大數據技術的機車輪軸探傷網絡化監管平臺。

構建了統一數控中心、數據采集終端及專家診斷模塊的層級結構，實現了遠程狀態監控、大數據存儲、智能分析、專家遠程診斷等功能，進一步提升了機車車輪探傷智能化、數字化水平，保障了機車運營安全。

3 總結

3.1 設備技術特點

（1）采用雙向雙頭機械裝置及缺陷智能識別系統等技術，實現同一輪對雙側車輪同時探傷與缺陷智能分析報警功能，相較于人工檢測大幅提高了作業效率。

（2）采用柔性機械手、缺陷智能輔助識別技術等實現單軸雙輪同時探傷以及探傷結果的智能分析，降低缺陷漏報率，提高探傷效率，降低了車輛安全運行保障條件的成本，相較于人工檢測有效提高了檢測結果的一致性。

（3）采用網絡監管平臺，實現對探傷數據的集中管理，滿足用戶遠程診斷、遠程協助的需求。

3.2 設備使用效果

設 備 已 經 在 機 務 段 現 場 對DF4、DF5、DF7、DF11、SS8、SS9、HXD1C、HXD1D、HXD3C型等機車車輪進行了超聲波探傷作業，共檢測3 000余條輪對，共發現踏面表面剝離、內部缺陷共計20余次，對比試樣輪不同深度橫孔檢測效果、輪緣缺陷檢測效果、實車檢測效果、踏面表面剝離類型缺陷檢出案例如圖9～圖12所示，通過大量測試，設備能夠滿足以上測試機車車型的輪輞輪輻超聲檢測，檢測結果穩定可靠。

圖9 對比試樣輪不同深度橫孔檢測效果

圖12 踏面表面剝離類型缺陷檢出案例

3.3 設備實施的意義

（1）解決了機車車輪探傷效率低、檢測結果一致性差的關鍵問題，進一步保障了機車車輛運行安全。

（2）打破傳統運維模式，推動動車組運維檢測行業的智能化、數字化、標準化升級。

4 展望

為滿足國民經濟的高速發展，機車車輛運行速度越來越快，載荷也越來越大，隨著中國鐵路160 km及以上時速機車和CR200J動力集中型動車組的逐步運用，對機車車輪檢修設備要求也越來越高。本項目采用了機器人、大數據、人工智能等先進技術，實現了對在役機車車輪裝機狀態下的自動檢測、輔助分析，全面替代原有人工手動檢測模式，解決了人工手動檢測結果一致性差、效率低等問題，使車輪檢測更加智能與高效。

圖10 對比試樣輪輪緣缺陷檢測效果

圖11 實車檢測效果

由于受現場應用環境、技術發展水平（智能傳感技術、機器視覺技術）等因素影響，在設備應用過程中，我們也發現仍需要人工干預，例如放置磁鐵，運輸試樣輪對、操作探傷設備等操作。今后將繼續開展相關技術的調研與研究工作，解決技術屏障，盡早實現全無人化機車車輪在線檢測，提高我國機車車輪探傷整體技術水平，推動機車運維檢修高質量發展，為機車車輛安全運行保駕護航、保障國家及人民的生命財產安全提供有力支撐和堅實保障。