雙軌式鋼軌探傷儀的分析與應(yīng)用

馬占生 姜 興

（湖南高速鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 衡陽(yáng) 421001）

1 研究背景

鋼軌探傷是發(fā)現(xiàn)鋼軌傷損、確保鐵路安全運(yùn)行的重要技術(shù)手段[1]。在鐵路運(yùn)營(yíng)維護(hù)過(guò)程中，常用的鋼軌探傷技術(shù)主要包括超聲波探傷、磁粉探傷、滲透探傷、渦流探傷等[2]。目前，我國(guó)鐵路探傷領(lǐng)域使用較為廣泛的鋼軌探傷技術(shù)為超聲波探傷，其主要采用的設(shè)備包括單軌探傷儀、雙軌探傷儀和鋼軌探傷車(chē)[3]。單軌探傷儀工作效率較低、工人勞動(dòng)強(qiáng)度大，存在大型鋼軌探傷車(chē)投入成本大、操作復(fù)雜等問(wèn)題[4]。雙軌探傷儀能夠較好地解決單軌探傷儀和大型鋼軌探傷車(chē)存在的問(wèn)題，目前運(yùn)用雙軌探傷儀進(jìn)行鐵路探傷已成為一種新趨勢(shì)。因此，對(duì)雙軌探傷儀開(kāi)展鋼軌探傷研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)鋼軌探傷開(kāi)展了大量研究。鐘星等[5]基于目前鐵路運(yùn)營(yíng)現(xiàn)狀及鋼軌探傷方式的特點(diǎn)，研制了雙軌自行式B掃描鋼軌探傷小車(chē)，研究結(jié)果表明該款探傷小車(chē)能夠滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)探傷要求。韓小平[6]針對(duì)目前鋼軌探傷存在的問(wèn)題，結(jié)合目前天窗修作業(yè)的工作特點(diǎn)，提出了一種新型的鋼軌探傷設(shè)備，并對(duì)設(shè)備的技術(shù)性能和特點(diǎn)進(jìn)行了總結(jié)。鄭韻嫻等[7]基于目前雙軌式探傷儀輪式探頭使用沒(méi)有專(zhuān)門(mén)標(biāo)準(zhǔn)及檢驗(yàn)方法存在的問(wèn)題，分析了既有超聲波探傷儀性能指標(biāo)，提出了一種詳細(xì)的輪式探頭性能指標(biāo)檢驗(yàn)方法。王志偉等[8]基于目前高原高海拔地區(qū)雙軌式探傷儀研究稀缺的原因，從輪式探頭、機(jī)械和電子等多方面對(duì)雙軌式探傷儀開(kāi)展研究，設(shè)計(jì)一款新型高原雙軌式探傷儀，研究成果能夠促進(jìn)高原高海拔地區(qū)鋼軌探傷作業(yè)模式的進(jìn)步。安尚文等[9]基于鋼軌廓形特性與雙軌探傷儀的工作特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一款模塊化的渦流檢測(cè)系統(tǒng)用于開(kāi)展鋼軌探傷，結(jié)果表明該模塊化檢測(cè)系統(tǒng)能夠有效檢出大于0.5 mm深的人工直裂紋和斜裂紋。張海龍等[10]對(duì)鐵路既有探傷設(shè)備局限進(jìn)行系統(tǒng)結(jié)構(gòu)剖析和實(shí)證研究，證明鐵路軌道綜合檢測(cè)系統(tǒng)能夠更好地適應(yīng)鐵路維修模式。雙軌式鋼軌探傷儀目前側(cè)重對(duì)某一特點(diǎn)開(kāi)展研究，對(duì)雙軌式鋼軌探傷儀整體研究少有報(bào)道。本研究對(duì)雙軌式探傷儀原理和特點(diǎn)進(jìn)行分析，詳細(xì)介紹雙軌式鋼軌探傷儀的各個(gè)組成部分及其注意事項(xiàng)，對(duì)其結(jié)構(gòu)安全性進(jìn)行計(jì)算，結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果探討雙軌式探傷儀，以期為雙軌式探傷儀的應(yīng)用提供理論支持。

2 雙軌式鋼軌探傷儀原理及特點(diǎn)

2.1 雙軌式鋼軌探傷儀的原理

超聲波在液體和固體中傳播速度不同，在空氣中幾乎不能傳播。采用超聲波進(jìn)行探傷時(shí)，超聲波發(fā)射晶片將超聲波射入鋼軌內(nèi)部，當(dāng)超聲波遇到傷損時(shí)，在鋼和空氣界面?zhèn)鞑ナ茏瑁a(chǎn)生反射回波，經(jīng)過(guò)儀器的接收與顯示，能夠發(fā)現(xiàn)鋼軌內(nèi)部傷損；根據(jù)超聲波在鋼軌內(nèi)部的傳播速度以及發(fā)射與反射波的時(shí)間間隔，可以得到傷損的位置。

雙軌式鋼軌探傷儀采用超聲波方法進(jìn)行探傷，單個(gè)輪式探頭包含9個(gè)不同角度發(fā)射晶片，其中1個(gè)0°晶片安裝于中心位置，晶片發(fā)射的超聲縱波用于檢測(cè)軌腰水平裂紋和軌底縱向裂紋；2個(gè)37°晶片一前一后安裝，晶片發(fā)射的超聲橫波用于檢測(cè)軌腰25°～45°斜裂紋和軌底橫向裂紋；4個(gè)斜70°晶片兩前兩后安裝，利用其超聲橫波的一次波和二次波檢測(cè)軌頭橫向裂紋；2個(gè)直70°晶片一前一后安裝，利用其超聲橫波的一次波檢測(cè)軌頭橫向裂紋。

2.2 雙軌式鋼軌探傷儀的特點(diǎn)

雙軌式鋼軌探傷儀適用于43～75 kg/m鐵道線(xiàn)路鋼軌的超聲波探傷作業(yè)；能夠滿(mǎn)足檢測(cè)鋼軌軌頭、軌腰、軌底中部（軌腰延伸部位）等部位傷損的需要；雙軌式鋼軌探傷儀其輪式探頭配置直探頭、斜探頭（35°～45°）檢測(cè)軌腰及其延伸部位，斜探頭（70°或其他有利于檢測(cè)軌頭橫向裂紋的角度）檢測(cè)軌頭部位；雙軌式鋼軌探傷儀具有一次波和二次波檢測(cè)軌頭橫向裂紋的能力；整體布局應(yīng)便于各部件調(diào)整和維修；用輕量化、模塊化設(shè)計(jì)，單個(gè)模塊質(zhì)量不超過(guò)60 kg，總質(zhì)量不超過(guò)240 kg（不含電池和耦合水），隨乘人員可在5 min內(nèi)完成上道組裝或下道拆卸；走行操控與檢測(cè)系統(tǒng)分別操控，可雙向行駛；最高走行速度不小于20 km/h；最高持續(xù)檢測(cè)速度不小于15 km/h；續(xù)航能力方面，可以連續(xù)運(yùn)行60 km或4 h以上；定位里程精度誤差不大于2‰；載重不小于460 kg，可承載4人；配有不小于100 L耦合水箱，水量可直觀檢查。

2.2.1 對(duì)比傳統(tǒng)的手推式探傷儀

雙軌式鋼軌超聲波探傷儀檢查速度快，平均檢測(cè)速度為15 km/h，效率高，充分利用天窗時(shí)間，安全能得到保障，大幅度節(jié)約了人力，減輕了探傷人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。雙軌式鋼軌超聲波探傷儀的動(dòng)力系統(tǒng)機(jī)械運(yùn)行可靠，操作方便，整車(chē)拆裝簡(jiǎn)便，連續(xù)作業(yè)里程長(zhǎng)。整體穩(wěn)定性和重復(fù)性?xún)?yōu)于手推式探傷儀，消除了手推探傷儀手推過(guò)程中的人為因素的影響。雙軌式鋼軌超聲波探傷儀檢測(cè)系統(tǒng)使用輪探頭，9個(gè)通道同時(shí)對(duì)鋼軌進(jìn)行檢測(cè)，耦合情況更好，有利于對(duì)傷損的檢測(cè)，傷損檢出率高。雙軌式鋼軌超聲波探傷儀整車(chē)采用模塊化設(shè)計(jì)，組裝和拆分簡(jiǎn)單快捷，能夠在5 min內(nèi)能完成，上下線(xiàn)路操作。

2.2.2 對(duì)比大型探傷車(chē)

雙軌式鋼軌超聲波探傷儀使用更加機(jī)動(dòng)靈活，不需要調(diào)度，只要有天窗點(diǎn)就能上道檢測(cè)。雙軌式鋼軌超聲波探傷儀檢測(cè)更精細(xì)。探傷儀每2.67 mm發(fā)射一個(gè)脈沖，大型探傷車(chē)每4 mm發(fā)射一個(gè)脈沖。雙軌式鋼軌超聲波探傷儀檢測(cè)軌底裂紋，而大型探傷車(chē)不檢測(cè)軌底裂紋。雙軌式鋼軌超聲波探傷儀的造價(jià)遠(yuǎn)低于大型探傷車(chē)，探傷車(chē)的維修不但價(jià)格昂貴，而且人員到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)速度緩慢。雙軌式鋼軌超聲波探傷儀在作業(yè)過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)傷損可立即倒車(chē)復(fù)核，現(xiàn)場(chǎng)判傷。而大型探傷車(chē)只能通過(guò)回放發(fā)現(xiàn)傷損，再由探傷工作人員利用手推式儀器進(jìn)行二次復(fù)核，嚴(yán)重浪費(fèi)了人力物力。

3 雙軌式鋼軌探傷儀系統(tǒng)組成及注意事項(xiàng)

3.1 硬件

雙軌式鋼軌探傷儀硬件包括機(jī)箱、筆記本、鋰電池、輪式探頭、鼠標(biāo)、編碼器、連接線(xiàn)、車(chē)體、走行輪、傳動(dòng)裝置、制動(dòng)裝置、水箱、防護(hù)裝置、照明裝置等。

3.2 軟件

雙軌式鋼軌探傷儀軟件在配置的筆記本中運(yùn)行。軟件具有良好的中文操作界面，能夠顯示B型圖和超聲作業(yè)參數(shù)，主要有探傷參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)采集、處理和回放以及傷損智能識(shí)別等功能。

3.3 注意事項(xiàng)

車(chē)架組裝時(shí)，注意驅(qū)動(dòng)路橋上的螺絲位置，防止彎曲變形后車(chē)架無(wú)法順利裝入；水輪支架與車(chē)架裝配連接時(shí)，應(yīng)使支架背面與車(chē)架外面水平，螺絲固定時(shí)節(jié)省時(shí)間；所有電路插頭需要按照缺口輕輕插入，防止插芯斷裂導(dǎo)致接觸不良；水輪安裝時(shí)，水輪支架上的探頭位置必須在上面，否則無(wú)信號(hào)輸出；車(chē)子快速行駛中，沒(méi)有意外情況不要緊急剎車(chē)，防止防滑輪快速磨損，影響防滑效果；車(chē)架和水輪支架均不能劇烈碰撞，否則變形后無(wú)法正常運(yùn)行；水輪支架使用前必須手動(dòng)檢查中軸靈活度；車(chē)體自身質(zhì)量和所載總量不超過(guò)700 kg，以免嚴(yán)重影響使用壽命；所有電池遠(yuǎn)離火源，且禁止投入火源，以免引發(fā)爆炸；車(chē)子所有電路接通前，總電源應(yīng)處于關(guān)閉狀態(tài)。

4 雙軌式鋼軌探傷儀安全性分析

4.1 車(chē)輪強(qiáng)度分析

雙軌式鋼軌探傷儀車(chē)輪的輪轂采用鋁合金，利用有限元方法對(duì)車(chē)輪強(qiáng)度進(jìn)行分析。假設(shè)4個(gè)車(chē)輪承載800 kg，則每個(gè)車(chē)輪的負(fù)荷為1 960 N，計(jì)算可得車(chē)輪變形為0.017 7 mm，車(chē)輪最大有效應(yīng)力為14.7 MPa，鋁合金的屈服應(yīng)力為27.6 MPa，沒(méi)有達(dá)到屈服應(yīng)力，說(shuō)明車(chē)輪強(qiáng)度滿(mǎn)足要求。

4.2 車(chē)軸強(qiáng)度分析

雙軌式鋼軌探傷儀車(chē)軸采用空心厚管，利用有限元方法對(duì)車(chē)軸強(qiáng)度進(jìn)行分析。每根軸承受400 kg質(zhì)量，車(chē)軸變形約為0.09 mm，車(chē)軸的最大有效應(yīng)力34.16 MPa，合金鋼的屈服應(yīng)力為620.4 MPa，遠(yuǎn)沒(méi)有達(dá)到屈服應(yīng)力，說(shuō)明車(chē)軸強(qiáng)度滿(mǎn)足要求。

4.3 車(chē)架強(qiáng)度分析

雙軌式鋼軌探傷儀車(chē)架采用Q235的鋼管，利用有限元方法對(duì)車(chē)架強(qiáng)度進(jìn)行分析。假設(shè)車(chē)身承載500 kg的質(zhì)量，則每半個(gè)車(chē)身的負(fù)荷為2 450 N，車(chē)架變形為2.87 mm，車(chē)輪最大有效應(yīng)力121.8 MPa，鋼管的屈服應(yīng)力為235.0 MPa，沒(méi)有達(dá)到屈服應(yīng)力，說(shuō)明車(chē)架滿(mǎn)足強(qiáng)度要求。

基于有限元方法對(duì)雙軌式鋼軌探傷儀走行平臺(tái)的車(chē)輪、車(chē)軸、車(chē)架進(jìn)行分析。結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)各部位的安全性均滿(mǎn)足強(qiáng)度要求，可用于下一步試驗(yàn)研究。

5 雙軌式鋼軌探傷儀的應(yīng)用

南寧工務(wù)段利用雙軌式鋼軌探傷儀對(duì)車(chē)間標(biāo)準(zhǔn)試軌傷損進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，雙軌式鋼軌探傷儀檢測(cè)發(fā)現(xiàn)軌頭核傷12處、鄂部傷損4處、軌底傷損12處、螺孔裂紋23處以及鋼軌接頭處傷損4處，雙軌式鋼軌探傷儀綜合檢出率大于90%。

武漢高鐵工務(wù)段利用雙軌式鋼軌探傷儀對(duì)車(chē)間標(biāo)準(zhǔn)損傷軌進(jìn)行測(cè)試，雙軌探傷儀檢測(cè)發(fā)現(xiàn)軌頭核傷4處、鄂部傷損兩處、軌底傷損4處、螺孔裂紋3處以及自然傷損1處，標(biāo)準(zhǔn)傷軌全部檢出，且夜間上道使用效果良好。

6 結(jié)語(yǔ)

文章從雙軌式探傷儀原理和特點(diǎn)進(jìn)行分析，詳細(xì)介紹雙軌式鋼軌探傷儀的各個(gè)組成部分及其注意事項(xiàng)，對(duì)其結(jié)構(gòu)安全性進(jìn)行計(jì)算，結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果對(duì)雙軌式探傷儀進(jìn)行討論。雙軌式鋼軌探傷儀基于超聲波原理對(duì)鋼軌進(jìn)行探傷，從9個(gè)不同角度的發(fā)射晶片對(duì)鋼軌各個(gè)方向傷損進(jìn)行檢測(cè)，能夠滿(mǎn)足檢測(cè)鋼軌軌頭、軌腰、軌底中部等部位傷損的需要；雙軌式鋼軌探傷儀采用模塊化、輕量化設(shè)計(jì)，用于鋼軌探傷時(shí)存在諸多注意事項(xiàng)，需要遵守操作規(guī)定；雙軌式鋼軌探傷儀的車(chē)輪、車(chē)軸以及車(chē)架強(qiáng)度能夠滿(mǎn)足安全性要求，可用于試驗(yàn)研究；雙軌式鋼軌探傷儀在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用其傷損檢出率大于90%，且夜間使用效果良好，能夠用于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際探傷。