大型鋼軌探傷車SYS1900探傷檢測(cè)系統(tǒng)工作原理及各換能器技術(shù)參數(shù)的設(shè)置

陳 金/蘭州工務(wù)機(jī)械段

大型鋼軌探傷車SYS1900探傷檢測(cè)系統(tǒng)工作原理及各換能器技術(shù)參數(shù)的設(shè)置

陳 金/蘭州工務(wù)機(jī)械段

SYS1900超聲檢測(cè)系統(tǒng)各換能器閘門參數(shù)(增益、初始值、閘門寬度)的合理設(shè)定，有利于提高大型鋼軌探傷車的傷損檢出率，減少傷損的誤判。本文以檢測(cè)P60軌為例，結(jié)合GTC-80型鋼軌探傷車使用的實(shí)際情況，對(duì)1900探傷檢測(cè)系統(tǒng)工作原理及各換能器閘門的參數(shù)設(shè)置進(jìn)行簡(jiǎn)介，以備在實(shí)際中應(yīng)用。

超聲檢測(cè)；探傷；系統(tǒng)參數(shù)；閘門；us（微秒）

一．概述

隨著蘭新客專的開(kāi)通，蘭州局于2013年底在GTC-6J型鋼軌探傷車的基礎(chǔ)上又引進(jìn)一臺(tái)GTC-80型鋼軌探傷車，兩臺(tái)探傷車都配備了SYS1900超聲探傷檢測(cè)系統(tǒng)。合理調(diào)整SYS1900探傷檢測(cè)系統(tǒng)各換能器閘門參數(shù)，不僅需要操作員了解超聲波及各換能器的工作性能和特點(diǎn)，還要有豐富的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，根據(jù)線路狀態(tài)，及時(shí)準(zhǔn)確的調(diào)整各閘門參數(shù)，采集高質(zhì)量的探傷檢測(cè)數(shù)據(jù)，提高探傷檢測(cè)質(zhì)量。

二、探傷車超聲檢測(cè)的工作原理

由聲學(xué)知識(shí)得知，從換能器發(fā)出的超聲波能量在鋼軌中的傳播速度是常數(shù)，換句話說(shuō)，超聲波能量總是以相同的速度傳播。實(shí)際上，對(duì)于鋼軌中的縱波，這個(gè)速度是5960 米/秒，而對(duì)于橫波則為3260米/秒。探傷車檢測(cè)系統(tǒng)據(jù)此測(cè)量超聲波回波在鋼軌中的傳播時(shí)間，從而確定回波的位置。需要注意的是，由于換能器接收到的回波在傷損與換能器之間傳播了一個(gè)來(lái)回，由傳播時(shí)間獲得的超聲波傳播路程是傷損與換能器之間的距離的二倍。這就是檢測(cè)系統(tǒng)確定傷損在鋼軌位置的原理。由于系統(tǒng)用示波器顯示超聲波A 型信號(hào)，其橫軸代表時(shí)間，回波信號(hào)的距離信息可以在橫軸上顯示。圖2給出了0度通道示波器信號(hào)與鋼軌深度之間的關(guān)系。

圖2 0度超聲時(shí)間/距離關(guān)系（鋼軌與示波器對(duì)照）

探傷車系統(tǒng)采用輪式探頭。探頭外部包裹有聚酯橡膠外膜，內(nèi)充專用液體。當(dāng)系統(tǒng)將短時(shí)間高電壓脈沖施加到換能器的壓電晶體上時(shí)，換能器的晶體將按照其本征頻率振動(dòng)，該振動(dòng)通過(guò)輪探頭中的液體傳播到鋼軌里，這就是超聲波的發(fā)射過(guò)程。由于超聲波不能穿透空氣間隙，系統(tǒng)配備有耦合水噴頭，以排除軌面與輪探頭之間的空氣。如鋼軌內(nèi)部有傷損，將得到出現(xiàn)傷損波回波。因檢測(cè)不同取向傷損的需要，每個(gè)探輪內(nèi)部安裝有不同發(fā)射角度的超聲波傳感器（0度、45度和70度）。

圖3 9英寸探輪超聲波束發(fā)射示意圖

當(dāng)輪探頭在鋼軌上快速移動(dòng)并以高頻率連續(xù)向鋼軌發(fā)出超聲波，就完成了高速連續(xù)的檢測(cè)。大型鋼軌探傷車的檢測(cè)原理就是發(fā)射超聲波對(duì)鋼軌做高密度的斷面切片式掃查。系統(tǒng)檢測(cè)傷損的靈敏度取決于兩點(diǎn)：一輪探頭和超聲晶片在聲學(xué)意義上的靈敏度；二超聲掃查的密度（超聲發(fā)射頻率）。

三、SYS1900探傷檢測(cè)系統(tǒng)各換能器閘門的參數(shù)設(shè)置

（一）0度界面閘門的參數(shù)設(shè)置

0度界面閘門區(qū)間對(duì)應(yīng)0度晶片的第一次界面反射，該界面反射信號(hào)從輪膜內(nèi)表面或從軌面返回到0度晶片。界面波閘門雖然不是一個(gè)檢測(cè)閘門，但它和其它系統(tǒng)設(shè)置一起共同決定了同一個(gè)探輪內(nèi)其余晶片的動(dòng)態(tài)定位。0度界面增益設(shè)置值需要能保證0度晶片接觸面的反射信號(hào)始終超出閾值，一般設(shè)為31.5dB。0度界面延時(shí)應(yīng)設(shè)置在鋼軌或輪膜第一次界面反射之前，標(biāo)準(zhǔn)的9英寸探輪在探輪液的聲程是90us。界面窗口初始值設(shè)置成80us，允許探輪在檢測(cè)過(guò)程存在下壓的余量。探輪0度界面寬度參數(shù)在檢測(cè)過(guò)程中動(dòng)態(tài)改變，一般設(shè)為40us,隨著第一次界面反射信號(hào)的結(jié)束，閘門的末端也會(huì)戛然而止，探輪中其他閘門時(shí)序會(huì)隨之開(kāi)始，這樣能獲得更高的檢測(cè)分辨率。

（二）0度監(jiān)視閘門的參數(shù)設(shè)置

0度監(jiān)視閘門范圍對(duì)因于鋼軌軌頭中心到接近軌底之間的區(qū)域。0度監(jiān)視窗初始值設(shè)置的位置能最大限度提高傷損檢測(cè)，同時(shí)又能遠(yuǎn)離鋼軌接觸面以抑制噪聲，一般設(shè)為12.8us。0度監(jiān)視寬度包括軌底在內(nèi)，從軌面到軌底的距離，0度監(jiān)視閘門的寬度值取決于鋼軌軌型，不同的軌型需要不同的監(jiān)視寬度，P60軌的監(jiān)視閘門寬度一般設(shè)為38us。

（三)0度底波閘門的參數(shù)設(shè)置

0度通道LER(底波消失)閘門對(duì)應(yīng)的是軌底，底波閘門能反饋軌底面反射的狀態(tài)。在對(duì)中良好，探輪0度晶片垂直鋼軌正中心已經(jīng)足夠增益的情況下，軌底反射波能保持連續(xù)穩(wěn)定。如在導(dǎo)線孔或接頭螺孔或處，在B型顯示中底波不出現(xiàn)消失，說(shuō)明0度底波增益值過(guò)高，需手動(dòng)對(duì)0度底波增益進(jìn)行適當(dāng)降低，以保證在0度監(jiān)視閘門內(nèi)出現(xiàn)傷損時(shí)0度底波消失。設(shè)置一個(gè)合適的0度底波增益值既可以獲得連續(xù)穩(wěn)定的軌底面反射信號(hào)，又能在0度監(jiān)視閘門內(nèi)出現(xiàn)鋼軌傷損時(shí)發(fā)生底波消失。在鋼軌表面狀態(tài)良好的情況下0底波增益一般設(shè)為31dB左右。軌底監(jiān)視閘門在軌腰閘門結(jié)束1us后開(kāi)啟，軌底閘門初始值一般設(shè)為2us。0度底波閘門寬度一般在20us左右，如果軌腰閘門寬度設(shè)置合適，則軌底反射波將出現(xiàn)在軌底閘門的中心位置。

（四）70度換能器閘門參數(shù)設(shè)置

直70度晶片陣列由外、中、內(nèi)70度晶片組成，用于檢測(cè)鋼軌焊縫及軌頭的核傷。直70度設(shè)置足夠高的增益是為了檢測(cè)缺陷，設(shè)置低增益是為了減少非傷損的顯示，一般70度增益設(shè)為32dB。設(shè)定直70度閘門初始值以區(qū)分閘門與界面反射信號(hào)，當(dāng)軌面狀態(tài)不好時(shí)可能產(chǎn)生串?dāng)_。直70度閘門開(kāi)得過(guò)深會(huì)導(dǎo)致鋼軌近表面的傷損漏掉，設(shè)置過(guò)淺會(huì)使噪聲信號(hào)進(jìn)入閘門，在B新顯示中出現(xiàn)大量雜波，影響判傷。當(dāng)探輪下壓量過(guò)大會(huì)在鋼軌近表面產(chǎn)生噪聲，這時(shí)需要把閘門初始值設(shè)大一點(diǎn)以避開(kāi)噪聲區(qū)域，一般直70度閘門初始值設(shè)為18us。直70度監(jiān)視閘門寬度設(shè)置要求能檢測(cè)到軌頭傷損，一般設(shè)為60us,但不大于90us。

（五）45度閘門參數(shù)設(shè)置

45度換能器主要用于檢測(cè)鋼軌軌腰的斜裂紋，45度增益設(shè)置過(guò)高往往會(huì)因?yàn)榉莻麚p噪聲影響檢出率。螺栓孔就是設(shè)置45度增益最好參照物，要求所選擇的螺栓孔最少有5個(gè)點(diǎn)顯示在B型顯示上，45度增益值一般設(shè)為25.8dB。45度監(jiān)視閘門初始值的設(shè)置，可以使45度通道有足夠的分辨率，檢測(cè)水平裂紋，不能使閘門太接近軌面受界面反射干擾，45度閘門延時(shí)一般設(shè)為20us。設(shè)置45度監(jiān)視閘門寬度允許檢測(cè)深至軌底頂部的區(qū)域。45度底波閘門開(kāi)啟情況下，監(jiān)視閘門必須在底波開(kāi)始之前關(guān)閉。

（六）45度底波閘門參數(shù)設(shè)置

45度底波閘門對(duì)應(yīng)軌底，用于檢測(cè)鋼軌軌底部位的傷損，包括軌底可能發(fā)展的橫向傷損，也包括軌底銹蝕。建議45度底波閘門增益保持或接近其他45度閘門，45度閘門閾值設(shè)置在80％，否則閘門會(huì)超報(bào)，小的傷損會(huì)湮沒(méi)在大量信號(hào)當(dāng)中，所以要平衡好增益與閘門閾值。45度底波閘門是唯一閾值設(shè)置在80％的閘門。45度監(jiān)視閘門一結(jié)束，軌底閘門就要立即開(kāi)啟，軌底閘門初始值設(shè)定在軌底面大約10us，不包括軌頭。軌高不同，閘門起始點(diǎn)不一樣。37.5軌底閘門寬度主要是為了檢測(cè)軌底，一般設(shè)為30us。

（七）X-Fire閘門參數(shù)設(shè)置

X-Fire換能器用于檢測(cè)某些位置特殊而難以被普通70度換能器陣列發(fā)現(xiàn)的軌頭核傷。通過(guò)優(yōu)化超聲波入射點(diǎn)和聲束方向使得X-Fire換能器能找到難以發(fā)現(xiàn)的缺陷。X-Fire閘門增益的設(shè)置，要求滿足既可以檢測(cè)軌頭缺陷，又不會(huì)出現(xiàn)大量誤報(bào)雜波，一般增益值設(shè)為27.4dB。X-Fire閘門的初始位置會(huì)把界面噪聲的影響降到最小。聲束的入射點(diǎn)和相對(duì)傷損的方位使得X-Fire閘門開(kāi)始位置比一般閘門更靠后，但不會(huì)導(dǎo)致檢測(cè)率下降。X-Fire閘門寬度允許對(duì)軌頭進(jìn)行二次檢測(cè)，這使得超聲波束可以在軌面異常的下方傳播并檢測(cè)到軌面下的傷損。

實(shí)踐證明，合理的參數(shù)設(shè)置能有效減少傷損誤判，提高傷損檢出率。影響sys1900探傷檢測(cè)系統(tǒng)各通道閘門參數(shù)由多方面因素，包括軌形、鋼軌表面狀態(tài)、鋼軌磨耗程度、探輪下壓量等。鋼軌軌面狀況會(huì)影響透射進(jìn)鋼軌的超聲量，涂油，臟污以及其它在鋼軌表面常見(jiàn)的異常，比如魚(yú)鱗傷，剝離掉塊等，在檢測(cè)軌面不良區(qū)段過(guò)程中應(yīng)補(bǔ)償足夠的靈敏度以保證鋼軌檢測(cè)的一致性。軌形及鋼軌磨耗影響各通道閘門的初始值及閘門寬度，在檢測(cè)中應(yīng)根據(jù)鋼軌軌形及鋼軌磨耗在檢測(cè)系統(tǒng)A型顯示的波對(duì)閘門參數(shù)進(jìn)行合理設(shè)置。因此在實(shí)際探傷檢測(cè)中，應(yīng)結(jié)合各方面因素對(duì)探傷檢測(cè)參數(shù)進(jìn)行有效設(shè)置，以便得到高質(zhì)量的探傷檢測(cè)數(shù)據(jù)。

四、結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)提高大型鋼軌探傷車的運(yùn)用水平，可以有效的預(yù)防斷軌事件的發(fā)生，探傷檢測(cè)設(shè)備應(yīng)在試驗(yàn)線進(jìn)行靜態(tài)調(diào)試和動(dòng)態(tài)標(biāo)定，并與工務(wù)段小型探傷儀的復(fù)核工作相結(jié)合，對(duì)檢出的傷損進(jìn)行對(duì)比分析。通過(guò)實(shí)踐摸索，積累經(jīng)驗(yàn)，不斷優(yōu)化sys1900探傷檢測(cè)系統(tǒng)各參數(shù)的設(shè)置，進(jìn)一步提高探傷檢測(cè)質(zhì)量，提高探傷車的運(yùn)用水平。

[1] 南車株洲電力機(jī)車研究所有限公司.GTC-80鋼軌探傷車檢測(cè)系統(tǒng)用戶手冊(cè),2011.

[2] 鐵路職工崗位培訓(xùn)教材編審委員會(huì).鋼軌探傷工[M].北京:中國(guó)鐵道出版社,2010.