高速輪式鋼軌探傷變距式超聲波發(fā)射模式的設(shè)計與應(yīng)用

李 培，王 旭，石永生，張玉華，馬運忠

(1.中國鐵道科學(xué)研究院 基礎(chǔ)設(shè)施檢測研究所，北京 100081;2.濟南鐵路局 工務(wù)檢測所，山東 濟南 250000)

高速輪式鋼軌探傷變距式超聲波發(fā)射模式的設(shè)計與應(yīng)用

李 培1，王 旭2，石永生1，張玉華1，馬運忠1

(1.中國鐵道科學(xué)研究院 基礎(chǔ)設(shè)施檢測研究所，北京 100081;2.濟南鐵路局 工務(wù)檢測所，山東 濟南 250000)

與傳統(tǒng)的人工檢測方法相比，探傷車具有檢測速度快、可靠性高、重復(fù)性好的特點，對保障鐵路運輸安全起到了重要作用。目前國內(nèi)大型鋼軌探傷車最高檢測速度可達80 km/h。本文基于高速輪式超聲波探傷作業(yè)系統(tǒng)的研究開發(fā)，結(jié)合超聲波在探輪和鋼軌內(nèi)傳播的特點，對鋼軌探傷車檢測速度、掃查間距、超聲波重復(fù)頻率之間的關(guān)系進行了研究，比較了高速輪式探傷的3種超聲波發(fā)射模式的優(yōu)缺點，設(shè)計了適用于探傷作業(yè)系統(tǒng)的8個超聲波發(fā)射模式。以XILINX公司的Virtex-Ⅱ XC2V3000型 FPGA芯片為平臺，進行了軟硬件設(shè)計。采用變距式發(fā)射模式的超聲波探傷作業(yè)系統(tǒng)在人工傷損線進行了標定試驗和實際線路檢測試驗，試驗結(jié)果證明變距式超聲波發(fā)射模式可滿足超聲波探傷作業(yè)系統(tǒng)的檢測能力需求，能夠縮小超聲波掃查間距，有助于提高探傷系統(tǒng)的傷損檢出能力。

超聲波 發(fā)射模式 鋼軌探傷車 探輪

1 輪式探頭的特點

1.1 輪式探頭

國內(nèi)鋼軌探傷車采用的輪式探頭(簡稱探輪)內(nèi)部包含多種角度和頻率的超聲波換能器，外部包裹透聲的橡膠外膜，輪內(nèi)充滿用于超聲波傳輸?shù)鸟詈弦?。超聲波換能器在特定時刻發(fā)射的超聲波經(jīng)耦合液、探輪外膜進入到鋼軌內(nèi)部，超聲波遇反射體后發(fā)生反射，通過計算換能器接收到的回波信號的聲程時間，即可得到反射體在鋼軌內(nèi)的定位信息［1-3］。典型的探輪結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2 超聲波聲程時間和重復(fù)頻率

超聲波在探輪和鋼軌內(nèi)傳播時，超聲波聲程由探輪聲程L1和鋼軌聲程L2組成。超聲波在探輪內(nèi)以縱波形式傳播，聲速為v1，聲程時間為t1。入射至鋼軌界面時，斜入射的超聲波發(fā)生波形轉(zhuǎn)換［4］，以橫波形式在鋼軌內(nèi)繼續(xù)傳播，聲速為v2，聲程時間為t2。超聲波總聲程時間t0可表示為

圖1 探輪結(jié)構(gòu)示意

以輪廓尺寸最大的75 kg/m鋼軌為例，不同換能器的超聲波聲程時間見表1。

表1 75 kg/m鋼軌不同換能器的聲程時間 μs

由表1可見，為避免相鄰兩次超聲波發(fā)射周期之間產(chǎn)生干擾，超聲波換能器連續(xù)發(fā)射時，最小發(fā)射間隔時間應(yīng)為250 μs，則可得超聲波發(fā)射的最大重復(fù)頻率為4 000 Hz。

1.3 鋼軌掃查間距與理論最高檢測速度

探輪在鋼軌上連續(xù)滾動時，超聲波換能器按照特定重復(fù)頻率發(fā)射和接收超聲波，任意相鄰的超聲波發(fā)射點間的距離即為鋼軌掃查間距［5-6］。任意時刻探傷車檢測速度v、超聲波重復(fù)頻率 f、掃查間距L之間的關(guān)系為

為滿足國內(nèi)探傷車靈敏度要求，國標［7］規(guī)定超聲波發(fā)射重復(fù)頻率應(yīng)滿足掃查間距不大于6 mm。由此可以計算在當(dāng)前的探輪結(jié)構(gòu)下，探傷系統(tǒng)的理論最高檢測速度為vmax=6 mm/250 μs=86.4 km/h。

2 探傷車超聲波發(fā)射的3種模式

2.1 固定掃查間距模式

在檢測速度＜vmax時，采用固定掃查間距6 mm的模式，可以滿足探傷作業(yè)系統(tǒng)的最小掃查間距要求。不同速度時的超聲波發(fā)射重復(fù)頻率見表2。

表2 固定掃查間距時不同速度的超聲波重復(fù)頻率

由表2可知，在檢測速度較低時，超聲波重復(fù)頻率遠小于最大重復(fù)頻率，系統(tǒng)的檢測能力沒有被充分利用，而且過大的掃查間距也不利于檢測出小尺寸傷損。

2.2 固定重復(fù)頻率模式

采用固定重復(fù)頻率時超聲波掃查間距與車速成正比。這種模式以最小超聲波掃查間距檢測鋼軌，增加鋼軌傷損被掃查的次數(shù)，進而增加B顯圖形上傷損圖形的顯示點數(shù)，可有效提高小傷損的檢出能力。以最大超聲波重復(fù)頻率的模式進行檢測，在不同速度時，掃查間距見表3。

表3 最大重復(fù)頻率時不同速度的超聲波掃查間距

在固定重復(fù)頻率模式下，每一次超聲波發(fā)射與列車檢測速度和位置不相關(guān)，不易進行鋼軌傷損的里程定位。

2.3 變距式發(fā)射模式

以編碼器脈沖作為超聲波觸發(fā)信號，以脈沖距離作為超聲波掃查間距的基準量，在不同速度下采用不同個數(shù)的編碼器脈沖距離作為掃查間距，以臨界速度作為掃查間距切換的變量。這種發(fā)射模式既能減小超聲波掃查間距又能增加重復(fù)頻率。

設(shè)輪對直徑為d，編碼器分辨率為p，則超聲波掃查間距的基準距離s為

以n(n為自然數(shù))個編碼器脈沖行走距離作為超聲波掃查間距，則重復(fù)頻率為

此時，超聲波重復(fù)頻率必須滿足

則以n個編碼器脈沖作為超聲波掃查間距的最低臨界速度vmin和最高臨界速度vmax分別為

3 變距式發(fā)射模式設(shè)計

國內(nèi)探傷車輪對直徑為915 mm，編碼器分辨率采用每圈3 600個脈沖，則由式(3)可得超聲波掃查間距的基準距離近似為0.8 mm。當(dāng)n=7，超聲波掃查間距為5.6 mm時，由式(4)和式(6)可得，超聲波重復(fù)頻率分別為3 390，3 990 Hz，相應(yīng)的最小、最大檢測速度分別為68.4，80.4 km/h，滿足系統(tǒng)設(shè)定要求。

n=1～7時，由式(3)—式(6)可得不同掃查間距時系統(tǒng)的檢測速度和重復(fù)頻率，見表4。

表4 變距式發(fā)射模式的掃查間距與超聲波重復(fù)頻率

當(dāng)探傷車靜止和低速運行時，超聲波重復(fù)頻率采用固定值1 kHz，即表4中的模式M0。這樣可使系統(tǒng)操作員連續(xù)觀察到示波器的A顯信號，對設(shè)置系統(tǒng)參數(shù)、調(diào)節(jié)探輪對中很有幫助。此模式的超聲波掃查間距仍為1個編碼器脈沖距離，但超聲波發(fā)射與編碼器脈沖是異步的。

4 硬件實現(xiàn)

采用 XILINX公司的 Virtex-Ⅱ XC2V3000型FPGA芯片作為信號處理器，編碼器信號經(jīng)光耦隔離、整形，以 TTL電平形式接入 FPGA的 IO口。采用20 MHz基準時鐘對信號進行X4編碼采集，通過編碼器信號A，B的相位確定檢測方向，根據(jù)采集固定個數(shù)脈沖的時間計算行駛速度，根據(jù)行駛速度選擇下一周期的超聲波發(fā)射模式(即脈沖發(fā)射間距)。編碼器信號處理流程見圖2。

圖2 編碼器信號處理流程

5 試驗驗證

5.1 人工傷損線標定

鋼軌探傷車標定用的人工傷損線由每側(cè)10根25 m長的60 kg/m鋼軌組成，每根鋼軌上設(shè)置1個人工傷損，最高標定速度80 km/h。各鋼軌布置的人工傷損如圖3所示，傷損詳情見表5。

圖3 人工傷損布置示意

表5 人工傷損線的傷損詳情

采用變距式超聲波發(fā)射模式的鋼軌探傷系統(tǒng)以80 km/h速度連續(xù)10次對人工傷損進行檢測，傷損檢出率見圖4?？梢?，平均人工傷損檢出率為94.17%，滿足國標中規(guī)定的平均人工傷損檢出率≥80%的要求(L傷損加工時存在偏差，造成檢出率較低)。

圖4 人工傷損線標定試驗各傷損檢出率

中國鐵路總公司2014年引進了31臺80 km/h鋼軌探傷車，在車輛交驗時做了同樣的人工傷損線標定試驗。變距式系統(tǒng)與這31臺鋼軌探傷車的傷損檢出率對比見表6。

表6 傷損檢出率對比

由表6可見，采用本文介紹的變距式超聲波發(fā)射模式的超聲波探傷系統(tǒng)在80 km/h速度檢測時，傷損檢出率水平與引進的系統(tǒng)相當(dāng)。

5.2 線路檢測試驗

在實際線路檢測時，鋼軌接頭B顯圖是經(jīng)常出現(xiàn)的固定回波圖形，常用來校驗各通道增益高低、晶片好壞等。以鋼軌接頭的螺栓孔B顯圖形(圖5)為例分析不同檢測速度時變距式超聲波發(fā)射模式引起的變化。從螺栓孔B顯圖的回波點數(shù)可以看出，螺栓孔的超聲波回波次數(shù)隨速度的增加而減少。在80 km/h檢測速度時，前向和后向45°通道的回波次數(shù)分別為5次和4次。

圖5 10～80 km/h時螺孔B顯圖形

5.3 與既有探傷系統(tǒng)的掃查間距對比

變距式超聲波發(fā)射模式的鋼軌掃查間距與國內(nèi)裝備的既有探傷系統(tǒng)的鋼軌掃查間距對比見圖6。

圖6 兩系統(tǒng)鋼軌掃查間距對比

以0.50～68.4 km/h速度探傷作業(yè)時，變距式超聲波發(fā)射模式的掃查間距小，更有利于提高傷損的回波次數(shù)。在使用相同閘門位置、閘門閾值、增益設(shè)置時，采用變距式發(fā)射模式的探傷系統(tǒng)與既有探傷系統(tǒng)在不同速度時的螺栓孔掃查次數(shù)對比見圖7?？梢姡谙嗤瑱z測速度時變距式系統(tǒng)掃查次數(shù)增多。

圖7 螺栓孔掃查次數(shù)對比

6 結(jié)語

本文針對高速輪式超聲波探傷作業(yè)系統(tǒng)，結(jié)合超聲波在探輪和鋼軌內(nèi)傳播的特點，對鋼軌探傷車檢測速度、掃查間距、超聲波重復(fù)頻率之間的關(guān)系進行研究，比較了高速輪式探傷3種超聲波發(fā)射模式的優(yōu)缺點，設(shè)計了隨車速變化的8個超聲波發(fā)射模式，相關(guān)軟硬件已應(yīng)用在自主化鋼軌探傷作業(yè)系統(tǒng)中。

通過人工傷損線標定試驗和實際線路檢測試驗，驗證了變距式超聲波發(fā)射模式的可行性和先進性。變距式發(fā)射模式充分發(fā)揮了超聲波探傷作業(yè)系統(tǒng)的軟硬件性能，在0.50～68.4 km/h速度區(qū)間能夠有效提高超聲波重復(fù)頻率，縮小鋼軌掃查間距，從而有助于提高探傷系統(tǒng)對鋼軌傷損的檢出能力。

［1］劉峰，王凱，徐國興.現(xiàn)役鋼軌探傷車檢測系統(tǒng)60 km/h提速改造方案與實施［C］//鐵道科學(xué)技術(shù)新進展——鐵道科學(xué)研究院五十五周年論文集.北京:鐵道部科學(xué)研究院，2005.

［2］祝連慶，孫軍華，董明利，等.鋼軌高速探傷系統(tǒng)的研究［J］.儀器儀表學(xué)報，2002，23(3):119-121.

［3］李錦，牟國義，馬鐵雷.鋼軌探傷漏檢螺孔裂紋的原因分析和應(yīng)對措施［J］.鐵道建筑，2010(11):132-134.

［4］馬占生.鋼軌探傷［M］.成都:西南交通大學(xué)出版社，2014.

［5］沈建中.超聲探傷靈敏度與靈敏度上限［J］.無損檢測，2002，24(10):418-421.

［6］石永生，張玉華，李培，等.高速鐵路鋼軌探傷車動態(tài)靈敏度設(shè)置探討［J］.鐵道建筑，2014(9):113-116.

［7］中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局，中國國家標準化管理委員會.GB/T 28426—2012 大型超聲波鋼軌探傷車［S］.北京:中國標準出版社，2012.

Design-and-application of high speed wheel-type rail flaw detection device based on distance-variable and ultrasonic-emission mode

LI Pei1，WANG Xu2，SHI Yongsheng1，ZHANG Yuhua1，MA Yunzhong1
(1.Infrastructure Inspection Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China; 2.Track Inspection Division，Jinan Railway Administration，Jinan Shandong 250000，China)

Compared with the traditional manual detection method，rail flaw detection car has the characteristics of high detection speed，high reliability and good repeatability，which plays an important role in ensuring railway transportation safety.At present，the maximum detection speed of the large rail flaw detector car is 80 km/h.Based on the high speed ultrasonic flaw detection system development with rolling probe unit(RPU)and combing with the characteristics of ultrasonic spreading in the RPU and rail，this paper studied the relationship among detection speed，scanning interval and ultrasonic repetition frequency of rail flaw detection car，compared the advantages and disadvantages of three kinds of ultrasonic-emission mode for high speed wheel detection，designed eight ultrasonicemission mode for flaw detection system，and made the hardware and software design with XILINX Virtex type-ⅡXC2V3000 FPGA.Calibration test and actual line detection test were implemented in artificial injury line by adopting ultrasonic flaw detection system with variable distance emission mode.T he test results showed that the variable distance ultrasonic-emission mode could satisfy the requirement of detection capability for ultrasonic flaw detection system and decrease the ultrasonic scanning interval，which could improve the flaw detection capability of detection system.

Ultrasonic;Emission mode;Rail flaw detection car;Rolling probe unit

U216.3

:ADOI:10.3969/j.issn.1003-1995.2015.11.36

(責(zé)任審編 李付軍)

2015-08-28;

:2015-09-26

中國鐵道科學(xué)研究院鐵道科學(xué)技術(shù)研究發(fā)展中心重點課題項目(J2014G001);鐵道部科技研究開發(fā)計劃重大課題項目(2012G004-A)

李培(1984— )，男，助理研究員，碩士。

1003-1995(2015)11-0127-05