杭州地鐵1號線輪對動態(tài)檢測系統(tǒng)升級改造方案探討

樓鑫鴻

(杭州杭港地鐵五號線有限公司，浙江 杭州 310000)

0 引言

杭州地鐵1號線在七堡車輛基地的正線出入段安裝了一套基于TSA超聲波探傷模塊的輪對動態(tài)檢測系統(tǒng)，來實行車輪踏面缺陷的快速動態(tài)自動檢測。隨著使用年限的增加，現(xiàn)有的檢測系統(tǒng)從實際檢測性能、維護成本方面考慮，已無實際使用的價值和意義，并且接觸式TSA探傷模塊在直流牽引地鐵系統(tǒng)中存在輪對與鋼軌的打火問題，并造成輪對踏面灼傷。

1 輪對動態(tài)檢測系統(tǒng)現(xiàn)狀

杭州地鐵1號線輪對動態(tài)檢測系統(tǒng)應用的是電磁超聲波換能器(EMAT)原理(見圖1)，通過將檢測設(shè)備的4只探頭(TSA超聲波探傷模塊)分別交錯安裝(兩兩相隔一定距離)在左右2條定制鋼軌上(見圖2)，利用探頭在輪對踏面發(fā)出超聲波，超聲波在經(jīng)過輪對踏面1周后回到探頭形成相應的波形，通過波形來判定輪對內(nèi)表面徑向是否有缺陷。其用在直流牽引城市軌道交通系統(tǒng)中，會有以下情況。

圖1 超聲波探傷檢測原理圖

1.1 TSA探傷模塊針對地鐵實用性不強

1)TSA探傷模塊主要用于檢測輪對踏面內(nèi)部10 mm以下徑向缺陷，而對于其他缺陷無法進行有效檢測。

2)TSA探傷模塊在大鐵上運用比較廣泛，而在地鐵行業(yè)運用較少。主要因為大鐵車輛長期高速運行，容易造成車輪內(nèi)部缺陷。地鐵車輛行駛速度較低，啟停頻率高，容易造成車輪外部的擦傷和剝離缺陷，所以探傷檢測模塊在地鐵行業(yè)中實用性不強。1號線輪對故障檢測系統(tǒng)運用7年來共檢測車輛編組67 000多次，至今未檢出有車輪內(nèi)部裂紋等缺陷故障情況。

圖2 TSA模塊現(xiàn)場安裝圖

1.2 檢測區(qū)域鋼軌打火，造成輪對踏面及設(shè)備軌軌面灼傷

TSA探傷模塊需要安裝在定制的鋼軌上面(見圖3)，在檢測時需要與電客車輪對踏面接觸。為了防止TSA探傷模塊被列車經(jīng)過時的直流牽引回流燒毀，須將這段定制鋼軌與正常行軌進行絕緣(此段特制軌道以下簡稱設(shè)備軌)并做高標準單獨接地處理(見圖4)?，F(xiàn)設(shè)備軌與正常行軌已經(jīng)進行絕緣隔離接地處理，隔離的設(shè)備軌長度為8.125 m。

圖3 TSA探傷模塊及定制鋼軌

圖4 設(shè)備軌接地示意圖

因設(shè)備軌已被隔離接地，當電客車的輪對從行軌通過絕緣節(jié)進入設(shè)備軌時會出現(xiàn)輪對踏面和設(shè)備軌的打火現(xiàn)象，造成輪對踏面(見圖5)和設(shè)備軌軌面灼傷。

圖5 被灼傷的輪對

1.3 繼續(xù)使用的綜合成本高

1)TSA超聲波探傷模塊是采用10年前的淺表層超聲探傷技術(shù)，現(xiàn)在國外的供方已經(jīng)停止對其進行生產(chǎn)，后續(xù)維修配件只能購買廠家的庫存件，采購價格相當昂貴，該系統(tǒng)共有4個超聲波探頭，經(jīng)7年使用其中2個探頭與車輪之間存在間隙，探頭發(fā)射的超聲波無法傳輸?shù)杰囕啽韺由先ィ枰M行更換。

2)因打火現(xiàn)象造成電客車輪對踏面灼傷后，需要將灼傷的輪對進行鏇輪。不僅增加了鏇輪工作量，同時減少了輪對的使用壽命。

2 升級改造方案說明

升級改造方案所用的新系統(tǒng)采用的是LVT車輪踏面缺陷圖像監(jiān)測模塊(簡稱“LVT模塊”)，通過在軌邊布置16個圖像采集單元(見圖6)，分成4組，定點觸發(fā)采集4張圖片覆蓋整個踏面。當一個車輪經(jīng)過檢測區(qū)時，系統(tǒng)共采集8張圖片(單邊)，篩選無遮擋的踏面圖片，實現(xiàn)踏面圓周全覆蓋展示。

圖6 LVT模塊軌邊布局圖

其原理是通過采用圖像分析測量技術(shù)實現(xiàn)對車輪踏面圖像采集，智能化識別踏面缺陷；通過圖像特征匹配、模式識別技術(shù)，實現(xiàn)對踏面剝離、硌傷等的自動檢測(見圖7)并對踏面缺陷進行預警。LVT車輪踏面缺陷圖像監(jiān)測模塊運用在城市軌道交通系統(tǒng)中有以下幾個優(yōu)點。

圖7 LVT模塊識別示例

2.1 檢測目的性強

地鐵車輛輪對踏面主要故障為踏面的剝離、硌傷、凹坑等缺陷，而LVT模塊通過圖像檢測算法和模式識別，實現(xiàn)踏面剝離、硌傷、凹坑的自動檢測，且踏面表面缺陷檢測范圍最小面積8 mm2，最大面積3 600 mm2(見圖8)。

圖8 LVT檢測的范圍

2.2 技術(shù)成熟，運用普遍

LVT車輪踏面缺陷圖像監(jiān)測模塊已在地鐵行業(yè)安裝用于多年，且大部分地鐵線路中都已安裝了該模塊。杭州地鐵除1號線無該檢測模塊。其中2、4、5號線包括已經(jīng)完成招標的7、9號線都配置了該檢測模塊。

2.3 安裝方便，操作簡單

LVT模塊安裝簡單，改造工程量小，無需在定制特殊軌道安裝，只需加裝在正常鋼軌兩側(cè)(見圖9)，且與現(xiàn)有系統(tǒng)兼容，使用操作簡易上手。

圖9 LVT模塊現(xiàn)場安裝效果圖

2.4 無需隔離接地，消除鋼軌打火隱患

LVT模塊與車輪為非接觸式檢測，不存在牽引回流電對設(shè)備造成損毀。所以檢測設(shè)備區(qū)域鋼軌無需隔離接地。徹底消除了在直流牽引城市軌道系統(tǒng)使用中出現(xiàn)的鋼軌打火隱患。

3 結(jié)語

接觸式超聲波探傷檢測模塊(TSA模塊)無論是從實用性能還是從維護成本來分析，已無實際使用的價值和意義。升級改造方案所采用的LVT模塊通過采集車輪圖像，即解決接觸式檢測方式只能檢測輪軌接觸踏面區(qū)域的問題，實現(xiàn)整個踏面狀況的可視化監(jiān)測，又在一定程度上可以減少或替代下地溝對擦傷進行復核的頻次以及復核不全問題；同時開發(fā)圖像檢測算法，通過模式識別，實現(xiàn)踏面剝離、硌傷、凹坑的自動檢測，并根據(jù)缺陷嚴重程度實現(xiàn)分級報警，為杭州地鐵1號線電客車安全運行提供強力保障。