重載鐵路鋼軌探傷高速試驗平臺超聲驗證研究

彭曄

中國神華能源股份有限公司，北京 100011

新朔鐵路由大準鐵路、準池鐵路和新準鐵路組成，運營總里程631 km，橫跨山西、內(nèi)蒙古兩省區(qū)，是國家能源集團路網(wǎng)的重要組成部分，是中國煤炭系統(tǒng)最長的企業(yè)自建自管專用線路。隨著運量的持續(xù)高位運行，新朔鐵路鋼軌傷損數(shù)量逐年增多而且傷損的種類日益復(fù)雜［1］。目前新朔鐵路鋼軌探傷主要通過鋼軌探傷儀完成，成本高，效率低，風(fēng)險高，需開發(fā)一種能實現(xiàn)不低于80 km/h探傷作業(yè)的新型鋼軌探傷車，通過編入鐵路運行圖完成鋼軌檢測，與手推式鋼軌探傷儀相結(jié)合，滿足車流密度較大情況下貨運鐵路鋼軌探傷需求（60~80 km/h）［2-4］。

世界上大型鋼軌探傷車主要使用探輪式、皮帶輪式和滑靴式檢測［5］?；ナ教筋^與軌面直接接觸，探頭容易在高速下發(fā)生撞擊，對線路和接頭平整度要求高。探輪式探頭包裹在探輪里，無效飛行時間長達100μs［6-7］。皮帶輪式探頭結(jié)合滑靴式與軌面直接接觸優(yōu)勢，又吸收探輪式包裹保護探頭設(shè)計方式，6 mm采樣間距下鋼軌探傷車最高速度達到80 km/h以上。同等采樣間距下皮帶輪式最高速度約為探輪式的1.5倍，且探頭受皮帶保護不易損壞。因此，采用皮帶輪式提升探傷速度和效率是一種可行方案。

為驗證高速下超聲探傷效果，需建立鋼軌探傷車試驗線路，但存在兩個問題：

1）新型鋼軌探傷車生產(chǎn)前需要驗證超聲探傷系統(tǒng)在高速條件下的性能。

2）按照標準，緊急制動距離不少于800 m，試驗線長度不少于2 km，目前無適宜的線路鋪設(shè)場地。利用高速試驗平臺代替試驗線路可以解決上述問題［8］。

皮帶式鋼軌探傷車探傷過程中，鋼軌、皮帶和探頭相互作用關(guān)系為：鋼軌與皮帶之間為滾動摩擦；探頭和皮帶之間為滑動摩擦；鋼軌和探頭相對靜止。要模仿現(xiàn)實探傷運動中相互作用關(guān)系，可以對車輪進行加工使其與60 kg/m（簡稱60軌）鋼軌廓形相同，再在車輪上增設(shè)人工傷損。車輪做高速旋轉(zhuǎn)運動代替鋼軌探傷車在線路上高速運動，探頭固定在高速試驗平臺上，運行時大輪滾動帶動皮帶轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)超聲探傷系統(tǒng)的高速驗證。

本文以新朔鐵路鋼軌探傷現(xiàn)狀為基礎(chǔ)，探討高速鋼軌探傷車的必要性，對比國內(nèi)外各種探傷車超聲檢測方式的優(yōu)劣，選擇皮帶輪式作為高速探傷載體。為建立高速試驗平臺驗證高速下超聲探傷性能，介紹鋼軌常見傷損類型和超聲檢測方式，對60 kg/m鋼軌和高速試驗平臺樣板輪傷損反射路徑檢測進行理論和仿真分析，同時開展靜態(tài)和動態(tài)測試分析。

1 試驗平臺設(shè)計

高速試驗平臺傳動系統(tǒng)采用11 kW、380 V電機通過動力傳動皮帶帶動樣板輪，可以實現(xiàn)5～80 km/h的線速度調(diào)節(jié)，最高線速度下樣板輪轉(zhuǎn)速達6 r/s。超聲探傷系統(tǒng)包括超聲主機、數(shù)據(jù)采集單元和角度探頭，通過在高速試驗平臺上依次固定不同角度探頭，驗證不同速度下角度探頭對人工傷損檢測情況，評估高速下超聲探傷性能。機械控制單元具備探頭對中調(diào)節(jié)功能［9］，最大調(diào)節(jié)量為±10 mm，還可通過探頭下壓力及姿態(tài)調(diào)整確保探頭與樣板輪充分接觸，耦合效果良好。樣板輪直徑1 200 mm，輪廓加工成60軌形狀，人工傷損設(shè)計要參考鋼軌探傷車不同角度探頭超聲覆蓋范圍及檢測特點，軌頭區(qū)域加工軌頭橫通孔、軌頭斜孔，軌腰區(qū)域加工軌腰水平裂紋、軌腰斜裂紋，軌底區(qū)域加工軌底月牙。

高速試驗平臺使用車輪代替60軌。因與真實軌道存在差異，需要評估對超聲耦合效果的影響。根據(jù)探頭與鋼軌接觸面積30 mm（寬）×60 mm（長）、車輪直徑1 200 mm評估車輪弧度引入的耦合誤差。經(jīng)計算，沿車輪旋轉(zhuǎn)方向最大耦合間隙為0.72 mm。超聲動態(tài)探傷時探頭與轉(zhuǎn)輪之間有皮帶和水，實際測試時皮帶柔性及耦合水流動性均會填充因車輪弧度導(dǎo)致的耦合間隙。

2 試驗及分析

重載鐵路鋼軌傷損主要有：①由輪軌接觸疲勞、軌頭沖擊應(yīng)力、擦傷、軌頭近表面非金屬夾渣疲勞源形成軌頭核傷；②軌道結(jié)構(gòu)不合理、鉆孔不合理、接頭沖擊力大、接頭養(yǎng)護不良形成軌腰螺孔裂紋；③軌底銹蝕或劃痕、軌腰垂直縱向裂紋向下發(fā)展、軌底與墊板不密貼使軌底局部產(chǎn)生過大應(yīng)力、焊接工藝不良而形成軌底裂紋。

鋼軌探傷設(shè)備常用的超聲布局方式是使用直打70°一次波或偏斜70°二次波角度探頭檢測軌頭核傷，見圖1。使用37°或0°角度探頭檢測軌腰和軌底裂紋，所有角度探頭均采用前后雙向布局掃查［10］。

圖1 鋼軌探傷超聲檢測原理

2.1 理論計算

在高速試驗平臺上驗證80 km/h速度下直打70°、偏斜70°和37°時角度探頭的探傷性能，人工傷損類型包含軌頭核傷、軌腰裂紋和軌底裂紋，對比人工傷損在60軌和1 200 mm直徑樣板輪上的差異。

2.1.1 軌頭核傷一次波與二次波反射路徑

軌頭核傷超聲檢測如圖2所示，不考慮偏斜角度影響。60軌軌面到軌顎起始處高度h=36 mm，直打70°一次波聲程AC1為105 mm；偏斜70°聲束在軌顎C1處反射，沿鋼軌縱向的反射角θ2近似70°，聲程（AC1+C1P1）約210 mm。

圖2 軌頭核傷超聲檢測示意

把樣板輪外形輪廓加工成60軌形狀，此時偏斜70°聲束在軌顎C2處反射，受樣板輪弧度影響反射角θ3不再是70°，利用三角函數(shù)計算一次波對應(yīng)弧線AC2角度為18.6°，因此二次波沿鋼軌縱向的反射角θ3近似88.6°，反射角度過大橫波能量急劇變?nèi)?，同時超聲檢測聲程AP2達到384 mm，幾乎是60軌聲程的2倍。可知樣板輪軌頭區(qū)域不適合用于偏斜70°二次波高速探傷驗證。

樣板輪軌頭區(qū)域70°一次波檢測聲程AC2為192 mm，反射聲束角度只與缺陷形態(tài)有關(guān)，不受弧度影響，只需要考慮超聲衰減。假設(shè)在軌頭AB高度1/2處點O作垂線與70°一次波相交，交點為M。在樣板輪M位置與60軌軌頭O位置加工相同的人工傷損，70°一次波檢測聲程也相同。把點M與樣板輪圓心連接并延長到樣板輪軌面弧線相交于點N。MN就是樣板輪上人工傷損距軌面的深度，約16 mm。通過這種方式設(shè)計軌頭橫孔和斜孔，可實現(xiàn)直打70°和偏斜70°（一次波）在樣板輪上開展高速探傷驗證。

2.1.2 軌腰與軌底裂紋超聲反射路徑

軌腰及軌底裂紋超聲檢測如圖3所示。60軌高度H=176 mm，螺孔中心到軌面距離為97 mm。假設(shè)在螺孔中軸線位置加工37°裂紋E1，在軌底中間位置加工R5H4當(dāng)量軌底月牙F1。螺孔裂紋E1與37°聲束相互作用角度β1為90°，此時超聲全部反射，超聲檢測聲程A0E1為121 mm。軌底月牙F1采用端角反射檢測。根據(jù)超聲原理，當(dāng)角度α1為35°~55°時不會發(fā)生橫波分離。37°聲束檢測時端角為37°，此時端角反射率高，超聲檢測聲程A1F1為220 mm。

圖3 軌腰及軌底裂紋超聲檢測示意

樣板輪螺孔裂紋E2與37°聲束相互作用角度β2受樣板輪弧度影響，偏移弧線E1E2對應(yīng)角度為9°，因此螺孔裂紋E2與37°聲束相互作用角度β2增大為99°，此時超聲檢測聲程A0E1為129 mm。綜合以上分析，樣板輪螺孔37°裂紋需要增加9°校準樣板輪弧度引入的偏離，而兩種試塊超聲聲程相近。

樣板輪軌底月牙F2與37°聲束相互作用角度α2同樣受樣板輪弧度影響，偏移弧線F1F2對應(yīng)角度為21°，37°聲束檢測時端角為58°，此時端角反射率較低，超聲檢測聲程AF2為257 mm。因為圓弧上軌底月牙端角反射二次波復(fù)雜，不適宜校準，需通過仿真對比分析。

2.2 試驗仿真及分析

2.2.1 人工傷損設(shè)計

根據(jù)理論計算已知軌頭區(qū)域、軌腰區(qū)域、軌底區(qū)域需要的人工傷損類型和參數(shù)見表1。利用CIVA軟件建立1 200 mm樣板輪和60軌人工傷損檢測仿真模型，見圖4。分析各類型人工傷損在兩種試塊上檢測增益差和-6 dB采樣長度，評估超聲在高速試驗平臺中的驗證方案。

表1 人工傷損類型和參數(shù)

圖4 樣板輪模型

2.2.2 軌頭核傷仿真

在距軌頭高度1/2處設(shè)置φ3 mm橫通孔和φ5 mm-17.5°斜孔（樣板輪在距軌面16 mm位置）。直打70°探頭放置在軌面中間位置與鋼軌縱向或周向平行，偏斜70°探頭與鋼軌縱向或周向夾角為18°，探頭中心頻率2.25 MHz，芯片尺寸15 mm（寬）×20 mm（長）。仿真結(jié)果見圖5?？芍?，直打70°檢測樣板輪軌頭橫通孔相較于60軌低1.2 dB；偏斜70°檢測樣板輪軌頭橫通孔相較于60軌低2 dB。兩種試塊上軌頭核傷差異小于3 dB，利用樣板輪代替60軌進行超聲高速探傷驗證試驗可行。

圖5 仿真檢測軌頭斜孔

2.2.3 軌腰及軌底裂紋仿真

在軌腰設(shè)置螺孔37°上裂紋，同時在樣板輪上設(shè)置螺孔46°上裂紋，對比弧度偏移對檢測結(jié)果的影響；在軌底設(shè)置R5H4月牙。探頭參數(shù)與核傷檢測時一致。仿真結(jié)果見圖6。可知：①37°檢測樣板輪螺孔37°上裂紋相較于60軌低2 dB，而經(jīng)過弧度校準的樣板輪螺孔46°上裂紋與60軌基本持平。圓弧導(dǎo)致超聲與螺孔裂紋不再呈垂直關(guān)系，超聲反射能量變少，因此樣板輪加工螺孔裂紋角度只需要在原有基礎(chǔ)上增加9°，校準圓弧導(dǎo)致的角度偏離就可取代60軌。②37°檢測樣板輪軌底月牙比60軌低5.2 dB。圓弧改變了超聲檢測軌底月牙角度，入射角度變大后端角反射率降低，軌底月牙經(jīng)過多次波反射檢測，在軌底圓弧面波型轉(zhuǎn)換更加復(fù)雜，不適宜通過調(diào)整月牙角度來改善端角反射率。需要試驗進一步評估其可行性。

圖6 37°仿真檢測

2.3 試驗測試及分析

鋼軌探傷車在80 km/h速度下脈沖間隔要小于6 mm，此時鋼軌探傷B型顯示圖譜中出現(xiàn)3點連續(xù)反射波，傷損報警才算有效。

鋼軌探傷車高速下動態(tài)檢測時，探頭載體與軌面耦合受接觸時間、耦合液填充、軌面狀況等影響，探頭超聲入射到鋼軌中的能量比系統(tǒng)低速下標定時低，需要在檢測靈敏度基礎(chǔ)上增加6 dB。

2.3.1 靜態(tài)試驗

基于理論計算和仿真分析，設(shè)計60軌人工傷損，測試結(jié)果見表2?？芍红`敏度余量均大于20 dB，滿足高速動態(tài)衰減6 dB靈敏度補充。根據(jù)CIVA仿真對比可類推樣板輪人工傷損檢測時信噪比和增益需要下降3~6 dB，此時檢測信噪比大于18 dB，滿足高速探傷要求。

表2 60軌人工傷損靜態(tài)檢測結(jié)果

2.3.2 動態(tài)試驗

啟動高速試驗平臺，樣板輪線速度達到80 km/h后進行勻速往復(fù)循環(huán)運動，所有缺陷會周期性出現(xiàn)在超聲檢測范圍，每次測試時在高速平臺踏面上放置70°探頭、37°探頭依次進行測試。記錄高速下樣板輪缺陷檢測情況，結(jié)果見表3。

表3 80 km/h進行時樣板輪人工傷損檢測結(jié)果

由表3可知：直打70°檢測軌頭橫通孔信噪比為20 dB且有5個出波點，偏斜70°檢測軌頭斜孔信噪比為30 dB且有9個出波點，軌腰螺孔37°裂紋信噪比達到31 dB且有11個出波點，出波點數(shù)均大于3個，檢出傷損報警有效；由于圓弧改變了超聲檢測軌底月牙角度導(dǎo)致超聲波反射率降低，樣板輪軌底R5H4月牙無法檢出。高速試驗平臺測試表明80 km/h速度下該超聲系統(tǒng)對軌頭核傷、螺孔裂紋的檢測效果是滿足要求的，而軌底缺陷高速檢出效果無法用高速試驗平臺驗證，需要在試驗線進行動態(tài)測試。

3 結(jié)語

經(jīng)過仿真模型優(yōu)化后的樣板輪人工傷損設(shè)計結(jié)合高速試驗平臺能真實反映高速下超聲系統(tǒng)檢測效果。經(jīng)測試，80 km/h速度下超聲系統(tǒng)檢測軌頭φ3 mm橫通孔信噪比為20 dB，軌頭φ5 mm-17.5°斜孔信噪比為30 dB，螺孔37°裂紋信噪比達到31 dB，出波點數(shù)均大于3個，檢出傷損有效，系統(tǒng)經(jīng)測試滿足高速下檢測要求。軌底月牙受樣板輪圓弧曲率影響超聲反射率降低無法檢出，后續(xù)還需鋪設(shè)試驗線對超聲系統(tǒng)軌底傷損檢測能力進行驗證。