雙軌式鋼軌探傷儀的分析與應用

馬占生 姜 興

（湖南高速鐵路職業(yè)技術學院，湖南 衡陽 421001）

1 研究背景

鋼軌探傷是發(fā)現(xiàn)鋼軌傷損、確保鐵路安全運行的重要技術手段[1]。在鐵路運營維護過程中，常用的鋼軌探傷技術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，我國鐵路探傷領域使用較為廣泛的鋼軌探傷技術為超聲波探傷，其主要采用的設備包括單軌探傷儀、雙軌探傷儀和鋼軌探傷車[3]。單軌探傷儀工作效率較低、工人勞動強度大，存在大型鋼軌探傷車投入成本大、操作復雜等問題[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存在的問題，目前運用雙軌探傷儀進行鐵路探傷已成為一種新趨勢。因此，對雙軌探傷儀開展鋼軌探傷研究具有重要的現(xiàn)實意義。

國內(nèi)外學者針對鋼軌探傷開展了大量研究。鐘星等[5]基于目前鐵路運營現(xiàn)狀及鋼軌探傷方式的特點，研制了雙軌自行式B掃描鋼軌探傷小車，研究結果表明該款探傷小車能夠滿足現(xiàn)場探傷要求。韓小平[6]針對目前鋼軌探傷存在的問題，結合目前天窗修作業(yè)的工作特點，提出了一種新型的鋼軌探傷設備，并對設備的技術性能和特點進行了總結。鄭韻嫻等[7]基于目前雙軌式探傷儀輪式探頭使用沒有專門標準及檢驗方法存在的問題，分析了既有超聲波探傷儀性能指標，提出了一種詳細的輪式探頭性能指標檢驗方法。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、機械和電子等多方面對雙軌式探傷儀開展研究，設計一款新型高原雙軌式探傷儀，研究成果能夠促進高原高海拔地區(qū)鋼軌探傷作業(yè)模式的進步。安尚文等[9]基于鋼軌廓形特性與雙軌探傷儀的工作特點，設計了一款模塊化的渦流檢測系統(tǒng)用于開展鋼軌探傷，結果表明該模塊化檢測系統(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]對鐵路既有探傷設備局限進行系統(tǒng)結構剖析和實證研究，證明鐵路軌道綜合檢測系統(tǒng)能夠更好地適應鐵路維修模式。雙軌式鋼軌探傷儀目前側重對某一特點開展研究，對雙軌式鋼軌探傷儀整體研究少有報道。本研究對雙軌式探傷儀原理和特點進行分析，詳細介紹雙軌式鋼軌探傷儀的各個組成部分及其注意事項，對其結構安全性進行計算，結合試驗結果探討雙軌式探傷儀，以期為雙軌式探傷儀的應用提供理論支持。

2 雙軌式鋼軌探傷儀原理及特點

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。采用超聲波進行探傷時，超聲波發(fā)射晶片將超聲波射入鋼軌內(nèi)部，當超聲波遇到傷損時，在鋼和空氣界面?zhèn)鞑ナ茏瑁a(chǎn)生反射回波，經(jīng)過儀器的接收與顯示，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行探傷，單個輪式探頭包含9個不同角度發(fā)射晶片，其中1個0°晶片安裝于中心位置，晶片發(fā)射的超聲縱波用于檢測軌腰水平裂紋和軌底縱向裂紋；2個37°晶片一前一后安裝，晶片發(fā)射的超聲橫波用于檢測軌腰25°～45°斜裂紋和軌底橫向裂紋；4個斜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軌頭橫向裂紋；2個直70°晶片一前一后安裝，利用其超聲橫波的一次波檢測軌頭橫向裂紋。

2.2 雙軌式鋼軌探傷儀的特點

雙軌式鋼軌探傷儀適用于43～75 kg/m鐵道線路鋼軌的超聲波探傷作業(yè)；能夠滿足檢測鋼軌軌頭、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°）檢測軌腰及其延伸部位，斜探頭（70°或其他有利于檢測軌頭橫向裂紋的角度）檢測軌頭部位；雙軌式鋼軌探傷儀具有一次波和二次波檢測軌頭橫向裂紋的能力；整體布局應便于各部件調(diào)整和維修；用輕量化、模塊化設計，單個模塊質量不超過60 kg，總質量不超過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)檢測速度不小于15 km/h；續(xù)航能力方面，可以連續(xù)運行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，平均檢測速度為15 km/h，效率高，充分利用天窗時間，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強度。雙軌式鋼軌超聲波探傷儀的動力系統(tǒng)機械運行可靠，操作方便，整車拆裝簡便，連續(xù)作業(yè)里程長。整體穩(wěn)定性和重復性優(yōu)于手推式探傷儀，消除了手推探傷儀手推過程中的人為因素的影響。雙軌式鋼軌超聲波探傷儀檢測系統(tǒng)使用輪探頭，9個通道同時對鋼軌進行檢測，耦合情況更好，有利于對傷損的檢測，傷損檢出率高。雙軌式鋼軌超聲波探傷儀整車采用模塊化設計，組裝和拆分簡單快捷，能夠在5 min內(nèi)能完成，上下線路操作。

2.2.2 對比大型探傷車

雙軌式鋼軌超聲波探傷儀使用更加機動靈活，不需要調(diào)度，只要有天窗點就能上道檢測。雙軌式鋼軌超聲波探傷儀檢測更精細。探傷儀每2.67 mm發(fā)射一個脈沖，大型探傷車每4 mm發(fā)射一個脈沖。雙軌式鋼軌超聲波探傷儀檢測軌底裂紋，而大型探傷車不檢測軌底裂紋。雙軌式鋼軌超聲波探傷儀的造價遠低于大型探傷車，探傷車的維修不但價格昂貴，而且人員到達現(xiàn)場速度緩慢。雙軌式鋼軌超聲波探傷儀在作業(yè)過程中，發(fā)現(xiàn)傷損可立即倒車復核，現(xiàn)場判傷。而大型探傷車只能通過回放發(fā)現(xiàn)傷損，再由探傷工作人員利用手推式儀器進行二次復核，嚴重浪費了人力物力。

3 雙軌式鋼軌探傷儀系統(tǒng)組成及注意事項

3.1 硬件

雙軌式鋼軌探傷儀硬件包括機箱、筆記本、鋰電池、輪式探頭、鼠標、編碼器、連接線、車體、走行輪、傳動裝置、制動裝置、水箱、防護裝置、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)設置、數(shù)據(jù)采集、處理和回放以及傷損智能識別等功能。

3.3 注意事項

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

4 雙軌式鋼軌探傷儀安全性分析

4.1 車輪強度分析

雙軌式鋼軌探傷儀車輪的輪轂采用鋁合金，利用有限元方法對車輪強度進行分析。假設4個車輪承載800 kg，則每個車輪的負荷為1 960 N，計算可得車輪變形為0.017 7 mm，車輪最大有效應力為14.7 MPa，鋁合金的屈服應力為27.6 MPa，沒有達到屈服應力，說明車輪強度滿足要求。

4.2 車軸強度分析

雙軌式鋼軌探傷儀車軸采用空心厚管，利用有限元方法對車軸強度進行分析。每根軸承受400 kg質量，車軸變形約為0.09 mm，車軸的最大有效應力34.16 MPa，合金鋼的屈服應力為620.4 MPa，遠沒有達到屈服應力，說明車軸強度滿足要求。

4.3 車架強度分析

雙軌式鋼軌探傷儀車架采用Q235的鋼管，利用有限元方法對車架強度進行分析。假設車身承載500 kg的質量，則每半個車身的負荷為2 450 N，車架變形為2.87 mm，車輪最大有效應力121.8 MPa，鋼管的屈服應力為235.0 MPa，沒有達到屈服應力，說明車架滿足強度要求。

基于有限元方法對雙軌式鋼軌探傷儀走行平臺的車輪、車軸、車架進行分析。結果表明，結構各部位的安全性均滿足強度要求，可用于下一步試驗研究。

5 雙軌式鋼軌探傷儀的應用

南寧工務段利用雙軌式鋼軌探傷儀對車間標準試軌傷損進行現(xiàn)場測試，雙軌式鋼軌探傷儀檢測發(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%。

武漢高鐵工務段利用雙軌式鋼軌探傷儀對車間標準損傷軌進行測試，雙軌探傷儀檢測發(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，標準傷軌全部檢出，且夜間上道使用效果良好。

6 結語

文章從雙軌式探傷儀原理和特點進行分析，詳細介紹雙軌式鋼軌探傷儀的各個組成部分及其注意事項，對其結構安全性進行計算，結合試驗結果對雙軌式探傷儀進行討論。雙軌式鋼軌探傷儀基于超聲波原理對鋼軌進行探傷，從9個不同角度的發(fā)射晶片對鋼軌各個方向傷損進行檢測，能夠滿足檢測鋼軌軌頭、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、輕量化設計，用于鋼軌探傷時存在諸多注意事項，需要遵守操作規(guī)定；雙軌式鋼軌探傷儀的車輪、車軸以及車架強度能夠滿足安全性要求，可用于試驗研究；雙軌式鋼軌探傷儀在現(xiàn)場應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)場實際探傷。