楊國(guó)濤

（中國(guó)鐵路總公司科技管理部，北京100844）

鋼軌探傷車探傷作業(yè)系統(tǒng)自主化研究

楊國(guó)濤

（中國(guó)鐵路總公司科技管理部，北京100844）

在鋼軌探傷車長(zhǎng)期應(yīng)用過程中發(fā)現(xiàn)，探傷作業(yè)系統(tǒng)探輪更換困難，在數(shù)據(jù)量大時(shí)上位機(jī)會(huì)死機(jī)，探輪對(duì)中狀態(tài)受鐵屑、鋼軌磨耗影響較大，對(duì)螺孔裂紋存在漏報(bào)現(xiàn)象。針對(duì)這些問題，設(shè)計(jì)了大操作空間的探輪承載機(jī)構(gòu)，采用基于PXI總線的超聲檢測(cè)子系統(tǒng)及探輪激光對(duì)中方式研制了自主化探傷作業(yè)系統(tǒng)。為驗(yàn)證該系統(tǒng)的效果，進(jìn)行了標(biāo)定線試驗(yàn)和實(shí)際線路對(duì)比試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明：自主化探傷作業(yè)系統(tǒng)探輪更換容易，試驗(yàn)中未發(fā)現(xiàn)死機(jī)現(xiàn)象，探輪對(duì)中狀態(tài)不受鐵屑及水的影響，提高了傷損檢出率。

鋼軌；超聲波；探傷；PXI總線；激光對(duì)中

鋼軌探傷車可對(duì)在役鋼軌內(nèi)部傷損進(jìn)行檢測(cè)，最高檢測(cè)速度達(dá)80 km/h，檢測(cè)效率高，對(duì)保障鐵路行車安全發(fā)揮了越來越大的作用［1］。鋼軌探傷車由檢測(cè)車和動(dòng)力車組成。探輪安裝在檢測(cè)車的前轉(zhuǎn)向架上，每側(cè)安裝3個(gè)探輪，探輪對(duì)中使用電磁對(duì)中，采用SYS-1900超聲檢測(cè)系統(tǒng)完成超聲發(fā)射接收控制、超聲信號(hào)處理、傷損的B型顯示和智能識(shí)別，數(shù)據(jù)傳輸采用VME總線。

隨著鋼軌探傷車的應(yīng)用時(shí)間越來越長(zhǎng)，積累了許多探傷車應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)［2-3］，但也發(fā)現(xiàn)探傷作業(yè)系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱既有系統(tǒng)）存在下列不足：①探輪更換困難，受探輪承載機(jī)構(gòu)限制，操作人員必須躺下且單手操作；②超聲檢測(cè)系統(tǒng)在超聲波回波信號(hào)數(shù)據(jù)量大時(shí)，存在死機(jī)現(xiàn)象，導(dǎo)致區(qū)段漏檢；③電磁對(duì)中效果容易受到線路上鐵屑及耦合水影響，直接影響了傷損檢出率。

為克服上述不足，在自主化超聲波檢測(cè)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)［4-6］研究的基礎(chǔ)上，開展了鋼軌探傷車探傷作業(yè)系統(tǒng)自主化（以下簡(jiǎn)稱自主化系統(tǒng)）研究。

1　自主化系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

自主化系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。在檢測(cè)車后轉(zhuǎn)向架上設(shè)計(jì)并安裝大操作空間的探輪承載機(jī)構(gòu)和探輪對(duì)中子系統(tǒng)。車內(nèi)包括超聲檢測(cè)系統(tǒng)機(jī)柜、操作臺(tái)、PLC控制柜、探輪恒溫控制柜、里程定位設(shè)備GPS和射頻閱讀器。

圖1　自主化系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

為便于比較自主化系統(tǒng)與既有系統(tǒng)的檢測(cè)能力，自主化系統(tǒng)探輪承載機(jī)構(gòu)安裝在探傷車檢測(cè)車的后轉(zhuǎn)向架上，既有系統(tǒng)安裝位置保持不變。

1.1自主化系統(tǒng)的探輪承載機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

自主化系統(tǒng)探輪承載機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)如圖2所示，其安裝如圖3所示。

圖2　探輪承載機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)

圖3　安裝后的探輪承載機(jī)構(gòu)

探輪承載機(jī)構(gòu)由上提邊梁、橫梁、探輪動(dòng)作單元等組成。上提邊梁與二軸轉(zhuǎn)向架的同側(cè)軸箱蓋連接，受轉(zhuǎn)向架的運(yùn)行限制，連接采用球副、移動(dòng)副形式。橫梁通過球副、移動(dòng)副與兩側(cè)上提邊梁連接。探輪動(dòng)作單元等安裝在橫梁上，滿足探輪傾角調(diào)整、橫向?qū)χ小⒋瓜蛏档葎?dòng)作需求。既有系統(tǒng)在裝卸探輪時(shí)，邊梁會(huì)遮擋操作者視線，需要操作者仰躺單手操作，很不方便，因此自主化系統(tǒng)的上提邊梁較既有系統(tǒng)的邊梁上提500 mm。上提邊梁與軸箱蓋連接成梯形，為保證探輪與鋼軌踏面相對(duì)位置不變，橫梁采用下沉結(jié)構(gòu)。上提邊梁結(jié)構(gòu)避開操作者視線，操作者可以雙手操作，操作空間變大，探輪裝卸更容易。

1.2自主化系統(tǒng)的探輪對(duì)中子系統(tǒng)

自主化系統(tǒng)的探輪對(duì)中子系統(tǒng)原理如圖4所示。其包括車上部分與車下部分，車上部分主要由控制計(jì)算機(jī)和伺服驅(qū)動(dòng)器組成。車下部分由激光傳感器與驅(qū)動(dòng)電機(jī)組成。每側(cè)探輪安裝1個(gè)激光傳感器和1個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)，激光傳感器與探輪固結(jié)在一起。

圖4　探輪對(duì)中子系統(tǒng)原理

二維激光傳感器可對(duì)鋼軌內(nèi)側(cè)軌頭及軌腰輪廓進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量，測(cè)量數(shù)據(jù)經(jīng)過濾波處理后可以計(jì)算出鋼軌中心線與探輪之間的偏差。該偏差值作為控制計(jì)算機(jī)的輸入，通過PID控制方法對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行控制。耦合水濺起的水珠、軌內(nèi)側(cè)的雜草等引起的異常點(diǎn)可以通過對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)濾波加以濾除。此外，在經(jīng)過道岔、夾板等特殊鋼軌結(jié)構(gòu)時(shí)采集到的異形鋼軌廓形也會(huì)被過濾掉，從而保證了探輪可以安全通過道岔。

為保證激光傳感器的激光光路不受耦合水和灰塵影響，還在激光傳感器外增設(shè)了保護(hù)盒。保護(hù)盒結(jié)構(gòu)進(jìn)一步增強(qiáng)了激光傳感器抵抗耦合水、泥的能力。

1.3自主化系統(tǒng)的超聲檢測(cè)子系統(tǒng)

自主化系統(tǒng)超聲檢測(cè)子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖5。超聲發(fā)射接收機(jī)中安裝有超聲發(fā)射接收板卡，用于激發(fā)超聲并對(duì)超聲回波進(jìn)行放大、檢波、閾值比較，主要由模擬器件組成。超聲發(fā)射控制與空間轉(zhuǎn)換計(jì)算機(jī)完成超聲發(fā)射的控制與超聲回波在鋼軌中位置的計(jì)算，主要由數(shù)字器件組成。這種模擬與數(shù)字功能獨(dú)立的架構(gòu)可以充分利用快速發(fā)展的數(shù)字處理技術(shù)，使系統(tǒng)升級(jí)維護(hù)方便。

圖5　超聲檢測(cè)子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

為提高系統(tǒng)傳輸能力，超聲檢測(cè)子系統(tǒng)采用圖6所示的數(shù)據(jù)總線傳輸方式。數(shù)據(jù)傳輸?shù)钠款i在于超聲發(fā)射控制與空間轉(zhuǎn)換計(jì)算機(jī)中的聲程測(cè)量模塊與空間轉(zhuǎn)換模塊間的數(shù)據(jù)傳輸。超聲檢測(cè)子系統(tǒng)共含有多塊聲程測(cè)量板卡，每個(gè)聲程測(cè)量板卡又包含多個(gè)超聲通道的聲程測(cè)量模塊，空間轉(zhuǎn)換模塊需與多個(gè)聲程測(cè)量模塊進(jìn)行通信。聲程測(cè)量模塊的聲程數(shù)據(jù)量大，采用DMA（直接內(nèi)存訪問）方式直接發(fā)送給空間轉(zhuǎn)換模塊，空間轉(zhuǎn)換模塊發(fā)出的控制指令經(jīng)由PXI總線發(fā)送給各個(gè)聲程測(cè)量模塊。這種結(jié)構(gòu)大大提高了系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸能力。

圖6　超聲檢測(cè)子系統(tǒng)數(shù)據(jù)總線

2　對(duì)比試驗(yàn)驗(yàn)證

2.1試驗(yàn)條件

為驗(yàn)證自主化系統(tǒng)的性能，將其與既有系統(tǒng)性能進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，自主化系統(tǒng)安裝于鋼軌探傷車檢測(cè)車的后轉(zhuǎn)向架上，與前轉(zhuǎn)向架上安裝的既有系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比測(cè)試。2系統(tǒng)的檢測(cè)速度相同，共用1套編碼器和里程矯正裝置，因此2系統(tǒng)的里程矯正位置也相同。

在標(biāo)定試驗(yàn)線及實(shí)際線路進(jìn)行了測(cè)試和線路試驗(yàn)。

2.2標(biāo)定試驗(yàn)線測(cè)試

標(biāo)定試驗(yàn)線依照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)［7］及鋼軌探傷車運(yùn)用管理辦法［8］要求，在鋼軌上設(shè)置了24個(gè)人工傷損，鋼軌探傷車以最高檢測(cè)速度連續(xù)對(duì)試驗(yàn)線進(jìn)行10次檢測(cè)，若平均人工傷損檢出率＞80%，平均傷損誤報(bào)率＜20%，則鋼軌探傷車檢測(cè)能力合格。

依照國(guó)標(biāo)試驗(yàn)方法及數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)方法，連續(xù)進(jìn)行了10次檢測(cè)試驗(yàn)，最高車速81.62 km/h。自主化系統(tǒng)的平均人工傷損檢出率為95.00%，既有系統(tǒng)平均人工傷損檢出率為83.33%，自主化系統(tǒng)的平均人工傷損檢出率高于既有系統(tǒng)。

在標(biāo)定線測(cè)試試驗(yàn)中，還對(duì)2系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸能力進(jìn)行了對(duì)比測(cè)試。探輪提起時(shí)，探輪內(nèi)各通道超聲波遇到探輪輪皮與空氣界面時(shí)發(fā)生反射，系統(tǒng)接收到的超聲回波增多，故用探輪被提起模擬超聲回波數(shù)據(jù)量大的情況。試驗(yàn)中6個(gè)探輪全部提起后開始檢測(cè)，既有系統(tǒng)出現(xiàn)了死機(jī)現(xiàn)象，而自主化系統(tǒng)沒有。

2.3實(shí)際線路測(cè)試試驗(yàn)

為對(duì)自主化系統(tǒng)的探輪對(duì)中性能和實(shí)際線路檢測(cè)能力進(jìn)行驗(yàn)證，進(jìn)行了實(shí)際線路檢測(cè)試驗(yàn)，試驗(yàn)線路總里程達(dá)1 664.416 km。

實(shí)際線路檢測(cè)過程中，探輪對(duì)中系統(tǒng)實(shí)時(shí)對(duì)對(duì)中偏差進(jìn)行測(cè)量，自主化系統(tǒng)探輪最大位移量99%控制在±6 mm之內(nèi)，對(duì)中偏差與耦合水噴灑、鋼軌磨耗無關(guān)。在通過道岔過程中，探輪對(duì)中系統(tǒng)未發(fā)現(xiàn)安全問題。

既有系統(tǒng)與自主化系統(tǒng)實(shí)際線路復(fù)核傷損對(duì)比見圖7。自主化系統(tǒng)共發(fā)現(xiàn)7處鋼軌傷損，既有系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)5處，2系統(tǒng)共同發(fā)現(xiàn)傷損4處。自主化系統(tǒng)傷損檢出率為87.5%，既有系統(tǒng)傷損檢出率為62.5%。既有系統(tǒng)未檢出的3處傷損均為螺孔裂紋。分析發(fā)現(xiàn)，漏檢原因?yàn)樘捷唽?duì)中不良。

圖7　既有系統(tǒng)與自主化系統(tǒng)實(shí)際線路復(fù)核傷損對(duì)比

自主化系統(tǒng)采用激光對(duì)中方式，提高了傷損檢出率。

3　結(jié)論

1）自主化系統(tǒng)設(shè)計(jì)了新的探輪承載機(jī)構(gòu)，邊梁較既有系統(tǒng)上提500 mm，探輪操作空間變大，探輪裝卸不再需要仰躺且可以雙手操作，探輪裝卸更容易。

2）采用PXI總線的超聲檢測(cè)子系統(tǒng)試驗(yàn)過程中未發(fā)生死機(jī)現(xiàn)象。

3）探輪對(duì)中子系統(tǒng)的二維激光對(duì)中方式不受線路上鐵屑、耦合水及鋼軌磨耗的影響，能夠?qū)⑻捷喤c鋼軌中心的偏差控制在±6 mm范圍內(nèi)，提高了傷損檢出率。

［1］徐其瑞，劉峰.鋼軌探傷車技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用［J］.中國(guó)鐵路，2011（7）：38-41.

［2］徐其瑞，石永生，許貴陽，等.GTC-80型鋼軌探傷車及其運(yùn)用［J］.中國(guó)鐵路，2013（11）：55-58.

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

［4］李培，王旭，石永生，等.高速輪式鋼軌探傷變距式超聲波發(fā)射模式的設(shè)計(jì)與應(yīng)用［J］.鐵道建筑，2015（11）：127-130.

［5］張玉華，許貴陽，李培，等.鋼軌探傷車自主化超聲檢測(cè)系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)［J］.中國(guó)鐵道科學(xué)，2015，36（5）：131-136.

［6］張玉華，石永生，楊國(guó)濤，等.用于高鐵鋼軌探傷的正負(fù)脈沖超聲發(fā)射接收板卡設(shè)計(jì)［J］.電子產(chǎn)品世界，2015，22（4）：26-28.

［7］中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì).GB/T 28426—2012大型超聲波鋼軌探傷車［S］.北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2012.

［8］中華人民共和國(guó)鐵道部.TG/GW 218—2012鋼軌探傷車運(yùn)用管理辦法［S］.北京：中華人民共和國(guó)鐵道部，2012.

Autonomous Research on Rail Detection Operation System of Rail Detection Car

YANG Guotao
（Science and Technology Management Department，China Railway Corporation，Beijing 100844，China）

T here are many shortcomings in long term application of rail flaw dectection car，such as difficult replacement of probe wheel in flaw detection operation system，host computer crash during large amounts of data processing，probe wheel alignment state influenced by iron dust and rail abrasion，and missing screw hole cracks.For solving these problems，a probe wheel bearing mechanism with a large operating space was designed，and an autonomous flaw detection operation system was developed by adopting the ultrasonic detection subsystem based on PXI bus and laser alignment pattern of probe wheels.In order to verify the effectiveness of this system，the calibration line tests and actual line contrast tests were implemented.Results showed that replacing the probe wheels is easy in autonomous rail flaw detection operation system，there is no computer crash occurred in the tests，alignment state of probe wheel is not influenced by iron dust and water，and the flaw detection rate is also increased.

Rail；Ultrasonic；Flaw detection；PXI bus；Laser alignment

U216.3

ADOI：10.3969/j.issn.1003-1995.2016.09.31

1003-1995（2016）09-0124-03

（責(zé)任審編李付軍）

2016-02-03；

2016-04-05

中國(guó)鐵路總公司科技研究開發(fā)計(jì)劃（2015G003-A，2015G003-F）

楊國(guó)濤（1977—），男，高級(jí)工程師。