戴雨馨，王月明

（1.內(nèi)蒙古科技大學(xué) 信息工程學(xué)院，包頭 014010；2.內(nèi)蒙古包鋼鋼聯(lián)股份有限公司軌梁軋鋼廠，包頭 014010）

0 引言

由于鐵路運(yùn)輸業(yè)的發(fā)展，大運(yùn)量、高密度、軸重和速度不斷提高的情況下，加劇鋼軌的疲勞、傷損，以及鋼軌內(nèi)外應(yīng)力缺陷[1]。鐵路中大量鋼軌長(zhǎng)期在動(dòng)態(tài)重載荷易出現(xiàn)腐蝕、變形、磨損、裂紋甚至斷裂，嚴(yán)重影響行車安全[2]。我國鋼軌探傷常以線路探傷為檢測(cè)手段，且鋼軌檢測(cè)大型設(shè)備難以使用，因此鋼軌檢測(cè)至今仍以探傷小車為主，這點(diǎn)與國外大不相同[3]。目前，常用的漏磁，渦流，交流電磁場(chǎng)鋼軌檢測(cè)等方法僅能對(duì)鋼軌踏面缺陷進(jìn)行檢測(cè)，而實(shí)用性強(qiáng)的鋼軌檢測(cè)主要方法為超聲無損檢測(cè)技術(shù)[4]。

為符合交通運(yùn)輸對(duì)鋼軌的安全要求，鋼軌的質(zhì)量必須得到嚴(yán)格控制。由于鋼軌的形狀不規(guī)則，在出廠前應(yīng)對(duì)軌頭、軌腰、踏面、軌底進(jìn)行全方位探傷，這對(duì)鋼軌在線檢測(cè)增加了一定的難度。針對(duì)傳統(tǒng)超聲鋼軌在線探傷系統(tǒng)檢測(cè)覆蓋面小，探頭的位置不穩(wěn)定以及探頭起落架易松動(dòng)且氣壓不穩(wěn)定，鋼軌表面氧化鐵皮大量附著，提出了多探測(cè)點(diǎn)超聲法鋼軌在線檢測(cè)系統(tǒng)。這是一種由上下位機(jī)、多個(gè)探頭、電控系統(tǒng)、機(jī)械系統(tǒng)組成的檢測(cè)系統(tǒng)，采用檢測(cè)中心的輥道運(yùn)動(dòng)，超聲檢測(cè)探頭不動(dòng)的檢測(cè)方式。作為超聲在線鋼軌檢測(cè)系統(tǒng)，它的檢測(cè)精度高、功能強(qiáng)，運(yùn)行穩(wěn)定且報(bào)傷準(zhǔn)確，因此對(duì)于鋼軌的平直度和鋼軌表面質(zhì)量提出了很高的要求，以保證在線檢測(cè)正常運(yùn)行[5]。本文對(duì)多探測(cè)點(diǎn)超聲法在線鋼軌檢測(cè)系統(tǒng)在鋼軌檢測(cè)中的具體應(yīng)用進(jìn)行相關(guān)分析，對(duì)多探測(cè)點(diǎn)超聲法在線鋼軌檢測(cè)系統(tǒng)的控制系統(tǒng)的檢測(cè)原理、系統(tǒng)機(jī)械組成、控制模塊及系統(tǒng)的性能指標(biāo)進(jìn)行研究。

1 多探測(cè)點(diǎn)在線鋼軌超聲檢測(cè)系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)檢測(cè)原理

多探測(cè)點(diǎn)在線鋼軌超聲檢測(cè)系統(tǒng)以氣動(dòng)控制為基礎(chǔ)，通過電磁閥來控制氣缸和氣嚢啟動(dòng)、停止，使探傷起落架產(chǎn)生動(dòng)作，由兩對(duì)對(duì)射光電來檢測(cè)鋼軌位置，控制起落架的工作，用接近開關(guān)來檢測(cè)起落架的位置，檢測(cè)過程中，通過測(cè)試靜態(tài)標(biāo)準(zhǔn)試樣調(diào)整好儀器和探頭，使人工缺陷的反射波高達(dá)到滿幅度的80%作為檢測(cè)的初始db值與成品鋼軌的回波db值比較判傷，利用超聲波脈沖反射法，對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)引入自動(dòng)計(jì)算和自動(dòng)處理[6]。檢測(cè)時(shí)，先由A通道的超聲波換能器發(fā)射脈沖，緊接著由上位機(jī)觸發(fā)、與下位機(jī)通訊后，由下位機(jī)發(fā)出通道信號(hào)，另外一個(gè)通道的超聲波換能器B做為接收器，接收從各個(gè)通道發(fā)射脈沖的回波，經(jīng)過后續(xù)電路將回波波形顯示在屏幕上。圖1為系統(tǒng)檢測(cè)鋼軌的檢測(cè)工作原理，由于鋼軌的形狀采用20個(gè)超聲探頭，耦合劑采用工業(yè)用水耦合。

圖1 多探測(cè)點(diǎn)在線鋼軌超聲檢測(cè)系統(tǒng)工作原理

系統(tǒng)電控部分原理是由plc通過pn/dp耦合器發(fā)送鋼軌運(yùn)動(dòng)的指令（啟動(dòng)、停止、前進(jìn)、后退、速度）等基本動(dòng)作。輥道的控制分為手動(dòng)和自動(dòng)兩種模式，輥道速度調(diào)節(jié)器依據(jù)檢測(cè)人員的經(jīng)驗(yàn)，在工控機(jī)上調(diào)節(jié)，通過cp5611將此信號(hào)發(fā)給plc，plc將此信號(hào)發(fā)給s7-300，最終由電磁站送出變頻電流，達(dá)到設(shè)定輥道的速度。外部plc根據(jù)檢測(cè)中心準(zhǔn)備狀態(tài)，判斷檢測(cè)中心是否有鋼、設(shè)備是否正常并對(duì)輥道發(fā)送是否允許運(yùn)行指令。Plc利用wincc軟件組態(tài)出人機(jī)界面，顯示系統(tǒng)的運(yùn)行情況，前后編碼器信號(hào)進(jìn)入超聲波站，提供鋼軌的位置、長(zhǎng)度、檢測(cè)的數(shù)量及出傷位置等信息。變頻站控制接口為用戶電磁站plc或傳動(dòng)接口，其中dp/dp耦合器進(jìn)行信號(hào)交換。檢測(cè)信號(hào)通過分布IO由dp網(wǎng)絡(luò)與plc通訊，數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)處理連接顯示部分和發(fā)射部分。完成檢測(cè)后將采集到的波形在屏幕上顯示、判傷報(bào)警等功能。這些功能以組成的硬件平臺(tái)為基礎(chǔ)，通過軟件實(shí)現(xiàn)。

1.2 機(jī)械部分

多探測(cè)點(diǎn)超聲法在線鋼軌檢測(cè)系統(tǒng)分按機(jī)械組成為導(dǎo)向?qū)χ醒b置、光電編碼輪、探頭起落架（檢測(cè)部分）、氣動(dòng)裝置四個(gè)部分，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

1）導(dǎo)向?qū)χ醒b置

設(shè)置導(dǎo)向?qū)χ醒b置保證鋼軌在通過超聲波檢測(cè)裝置不出劇烈的上下左右跳動(dòng)，減少鋼軌誤報(bào)、漏報(bào)，提高探傷的準(zhǔn)確性。同時(shí)導(dǎo)向?qū)χ醒b置通過上下左右夾緊輪的主動(dòng)約束，降低了鋼軌運(yùn)輸輥道磨損情況鋼軌高速運(yùn)轉(zhuǎn)造成的鋼軌跳動(dòng)的作用。生產(chǎn)過程不可避免的會(huì)出端部硬彎、大彎等異常情況，有導(dǎo)向裝置可有效保護(hù)系統(tǒng)安全。

圖2 多探測(cè)點(diǎn)在線鋼軌超聲檢測(cè)系統(tǒng)機(jī)械部分

2）光電編碼輪

光電編碼輪將鋼軌的運(yùn)行速度及位置信息傳送給計(jì)算機(jī)（設(shè)置出入兩個(gè)）。

3）探頭起落架（檢測(cè)部分）

超聲波起落架主要由5個(gè)單獨(dú)的起落架構(gòu)成。圖3是多探測(cè)點(diǎn)在線鋼軌超聲檢測(cè)系統(tǒng)的起落架位置：軌頭踏面起落架A，軌頭左右起落架B、C，軌腰左側(cè)起落架D，軌底左右側(cè)起落架E。

圖3 探頭起落架示意圖

4）氣動(dòng)裝置

檢測(cè)系統(tǒng)踏面起落架由一雙作用式氣缸驅(qū)動(dòng)，帶動(dòng)踏面探頭起落架上下方向的升降運(yùn)動(dòng)；軌底起落架由氣嚢驅(qū)動(dòng)，帶動(dòng)軌頭踏面起落架上下方向的升降運(yùn)動(dòng)；軌頭左、右側(cè)和軌腰左、右側(cè)探傷起落架由氣嚢驅(qū)動(dòng)，推動(dòng)轉(zhuǎn)軸帶動(dòng)起落架作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，完成起落架與鋼軌貼合，檢測(cè)完成后在回位簧的作用下自動(dòng)回位，各起落架都設(shè)有扭轉(zhuǎn)減震器或限位保護(hù)裝置。

1.3 控制部分

多探測(cè)點(diǎn)在線鋼軌超聲檢測(cè)系統(tǒng)控制部分由探頭起落架控制模塊、控速模塊、檢測(cè)中心檢測(cè)模塊、處理、顯示、記錄模塊四個(gè)主要模塊組成，圖4是系統(tǒng)控制部分的構(gòu)成，系統(tǒng)通過工控機(jī)和計(jì)算機(jī)將模塊聯(lián)系起來。

1）控速?？?/p>

控速模塊是將編碼器輸出的鋼軌在輥到運(yùn)行度信息進(jìn)行處理，然后，輸送到起落控制模塊對(duì)起落架發(fā)出起落指令，輸送到處理、顯示、記錄模塊給計(jì)算機(jī)提供長(zhǎng)度信息用于顯示和記錄，輸送到超聲波檢測(cè)模塊對(duì)超聲波探傷機(jī)發(fā)出檢測(cè)指令，輸送到處理、顯示、記錄模塊給計(jì)算機(jī)提供缺陷位置信息。

2）檢測(cè)中心檢測(cè)模塊

超聲波檢測(cè)模塊是從起落架控制模塊得到探頭已落到鋼軌上的信息，開始發(fā)出超聲波和接收超聲波，并將接收的超聲波進(jìn)行抗干擾處理和動(dòng)態(tài)的波形記錄。采用plc總線通信方式、usb接口，檢測(cè)控制和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)集中。

3）探頭起落架控制模塊

探頭起落架控制是將鋼軌的長(zhǎng)度和速度得到準(zhǔn)確控制，由此可減少鋼軌頭部和尾部的誤報(bào)，將鋼軌完全檢測(cè)。

4）圖像的處理、顯示、記錄模塊

將控速模塊、檢測(cè)中心檢測(cè)模塊和探頭起落架控制模塊的信息進(jìn)行處理，排除鋼軌由于平直度產(chǎn)生的干擾信號(hào)，并將各通道的動(dòng)態(tài)波形和探頭的位置、缺陷位置、缺陷波形顯示出來。之后可將鋼軌長(zhǎng)度、缺陷位置、缺陷波形、缺陷大小、缺陷部位、缺陷序號(hào)、鋼軌序號(hào)、檢測(cè)日期、探傷班次、鋼軌型號(hào)等參數(shù)記錄下來。同時(shí)，可以以統(tǒng)計(jì)報(bào)告、缺陷報(bào)告、檢測(cè)報(bào)告進(jìn)行顯示和打印。

圖4 多探測(cè)點(diǎn)在線鋼軌超聲檢測(cè)系統(tǒng)控制部分

表1 檢測(cè)系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)

2 多探測(cè)點(diǎn)在線鋼軌超聲檢測(cè)系統(tǒng)的性能指標(biāo)

在線檢測(cè)鋼軌時(shí)使用20個(gè)通道與探頭，樣軌制作為φ2mm穿孔，當(dāng)增益db值升高到一定時(shí)可檢測(cè)φ1mm孔。系統(tǒng)檢測(cè)速度0.5～1.5m/s，輥道高速運(yùn)行1.5m/s，端頭部分進(jìn)入檢測(cè)系統(tǒng)速度為0.5m/s，由此可達(dá)到抗干擾能力強(qiáng)、鋼軌傳送平穩(wěn)的效果。當(dāng)鋼軌平直度有所波動(dòng)時(shí)，檢測(cè)系統(tǒng)鋼軌上下左右跳動(dòng)小于2mm。編碼輪與鋼軌接觸良好，鋼軌長(zhǎng)度顯示、鋼軌檢測(cè)狀態(tài)記錄和缺陷位置及波形的定位等參數(shù)均小于2mm，系統(tǒng)性能指標(biāo)如表1所示。

多探測(cè)點(diǎn)在線鋼軌超聲檢測(cè)系統(tǒng)采用計(jì)算機(jī)中文菜單操作，數(shù)量無限制，可供不同品種鋼軌檢測(cè)，波形回放、通訊、打印。

3 結(jié)束語

多探測(cè)點(diǎn)超聲法在線鋼軌檢測(cè)系統(tǒng)的檢測(cè)覆蓋面廣，效果良好，檢測(cè)結(jié)果精確，系統(tǒng)使用方便，人機(jī)界面友好。

利用多探頭組合探傷，實(shí)現(xiàn)了多探測(cè)點(diǎn)超聲法在線鋼軌的探傷，便于檢測(cè)人員手動(dòng)倒鋼，更為準(zhǔn)確判斷缺陷的大小，排除人為對(duì)探傷的不利影響，方便了操作，為多探測(cè)點(diǎn)在線探傷方法奠定了良好的判傷基礎(chǔ)，以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜被檢物體的在線超聲無損檢測(cè)，滿足現(xiàn)代鋼軌質(zhì)量對(duì)出廠時(shí)對(duì)在線超聲檢測(cè)系統(tǒng)的要求，有效的降低了人工勞動(dòng)強(qiáng)度。

[1]中華人民共和國鐵道部.TB/T1778—2010鋼軌傷損分類[M].北京:中國鐵道出版社,2011.

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