孫次鎖，秦 勇，劉 軍，張玉華

(1.北京交通大學(xué) 交通運(yùn)輸學(xué)院，北京 100044； 2.北京交通大學(xué) 軌道交通控制與安全國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100044； 3.中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 基礎(chǔ)設(shè)施檢測研究所，北京 100081)

鋼軌探傷車(簡稱探傷車)通過探輪在鋼軌頂面滾動(dòng)對鋼軌內(nèi)部傷損進(jìn)行檢測，探輪內(nèi)部充滿探輪液并安裝有超聲波換能器[1-2]。在探輪與鋼軌之間需要噴灑耦合水，用以排出鋼軌表面微觀結(jié)構(gòu)空間內(nèi)的空氣。超聲波由超聲波換能器發(fā)出，經(jīng)過探輪內(nèi)部介質(zhì)與浸潤在鋼軌表面的水介質(zhì)后進(jìn)入鋼軌，進(jìn)入鋼軌中的超聲波能量越大，對鋼軌傷損內(nèi)部傷損檢測能力越強(qiáng)。文獻(xiàn)[3—4]分析了列車在鐵路線路運(yùn)行時(shí)的晃動(dòng)現(xiàn)象，探傷車屬于列車的一種，在運(yùn)行過程中也會(huì)產(chǎn)生晃動(dòng)，導(dǎo)致探輪沿鋼軌頂面橫向方向晃動(dòng)，將影響進(jìn)入鋼軌的超聲波能量大小；文獻(xiàn)[5]認(rèn)為探傷車傷損漏檢的一個(gè)重要原因就是探輪對中不良；文獻(xiàn)[6—7]通過研究自動(dòng)對中系統(tǒng)解決了探輪對中嚴(yán)重不良的問題，但無法完全消除探輪對中偏差。鋼軌表面微觀結(jié)構(gòu)中水越多、空氣就越少，因此使用噴水密度表征鋼軌表面微觀結(jié)構(gòu)中水的浸潤程度。探輪對中偏差和噴水密度均會(huì)影響超聲波的衰減，因此文獻(xiàn)[8]中對探傷車檢測過程中的靈敏度設(shè)置進(jìn)行了探討。在探傷車檢測中發(fā)現(xiàn)：檢測速度低，探輪對中偏差小，噴水密度大，超聲波衰減小，有利于鋼軌傷損檢出，但檢測效率低；檢測速度高，探輪對中偏差變大，噴水密度變小，超聲波衰減大，不利于鋼軌傷損檢出，但是檢測效率高。因此，需要對檢測速度進(jìn)行控制和規(guī)劃，以兼顧鋼軌傷損檢出效果和檢測效率。

鋼軌傷損是鋼軌中超聲波反射體的子類，超聲波反射體包括已知的處于監(jiān)控狀態(tài)的傷損、螺孔裂紋、導(dǎo)線孔等，也包括鋼軌中可以反射超聲波的機(jī)械結(jié)構(gòu)如軌底平面等。超聲波反射體的檢出效果可以用來評價(jià)傷損檢出效果，若所有超聲波反射體均被檢出，有利于鋼軌傷損的智能識(shí)別[9]和精準(zhǔn)預(yù)警[10]，則探傷車處于最佳檢測性能狀態(tài)，可以檢出鋼軌中的符合探傷車檢測能力的傷損。

本文在建立超聲波反射體動(dòng)態(tài)檢出效果模型的基礎(chǔ)上，研究了檢測速度、探輪對中偏差、噴水密度與反射體檢出效果間的關(guān)系，在平直試驗(yàn)線上排除檢測速度對探輪對中的影響后，建立噴水密度與超聲波信號(hào)衰減間的關(guān)系模型。在某區(qū)間進(jìn)行多次檢測，過程中記錄對中偏差與檢測速度，通過分析鋼軌中超聲波反射體的檢出情況，通過動(dòng)態(tài)步長調(diào)節(jié)法對該區(qū)間下次檢測時(shí)的檢測速度進(jìn)行規(guī)劃。

1 超聲波反射體動(dòng)態(tài)檢出效果模型

1.1 超聲波反射體靜態(tài)檢出原理

探傷車檢測鋼軌內(nèi)部超聲波反射體時(shí)，超聲波反射體反射的超聲波傳輸途徑及處理過程如圖1所示。由圖1可見，超聲波反射體反射的超聲波(超聲回波)Ui，途徑鋼軌、鋼軌與探輪界面、探輪液的衰減后變?yōu)锳1Ui(A1為超聲波在傳播途徑中的衰減)，之后被超聲波傳感器接收，經(jīng)放大器放大A2倍后放大為A1A2Ui，與閾值UT比較，比較結(jié)果為s； 當(dāng)A1A2Ui≥UT時(shí)，s=1，表示超聲波反射體被檢出，當(dāng)A1A2Ui

圖1 超聲波反射體反射的超聲波傳輸及處理過程

即

(1)

式(1)中，A2和UT為操作員在檢測過程中設(shè)置的參數(shù)，因此影響超聲波能量傳播的因素有2個(gè)：探輪對中偏差d和噴水密度ρ，則

A1=f(d)+r(ρ)

(2)

式中：f(d)為探輪對中偏差d引起的超聲波衰減；r(ρ)為噴水密度ρ引起的超聲波衰減。

1.2 探輪對中偏差d引起的超聲波衰減函數(shù)f(d)

在試驗(yàn)室靜態(tài)條件下，可通過探輪標(biāo)定架測量d及f(d)。靜態(tài)條件下，耦合水可充分浸潤鋼軌表面的微觀結(jié)構(gòu)，排出其中的空氣，因此噴水密度ρ引起的超聲波衰減可忽略。探輪及鋼軌試塊安裝在探輪標(biāo)定架上，探輪相對鋼軌試塊靜止。安裝探輪及鋼軌試塊的探輪標(biāo)定架如圖2所示。將探輪上的0°超聲波傳感器與超聲波探傷儀連接，超聲波探傷儀的衰減讀數(shù)即為探輪在預(yù)設(shè)的對中偏差下的超聲波衰減。

調(diào)節(jié)探輪橫向位置，使探輪中的0°超聲波與鋼軌軌腰對齊，0°超聲波鋼軌底波達(dá)到最高，此時(shí)探輪對中偏差記為0 mm，記錄此時(shí)超聲波探傷儀的讀數(shù)f(0)。沿鋼軌橫向向內(nèi)依次調(diào)節(jié)探輪對中偏差為1，2，…，8 mm，并逐個(gè)記錄超聲波探傷儀讀數(shù)f(1)，f(2)， …，f(8)。沿鋼軌橫向向外依次調(diào)節(jié)探輪對中偏差為1，2，…，8 mm，并逐個(gè)記錄超聲波探傷儀衰減讀數(shù)f(-1)，f(-2)， …，f(-8)。將探輪對中偏差作為橫軸，將f(0)-f(d)(d=-8, -7, …, 7, 8)作為縱軸，描點(diǎn)后使用二次曲線對f(d)進(jìn)行擬合，測試數(shù)據(jù)及擬合曲線如圖3所示，擬合曲線的表達(dá)式為

圖2 安裝有探輪及鋼軌試塊的探輪標(biāo)定架

f(d)=-0.315 7d2-0.065 44d-1.477

(3)

1.3 噴水密度ρ引起的超聲波衰減函數(shù)r(ρ)

噴水密度ρ為填充入鋼軌表面微觀結(jié)構(gòu)的水量與鋼軌表面微觀結(jié)構(gòu)的空間體積之比，即

(4)

式中：mr為單位時(shí)間內(nèi)浸入空隙的水的質(zhì)量；t為水浸入空隙的時(shí)間；V為鋼軌表面微觀結(jié)構(gòu)的空間體積。

圖3 超聲波衰減函數(shù)f(d)的擬合曲線

當(dāng)ρ=0時(shí)，即鋼軌表面微觀結(jié)構(gòu)中全為空氣，超聲波衰減系數(shù)為空氣中衰減系數(shù)B氣，當(dāng)ρ=ρ水時(shí)，即鋼軌表面微觀結(jié)構(gòu)中充滿水，超聲波衰減系數(shù)為水中衰減系數(shù)B水，因B水?B氣，則B水可忽略不計(jì)。故

r(ρ)=-B氣ρ+B氣

(5)

1.4 檢測速度v對噴水密度ρ的影響

式(4)中的水浸入空隙的時(shí)間t與探傷車檢測速度v間的關(guān)系為

(6)

式中：L為噴水嘴位置距離0°超聲波傳感器的位置之間的距離。

將式(6)代入式(4)，可得噴水密度ρ與檢測速度v之間的關(guān)系為

(7)

將式(7)代入式(5)可得檢測速度通過影響噴水密度變化引起的超聲波衰減r(v)為

(8)

當(dāng)鋼軌表面狀態(tài)一定時(shí)，式(8)中B氣，mr，V和L等參數(shù)均可認(rèn)為是常數(shù)，當(dāng)探傷車檢測速度v變大時(shí)，r(v)變小，為簡單起見，用線性函數(shù)擬合式(8)，在平直線路上進(jìn)行試驗(yàn)以擬合式(8)中各個(gè)常數(shù)。

選擇平直線路上長度為3 mm的螺孔水平裂紋作為超聲波反射體，分別以10，20，…，80 km·h-1的檢測速度對其進(jìn)行檢測，各檢測速度對應(yīng)的超聲波衰減記為r(10)，r(20)， …,r(80)。 以r(10)作為基準(zhǔn)值，計(jì)算衰減值r(10)-r(v)(v=10， 20， …， 80)。由衰減值發(fā)現(xiàn)，在速度v≤40 km·h-1時(shí)，衰減值幾乎未發(fā)生變化，當(dāng)速度v>40 km·h-1時(shí)，r(v)近似為線性函數(shù)，隨著速度v的增大r(v)的絕對值增大。以速度v為橫軸，以r(10)-r(v)(v=10， 20， …, 80)值為縱軸，描點(diǎn)后進(jìn)行分段擬合，結(jié)果如圖4所示。

圖4 檢測速度通過噴水密度引起的超聲波衰減值

擬合曲線的表達(dá)式為

(9)

1.5 檢測速度v對探輪對中偏差d的影響

檢測速度v對探輪對中偏差d的影響d(v)與實(shí)際檢測線路的曲線半徑、鋼軌磨耗、線路平順性等多種因素密切相關(guān)，不同的線路d(v)不同，但線路在一定時(shí)間內(nèi)該參數(shù)是固定不變的。探傷車的探輪對中系統(tǒng)可自動(dòng)記錄檢測過程中每一個(gè)位置的檢測速度與探輪對中偏差，因此該數(shù)據(jù)可通過實(shí)際檢測過程中獲得，并被記錄下來。

1.6 超聲波反射體動(dòng)態(tài)檢出效果模型

經(jīng)過上述分析，超聲波反射體動(dòng)態(tài)檢出效果模型(簡稱v-s模型)如圖5所示。圖中：?表示Uo與UT進(jìn)行比較。

圖5 v-s模型

2 基于動(dòng)態(tài)步長調(diào)節(jié)法的檢測速度規(guī)劃

在v-s模型中，對某一線路的某個(gè)位置，采用相同的車輛設(shè)備進(jìn)行檢測，速度v與探輪對中偏差d的關(guān)系可認(rèn)為是一一對應(yīng)關(guān)系。因此，對某條線路中的單個(gè)超聲波反射體，可建立v-s模型。

基于動(dòng)態(tài)步長調(diào)節(jié)法的檢測速度規(guī)劃原理如圖6所示。

圖6 基于動(dòng)態(tài)步長調(diào)節(jié)法的檢測速度規(guī)劃原理

由圖6可見：在第1次檢測周期中，檢測速度為v1，檢測完成后，分析超聲波反射體的檢測結(jié)果s(v1)， 若s(v1)=1，超聲波反射體可完全檢出，則對第2次檢測周期的檢測速度提速到v2=v1+Δv，當(dāng)?shù)?次檢測周期完成后，若s(v2)=1，可繼續(xù)提速，若s(v2)=0，超聲波反射體無法檢出，則降速到v3=v2-Δv，若第3次檢測周期完成后，s(v3)=1，超聲波反射體可檢出，則提速到v4=v3+Δv。檢測速度規(guī)劃的速度步長Δv逐漸變小，目前速度步長設(shè)置為4檔，步長由第1檔至第4檔逐漸減小，分別為10，5，3，2 km·h-1。

當(dāng)s(vn)≠s(vn+1)時(shí)，步長Δv逐次減小，當(dāng)Δv降至2 km·h-1時(shí)，步長不再變化。當(dāng)動(dòng)態(tài)步長連續(xù)2次為2 km·h-1時(shí)，速度規(guī)劃停止，取較低的速度值為規(guī)劃速度。經(jīng)過若干次檢測周期后，可得出收斂的該超聲波反射體處的規(guī)劃檢測速度。

采用v-s模型對單個(gè)超聲波反射體處進(jìn)行速度規(guī)劃流程如圖7所示。圖7中，n為檢測周期的次數(shù)，在第n次檢測周期時(shí)，探傷車依照速度vn進(jìn)行檢測，檢測完成后可獲得檢測數(shù)據(jù)。

檢測速度規(guī)劃依據(jù)已知反射體進(jìn)行計(jì)算，因此在每個(gè)反射體處均可規(guī)劃出1個(gè)檢測速度，對于特定的檢測區(qū)間，將每個(gè)反射體處規(guī)劃得到的檢測速度用直線連接，可得到1條與探傷車檢測線路里程相關(guān)的速度曲線，速度曲線代表的是特定檢測區(qū)間的探傷車最大檢測速度。

受檢測區(qū)間的線路運(yùn)行限速條件限制，探傷車的檢測速度同時(shí)需滿足檢測區(qū)間內(nèi)的運(yùn)行限速要求，因此，規(guī)劃的下次檢測速度vn+1為

vn+1=min(vn，vmax)

(10)

式中：vmax為檢測區(qū)間的線路限速。

除此之外，線路中規(guī)劃的檢測加速度需滿足探傷車加減速性能要求，因此速度曲線是連續(xù)的。

圖7 探傷車檢測速度規(guī)劃流程

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證基于動(dòng)態(tài)步長調(diào)節(jié)法的探傷車檢測速度規(guī)劃方法的有效性，選取上海鐵路局皖贛線某段16.16 km的線路區(qū)間作為被檢測對象，該線路區(qū)間既有直線又有曲線，且為有縫線路，已知超聲波反射體較多。在該區(qū)間共進(jìn)行了3次檢測，進(jìn)行了2次檢測速度規(guī)劃。實(shí)際檢測速度與規(guī)劃檢測速度如圖8所示。

圖8 各次檢測時(shí)的實(shí)際檢測速度曲線與規(guī)劃檢測速度曲線

由圖8可見：在第1次檢測時(shí)，由于沒有可參考的規(guī)劃檢測速度，實(shí)際檢測速度由探傷車司機(jī)隨機(jī)控制，在第1次檢測完成后，通過分析數(shù)據(jù)規(guī)劃出了第2次檢測時(shí)的規(guī)劃檢測速度曲線，發(fā)現(xiàn)在10～14 km區(qū)間內(nèi)第1次檢測速度超出了第2次檢測的規(guī)劃速度，故已知第1次檢測時(shí)超聲波反射體的檢出率應(yīng)低于第2次檢測時(shí)的檢出率。第3次檢測時(shí)的規(guī)劃檢測速度略高于第2次檢測規(guī)劃速度，表明第3次檢測規(guī)劃后檢出效率得到了提高，已知超聲波反射體的檢出率變化不大。

統(tǒng)計(jì)各次檢測數(shù)據(jù)后已知超聲波反射體的檢出率如圖9所示。由圖9可見：第2次檢測時(shí)已轉(zhuǎn)超聲波反射體檢出率高于第1次檢測時(shí)，第3次檢測時(shí)已知超聲波反射體檢出率與第2次檢測時(shí)相比變化不大，這與對圖8的分析結(jié)論相符，表明探傷車在有縫線路上的檢測速度規(guī)劃方法可行。

圖9 3次檢測中已知反射體檢出率

4 結(jié) 語

為對有縫線路上鋼軌探傷車檢測速度進(jìn)行規(guī)劃，在超聲波反射體靜態(tài)檢出原理基礎(chǔ)上，通過分析探輪對中偏差和噴水密度2個(gè)因素對超聲波的衰減規(guī)律及檢測速度對這2個(gè)因素的影響關(guān)系，建立了超聲波反射體檢出效果模型?；趧?dòng)態(tài)步長調(diào)節(jié)法，設(shè)計(jì)了超聲波反射體的檢測速度規(guī)劃方法，并通過對多次超聲波反射體速度規(guī)劃，并結(jié)合線路限速信息，得出反射體所在線路的下次檢測時(shí)探傷車的規(guī)劃速度。通過實(shí)際線路3次檢測對比，驗(yàn)證了探傷車檢測速度規(guī)劃方法的有效性。