邵輝

（神華準(zhǔn)能集團(tuán)有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古鄂爾多斯 017100）

準(zhǔn)能集團(tuán)鐵路運(yùn)營(yíng)總里程為502 km，是國(guó)家能源集團(tuán)路網(wǎng)的重要組成部分。準(zhǔn)能集團(tuán)大準(zhǔn)（大同—準(zhǔn)格爾）鐵路作為國(guó)家煤炭系統(tǒng)專用鐵路之一，全長(zhǎng)為448 km，承擔(dān)著我國(guó)西煤東運(yùn)的重要任務(wù)［1］。自1995年運(yùn)營(yíng)以來，大準(zhǔn)鐵路累計(jì)發(fā)送貨物8.5 億t，2015 年年運(yùn)量首次突破1 億t。作為全國(guó)首開萬(wàn)噸列車的鐵路，大準(zhǔn)鐵路依靠其獨(dú)特的區(qū)位優(yōu)勢(shì)，在國(guó)家能源集團(tuán)一體化發(fā)展和國(guó)家交通網(wǎng)戰(zhàn)略部署中占據(jù)著重要地位。

隨著大準(zhǔn)鐵路運(yùn)量逐年增加，該重載線路因軸重大、行車密集，軌頭區(qū)域極易產(chǎn)生核傷等病害［2-3］，危及行車安全。目前，大準(zhǔn)鐵路主要采用基于常規(guī)超聲的手推式數(shù)字超聲波探傷儀，利用列車間隔或天窗點(diǎn)進(jìn)行作業(yè)。未來隨著大準(zhǔn)鐵路重載運(yùn)輸?shù)倪M(jìn)一步發(fā)展，人工作業(yè)方式已無法滿足鋼軌探傷需求，亟需一種新型探傷設(shè)備代替大部分人工作業(yè)，改變?nèi)斯ぬ絺鳂I(yè)效率低、成本高、風(fēng)險(xiǎn)高的現(xiàn)狀［4-5］，實(shí)現(xiàn)鐵路鋼軌探傷機(jī)械化、現(xiàn)代化和信息化。

1 大準(zhǔn)鐵路鋼軌檢測(cè)現(xiàn)狀

大準(zhǔn)鐵路鋼軌探傷目前采用邢臺(tái)先鋒超聲電子有限公司生產(chǎn)的GCT-8C型數(shù)字超聲波探傷儀進(jìn)行作業(yè)。該探傷儀基于常規(guī)超聲技術(shù)，有9個(gè)檢測(cè)通道，具備超聲波A 型脈沖和B 型圖像同屏、同步、分區(qū)顯示，探頭自動(dòng)檢測(cè)，GPS 缺陷定位等功能。

探傷作業(yè)人員分為內(nèi)外2 部分。內(nèi)部有3 個(gè)探傷班組，探傷人員共計(jì)30 人；委外的有7 個(gè)班組，探傷人員共計(jì)65 人。依據(jù)設(shè)備故障的“浴盆曲線”規(guī)律安排探傷周期，對(duì)大修換軌初期和超過大修周期的鋼軌進(jìn)行加密探傷。以大準(zhǔn)鐵路為例，單線地段正線及道岔上行線探傷密度為52 次/年（每周1 次），下行線為26次/年（每2 周1 次）；大修完成地段上下行線的探傷密度分別為18 次/年。自2006 年鋪設(shè)無縫線路以來，共發(fā)現(xiàn)重傷鋼軌3 320 處。其中鋼軌核傷約占鋼軌傷損的60%，螺孔裂紋約占21%，軌頭掉塊占16%，其他傷損約占3%。軌頭缺陷是主要傷損類型。

大準(zhǔn)鐵路過度依賴人工探傷，檢測(cè)速度慢，僅2～3 km/h，檢測(cè)周期長(zhǎng)，且需投入大量人力，增加探傷成本。此外，天窗點(diǎn)和年運(yùn)量矛盾日趨增加，而利用列車間隔作業(yè)亦存在安全隱患。因此，為保證運(yùn)營(yíng)安全，節(jié)約探傷成本，須引入大型探傷車替代人工檢測(cè)。

2 國(guó)內(nèi)外探傷車對(duì)比

2.1 國(guó)內(nèi)探傷車

我國(guó)鐵路自20 世紀(jì)90 年代初開始引進(jìn)大型鋼軌探傷車。目前全國(guó)高速鐵路、客運(yùn)專線等200 km/h 以上的高等級(jí)線路已全面采用美國(guó)進(jìn)口的大型鋼軌探傷車進(jìn)行檢測(cè)［6］，且國(guó)內(nèi)各鐵路企業(yè)（包括朔黃鐵路公司、神朔鐵路公司）也逐漸引進(jìn)了該大型鋼軌探傷車，并取得了一定的使用效果。截至到2016年底，我國(guó)鐵路在役鋼軌探傷車57 臺(tái)，其中40 km/h 等級(jí)1 臺(tái)，60 km/h等級(jí)24臺(tái)，80 km/h等級(jí)32臺(tái)。

對(duì)鐵路總公司所屬鐵路以及開行重載列車的地方鐵路的調(diào)研發(fā)現(xiàn)，國(guó)內(nèi)大型鋼軌探傷車均采用常規(guī)超聲波探傷技術(shù)。雖然此類設(shè)備在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)用中對(duì)軌腰縱向水平裂紋、螺栓孔裂紋等傷損檢出率基本能夠達(dá)到70%～80%，但受現(xiàn)有常規(guī)超聲波探傷技術(shù)及探頭布置的局限以及對(duì)中不良等因素的制約，該類探傷車對(duì)重載線路鋼軌軌頭核傷檢出率較低，尤其是對(duì)于75 kg/m 鋼軌檢出率普遍只能達(dá)到30%～40%。在役探傷車只能作為人工探傷的輔助和補(bǔ)充手段，主要存在4 點(diǎn)因素制約其在鐵路的發(fā)展與運(yùn)用，分述如下。

2.1.1 對(duì)中效果不佳

在不平順及磨耗嚴(yán)重線路探傷時(shí)，探輪會(huì)產(chǎn)生上下跳動(dòng)和左右晃動(dòng)，伴隨A 顯示波器的界面波、監(jiān)視波、底波等劇烈抖動(dòng)，導(dǎo)致出現(xiàn)對(duì)中不良現(xiàn)象，造成核傷漏檢。根據(jù)核傷檢測(cè)原理，前后偏斜70°探頭主要通過二次波在軌顎的反射覆蓋軌距角處核傷。如果探輪對(duì)中發(fā)生偏離，則聲束在軌面入射點(diǎn)位置發(fā)生變化，導(dǎo)致二次波在軌顎的反射點(diǎn)發(fā)生偏移，無法覆蓋到軌距角等區(qū)域，造成核傷漏檢。不同偏移量下超聲波傳播如圖1所示。

圖1 不同偏移量下超聲波傳播示意

2.1.2 兼容性差

重載鐵路上行線為75 kg/m 鋼軌，而下行線大多為60 kg/m 鋼軌。不同軌型的軌顎傾斜角和軌頭高度不同，其中60 kg/m 鋼軌軌顎傾角18.4°，軌頭高度42.6 mm；75 kg/m 鋼軌軌顎傾角 14.0°，軌頭高度50.5 mm。針對(duì)不同軌顎傾角和軌頭高度，探頭須采用不同傾斜角進(jìn)行檢測(cè)方能達(dá)到最佳效果。而既有探傷車探頭被固定在探輪上，其傾斜角是固定的，無法適應(yīng)不同軌型、不同磨耗鋼軌的探傷。70°探頭晶片傾斜角為17.5°，當(dāng)檢測(cè)60 kg/m 鋼軌時(shí)效果較好；而檢測(cè)75 kg/m 鋼軌時(shí)超聲波經(jīng)鋼軌下顎部位反射后，二次波不能有效覆蓋軌距角范圍，造成漏檢，如圖2所示。

圖2 不同軌型及打磨量下超聲波傳播示意

2.1.3 檢測(cè)速度受限

我國(guó)現(xiàn)有探傷車多數(shù)采用輪式探頭進(jìn)行探傷，超聲波在探輪和鋼軌內(nèi)傳播時(shí)，超聲波聲程由探輪聲程L1和鋼軌聲程L2（一次波或二次波）組成。輪式結(jié)構(gòu)聲束傳播如圖3所示。

圖3 輪式結(jié)構(gòu)聲束傳播示意

根據(jù)75 kg/m 鋼軌高度和探軌高度計(jì)算輪式結(jié)構(gòu)超聲波傳播時(shí)間，結(jié)果見表1?？芍?7°通道具有最大聲程，時(shí)間為250.0μs。

表1 輪式結(jié)構(gòu)超聲波傳播時(shí)間 μs

為避免相鄰2 次超聲波發(fā)射周期之間產(chǎn)生干擾，超聲波換能器連續(xù)發(fā)射時(shí)，最小發(fā)射間隔時(shí)間應(yīng)大于250 μs，則超聲波發(fā)射的最大重復(fù)頻率為4 000 Hz。為滿足我國(guó)探傷車靈敏度要求，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定超聲波發(fā)射重復(fù)頻率應(yīng)滿足掃查間距不大于6 mm。因此，輪式探頭在6 mm 采樣間隔下理論最大檢測(cè)速度為86.4 km/h。探輪內(nèi)聲程占探傷總聲程近2/5，嚴(yán)重浪費(fèi)聲束能量和有效探傷時(shí)間，制約輪式探傷車提速，無法達(dá)到我國(guó)探傷車?yán)硐霗z測(cè)速度80～100 km/h。

2.1.4 信號(hào)易串?dāng)_

探輪內(nèi)部包含多種角度和頻率的超聲波換能器，外部包裹透聲的橡膠外膜，輪內(nèi)充滿用于超聲波傳輸?shù)鸟詈弦?。?dāng)探輪高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，液體會(huì)強(qiáng)烈擾動(dòng)并伴隨發(fā)熱現(xiàn)象，形成干擾信號(hào)。當(dāng)耦合良好時(shí)，探頭發(fā)射的超聲波經(jīng)耦合液、探輪外膜順利進(jìn)入到鋼軌內(nèi)部，在鋼軌與探輪界面發(fā)生反射的聲束較少。當(dāng)耦合不佳時(shí)，在鋼軌與探輪界面發(fā)生反射的聲束增多且被相鄰晶片接收到從而形成干擾；或在等距觸發(fā)模式下，當(dāng)探傷速度發(fā)生突變時(shí)，因在鋼軌與探輪界面發(fā)生反射的聲束沒有足夠衰減時(shí)間，從而導(dǎo)致相同晶片接收到幻影波形成干擾。

2.2 國(guó)外探傷車

國(guó)際上主流的大型超聲波鋼軌探傷車主要來自于歐美、俄羅斯等國(guó)家或地區(qū)，依據(jù)探頭不同的布局和安裝方式分為滑靴式、輪式和皮帶輪式3種。

傳統(tǒng)的滑靴式鋼軌探傷車其探頭布局方式簡(jiǎn)單，但不適用于普通線路，對(duì)接頭錯(cuò)牙要求高，且硬接觸造成軌面包裹性差。輪式鋼軌探傷車與滑靴式相比，在保護(hù)探頭晶片的同時(shí)對(duì)鋼軌表面的包裹性更佳，但長(zhǎng)期使用中發(fā)現(xiàn)該探傷車受探頭布局及安裝方式的局限，存在對(duì)中不良、易扎輪等問題。瑞士Speno 公司從20 世紀(jì)60 年代開始生產(chǎn)大型鋼軌探傷車，在滑靴式探傷車領(lǐng)域處于行業(yè)領(lǐng)先地位；如今兼顧滑靴式與輪式優(yōu)勢(shì)而研制開發(fā)了新型皮帶輪式鋼軌探傷車，該探傷車不會(huì)出現(xiàn)扎輪停車等問題，同時(shí)采用自動(dòng)伸縮軸式機(jī)械對(duì)中方式，從而在高速運(yùn)動(dòng)過程中保持對(duì)中效果穩(wěn)定。

上述國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有鋼軌探傷車主要采用常規(guī)超聲波探傷技術(shù)，由于聲束角度單一、覆蓋區(qū)域有限等原因，鋼軌傷損檢出率較低，尤其是對(duì)軌頭核傷的漏檢率較高。因此，目前基于常規(guī)超聲波探傷技術(shù)的鋼軌探傷車無法滿足我國(guó)重載鐵路鋼軌探傷的需求。

3 相控陣鋼軌探傷技術(shù)

相控陣超聲波探傷技術(shù)最早應(yīng)用于醫(yī)學(xué)、軍事等領(lǐng)域，從21世紀(jì)開始逐漸應(yīng)用到工業(yè)領(lǐng)域。該技術(shù)可實(shí)現(xiàn)多角度掃查、動(dòng)態(tài)偏轉(zhuǎn)、聚焦等功能，相比常規(guī)超聲波探傷技術(shù)其檢測(cè)靈活性更好，掃查覆蓋區(qū)域更廣，缺陷檢出率更高，并已成熟運(yùn)用于鐵路車輪、車軸、鋼軌焊縫等探傷領(lǐng)域［7-9］。圖4 為既有成熟車輪、車軸相控陣探傷設(shè)備。

圖4 既有成熟車輪、車軸相控陣探傷設(shè)備

2015 年，瑞士Speno 公司開展基于相控陣技術(shù)的大型鋼軌探傷車研發(fā)，并在澳洲Rio Tinto 鐵路公司成功運(yùn)用。但由于澳洲與我國(guó)在重載線路氣候條件、運(yùn)營(yíng)狀態(tài)、主要檢測(cè)缺陷類型等方面均不相同，該探傷車無法滿足我國(guó)重載鋼軌檢測(cè)需求。因此亟需研發(fā)一款適應(yīng)我國(guó)重載鐵路的高速（80 km/h）新型相控陣鋼軌探傷車。

相控陣探頭具備多角度多方向的掃查能力，如圖5 所示。其不必更換探頭即可同時(shí)滿足43，50，60，75 kg/m 等不同型號(hào)的有縫、無縫鋼軌探傷需求，提高探傷效率和缺陷檢出率，解決現(xiàn)有鋼軌探傷因?qū)χ胁涣?、軌型無法兼容等造成的核傷漏檢問題。

圖5 相控陣探頭聲束掃查示意

經(jīng)理論和試驗(yàn)驗(yàn)證，當(dāng)相控陣探頭折射角為70°時(shí)，為保證檢測(cè)效果最佳，檢測(cè)60 kg/m 鋼軌時(shí)最佳偏轉(zhuǎn)角為15.8°，檢測(cè)75 kg/m 鋼軌時(shí)最佳偏轉(zhuǎn)角為11.2°，見表2。使用相控陣超聲波探傷技術(shù)可產(chǎn)生0°～30°范圍內(nèi)任意偏轉(zhuǎn)角度，滿足現(xiàn)實(shí)中的檢測(cè)需求。

表2 不同折射角探頭檢測(cè)不同軌型鋼軌時(shí)最佳偏轉(zhuǎn)角 （°）

目前普通相控陣技術(shù)可以通過生成多個(gè)聲束而實(shí)現(xiàn)鋼軌軌頭全覆蓋檢測(cè)，但因數(shù)據(jù)處理硬件和系統(tǒng)脈沖觸發(fā)周期的限制，采用串行方式激發(fā)不同角度聲束時(shí)，若激發(fā)聲束越多則檢測(cè)周期越長(zhǎng)，導(dǎo)致探傷速度很難達(dá)到40 km/h，難以滿足國(guó)內(nèi)高速檢測(cè)的需求。為實(shí)現(xiàn)高速、高效、高檢出率的探傷目標(biāo)，引入快速相控陣技術(shù)。快速相控陣技術(shù)聲束發(fā)射模式如圖6 所示，該技術(shù)通過相控陣探頭在1 個(gè)脈沖觸發(fā)周期內(nèi)產(chǎn)生多個(gè)不同角度聲束，然后接收所有通道的缺陷回波信號(hào)進(jìn)行并行實(shí)時(shí)處理，可將數(shù)據(jù)處理速度提高到普通相控陣技術(shù)的8 倍以上（快速相控陣技術(shù)激發(fā)8 個(gè)角度聲束的時(shí)間是普通相控陣技術(shù)激發(fā)8個(gè)角度聲束的時(shí)間的1/8），理論檢測(cè)速度可達(dá)110 km/h以上。

圖6 快速相控陣技術(shù)聲束發(fā)射模式

相比既有大型鋼軌探傷車，基于快速相控陣技術(shù)的新型相控陣鋼軌探傷車從檢出率、兼容性、探傷效率等各方面更具優(yōu)勢(shì)和推廣價(jià)值。

基于快速相控陣技術(shù)的大型鋼軌探傷車可連續(xù)檢測(cè)350 km 及以上線路，檢測(cè)速度可達(dá)80 km/h 及以上。按檢測(cè)速度80 km/h計(jì)算，應(yīng)配置30名操作人員，預(yù)計(jì)年節(jié)省成本600 萬(wàn)元以上。此外，相控陣探頭掃查角度靈活可調(diào)，一套系統(tǒng)即可滿足不同需求，將帶來上千萬(wàn)的附加價(jià)值。此外，系統(tǒng)具備自學(xué)習(xí)功能，可輔助人工探傷，提高數(shù)據(jù)分析效率，進(jìn)一步縮短探傷時(shí)間。

4 結(jié)語(yǔ)

大準(zhǔn)鐵路聯(lián)合國(guó)內(nèi)優(yōu)秀相控陣集成設(shè)備開發(fā)企業(yè)共同研發(fā)滿足我國(guó)重載鐵路鋼軌探傷需求的基于快速相控陣技術(shù)的探傷車，以解決現(xiàn)有鋼軌探傷車存在的傷損檢出率低、對(duì)中不良等問題，并兼顧重載鐵路60，75 kg/m 軌型的檢測(cè)需求，同時(shí)具備智能判傷、實(shí)時(shí)報(bào)警、直觀顯示等功能。通過使用該新型鋼軌探傷車可大大減少人工作業(yè)量，從而實(shí)現(xiàn)減少用工、降低探傷成本的目標(biāo)。

本項(xiàng)目的成果可在國(guó)家能源集團(tuán)鐵路系統(tǒng)及國(guó)內(nèi)其他重載鐵路推廣應(yīng)用，對(duì)提升我國(guó)重載鐵路行業(yè)裝備技術(shù)水平具有重要意義。