樓鑫鴻

(杭州杭港地鐵五號(hào)線有限公司，浙江 杭州 310000)

0 引言

杭州地鐵1號(hào)線在七堡車輛基地的正線出入段安裝了一套基于TSA超聲波探傷模塊的輪對(duì)動(dòng)態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)，來(lái)實(shí)行車輪踏面缺陷的快速動(dòng)態(tài)自動(dòng)檢測(cè)。隨著使用年限的增加，現(xiàn)有的檢測(cè)系統(tǒng)從實(shí)際檢測(cè)性能、維護(hù)成本方面考慮，已無(wú)實(shí)際使用的價(jià)值和意義，并且接觸式TSA探傷模塊在直流牽引地鐵系統(tǒng)中存在輪對(duì)與鋼軌的打火問(wèn)題，并造成輪對(duì)踏面灼傷。

1 輪對(duì)動(dòng)態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)現(xiàn)狀

杭州地鐵1號(hào)線輪對(duì)動(dòng)態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用的是電磁超聲波換能器(EMAT)原理(見(jiàn)圖1)，通過(guò)將檢測(cè)設(shè)備的4只探頭(TSA超聲波探傷模塊)分別交錯(cuò)安裝(兩兩相隔一定距離)在左右2條定制鋼軌上(見(jiàn)圖2)，利用探頭在輪對(duì)踏面發(fā)出超聲波，超聲波在經(jīng)過(guò)輪對(duì)踏面1周后回到探頭形成相應(yīng)的波形，通過(guò)波形來(lái)判定輪對(duì)內(nèi)表面徑向是否有缺陷。其用在直流牽引城市軌道交通系統(tǒng)中，會(huì)有以下情況。

圖1 超聲波探傷檢測(cè)原理圖

1.1 TSA探傷模塊針對(duì)地鐵實(shí)用性不強(qiáng)

1)TSA探傷模塊主要用于檢測(cè)輪對(duì)踏面內(nèi)部10 mm以下徑向缺陷，而對(duì)于其他缺陷無(wú)法進(jìn)行有效檢測(cè)。

2)TSA探傷模塊在大鐵上運(yùn)用比較廣泛，而在地鐵行業(yè)運(yùn)用較少。主要因?yàn)榇箬F車輛長(zhǎng)期高速運(yùn)行，容易造成車輪內(nèi)部缺陷。地鐵車輛行駛速度較低，啟停頻率高，容易造成車輪外部的擦傷和剝離缺陷，所以探傷檢測(cè)模塊在地鐵行業(yè)中實(shí)用性不強(qiáng)。1號(hào)線輪對(duì)故障檢測(cè)系統(tǒng)運(yùn)用7年來(lái)共檢測(cè)車輛編組67 000多次，至今未檢出有車輪內(nèi)部裂紋等缺陷故障情況。

圖2 TSA模塊現(xiàn)場(chǎng)安裝圖

1.2 檢測(cè)區(qū)域鋼軌打火，造成輪對(duì)踏面及設(shè)備軌軌面灼傷

TSA探傷模塊需要安裝在定制的鋼軌上面(見(jiàn)圖3)，在檢測(cè)時(shí)需要與電客車輪對(duì)踏面接觸。為了防止TSA探傷模塊被列車經(jīng)過(guò)時(shí)的直流牽引回流燒毀，須將這段定制鋼軌與正常行軌進(jìn)行絕緣(此段特制軌道以下簡(jiǎn)稱設(shè)備軌)并做高標(biāo)準(zhǔn)單獨(dú)接地處理(見(jiàn)圖4)?，F(xiàn)設(shè)備軌與正常行軌已經(jīng)進(jìn)行絕緣隔離接地處理，隔離的設(shè)備軌長(zhǎng)度為8.125 m。

圖3 TSA探傷模塊及定制鋼軌

圖4 設(shè)備軌接地示意圖

因設(shè)備軌已被隔離接地，當(dāng)電客車的輪對(duì)從行軌通過(guò)絕緣節(jié)進(jìn)入設(shè)備軌時(shí)會(huì)出現(xiàn)輪對(duì)踏面和設(shè)備軌的打火現(xiàn)象，造成輪對(duì)踏面(見(jiàn)圖5)和設(shè)備軌軌面灼傷。

圖5 被灼傷的輪對(duì)

1.3 繼續(xù)使用的綜合成本高

1)TSA超聲波探傷模塊是采用10年前的淺表層超聲探傷技術(shù)，現(xiàn)在國(guó)外的供方已經(jīng)停止對(duì)其進(jìn)行生產(chǎn)，后續(xù)維修配件只能購(gòu)買廠家的庫(kù)存件，采購(gòu)價(jià)格相當(dāng)昂貴，該系統(tǒng)共有4個(gè)超聲波探頭，經(jīng)7年使用其中2個(gè)探頭與車輪之間存在間隙，探頭發(fā)射的超聲波無(wú)法傳輸?shù)杰囕啽韺由先?，需要進(jìn)行更換。

2)因打火現(xiàn)象造成電客車輪對(duì)踏面灼傷后，需要將灼傷的輪對(duì)進(jìn)行鏇輪。不僅增加了鏇輪工作量，同時(shí)減少了輪對(duì)的使用壽命。

2 升級(jí)改造方案說(shuō)明

升級(jí)改造方案所用的新系統(tǒng)采用的是LVT車輪踏面缺陷圖像監(jiān)測(cè)模塊(簡(jiǎn)稱“LVT模塊”)，通過(guò)在軌邊布置16個(gè)圖像采集單元(見(jiàn)圖6)，分成4組，定點(diǎn)觸發(fā)采集4張圖片覆蓋整個(gè)踏面。當(dāng)一個(gè)車輪經(jīng)過(guò)檢測(cè)區(qū)時(shí)，系統(tǒng)共采集8張圖片(單邊)，篩選無(wú)遮擋的踏面圖片，實(shí)現(xiàn)踏面圓周全覆蓋展示。

圖6 LVT模塊軌邊布局圖

其原理是通過(guò)采用圖像分析測(cè)量技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)車輪踏面圖像采集，智能化識(shí)別踏面缺陷；通過(guò)圖像特征匹配、模式識(shí)別技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)踏面剝離、硌傷等的自動(dòng)檢測(cè)(見(jiàn)圖7)并對(duì)踏面缺陷進(jìn)行預(yù)警。LVT車輪踏面缺陷圖像監(jiān)測(cè)模塊運(yùn)用在城市軌道交通系統(tǒng)中有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)。

圖7 LVT模塊識(shí)別示例

2.1 檢測(cè)目的性強(qiáng)

地鐵車輛輪對(duì)踏面主要故障為踏面的剝離、硌傷、凹坑等缺陷，而LVT模塊通過(guò)圖像檢測(cè)算法和模式識(shí)別，實(shí)現(xiàn)踏面剝離、硌傷、凹坑的自動(dòng)檢測(cè)，且踏面表面缺陷檢測(cè)范圍最小面積8 mm2，最大面積3 600 mm2(見(jiàn)圖8)。

圖8 LVT檢測(cè)的范圍

2.2 技術(shù)成熟，運(yùn)用普遍

LVT車輪踏面缺陷圖像監(jiān)測(cè)模塊已在地鐵行業(yè)安裝用于多年，且大部分地鐵線路中都已安裝了該模塊。杭州地鐵除1號(hào)線無(wú)該檢測(cè)模塊。其中2、4、5號(hào)線包括已經(jīng)完成招標(biāo)的7、9號(hào)線都配置了該檢測(cè)模塊。

2.3 安裝方便，操作簡(jiǎn)單

LVT模塊安裝簡(jiǎn)單，改造工程量小，無(wú)需在定制特殊軌道安裝，只需加裝在正常鋼軌兩側(cè)(見(jiàn)圖9)，且與現(xiàn)有系統(tǒng)兼容，使用操作簡(jiǎn)易上手。

圖9 LVT模塊現(xiàn)場(chǎng)安裝效果圖

2.4 無(wú)需隔離接地，消除鋼軌打火隱患

LVT模塊與車輪為非接觸式檢測(cè)，不存在牽引回流電對(duì)設(shè)備造成損毀。所以檢測(cè)設(shè)備區(qū)域鋼軌無(wú)需隔離接地。徹底消除了在直流牽引城市軌道系統(tǒng)使用中出現(xiàn)的鋼軌打火隱患。

3 結(jié)語(yǔ)

接觸式超聲波探傷檢測(cè)模塊(TSA模塊)無(wú)論是從實(shí)用性能還是從維護(hù)成本來(lái)分析，已無(wú)實(shí)際使用的價(jià)值和意義。升級(jí)改造方案所采用的LVT模塊通過(guò)采集車輪圖像，即解決接觸式檢測(cè)方式只能檢測(cè)輪軌接觸踏面區(qū)域的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)整個(gè)踏面狀況的可視化監(jiān)測(cè)，又在一定程度上可以減少或替代下地溝對(duì)擦傷進(jìn)行復(fù)核的頻次以及復(fù)核不全問(wèn)題；同時(shí)開發(fā)圖像檢測(cè)算法，通過(guò)模式識(shí)別，實(shí)現(xiàn)踏面剝離、硌傷、凹坑的自動(dòng)檢測(cè)，并根據(jù)缺陷嚴(yán)重程度實(shí)現(xiàn)分級(jí)報(bào)警，為杭州地鐵1號(hào)線電客車安全運(yùn)行提供強(qiáng)力保障。