劉軍祥 崔會(huì)鋒 張彥紅

摘要 隨著我國(guó)鐵路里程的跨越式增長(zhǎng)，對(duì)軌道的安全性和檢測(cè)效率提出了新的要求，傳統(tǒng)鋼軌探傷儀檢測(cè)需要更加經(jīng)濟(jì)便捷高效的檢測(cè)方式。文章依據(jù)探傷需求開(kāi)發(fā)探輪式軌道探傷檢測(cè)小車(chē)，基于探傷需要和檢測(cè)原理，合理設(shè)計(jì)探傷車(chē)的車(chē)體模塊和探傷模塊，并在標(biāo)定軌、自然軌和正線開(kāi)展以15 km/h速度開(kāi)展實(shí)際檢測(cè)，檢測(cè)表明軌頭核傷、軌腰和軌底裂紋的檢出均有效達(dá)到100%，正線測(cè)試缺陷高速檢出效果得到驗(yàn)證，為軌道安全生產(chǎn)提供了有力保障。

關(guān)鍵詞 軌道探傷;探輪式;標(biāo)定軌;超聲探傷

中圖分類(lèi)號(hào) U213.43 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2096-8949（2022）13-0135-04

0 前言

隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，鐵路運(yùn)輸保持了快速穩(wěn)定的增長(zhǎng)趨勢(shì)[1]，截至2020年底全國(guó)鐵路運(yùn)營(yíng)里程達(dá)到14.6萬(wàn)km，對(duì)軌道安全性和檢測(cè)效率有了更高的要求。軌道病害是線路安全運(yùn)營(yíng)的最大隱患，開(kāi)展鋼軌探傷檢查是確保軌道交通運(yùn)營(yíng)安全的重要手段[2]。目前已有的檢測(cè)手段有手推式探測(cè)儀和高速探傷車(chē)，探傷車(chē)和探傷儀分別按各自的年、月計(jì)劃進(jìn)行探傷檢查[3]。手推式鋼軌探測(cè)儀是在小型的手推車(chē)上搭載鐵路探傷輪，鐵路維護(hù)人員手推其進(jìn)行鐵路探傷[4]，普通手推式探傷儀速度2 km/h，在有限的天窗時(shí)間作業(yè)距離較短，走行能力弱，鐵路探傷工作強(qiáng)度大，而大型的鋼軌探傷設(shè)備源于歐美，我國(guó)對(duì)其進(jìn)行了引進(jìn)和國(guó)產(chǎn)化，即使如此，大型探傷車(chē)的造價(jià)依然很高，每輛高達(dá)2 500萬(wàn)元人民幣[5]，不適合大規(guī)模應(yīng)用。滑靴式小車(chē)不易實(shí)現(xiàn)良好的耦合、探頭與鋼軌之間的水層中間易產(chǎn)生降低聲能能量的氣泡、對(duì)接頭錯(cuò)牙要求高[6]、過(guò)道岔困難以及用水量大。新型探輪式軌道探傷檢測(cè)小車(chē)既具有價(jià)格低廉，運(yùn)行速度快，檢測(cè)效率高，現(xiàn)有操作人員易掌握的特點(diǎn)，也具備滑靴式15～20 km/h的檢測(cè)速度，且耦合良好節(jié)約用水，過(guò)道方便，降低了探傷人員勞動(dòng)強(qiáng)度和提高了工區(qū)探傷保障。因此，探輪式軌道探傷小車(chē)是現(xiàn)有超聲探傷條件下的優(yōu)勢(shì)集成解決方案。

1 小車(chē)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

雙軌探傷車(chē)如圖1所示，主要包括驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、對(duì)中系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)和探傷系統(tǒng)四個(gè)子系統(tǒng)。

驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)包括車(chē)架、后驅(qū)差速橋、主走行輪和輔助走行輪等部件，主要實(shí)現(xiàn)雙軌探傷車(chē)在鋼軌上走行功能，并為對(duì)中系統(tǒng)、探傷系統(tǒng)和電氣控制系統(tǒng)提供硬件接口和動(dòng)力;對(duì)中系統(tǒng)包括對(duì)中機(jī)械結(jié)構(gòu)、對(duì)中電機(jī)、傾角電機(jī)和耦合噴水機(jī)構(gòu)等，主要用于調(diào)整探輪在軌面位置，保持探輪與軌面對(duì)中和耦合良好，超聲波有效能量入射到鋼軌內(nèi)部;電氣控制系統(tǒng)將傳感器、電源、驅(qū)動(dòng)電機(jī)及超聲主機(jī)連接，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的走行、對(duì)中、檢測(cè)、耦合、報(bào)警等功能。探傷系統(tǒng)包括超聲波探輪和3張8通道并行超聲主機(jī)，外部觸發(fā)方式實(shí)現(xiàn)18個(gè)超聲通道的發(fā)射及數(shù)據(jù)采集，對(duì)鋼軌進(jìn)行檢測(cè)。預(yù)留了用于軌面質(zhì)量檢測(cè)的軌檢單元和道床檢測(cè)的巡檢單元。整個(gè)小車(chē)系統(tǒng)與擴(kuò)展見(jiàn)圖2。

1.1 車(chē)體結(jié)構(gòu)及裝配

雙軌探傷車(chē)主要由8個(gè)模塊組成，分別是車(chē)架、隨動(dòng)軸、后驅(qū)動(dòng)輪軸、2個(gè)對(duì)中機(jī)構(gòu)、超聲主機(jī)、電池和水箱。首先，分別將前隨動(dòng)輪軸和后驅(qū)動(dòng)輪軸放置于軌道上，并用安裝輔具管將前后輪軸連接。其次，四個(gè)人將一體式機(jī)架抬起并放置在前后車(chē)輪軸上，機(jī)架與車(chē)輪軸有定位裝置，通過(guò)快速夾鉗將車(chē)架與輪軸連接在一起，快速夾鉗含防松動(dòng)機(jī)構(gòu)。第三，分別將2個(gè)對(duì)中機(jī)構(gòu)組裝到一體式小車(chē)機(jī)架左右兩側(cè)，并通過(guò)鎖緊螺紋將對(duì)中機(jī)構(gòu)與小車(chē)機(jī)架相連，安裝各個(gè)模塊。最后，對(duì)整車(chē)的電氣接線、信號(hào)接線、水路接線進(jìn)行檢查，結(jié)束后啟動(dòng)電源開(kāi)關(guān)，按響警告按鈕表示走行部分連接正常。隨后接通檢測(cè)系統(tǒng)電源，打開(kāi)電腦，啟動(dòng)探傷軟件，探傷開(kāi)始作業(yè)。裝配完成后如圖3所示。

1.2 探傷機(jī)構(gòu)

探傷模塊由探輪及對(duì)中伺服部分、超聲信號(hào)采集與分析部分、耦合水噴淋部分、中控顯示、編碼器等組成。

探傷機(jī)械控制單元具備探頭對(duì)中調(diào)節(jié)功能[7]，通過(guò)車(chē)體控制面板按鈕可進(jìn)行對(duì)中調(diào)節(jié)，連接裝置：用以將探輪裝置與車(chē)體穩(wěn)定連接在一起，對(duì)中彈簧、對(duì)中靠輪使探輪裝置能夠與鋼軌緊密貼合在一起，保證探輪在鋼軌上的水平左右位置穩(wěn)定，超聲波探傷的難點(diǎn)是保證探頭的平穩(wěn)性，只有這樣才能保證采集信號(hào)的平穩(wěn)可靠[8]，如圖4所示對(duì)中結(jié)構(gòu)。耦合水噴淋系統(tǒng)具備耦合水量控制功能，通過(guò)改變泵的功率來(lái)控制耦合水的出水量，完成探輪與鋼軌間的耦合，超聲波進(jìn)入鋼軌，此系統(tǒng)適應(yīng)多種檢測(cè)環(huán)境。

超聲信號(hào)采集與分析系統(tǒng)，通過(guò)探頭采集軌道信息后，經(jīng)過(guò)自開(kāi)發(fā)軟件進(jìn)行處理分析，運(yùn)用C語(yǔ)言完成上位機(jī)監(jiān)控，采用串口及USB接口串行到采集箱，對(duì)小車(chē)的運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性及橫向運(yùn)動(dòng)特性進(jìn)行分析能夠?qū)︿撥墦p傷進(jìn)行一定的判斷，并輸出有效數(shù)據(jù)。通過(guò)編碼器采集里程信息，小車(chē)具備里程定位功能，并且可以實(shí)時(shí)進(jìn)行里程校準(zhǔn)。

探頭集成在輪式探輪上，每個(gè)探輪含有9個(gè)探頭，探頭參數(shù)及用途見(jiàn)表1，包括一個(gè)0°探頭，2個(gè)37°探頭，6個(gè)70°探頭（4個(gè)二次波斜70°探頭和2個(gè)直70°探頭），通過(guò)這種布局，保障了鋼軌探傷的檢測(cè)覆蓋范圍，探輪組裝完成后見(jiàn)圖5。

所有探頭均為“自發(fā)自收”工作方式，均采用探頭發(fā)射超聲波，從鋼軌軌面入射并接收缺陷反射回波或穿透失波，來(lái)對(duì)鋼軌各部位進(jìn)行檢測(cè)。根據(jù)超聲波的聲程推算，就可以輕易地將缺陷信號(hào)和底波信號(hào)區(qū)分開(kāi)，然后通過(guò)超聲波試塊進(jìn)行定標(biāo)，就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)鋼軌缺陷的定位和定量[9]，相比手推儀器的原理，探傷小車(chē)的超聲波還需要穿過(guò)耦合液和輪皮后進(jìn)入鋼軌，如圖6所示。我國(guó)重載線路中造成斷軌最主要的原因是軌頭核傷，占斷軌總數(shù)的一半[10]，70°探頭一次波探測(cè)缺陷，可以覆蓋軌頭30%左右的區(qū)域，通過(guò)端面反射的二次波可以有效擴(kuò)大軌頭探測(cè)區(qū)域，覆蓋軌頭范圍。由于螺孔缺陷發(fā)展方向不固定，按聲束方向，設(shè)計(jì)前37°和后37°探頭，覆蓋缺陷的不同發(fā)展方向，尤其值得注意的是，螺孔區(qū)域靠近端面，存在端面反射的現(xiàn)象。0°探頭放置鋼軌頂面中心，發(fā)射聲束從軌面至軌底，能探測(cè)的區(qū)域?yàn)檐壯队胺秶鷥?nèi)，如果鋼軌內(nèi)有縱向裂紋和斜裂紋，超聲波在傳播過(guò)程中改變方向，使探頭接收不到軌底反射波而產(chǎn)生失波報(bào)警。

2 現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)用

為充分驗(yàn)證小車(chē)的性能和預(yù)期設(shè)計(jì)目標(biāo)，在人工標(biāo)定線、模擬自然狀態(tài)的定西自然軌測(cè)試線測(cè)試小車(chē)的探傷檢測(cè)和車(chē)體性能，在正線上開(kāi)展運(yùn)營(yíng)測(cè)試和使用。

2.1 標(biāo)定軌靜態(tài)測(cè)試

《雙軌式鋼軌超聲波探傷儀暫行技術(shù)條件》（TJ/GW157—2017）6.6檢測(cè)能力闡述：探傷儀調(diào)整到實(shí)際鋼軌探傷狀態(tài)，以15 km/h （±0.5 km/h）速度，分別連續(xù)5次不間斷檢測(cè)GTS-60SG-1/2/3組成的直標(biāo)定線和曲標(biāo)定線，除軌底錐孔、GTS-60SG-3試塊中的人工傷損外，其他人工傷損能全部檢出，并能正常報(bào)警。如探傷儀具備15°螺孔裂紋或垂向傷損等的檢測(cè)能力，則需全部檢出相應(yīng)人工傷損，并能正常報(bào)警。

探輪式軌道探傷檢測(cè)小車(chē)標(biāo)定軌檢測(cè)結(jié)果如表2所示，人工傷損檢出率100%。與將小車(chē)對(duì)標(biāo)定軌上所有缺陷檢測(cè)結(jié)果與手推車(chē)的檢測(cè)結(jié)果對(duì)比分析，軌鄂反射率較低，手推車(chē)未能檢測(cè)出小車(chē)檢測(cè)出的軌顎裂紋，而探輪的對(duì)中彈簧、對(duì)中靠輪使探輪裝置能夠與鋼軌緊密貼合在一起，保證了標(biāo)定軌軌鄂R4H2橫向刻槽、R5H4橫向刻槽和R6H6橫向刻槽的檢出，B掃結(jié)果見(jiàn)圖7。

標(biāo)定軌測(cè)試表明15 km/h下該車(chē)超聲系統(tǒng)對(duì)軌頭軌腰和軌底的人工傷損檢測(cè)達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

2.2 自然軌探傷測(cè)試

自然軌道測(cè)試內(nèi)容為檢驗(yàn)小車(chē)在小儀器檢出更換的舊軌的缺陷檢出測(cè)試，還原正常運(yùn)行下的鐵路軌道狀況下探傷缺陷的檢出。

自然測(cè)試軌，前一段加速區(qū)為新軌，后端為測(cè)試舊軌，如圖8展示的自然軌，測(cè)試舊軌為正線上檢出缺陷的保留軌道，測(cè)試軌左右鋼軌是由一段段不同長(zhǎng)度的鋼軌拼接而成，且鋼軌上均進(jìn)行了編號(hào)。在每根軌上基本均有缺陷，分別連續(xù)多次多環(huán)境狀況不間斷在15 km/h速度下，對(duì)測(cè)試軌開(kāi)展檢測(cè)。

探輪式軌道探傷檢測(cè)小車(chē)自然軌檢測(cè)結(jié)果如表3，與傳手推車(chē)設(shè)備的檢出對(duì)比，其檢測(cè)效果是一致的，在速度上遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)傳統(tǒng)的手推式儀器。自然軌測(cè)試表明15 km/h速度下該車(chē)超聲系統(tǒng)對(duì)服役的鋼軌的傷損軌頭核傷、軌鄂裂紋、螺孔裂紋、底缺陷檢測(cè)效果好。

2.3 正線檢測(cè)運(yùn)用

在完成標(biāo)定線和自然軌道的測(cè)試對(duì)比后，已經(jīng)達(dá)到了初步的設(shè)計(jì)預(yù)期。開(kāi)展正線檢測(cè)，驗(yàn)證小車(chē)在正線工況下的探傷運(yùn)用。

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試及連續(xù)的試用，研制的小車(chē)完全滿足規(guī)定的技術(shù)性能要求，功能上滿足現(xiàn)場(chǎng)使用需求，達(dá)到了預(yù)期目的。對(duì)小儀器難以檢出的一些情況，小車(chē)也有較好的檢出，如探傷小車(chē)在梁家坪到定西正線，蘭渝線上道測(cè)試，上道檢測(cè)50 km期間檢測(cè)到缺陷軌底劃痕1例，位于蘭渝線上行右軌54.8 km處，深度約為0.2 mm，長(zhǎng)度約為15 mm，作業(yè)結(jié)果如圖9所示。在作業(yè)效率方面，每個(gè)天窗時(shí)間約為4 h，實(shí)際純作業(yè)時(shí)間約為3.5 h，探傷儀平均檢測(cè)7 km，小車(chē)可檢測(cè)50 km左右，在作業(yè)效率方面提升明顯。正線探傷效率和檢出表明小車(chē)的超聲系統(tǒng)缺陷高速檢出效果和作業(yè)性能得到驗(yàn)證。

3 結(jié)論

基于鋼軌探傷現(xiàn)狀及探傷需要，開(kāi)發(fā)探輪式軌道探傷檢測(cè)小車(chē)，并開(kāi)展標(biāo)定軌靜態(tài)、自然軌探傷測(cè)試分析和正線的檢測(cè)使用。結(jié)果表明：在設(shè)計(jì)速度下各系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)較為完整，檢測(cè)效率高，標(biāo)定軌靜態(tài)、自然軌探傷測(cè)試檢出率100%，并在超聲系統(tǒng)缺陷高速檢出效果和作業(yè)性能得到驗(yàn)證，相對(duì)比手推式儀器探傷，工作效率大幅提升，為軌道探傷檢測(cè)提供了新的保障。

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