機(jī)車輪對在線深層次探傷系統(tǒng)運(yùn)用效果及改進(jìn)建議

董亞庚

(中國鐵路總公司運(yùn)輸局 機(jī)務(wù)部， 北京 100844)

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機(jī)車輪對在線深層次探傷系統(tǒng)運(yùn)用效果及改進(jìn)建議

董亞庚

(中國鐵路總公司運(yùn)輸局 機(jī)務(wù)部， 北京 100844)

分析了機(jī)車輪對在線深層次探傷系統(tǒng)的功能、結(jié)構(gòu)和檢測原理，對比接觸法和水浸法兩種檢測技術(shù)，通過仿真給出最佳探頭工藝選型，最后結(jié)合現(xiàn)場運(yùn)用效果闡述了系統(tǒng)在機(jī)車輪對檢測安全保障方面起到的關(guān)鍵性作用。同時，針對輪對在線深層次探傷系統(tǒng)當(dāng)前運(yùn)用中的局限性提出了改進(jìn)建議，以更好適應(yīng)機(jī)車運(yùn)用現(xiàn)場，發(fā)揮系統(tǒng)優(yōu)勢。

輪對； 在線檢測； 超聲探傷； 安全

輪對是機(jī)車的最終受力部件，其質(zhì)量的好壞直接影響行車安全。由于機(jī)車多為長交路運(yùn)行，輪對運(yùn)行中受力情況復(fù)雜，環(huán)境惡劣，以及材質(zhì)本身的影響，輪對極易產(chǎn)生內(nèi)部周向、徑向缺陷和表面剝離缺陷，包括危害性的周向輞裂缺陷。

因此，為保證機(jī)車運(yùn)行安全，加強(qiáng)機(jī)車輪對日常檢測，填補(bǔ)車輪危害性缺陷日常檢測空白，中國鐵路總公司于2013年頒布了鐵總運(yùn)【2013】90號文，規(guī)定機(jī)務(wù)段須配置輪對在線深層次探傷系統(tǒng)，在機(jī)車每次回庫時對輪輞及輪箍周向和徑向缺陷進(jìn)行動態(tài)檢測。自此，各鐵路局積極推進(jìn)輪對在線深層次探傷系統(tǒng)的新建和升級工作。

1 系統(tǒng)概述

輪對在線深層次探傷系統(tǒng)安裝在機(jī)車入庫線上，采用超聲波陣列探傷技術(shù)在線動態(tài)檢測入庫機(jī)車的輪輞及輪箍周向和徑向缺陷、輪緣徑向缺陷。當(dāng)機(jī)車通過檢測區(qū)域時，軌道兩側(cè)陣列布置的超聲波探頭對輪對進(jìn)行動態(tài)超聲波探傷檢測，并自動對檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理和存儲，探傷檢測結(jié)果以報表的形式供專職操作人員和設(shè)備管理人員查看，為機(jī)車輪對的維護(hù)和檢修提供及時準(zhǔn)確的信息。

系統(tǒng)由現(xiàn)場檢測單元、設(shè)備間和控制室3部分組成(見圖1)，其中現(xiàn)場檢測單元對原始超聲波檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和預(yù)處理；設(shè)備間用于對檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行自動分析處理，獲得檢測結(jié)果并上傳至控制室；控制室內(nèi)設(shè)置有數(shù)據(jù)專家診斷平臺，實(shí)現(xiàn)檢測數(shù)據(jù)的統(tǒng)一存儲、查詢統(tǒng)計、分析診斷、管理。

2 檢測系統(tǒng)原理及性能

目前，輪對在線深層次探傷系統(tǒng)常用的檢測方法主要有接觸式超聲波陣列探傷技術(shù)和液浸式超聲波陣列探傷技術(shù)兩種。接觸式檢測相對于液浸式檢測具有更小的維護(hù)量和更好的檢測穩(wěn)定性，被廣泛采用。

2.1 接觸式超聲波探傷原理

傳統(tǒng)的機(jī)車輪對探傷主要采用手工探傷方式，通過探頭往復(fù)運(yùn)動實(shí)現(xiàn)探傷檢測，而接觸式超聲波陣列探傷技術(shù)是將超聲波探頭陣列式地布置在軌道兩側(cè)，超聲波探頭陣列由雙晶直探頭和大角度直探頭組成，當(dāng)機(jī)車通過檢測區(qū)域時，超聲波探頭與輪對直接動態(tài)接觸，完成對輪對的探傷檢測，是一種通過式在線檢測方式(見圖2～圖5)。

圖1 系統(tǒng)總體組成

圖2 接觸式超聲波陣列探傷檢測

圖3 輪輞及輪箍周向缺陷檢測原理(雙晶直探頭)

圖4 輪輞及輪箍徑向缺陷檢測原理(大角度斜探頭)

圖5 輪緣頂部徑向缺陷檢測原理(大角度斜探頭)

2.2 液浸式超聲波陣列探傷原理

液浸式超聲波陣列探傷技術(shù)同樣是一種通過式輪對在線探傷技術(shù)，與接觸式超聲波陣列探傷技術(shù)不同的是，液浸式技術(shù)是將液浸聚焦探頭陣列式地布置在液槽中。當(dāng)車輪位于探頭上方時，超聲波探頭并不與輪對直接接觸，聲束通過水的傳導(dǎo)，近似入射到踏面上的一個固定點(diǎn)。在車輪通過探頭的過程中，聲束沿入射點(diǎn)形成角度掃描，實(shí)現(xiàn)輪輞缺陷探傷檢測(見圖6～圖7)。

圖6 在線液浸式超聲波陣列探傷系統(tǒng)

圖7 液浸式超聲波檢測原理

2.3 接觸式與液浸式探傷技術(shù)對比分析

以上兩種探傷方法中，接觸式超聲探傷設(shè)備投入市場較早，具有較高的靈敏度，缺陷檢測能力較強(qiáng)，是當(dāng)時有效的一種機(jī)車輪對在線超聲檢測設(shè)備，運(yùn)用過程中積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)；液浸式超聲波探傷設(shè)備投入市場較晚，設(shè)備原理先進(jìn)、檢測效果突出。

(1)探頭耦合方式，接觸式超聲探傷設(shè)備超聲探頭直接與車輪踏面貼合，中間的空隙靠噴射水填充；液浸式超聲波探傷設(shè)備探頭與踏面距離一百多毫米，中間靠流動水填充，探頭一次安裝完成后固定不動探頭沒有磨損，由于探頭與車輪都在水下，不存在超聲波耦合不良的問題，系統(tǒng)很穩(wěn)定。由于水介質(zhì)帶來一定的能量損耗，所以液浸式超聲探頭較接觸式探頭的發(fā)射能量大些。

(2)檢測方式，接觸式超聲探傷設(shè)備是在車輪與探頭正接觸時激發(fā)一次檢測；浸式超聲波探傷設(shè)備采用了逐層掃描的工作方式，能穩(wěn)定形成較密檢測超聲覆蓋。

(3)探頭排布方式，接觸式超聲探傷設(shè)備探頭水平排列在軌平面上，用彈性結(jié)構(gòu)支撐。受支撐機(jī)械結(jié)構(gòu)限制，探頭間隙處車輪無法檢測；液浸式超聲波探傷設(shè)備探頭為弧形排列，超聲波到達(dá)車輪踏面時實(shí)現(xiàn)了無縫隙銜接。

3 運(yùn)用效果

目前，采用接觸式探傷技術(shù)的機(jī)車輪對在線深層次探傷系統(tǒng)已在全路運(yùn)用100余套，累計檢測各型機(jī)車超過60多萬臺次，共檢出超過600例機(jī)車輪輞缺陷，其中輪輞內(nèi)部缺陷300余例，有效防止了機(jī)車輪對帶病上線，避免了機(jī)車輪對事故。

2015年3月9日南寧機(jī)務(wù)段的機(jī)車輪對在線深層次探傷系統(tǒng)檢測HXD1C-0534機(jī)車I端1軸左輪輪輞內(nèi)部輞裂缺陷：踏面下約6～16 mm處多處輪輞周向輞裂缺陷，最大缺陷尺寸為周向5 mm軸向25 mm徑向16 mm，缺陷照片見圖8。

圖8 典型缺陷案例

2015年10月1日南寧機(jī)務(wù)段的機(jī)車輪對在線深層次探傷系統(tǒng)檢測出HXD3C-0242機(jī)車I端4軸右輪輪輞內(nèi)部輞裂缺陷：踏面下約12～18mm處，周向220 mm軸向50 mm徑向7 mm，缺陷照片見圖9。

圖9 實(shí)際缺陷情況

2015年10月20日庫爾勒機(jī)務(wù)段的機(jī)車輪對在線深層次探傷系統(tǒng)檢測出HXD3CA-6033機(jī)車I端5軸左輪輪輞內(nèi)部輞裂缺陷：踏面下約12.5～36.3 mm，周向270 mm軸向75 mm徑向23.8 mm，缺陷照片見圖10。

圖10 實(shí)際缺陷情況

2015年11月3日集寧機(jī)務(wù)段呼和浩特車間的機(jī)車輪對在線深層次探傷系統(tǒng)檢測出HXD3C-1026機(jī)車I段6軸右輪輪輞內(nèi)部輪輞缺陷：踏面下約22.9～61.9 mm處，周向170 mm軸向10 mm徑向39 mm，缺陷照片見圖11。

圖11 實(shí)際缺陷情況

機(jī)車輪對在線深層次探傷系統(tǒng)由于安裝在機(jī)車入段咽喉部位，可對各機(jī)務(wù)段入段的所有機(jī)車輪對進(jìn)行快速動態(tài)檢測，發(fā)揮了輪對質(zhì)量第一道安全屏障作用，減輕了人工作業(yè)勞動量，提升了機(jī)車輪對檢修維護(hù)效率。

在運(yùn)用過程中，為更好地發(fā)揮該探傷系統(tǒng)的安全保障作用，進(jìn)一步提高輪對檢修維護(hù)效率，結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)了以下3點(diǎn)管理經(jīng)驗(yàn)：

(1)采用“狀態(tài)良好”、“跟蹤控制”和“復(fù)查判斷”三級自動報警模式，實(shí)施差異化的報警管理。其中，“狀態(tài)良好”表明輪對無缺陷，無需關(guān)注；“跟蹤控制”表明輪對存在未超限的小缺陷，無需處理但需重點(diǎn)關(guān)注；"復(fù)查判斷"表明輪對存在超限缺陷，需要立即扣車處理。設(shè)備專職操作人員和管理人員需嚴(yán)格按照三級報警說明對輪對進(jìn)行妥善處理。

(2)為保持設(shè)備始終處于良好的性能狀態(tài)，須配備設(shè)備專職維護(hù)管理人員，定期對設(shè)備進(jìn)行維護(hù)和管理。

(3)需嚴(yán)格規(guī)范機(jī)車司機(jī)的入段作業(yè)，嚴(yán)禁機(jī)車在檢測區(qū)域內(nèi)撒沙，避免對系統(tǒng)的檢測能力造成影響。

4 改進(jìn)建議

為了更好地發(fā)揮輪對在線深層次探傷系統(tǒng)的作用，針對機(jī)車輪對現(xiàn)場運(yùn)用需求和設(shè)備運(yùn)用中的局限性，提出以下幾點(diǎn)改進(jìn)建議：

4.1 提升系統(tǒng)的模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化水平

輪對在線深層次探傷系統(tǒng)應(yīng)提升模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化水平，形成下述標(biāo)準(zhǔn)化的系統(tǒng)性模塊：

(1)硬件模塊：現(xiàn)場基本檢測單元設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)化激勵和信號、現(xiàn)場設(shè)備間信號處理及數(shù)據(jù)采集模塊、系統(tǒng)控制及管理模塊；

(2)軟件模塊：數(shù)據(jù)采集分析應(yīng)用軟件、數(shù)據(jù)分析軟件、WEB數(shù)據(jù)發(fā)布及用戶應(yīng)用軟件、控制臺軟件；

(3)數(shù)據(jù)模塊：數(shù)據(jù)庫、預(yù)警告警數(shù)據(jù)、特征量數(shù)據(jù)、輔助數(shù)據(jù)信息，為數(shù)據(jù)中心的連續(xù)、長期的數(shù)據(jù)跟蹤分析提供全面、穩(wěn)定的數(shù)據(jù)源。

這樣即保證了不同功能子系統(tǒng)的長期穩(wěn)定性，又為用戶后續(xù)擴(kuò)展和系統(tǒng)維護(hù)、升級提供了方便條件。

4.2 進(jìn)一步提高檢測系統(tǒng)的速度適應(yīng)性

為提高機(jī)務(wù)段整備作業(yè)效率，建議采用高精度傳感器，使得檢測時過車速度能提高到8 km/h以上。

4.3 優(yōu)化樣板輪對上下線裝置設(shè)計，簡化上下線操作

提升校驗(yàn)標(biāo)定作業(yè)效率。

4.4 構(gòu)建專家診斷系統(tǒng)

進(jìn)一步提升檢測系統(tǒng)智能化水平，實(shí)現(xiàn)機(jī)車入庫綜合檢測數(shù)據(jù)平臺化。對系統(tǒng)產(chǎn)生的檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行深度挖掘、統(tǒng)計建模，對發(fā)現(xiàn)的機(jī)車輪對內(nèi)部缺陷和機(jī)車運(yùn)行區(qū)段、機(jī)車輪對材質(zhì)、機(jī)車輪對生產(chǎn)批次、機(jī)車輪對生產(chǎn)工藝等多個因素進(jìn)行關(guān)聯(lián)性分析，隨著統(tǒng)計數(shù)據(jù)的不斷增加，逐步構(gòu)建由知識庫、推理機(jī)和交互界面構(gòu)成的專家診斷系統(tǒng)，由專家診斷系統(tǒng)給出機(jī)車輪對狀態(tài)和狀態(tài)變化趨勢，逐步實(shí)現(xiàn)由故障報警向故障預(yù)警轉(zhuǎn)變，節(jié)約過剩維修造成的檢修、運(yùn)用成本，消除由于狀態(tài)突變造成的安全隱患，為確保機(jī)車質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)我國鐵路運(yùn)輸?shù)目焖侔l(fā)展提供重要的技術(shù)保障。

4.5 研制非直接接觸隨動式超聲波探傷裝置

目前，接觸式超聲波探傷、液浸式超聲波探傷裝置為機(jī)務(wù)段在線深層次探傷系統(tǒng)的主要形式，但是這兩種探傷方式在應(yīng)用中存在不足：

(1)探頭數(shù)量太多，一般為400～600只，導(dǎo)致設(shè)備規(guī)模龐大，現(xiàn)場設(shè)備使用的長期可靠性有待提高，后期維護(hù)成本較高；

(2)為解決耦合問題，采用水噴淋法或液浸掃描技術(shù)，大量的探頭與運(yùn)動的車輪之間難以全部形成良好的聲耦合，開放的工作環(huán)境，也很難保證耦合介質(zhì)的穩(wěn)定性，且在北方地區(qū),因寒冷冬天也無法正常使用。

為此，應(yīng)加快研制解決超聲波探頭數(shù)量多和目前系統(tǒng)存在的耦合問題的非直接接觸隨動式超聲波探傷裝置。

5 結(jié)束語

隨著輪對在線深層次探傷系統(tǒng)在機(jī)務(wù)系統(tǒng)的廣泛運(yùn)用，各型機(jī)車輪輞缺陷的探傷檢測更加方便快捷，提高了輪對探傷檢測效率，有效保障機(jī)車輪對運(yùn)用質(zhì)量和安全。建議進(jìn)一步提升系統(tǒng)的模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化水平，提高檢測時機(jī)車通過速度，構(gòu)建專家診斷系統(tǒng)，完善信息化平臺建設(shè)，開發(fā)研制南北方均適用的非直接接觸隨動式超聲波探傷裝置。更好為機(jī)車安全運(yùn)行保駕護(hù)航。

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Application Effect and Improvements for Locomotive Wheel-set Online Deep Flaw Detection System

DONGYageng

(Locomotive Department, Transportation Bureau of China Railway, Beijing 100844, China)

This paper carries out analysis on function, structure and detection principle of the locomotive wheel-set online deep flaw detection system. And it not only states the system plays a key role in the safety guarantee of the locomotive wheel-set detection combining with the onsite application effect, but also gives the improvements for the shortage of current application in order to better adapt to the locomotive application field.

wheel-set; online inspection; ultrasonic flaw detection; safety

??)男，高級工程師(

2016-07-26)

運(yùn)用與檢修

1008-7842 (2016) 05-0085-04

U269.32+2

A

10.3969/j.issn.1008-7842.2016.05.19