多探測點超聲法在線鋼軌檢測系統研究

戴雨馨，王月明

（1.內蒙古科技大學 信息工程學院，包頭 014010；2.內蒙古包鋼鋼聯股份有限公司軌梁軋鋼廠，包頭 014010）

0 引言

由于鐵路運輸業的發展，大運量、高密度、軸重和速度不斷提高的情況下，加劇鋼軌的疲勞、傷損，以及鋼軌內外應力缺陷[1]。鐵路中大量鋼軌長期在動態重載荷易出現腐蝕、變形、磨損、裂紋甚至斷裂，嚴重影響行車安全[2]。我國鋼軌探傷常以線路探傷為檢測手段，且鋼軌檢測大型設備難以使用，因此鋼軌檢測至今仍以探傷小車為主，這點與國外大不相同[3]。目前，常用的漏磁，渦流，交流電磁場鋼軌檢測等方法僅能對鋼軌踏面缺陷進行檢測，而實用性強的鋼軌檢測主要方法為超聲無損檢測技術[4]。

為符合交通運輸對鋼軌的安全要求，鋼軌的質量必須得到嚴格控制。由于鋼軌的形狀不規則，在出廠前應對軌頭、軌腰、踏面、軌底進行全方位探傷，這對鋼軌在線檢測增加了一定的難度。針對傳統超聲鋼軌在線探傷系統檢測覆蓋面小，探頭的位置不穩定以及探頭起落架易松動且氣壓不穩定，鋼軌表面氧化鐵皮大量附著，提出了多探測點超聲法鋼軌在線檢測系統。這是一種由上下位機、多個探頭、電控系統、機械系統組成的檢測系統，采用檢測中心的輥道運動，超聲檢測探頭不動的檢測方式。作為超聲在線鋼軌檢測系統，它的檢測精度高、功能強，運行穩定且報傷準確，因此對于鋼軌的平直度和鋼軌表面質量提出了很高的要求，以保證在線檢測正常運行[5]。本文對多探測點超聲法在線鋼軌檢測系統在鋼軌檢測中的具體應用進行相關分析，對多探測點超聲法在線鋼軌檢測系統的控制系統的檢測原理、系統機械組成、控制模塊及系統的性能指標進行研究。

1 多探測點在線鋼軌超聲檢測系統

1.1 系統檢測原理

多探測點在線鋼軌超聲檢測系統以氣動控制為基礎，通過電磁閥來控制氣缸和氣嚢啟動、停止，使探傷起落架產生動作，由兩對對射光電來檢測鋼軌位置，控制起落架的工作，用接近開關來檢測起落架的位置，檢測過程中，通過測試靜態標準試樣調整好儀器和探頭，使人工缺陷的反射波高達到滿幅度的80%作為檢測的初始db值與成品鋼軌的回波db值比較判傷，利用超聲波脈沖反射法，對檢測數據引入自動計算和自動處理[6]。檢測時，先由A通道的超聲波換能器發射脈沖，緊接著由上位機觸發、與下位機通訊后，由下位機發出通道信號，另外一個通道的超聲波換能器B做為接收器，接收從各個通道發射脈沖的回波，經過后續電路將回波波形顯示在屏幕上。圖1為系統檢測鋼軌的檢測工作原理，由于鋼軌的形狀采用20個超聲探頭，耦合劑采用工業用水耦合。

圖1 多探測點在線鋼軌超聲檢測系統工作原理

系統電控部分原理是由plc通過pn/dp耦合器發送鋼軌運動的指令（啟動、停止、前進、后退、速度）等基本動作。輥道的控制分為手動和自動兩種模式，輥道速度調節器依據檢測人員的經驗，在工控機上調節，通過cp5611將此信號發給plc，plc將此信號發給s7-300，最終由電磁站送出變頻電流，達到設定輥道的速度。外部plc根據檢測中心準備狀態，判斷檢測中心是否有鋼、設備是否正常并對輥道發送是否允許運行指令。Plc利用wincc軟件組態出人機界面，顯示系統的運行情況，前后編碼器信號進入超聲波站，提供鋼軌的位置、長度、檢測的數量及出傷位置等信息。變頻站控制接口為用戶電磁站plc或傳動接口，其中dp/dp耦合器進行信號交換。檢測信號通過分布IO由dp網絡與plc通訊，數據采集與數據處理連接顯示部分和發射部分。完成檢測后將采集到的波形在屏幕上顯示、判傷報警等功能。這些功能以組成的硬件平臺為基礎，通過軟件實現。

1.2 機械部分

多探測點超聲法在線鋼軌檢測系統分按機械組成為導向對中裝置、光電編碼輪、探頭起落架（檢測部分）、氣動裝置四個部分，系統結構如圖2所示。

1）導向對中裝置

設置導向對中裝置保證鋼軌在通過超聲波檢測裝置不出劇烈的上下左右跳動，減少鋼軌誤報、漏報，提高探傷的準確性。同時導向對中裝置通過上下左右夾緊輪的主動約束，降低了鋼軌運輸輥道磨損情況鋼軌高速運轉造成的鋼軌跳動的作用。生產過程不可避免的會出端部硬彎、大彎等異常情況，有導向裝置可有效保護系統安全。

圖2 多探測點在線鋼軌超聲檢測系統機械部分

2）光電編碼輪

光電編碼輪將鋼軌的運行速度及位置信息傳送給計算機（設置出入兩個）。

3）探頭起落架（檢測部分）

超聲波起落架主要由5個單獨的起落架構成。圖3是多探測點在線鋼軌超聲檢測系統的起落架位置：軌頭踏面起落架A，軌頭左右起落架B、C，軌腰左側起落架D，軌底左右側起落架E。

圖3 探頭起落架示意圖

4）氣動裝置

檢測系統踏面起落架由一雙作用式氣缸驅動，帶動踏面探頭起落架上下方向的升降運動；軌底起落架由氣嚢驅動，帶動軌頭踏面起落架上下方向的升降運動；軌頭左、右側和軌腰左、右側探傷起落架由氣嚢驅動，推動轉軸帶動起落架作旋轉運動，完成起落架與鋼軌貼合，檢測完成后在回位簧的作用下自動回位，各起落架都設有扭轉減震器或限位保護裝置。

1.3 控制部分

多探測點在線鋼軌超聲檢測系統控制部分由探頭起落架控制模塊、控速模塊、檢測中心檢測模塊、處理、顯示、記錄模塊四個主要模塊組成，圖4是系統控制部分的構成，系統通過工控機和計算機將模塊聯系起來。

1）控速模快

控速模塊是將編碼器輸出的鋼軌在輥到運行度信息進行處理，然后，輸送到起落控制模塊對起落架發出起落指令，輸送到處理、顯示、記錄模塊給計算機提供長度信息用于顯示和記錄，輸送到超聲波檢測模塊對超聲波探傷機發出檢測指令，輸送到處理、顯示、記錄模塊給計算機提供缺陷位置信息。

2）檢測中心檢測模塊

超聲波檢測模塊是從起落架控制模塊得到探頭已落到鋼軌上的信息，開始發出超聲波和接收超聲波，并將接收的超聲波進行抗干擾處理和動態的波形記錄。采用plc總線通信方式、usb接口，檢測控制和數據存儲集中。

3）探頭起落架控制模塊

探頭起落架控制是將鋼軌的長度和速度得到準確控制，由此可減少鋼軌頭部和尾部的誤報，將鋼軌完全檢測。

4）圖像的處理、顯示、記錄模塊

將控速模塊、檢測中心檢測模塊和探頭起落架控制模塊的信息進行處理，排除鋼軌由于平直度產生的干擾信號，并將各通道的動態波形和探頭的位置、缺陷位置、缺陷波形顯示出來。之后可將鋼軌長度、缺陷位置、缺陷波形、缺陷大小、缺陷部位、缺陷序號、鋼軌序號、檢測日期、探傷班次、鋼軌型號等參數記錄下來。同時，可以以統計報告、缺陷報告、檢測報告進行顯示和打印。

圖4 多探測點在線鋼軌超聲檢測系統控制部分

表1 檢測系統的主要性能指標

2 多探測點在線鋼軌超聲檢測系統的性能指標

在線檢測鋼軌時使用20個通道與探頭，樣軌制作為φ2mm穿孔，當增益db值升高到一定時可檢測φ1mm孔。系統檢測速度0.5～1.5m/s，輥道高速運行1.5m/s，端頭部分進入檢測系統速度為0.5m/s，由此可達到抗干擾能力強、鋼軌傳送平穩的效果。當鋼軌平直度有所波動時，檢測系統鋼軌上下左右跳動小于2mm。編碼輪與鋼軌接觸良好，鋼軌長度顯示、鋼軌檢測狀態記錄和缺陷位置及波形的定位等參數均小于2mm，系統性能指標如表1所示。

多探測點在線鋼軌超聲檢測系統采用計算機中文菜單操作，數量無限制，可供不同品種鋼軌檢測，波形回放、通訊、打印。

3 結束語

多探測點超聲法在線鋼軌檢測系統的檢測覆蓋面廣，效果良好，檢測結果精確，系統使用方便，人機界面友好。

利用多探頭組合探傷，實現了多探測點超聲法在線鋼軌的探傷，便于檢測人員手動倒鋼，更為準確判斷缺陷的大小，排除人為對探傷的不利影響，方便了操作，為多探測點在線探傷方法奠定了良好的判傷基礎，以實現復雜被檢物體的在線超聲無損檢測，滿足現代鋼軌質量對出廠時對在線超聲檢測系統的要求，有效的降低了人工勞動強度。

[1]中華人民共和國鐵道部.TB/T1778—2010鋼軌傷損分類[M].北京:中國鐵道出版社,2011.

[2]陳智軍,宣建青,王平.基于漏磁信號的鋼軌斜裂的識別[J].無損檢測.2010,(32)11:843.

[3]Cerny, Louis.Fra Revises defective rail and rail inspection standards, adds new standards for detector car operators[J].Railway Track & Structures,2014,(110)2:19.

[4]汪春曉.相控陣超聲波車輪缺陷探傷技術研究[D].西南交通大學,2010.

[5]康穎豐.亞歐鐵路國際聯運統一運單應用的探討[J].鐵道貨運,2016,34(6):5-6.

[6]張書增,楊岳,劉希玲.等基于探頭聲場特性的鋼軌超聲檢測研究[J].鐵道科學與工程學報,2013,10(5):123-128.