淺述鋼軌超聲波探傷中斜探頭的研制

賈朝宏

摘 要 在鋼軌超聲無損檢測中，斜探頭在使用過程中與檢測工件產(chǎn)生摩擦，根據(jù)個(gè)人習(xí)慣、所檢測工件及使用頻率的不同探頭會產(chǎn)生不同程度的磨損，探頭經(jīng)過磨損后其原有的特性會遭到破壞。本文主要討論這種破壞對檢測工作的影響及如何通過修復(fù)探頭來糾正這種影響。

關(guān)鍵詞 鋼軌超聲無損檢測;探頭;無損檢測

研發(fā)背景

鋼軌在服役過程中承受很大的交變荷載，在列車加速或制動過程中對鋼軌產(chǎn)生的復(fù)雜應(yīng)力以及溫度、氣候、表面附著物對鋼軌的反復(fù)作用下極易產(chǎn)生疲勞傷損和腐蝕，如果鋼軌中出現(xiàn)超過允許標(biāo)準(zhǔn)的缺陷，就會引發(fā)斷軌事故。因而各國鐵路部門對鋼軌探傷都十分重視，不惜投入大量人力、物力對在役鋼軌進(jìn)行定期檢驗(yàn).超聲波探傷是國內(nèi)外鋼軌探傷的主要探傷方法，國外鋼軌探傷以大型探傷車為主，小型探傷設(shè)備一般只用來復(fù)查檢測結(jié)果;而我國鐵路由于運(yùn)輸繁忙，車流密度大，探傷作業(yè)無法固定時(shí)間，大型設(shè)備難以使用，因此鋼軌探傷至今仍以小車為主，超聲波鋼軌探傷儀是探傷工作的核心設(shè)備，探傷儀由發(fā)射電路產(chǎn)生電脈沖信號，通過超聲波換能器（探頭）的轉(zhuǎn)換后發(fā)射出頻率為2MHz-2.5MHz的超聲波對鋼軌進(jìn)行無損檢測.探頭根據(jù)折射角的不同分為70°、37°及0°三種類型。目前探傷儀配備的探頭均為長47mm、寬23mm的標(biāo)準(zhǔn)探頭。

標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格探頭的普遍應(yīng)用為探傷設(shè)備、配件的更換、維修帶來了極大便利，節(jié)省了時(shí)間，但是另一方面，由于我國鐵路正在向高速、重載的方向發(fā)展，超期服役的鋼軌數(shù)量很大，我局管內(nèi)的老軌、舊軌、再用軌普遍存在不同程度的傷損，且傷損情況復(fù)雜，標(biāo)準(zhǔn)探頭已不能滿足重點(diǎn)區(qū)段探傷作業(yè)的要求。尤其是曲線處所的鋼軌探傷一直是困擾探傷工作的一大難題，由于曲線上股磨耗使得鋼軌探測面不平且變窄，70°探頭在軌面偏斜達(dá)到20°時(shí)與軌面產(chǎn)生接觸不良。由于超聲波直線傳播的特性，一旦與軌面接觸不良，超聲波束則無法有效射入和接收而造成失檢驗(yàn)失敗。另一方面，曲線下股除部分剝離、掉塊等影響檢測外，曲線下股鋼軌存在的凹心問題，軌頭放寬，使得探頭無法良好接觸軌面形成耦合不良而造成失檢。因此，研發(fā)一些新型探頭用以針對曲線地段磨損嚴(yán)重、傷損情況復(fù)雜的鋼軌進(jìn)行探傷成為探傷工作亟待解決的難題。

1研究內(nèi)容及技術(shù)目標(biāo)

研發(fā)一些新型探頭，一種針對曲線上股鋼軌，在探頭內(nèi)的晶片制造一個(gè)偏斜角，從而克服側(cè)磨造成的探測面不平、軌面傾斜的問題，使探頭與軌面接觸良好，超聲波束有效射入鋼軌并在鋼軌中傳播，換能器能夠準(zhǔn)確接收超聲波經(jīng)鋼軌內(nèi)缺陷或界面反射的回波，通過單片機(jī)的編程軟件形成有效的探測數(shù)據(jù);另一種針對曲線下股鋼軌普遍存在的凹心、壓寬等現(xiàn)象，將探頭寬度適量減小，使探頭與軌頭的有效探測面相吻合，解決耦合不良的問題。其主要研發(fā)內(nèi)容為：曲線上股鋼軌側(cè)面磨耗測量;于曲線上股鋼軌軌面傾斜角度的范圍測定;探頭晶片內(nèi)偏斜角的計(jì)算;內(nèi)斜70°探頭鋼軌探傷試驗(yàn);曲線下股鋼軌側(cè)磨磨耗及凹心寬度、深度測量;37°窄探頭縮進(jìn)量測試[1]。

2細(xì)化設(shè)計(jì)方案

于取消70°探頭外傾斜角度，新探頭探傷時(shí)正交于鋼軌方向，與直70°探頭方向一致，探頭與鋼軌的接觸面由斜矩面變成了正矩面，消除了原探頭與鋼軌由于曲線側(cè)磨造成的不良接觸面，增大了有效接觸面，從而克服掉接觸面不平、軌面傾斜的問題，70°探頭主要探測鋼軌軌頭的內(nèi)部傷損情況，原外斜70°探頭由超聲波束折射出的一次波與二次波的覆蓋來檢測軌頭中心與兩端部分的區(qū)域。超聲波探頭與鋼軌的接觸面大致呈矩形，原外斜70°探頭與鋼軌接觸面為斜矩面，在曲線段作業(yè)時(shí)，探頭與軌面接觸不良，多處于懸空狀態(tài)。

70°探頭探測范圍為軌頭部分，取消外傾斜角度后，探傷范圍僅為軌頭中心部分，超聲波傳播特性為輻射型直線傳播，超聲波進(jìn)入鋼軌后產(chǎn)生聲軸偏斜角，由此擴(kuò)大了部分探測面。軌頭部位的探傷主要依靠一次波與折射后產(chǎn)生的二次波探測傷損情況，探頭由外斜改為內(nèi)斜后，入射的超聲波束與鋼軌軌面法向產(chǎn)生偏角。一臺探傷儀安裝兩個(gè)新型內(nèi)斜70°探頭，一個(gè)探測軌頭里口，一個(gè)探頭探測軌頭外口。最終兩個(gè)內(nèi)斜70°探頭與一個(gè)直70°探頭共同完成軌頭部分的探測。

鑒于曲線下股鋼軌軌面凹凸不平，課題組改變原37°探頭設(shè)計(jì)規(guī)格，調(diào)整晶片尺寸，保證超聲波束發(fā)射頻率不變的條件下，減小晶片寬度，是超聲波束發(fā)射更加集中，同時(shí)可使探頭寬度減小，縮小了探頭與鋼軌的不良接觸面，從而提高了耦合度。晶片尺寸過小時(shí)，將無法保證超聲波束的發(fā)射頻率，在課題組的反復(fù)試驗(yàn)下，發(fā)現(xiàn)將探頭寬度定為16cm時(shí)，可在保證超聲波束發(fā)射頻率的條件下將探頭內(nèi)組合晶片合理分布，同時(shí)探頭寬度可達(dá)到與鋼軌軌面耦合度要求，保證探傷作業(yè)質(zhì)量、探傷數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、清晰。

根據(jù)課題組在現(xiàn)場對曲線下股鋼軌傷損的分析判定，通過實(shí)驗(yàn)測試將0°+37°探頭寬度由23mm減小為16mm時(shí)，探頭與傷損鋼軌軌面耦合效果最佳，探傷數(shù)據(jù)最準(zhǔn)確[2]。

3試驗(yàn)結(jié)果

從現(xiàn)場操作及數(shù)據(jù)結(jié)果看，內(nèi)斜70°探頭工作良好，未發(fā)生因曲線側(cè)磨引起的軌面不平而導(dǎo)致的失檢現(xiàn)象，可適用于曲線地段鋼軌探傷作業(yè)。

4研制結(jié)果和建議

通過課題組歷時(shí)數(shù)月的現(xiàn)場調(diào)研、分析改進(jìn)以及新設(shè)備試驗(yàn)，結(jié)合鋼軌實(shí)際傷損情況，成功完成了“超聲波鋼軌探傷儀新型37°窄探頭、直70°內(nèi)偏斜探頭的研制”項(xiàng)目的各項(xiàng)工作，新型探頭符合TB/T2340-2012《多通道A型顯示鋼軌超聲波探傷儀行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)》要求。

5結(jié)束語

本項(xiàng)目打破了固有的超聲波換能器設(shè)計(jì)規(guī)格，理論結(jié)合實(shí)際，深入現(xiàn)場，從實(shí)際出發(fā)，根據(jù)現(xiàn)場鋼軌問題提出了全新的“內(nèi)斜探頭”設(shè)想，改外斜為內(nèi)斜，成功解決了曲線地段鋼軌探傷失檢的問題。

參考文獻(xiàn)

[1] 徐其瑞，劉峰.鋼軌探傷車技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用[J].中國鐵路，2011，（7）： 38-41.

[2] 張海燕，周全，夏金東.超聲缺陷回波信號的小波包降噪及特征提取[J].儀器儀表學(xué)報(bào)，2006，（1）：98-101，109.