杭州地鐵1號線輪對動態(tài)檢測系統(tǒng)升級改造方案探討

樓鑫鴻

(杭州杭港地鐵五號線有限公司，浙江 杭州 310000)

0 引言

杭州地鐵1號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動態(tài)檢測系統(tǒng)，來實行車輪踏面缺陷的快速動態(tài)自動檢測。隨著使用年限的增加，現(xiàn)有的檢測系統(tǒng)從實際檢測性能、維護(hù)成本方面考慮，已無實際使用的價值和意義，并且接觸式TSA探傷模塊在直流牽引地鐵系統(tǒng)中存在輪對與鋼軌的打火問題，并造成輪對踏面灼傷。

1 輪對動態(tài)檢測系統(tǒng)現(xiàn)狀

杭州地鐵1號線輪對動態(tài)檢測系統(tǒng)應(yīng)用的是電磁超聲波換能器(EMAT)原理(見圖1)，通過將檢測設(shè)備的4只探頭(TSA超聲波探傷模塊)分別交錯安裝(兩兩相隔一定距離)在左右2條定制鋼軌上(見圖2)，利用探頭在輪對踏面發(fā)出超聲波，超聲波在經(jīng)過輪對踏面1周后回到探頭形成相應(yīng)的波形，通過波形來判定輪對內(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，會有以下情況。

圖1 超聲波探傷檢測原理圖

1.1 TSA探傷模塊針對地鐵實用性不強

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

2)TSA探傷模塊在大鐵上運用比較廣泛，而在地鐵行業(yè)運用較少。主要因為大鐵車輛長期高速運行，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，所以探傷檢測模塊在地鐵行業(yè)中實用性不強。1號線輪對故障檢測系統(tǒng)運用7年來共檢測車輛編組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)場安裝圖

1.2 檢測區(qū)域鋼軌打火，造成輪對踏面及設(shè)備軌軌面灼傷

TSA探傷模塊需要安裝在定制的鋼軌上面(見圖3)，在檢測時需要與電客車輪對踏面接觸。為了防止TSA探傷模塊被列車經(jīng)過時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稱設(shè)備軌)并做高標(biāo)準(zhǔn)單獨接地處理(見圖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)電客車的輪對從行軌通過絕緣節(jié)進(jìn)入設(shè)備軌時會出現(xiàn)輪對踏面和設(shè)備軌的打火現(xiàn)象，造成輪對踏面(見圖5)和設(shè)備軌軌面灼傷。

圖5 被灼傷的輪對

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)在國外的供方已經(jīng)停止對其進(jìn)行生產(chǎn)，后續(xù)維修配件只能購買廠家的庫存件，采購價格相當(dāng)昂貴，該系統(tǒng)共有4個超聲波探頭，經(jīng)7年使用其中2個探頭與車輪之間存在間隙，探頭發(fā)射的超聲波無法傳輸?shù)杰囕啽韺由先?，需要進(jìn)行更換。

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

2 升級改造方案說明

升級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)測模塊(簡稱“LVT模塊”)，通過在軌邊布置16個圖像采集單元(見圖6)，分成4組，定點觸發(fā)采集4張圖片覆蓋整個踏面。當(dāng)一個車輪經(jīng)過檢測區(qū)時，系統(tǒng)共采集8張圖片(單邊)，篩選無遮擋的踏面圖片，實現(xiàn)踏面圓周全覆蓋展示。

圖6 LVT模塊軌邊布局圖

其原理是通過采用圖像分析測量技術(shù)實現(xiàn)對車輪踏面圖像采集，智能化識別踏面缺陷；通過圖像特征匹配、模式識別技術(shù)，實現(xiàn)對踏面剝離、硌傷等的自動檢測(見圖7)并對踏面缺陷進(jìn)行預(yù)警。LVT車輪踏面缺陷圖像監(jiān)測模塊運用在城市軌道交通系統(tǒng)中有以下幾個優(yōu)點。

圖7 LVT模塊識別示例

2.1 檢測目的性強

地鐵車輛輪對踏面主要故障為踏面的剝離、硌傷、凹坑等缺陷，而LVT模塊通過圖像檢測算法和模式識別，實現(xiàn)踏面剝離、硌傷、凹坑的自動檢測，且踏面表面缺陷檢測范圍最小面積8 mm2，最大面積3 600 mm2(見圖8)。

圖8 LVT檢測的范圍

2.2 技術(shù)成熟，運用普遍

LVT車輪踏面缺陷圖像監(jiān)測模塊已在地鐵行業(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號線無該檢測模塊。其中2、4、5號線包括已經(jīng)完成招標(biāo)的7、9號線都配置了該檢測模塊。

2.3 安裝方便，操作簡單

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

圖9 LVT模塊現(xiàn)場安裝效果圖

2.4 無需隔離接地，消除鋼軌打火隱患

LVT模塊與車輪為非接觸式檢測，不存在牽引回流電對設(shè)備造成損毀。所以檢測設(shè)備區(qū)域鋼軌無需隔離接地。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

接觸式超聲波探傷檢測模塊(TSA模塊)無論是從實用性能還是從維護(hù)成本來分析，已無實際使用的價值和意義。升級改造方案所采用的LVT模塊通過采集車輪圖像，即解決接觸式檢測方式只能檢測輪軌接觸踏面區(qū)域的問題，實現(xiàn)整個踏面狀況的可視化監(jiān)測，又在一定程度上可以減少或替代下地溝對擦傷進(jìn)行復(fù)核的頻次以及復(fù)核不全問題；同時開發(fā)圖像檢測算法，通過模式識別，實現(xiàn)踏面剝離、硌傷、凹坑的自動檢測，并根據(jù)缺陷嚴(yán)重程度實現(xiàn)分級報警，為杭州地鐵1號線電客車安全運行提供強力保障。