雙軌探傷小車蘭州局定西工務段現場運用研究

劉軍祥 崔會鋒 張彥紅

摘要 隨著我國鐵路里程的跨越式增長，對軌道的安全性和檢測效率提出了新的要求，傳統鋼軌探傷儀檢測需要更加經濟便捷高效的檢測方式。文章依據探傷需求開發探輪式軌道探傷檢測小車，基于探傷需要和檢測原理，合理設計探傷車的車體模塊和探傷模塊，并在標定軌、自然軌和正線開展以15 km/h速度開展實際檢測，檢測表明軌頭核傷、軌腰和軌底裂紋的檢出均有效達到100%，正線測試缺陷高速檢出效果得到驗證，為軌道安全生產提供了有力保障。

關鍵詞 軌道探傷;探輪式;標定軌;超聲探傷

中圖分類號 U213.43 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2022）13-0135-04

0 前言

隨著國家經濟的高速發展，鐵路運輸保持了快速穩定的增長趨勢[1]，截至2020年底全國鐵路運營里程達到14.6萬km，對軌道安全性和檢測效率有了更高的要求。軌道病害是線路安全運營的最大隱患，開展鋼軌探傷檢查是確保軌道交通運營安全的重要手段[2]。目前已有的檢測手段有手推式探測儀和高速探傷車，探傷車和探傷儀分別按各自的年、月計劃進行探傷檢查[3]。手推式鋼軌探測儀是在小型的手推車上搭載鐵路探傷輪，鐵路維護人員手推其進行鐵路探傷[4]，普通手推式探傷儀速度2 km/h，在有限的天窗時間作業距離較短，走行能力弱，鐵路探傷工作強度大，而大型的鋼軌探傷設備源于歐美，我國對其進行了引進和國產化，即使如此，大型探傷車的造價依然很高，每輛高達2 500萬元人民幣[5]，不適合大規模應用。滑靴式小車不易實現良好的耦合、探頭與鋼軌之間的水層中間易產生降低聲能能量的氣泡、對接頭錯牙要求高[6]、過道岔困難以及用水量大。新型探輪式軌道探傷檢測小車既具有價格低廉，運行速度快，檢測效率高，現有操作人員易掌握的特點，也具備滑靴式15～20 km/h的檢測速度，且耦合良好節約用水，過道方便，降低了探傷人員勞動強度和提高了工區探傷保障。因此，探輪式軌道探傷小車是現有超聲探傷條件下的優勢集成解決方案。

1 小車系統設計

雙軌探傷車如圖1所示，主要包括驅動系統、對中系統、電氣控制系統和探傷系統四個子系統。

驅動系統包括車架、后驅差速橋、主走行輪和輔助走行輪等部件，主要實現雙軌探傷車在鋼軌上走行功能，并為對中系統、探傷系統和電氣控制系統提供硬件接口和動力;對中系統包括對中機械結構、對中電機、傾角電機和耦合噴水機構等，主要用于調整探輪在軌面位置，保持探輪與軌面對中和耦合良好，超聲波有效能量入射到鋼軌內部;電氣控制系統將傳感器、電源、驅動電機及超聲主機連接，實現系統的走行、對中、檢測、耦合、報警等功能。探傷系統包括超聲波探輪和3張8通道并行超聲主機，外部觸發方式實現18個超聲通道的發射及數據采集，對鋼軌進行檢測。預留了用于軌面質量檢測的軌檢單元和道床檢測的巡檢單元。整個小車系統與擴展見圖2。

1.1 車體結構及裝配

雙軌探傷車主要由8個模塊組成，分別是車架、隨動軸、后驅動輪軸、2個對中機構、超聲主機、電池和水箱。首先，分別將前隨動輪軸和后驅動輪軸放置于軌道上，并用安裝輔具管將前后輪軸連接。其次，四個人將一體式機架抬起并放置在前后車輪軸上，機架與車輪軸有定位裝置，通過快速夾鉗將車架與輪軸連接在一起，快速夾鉗含防松動機構。第三，分別將2個對中機構組裝到一體式小車機架左右兩側，并通過鎖緊螺紋將對中機構與小車機架相連，安裝各個模塊。最后，對整車的電氣接線、信號接線、水路接線進行檢查，結束后啟動電源開關，按響警告按鈕表示走行部分連接正常。隨后接通檢測系統電源，打開電腦，啟動探傷軟件，探傷開始作業。裝配完成后如圖3所示。

1.2 探傷機構

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

探傷機械控制單元具備探頭對中調節功能[7]，通過車體控制面板按鈕可進行對中調節，連接裝置：用以將探輪裝置與車體穩定連接在一起，對中彈簧、對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定，超聲波探傷的難點是保證探頭的平穩性，只有這樣才能保證采集信號的平穩可靠[8]，如圖4所示對中結構。耦合水噴淋系統具備耦合水量控制功能，通過改變泵的功率來控制耦合水的出水量，完成探輪與鋼軌間的耦合，超聲波進入鋼軌，此系統適應多種檢測環境。

超聲信號采集與分析系統，通過探頭采集軌道信息后，經過自開發軟件進行處理分析，運用C語言完成上位機監控，采用串口及USB接口串行到采集箱，對小車的運動平穩性及橫向運動特性進行分析能夠對鋼軌損傷進行一定的判斷，并輸出有效數據。通過編碼器采集里程信息，小車具備里程定位功能，并且可以實時進行里程校準。

探頭集成在輪式探輪上，每個探輪含有9個探頭，探頭參數及用途見表1，包括一個0°探頭，2個37°探頭，6個70°探頭（4個二次波斜70°探頭和2個直70°探頭），通過這種布局，保障了鋼軌探傷的檢測覆蓋范圍，探輪組裝完成后見圖5。

所有探頭均為“自發自收”工作方式，均采用探頭發射超聲波，從鋼軌軌面入射并接收缺陷反射回波或穿透失波，來對鋼軌各部位進行檢測。根據超聲波的聲程推算，就可以輕易地將缺陷信號和底波信號區分開，然后通過超聲波試塊進行定標，就可以實現對鋼軌缺陷的定位和定量[9]，相比手推儀器的原理，探傷小車的超聲波還需要穿過耦合液和輪皮后進入鋼軌，如圖6所示。我國重載線路中造成斷軌最主要的原因是軌頭核傷，占斷軌總數的一半[10]，70°探頭一次波探測缺陷，可以覆蓋軌頭30%左右的區域，通過端面反射的二次波可以有效擴大軌頭探測區域，覆蓋軌頭范圍。由于螺孔缺陷發展方向不固定，按聲束方向，設計前37°和后37°探頭，覆蓋缺陷的不同發展方向，尤其值得注意的是，螺孔區域靠近端面，存在端面反射的現象。0°探頭放置鋼軌頂面中心，發射聲束從軌面至軌底，能探測的區域為軌腰投影范圍內，如果鋼軌內有縱向裂紋和斜裂紋，超聲波在傳播過程中改變方向，使探頭接收不到軌底反射波而產生失波報警。

2 現場運用

為充分驗證小車的性能和預期設計目標，在人工標定線、模擬自然狀態的定西自然軌測試線測試小車的探傷檢測和車體性能，在正線上開展運營測試和使用。

2.1 標定軌靜態測試

《雙軌式鋼軌超聲波探傷儀暫行技術條件》（TJ/GW157—2017）6.6檢測能力闡述：探傷儀調整到實際鋼軌探傷狀態，以15 km/h （±0.5 km/h）速度，分別連續5次不間斷檢測GTS-60SG-1/2/3組成的直標定線和曲標定線，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，并能正常報警。如探傷儀具備15°螺孔裂紋或垂向傷損等的檢測能力，則需全部檢出相應人工傷損，并能正常報警。

探輪式軌道探傷檢測小車標定軌檢測結果如表2所示，人工傷損檢出率100%。與將小車對標定軌上所有缺陷檢測結果與手推車的檢測結果對比分析，軌鄂反射率較低，手推車未能檢測出小車檢測出的軌顎裂紋，而探輪的對中彈簧、對中靠輪使探輪裝置能夠與鋼軌緊密貼合在一起，保證了標定軌軌鄂R4H2橫向刻槽、R5H4橫向刻槽和R6H6橫向刻槽的檢出，B掃結果見圖7。

標定軌測試表明15 km/h下該車超聲系統對軌頭軌腰和軌底的人工傷損檢測達到了設計要求。

2.2 自然軌探傷測試

自然軌道測試內容為檢驗小車在小儀器檢出更換的舊軌的缺陷檢出測試，還原正常運行下的鐵路軌道狀況下探傷缺陷的檢出。

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

探輪式軌道探傷檢測小車自然軌檢測結果如表3，與傳手推車設備的檢出對比，其檢測效果是一致的，在速度上遠遠超過傳統的手推式儀器。自然軌測試表明15 km/h速度下該車超聲系統對服役的鋼軌的傷損軌頭核傷、軌鄂裂紋、螺孔裂紋、底缺陷檢測效果好。

2.3 正線檢測運用

在完成標定線和自然軌道的測試對比后，已經達到了初步的設計預期。開展正線檢測，驗證小車在正線工況下的探傷運用。

經現場測試及連續的試用，研制的小車完全滿足規定的技術性能要求，功能上滿足現場使用需求，達到了預期目的。對小儀器難以檢出的一些情況，小車也有較好的檢出，如探傷小車在梁家坪到定西正線，蘭渝線上道測試，上道檢測50 km期間檢測到缺陷軌底劃痕1例，位于蘭渝線上行右軌54.8 km處，深度約為0.2 mm，長度約為15 mm，作業結果如圖9所示。在作業效率方面，每個天窗時間約為4 h，實際純作業時間約為3.5 h，探傷儀平均檢測7 km，小車可檢測50 km左右，在作業效率方面提升明顯。正線探傷效率和檢出表明小車的超聲系統缺陷高速檢出效果和作業性能得到驗證。

3 結論

基于鋼軌探傷現狀及探傷需要，開發探輪式軌道探傷檢測小車，并開展標定軌靜態、自然軌探傷測試分析和正線的檢測使用。結果表明：在設計速度下各系統功能實現較為完整，檢測效率高，標定軌靜態、自然軌探傷測試檢出率100%，并在超聲系統缺陷高速檢出效果和作業性能得到驗證，相對比手推式儀器探傷，工作效率大幅提升，為軌道探傷檢測提供了新的保障。

參考文獻

[1]金國. 客運專線條件下鐵路運輸通道運力資源優化配置模型研究[D]. 北京： 北京交通大學， 2009.

[2]周鳴語. 城市軌道交通無動力型鋼軌探傷車的研制及應用[J]. 中國鐵路， 2021（6）： 147-153.

[3]毛少虎， 鄭雙朝. 關于優化大型鋼軌探傷車檢測模式的探討[J]. 鐵道技術監督， 2019（11）： 42-45.

[4]牟斌， 陳軍德， 李剛. 高速鋼軌探傷車中走行小車的設計及試驗[J]. 鐵道機車車輛， 2001（4）： 1-5.

[5]李宜. 超聲波軌道探傷小車及其控制系統的開發與研究[D]. 上海：華東理工大學， 2017.

[6]蘭曉峰， 張渝. 重載鐵路鋼軌相控陣探傷系統研究[J]. 儀器儀表學報， 2019（12）： 9.

[7]秦輝， 徐嘯. QS-GTC60型鋼軌探傷車探傷系統對中技術研究[J]. 軌道交通裝備與技術， 2018（5）： 4-6.

[8]El-Ghany K， Fa Rag M M. AutoNDT：? new software for remote ultrasonic scanning via the Internet[J]. Ndt & E International， 2002（1）： 1-8.

[9]胡金萍. 超聲波鋼軌探傷儀的研制與開發[D]. 太原：中北大學， 2007.

[10]門平， 董世運， 盧超， 等. 鋼軌踏面低頻超聲表面波傳播模式研究[J]. 儀器儀表學報， 2018（3）： 8.