重载铁路钢轨探伤高速试验平台超声验证研究

彭晔

中国神华能源股份有限公司，北京 100011

新朔铁路由大准铁路、准池铁路和新准铁路组成，运营总里程631 km，横跨山西、内蒙古两省区，是国家能源集团路网的重要组成部分，是中国煤炭系统最长的企业自建自管专用线路。随着运量的持续高位运行，新朔铁路钢轨伤损数量逐年增多而且伤损的种类日益复杂［1］。目前新朔铁路钢轨探伤主要通过钢轨探伤仪完成，成本高，效率低，风险高，需开发一种能实现不低于80 km/h探伤作业的新型钢轨探伤车，通过编入铁路运行图完成钢轨检测，与手推式钢轨探伤仪相结合，满足车流密度较大情况下货运铁路钢轨探伤需求（60~80 km/h）［2-4］。

世界上大型钢轨探伤车主要使用探轮式、皮带轮式和滑靴式检测［5］。滑靴式探头与轨面直接接触，探头容易在高速下发生撞击，对线路和接头平整度要求高。探轮式探头包裹在探轮里，无效飞行时间长达100μs［6-7］。皮带轮式探头结合滑靴式与轨面直接接触优势，又吸收探轮式包裹保护探头设计方式，6 mm采样间距下钢轨探伤车最高速度达到80 km/h以上。同等采样间距下皮带轮式最高速度约为探轮式的1.5倍，且探头受皮带保护不易损坏。因此，采用皮带轮式提升探伤速度和效率是一种可行方案。

为验证高速下超声探伤效果，需建立钢轨探伤车试验线路，但存在两个问题：

1）新型钢轨探伤车生产前需要验证超声探伤系统在高速条件下的性能。

2）按照标准，紧急制动距离不少于800 m，试验线长度不少于2 km，目前无适宜的线路铺设场地。利用高速试验平台代替试验线路可以解决上述问题［8］。

皮带式钢轨探伤车探伤过程中，钢轨、皮带和探头相互作用关系为：钢轨与皮带之间为滚动摩擦；探头和皮带之间为滑动摩擦；钢轨和探头相对静止。要模仿现实探伤运动中相互作用关系，可以对车轮进行加工使其与60 kg/m（简称60轨）钢轨廓形相同，再在车轮上增设人工伤损。车轮做高速旋转运动代替钢轨探伤车在线路上高速运动，探头固定在高速试验平台上，运行时大轮滚动带动皮带转动，实现超声探伤系统的高速验证。

本文以新朔铁路钢轨探伤现状为基础，探讨高速钢轨探伤车的必要性，对比国内外各种探伤车超声检测方式的优劣，选择皮带轮式作为高速探伤载体。为建立高速试验平台验证高速下超声探伤性能，介绍钢轨常见伤损类型和超声检测方式，对60 kg/m钢轨和高速试验平台样板轮伤损反射路径检测进行理论和仿真分析，同时开展静态和动态测试分析。

1 试验平台设计

高速试验平台传动系统采用11 kW、380 V电机通过动力传动皮带带动样板轮，可以实现5～80 km/h的线速度调节，最高线速度下样板轮转速达6 r/s。超声探伤系统包括超声主机、数据采集单元和角度探头，通过在高速试验平台上依次固定不同角度探头，验证不同速度下角度探头对人工伤损检测情况，评估高速下超声探伤性能。机械控制单元具备探头对中调节功能［9］，最大调节量为±10 mm，还可通过探头下压力及姿态调整确保探头与样板轮充分接触，耦合效果良好。样板轮直径1 200 mm，轮廓加工成60轨形状，人工伤损设计要参考钢轨探伤车不同角度探头超声覆盖范围及检测特点，轨头区域加工轨头横通孔、轨头斜孔，轨腰区域加工轨腰水平裂纹、轨腰斜裂纹，轨底区域加工轨底月牙。

高速试验平台使用车轮代替60轨。因与真实轨道存在差异，需要评估对超声耦合效果的影响。根据探头与钢轨接触面积30 mm（宽）×60 mm（长）、车轮直径1 200 mm评估车轮弧度引入的耦合误差。经计算，沿车轮旋转方向最大耦合间隙为0.72 mm。超声动态探伤时探头与转轮之间有皮带和水，实际测试时皮带柔性及耦合水流动性均会填充因车轮弧度导致的耦合间隙。

2 试验及分析

重载铁路钢轨伤损主要有：①由轮轨接触疲劳、轨头冲击应力、擦伤、轨头近表面非金属夹渣疲劳源形成轨头核伤；②轨道结构不合理、钻孔不合理、接头冲击力大、接头养护不良形成轨腰螺孔裂纹；③轨底锈蚀或划痕、轨腰垂直纵向裂纹向下发展、轨底与垫板不密贴使轨底局部产生过大应力、焊接工艺不良而形成轨底裂纹。

钢轨探伤设备常用的超声布局方式是使用直打70°一次波或偏斜70°二次波角度探头检测轨头核伤，见图1。使用37°或0°角度探头检测轨腰和轨底裂纹，所有角度探头均采用前后双向布局扫查［10］。

图1 钢轨探伤超声检测原理

2.1 理论计算

在高速试验平台上验证80 km/h速度下直打70°、偏斜70°和37°时角度探头的探伤性能，人工伤损类型包含轨头核伤、轨腰裂纹和轨底裂纹，对比人工伤损在60轨和1 200 mm直径样板轮上的差异。

2.1.1 轨头核伤一次波与二次波反射路径

轨头核伤超声检测如图2所示，不考虑偏斜角度影响。60轨轨面到轨颚起始处高度h=36 mm，直打70°一次波声程AC1为105 mm；偏斜70°声束在轨颚C1处反射，沿钢轨纵向的反射角θ2近似70°，声程（AC1+C1P1）约210 mm。

图2 轨头核伤超声检测示意

把样板轮外形轮廓加工成60轨形状，此时偏斜70°声束在轨颚C2处反射，受样板轮弧度影响反射角θ3不再是70°，利用三角函数计算一次波对应弧线AC2角度为18.6°，因此二次波沿钢轨纵向的反射角θ3近似88.6°，反射角度过大横波能量急剧变弱，同时超声检测声程AP2达到384 mm，几乎是60轨声程的2倍。可知样板轮轨头区域不适合用于偏斜70°二次波高速探伤验证。

样板轮轨头区域70°一次波检测声程AC2为192 mm，反射声束角度只与缺陷形态有关，不受弧度影响，只需要考虑超声衰减。假设在轨头AB高度1/2处点O作垂线与70°一次波相交，交点为M。在样板轮M位置与60轨轨头O位置加工相同的人工伤损，70°一次波检测声程也相同。把点M与样板轮圆心连接并延长到样板轮轨面弧线相交于点N。MN就是样板轮上人工伤损距轨面的深度，约16 mm。通过这种方式设计轨头横孔和斜孔，可实现直打70°和偏斜70°（一次波）在样板轮上开展高速探伤验证。

2.1.2 轨腰与轨底裂纹超声反射路径

轨腰及轨底裂纹超声检测如图3所示。60轨高度H=176 mm，螺孔中心到轨面距离为97 mm。假设在螺孔中轴线位置加工37°裂纹E1，在轨底中间位置加工R5H4当量轨底月牙F1。螺孔裂纹E1与37°声束相互作用角度β1为90°，此时超声全部反射，超声检测声程A0E1为121 mm。轨底月牙F1采用端角反射检测。根据超声原理，当角度α1为35°~55°时不会发生横波分离。37°声束检测时端角为37°，此时端角反射率高，超声检测声程A1F1为220 mm。

图3 轨腰及轨底裂纹超声检测示意

样板轮螺孔裂纹E2与37°声束相互作用角度β2受样板轮弧度影响，偏移弧线E1E2对应角度为9°，因此螺孔裂纹E2与37°声束相互作用角度β2增大为99°，此时超声检测声程A0E1为129 mm。综合以上分析，样板轮螺孔37°裂纹需要增加9°校准样板轮弧度引入的偏离，而两种试块超声声程相近。

样板轮轨底月牙F2与37°声束相互作用角度α2同样受样板轮弧度影响，偏移弧线F1F2对应角度为21°，37°声束检测时端角为58°，此时端角反射率较低，超声检测声程AF2为257 mm。因为圆弧上轨底月牙端角反射二次波复杂，不适宜校准，需通过仿真对比分析。

2.2 试验仿真及分析

2.2.1 人工伤损设计

根据理论计算已知轨头区域、轨腰区域、轨底区域需要的人工伤损类型和参数见表1。利用CIVA软件建立1 200 mm样板轮和60轨人工伤损检测仿真模型，见图4。分析各类型人工伤损在两种试块上检测增益差和-6 dB采样长度，评估超声在高速试验平台中的验证方案。

表1 人工伤损类型和参数

图4 样板轮模型

2.2.2 轨头核伤仿真

在距轨头高度1/2处设置φ3 mm横通孔和φ5 mm-17.5°斜孔（样板轮在距轨面16 mm位置）。直打70°探头放置在轨面中间位置与钢轨纵向或周向平行，偏斜70°探头与钢轨纵向或周向夹角为18°，探头中心频率2.25 MHz，芯片尺寸15 mm（宽）×20 mm（长）。仿真结果见图5。可知，直打70°检测样板轮轨头横通孔相较于60轨低1.2 dB；偏斜70°检测样板轮轨头横通孔相较于60轨低2 dB。两种试块上轨头核伤差异小于3 dB，利用样板轮代替60轨进行超声高速探伤验证试验可行。

图5 仿真检测轨头斜孔

2.2.3 轨腰及轨底裂纹仿真

在轨腰设置螺孔37°上裂纹，同时在样板轮上设置螺孔46°上裂纹，对比弧度偏移对检测结果的影响；在轨底设置R5H4月牙。探头参数与核伤检测时一致。仿真结果见图6。可知：①37°检测样板轮螺孔37°上裂纹相较于60轨低2 dB，而经过弧度校准的样板轮螺孔46°上裂纹与60轨基本持平。圆弧导致超声与螺孔裂纹不再呈垂直关系，超声反射能量变少，因此样板轮加工螺孔裂纹角度只需要在原有基础上增加9°，校准圆弧导致的角度偏离就可取代60轨。②37°检测样板轮轨底月牙比60轨低5.2 dB。圆弧改变了超声检测轨底月牙角度，入射角度变大后端角反射率降低，轨底月牙经过多次波反射检测，在轨底圆弧面波型转换更加复杂，不适宜通过调整月牙角度来改善端角反射率。需要试验进一步评估其可行性。

图6 37°仿真检测

2.3 试验测试及分析

钢轨探伤车在80 km/h速度下脉冲间隔要小于6 mm，此时钢轨探伤B型显示图谱中出现3点连续反射波，伤损报警才算有效。

钢轨探伤车高速下动态检测时，探头载体与轨面耦合受接触时间、耦合液填充、轨面状况等影响，探头超声入射到钢轨中的能量比系统低速下标定时低，需要在检测灵敏度基础上增加6 dB。

2.3.1 静态试验

基于理论计算和仿真分析，设计60轨人工伤损，测试结果见表2。可知：灵敏度余量均大于20 dB，满足高速动态衰减6 dB灵敏度补充。根据CIVA仿真对比可类推样板轮人工伤损检测时信噪比和增益需要下降3~6 dB，此时检测信噪比大于18 dB，满足高速探伤要求。

表2 60轨人工伤损静态检测结果

2.3.2 动态试验

启动高速试验平台，样板轮线速度达到80 km/h后进行匀速往复循环运动，所有缺陷会周期性出现在超声检测范围，每次测试时在高速平台踏面上放置70°探头、37°探头依次进行测试。记录高速下样板轮缺陷检测情况，结果见表3。

表3 80 km/h进行时样板轮人工伤损检测结果

由表3可知：直打70°检测轨头横通孔信噪比为20 dB且有5个出波点，偏斜70°检测轨头斜孔信噪比为30 dB且有9个出波点，轨腰螺孔37°裂纹信噪比达到31 dB且有11个出波点，出波点数均大于3个，检出伤损报警有效；由于圆弧改变了超声检测轨底月牙角度导致超声波反射率降低，样板轮轨底R5H4月牙无法检出。高速试验平台测试表明80 km/h速度下该超声系统对轨头核伤、螺孔裂纹的检测效果是满足要求的，而轨底缺陷高速检出效果无法用高速试验平台验证，需要在试验线进行动态测试。

3 结语

经过仿真模型优化后的样板轮人工伤损设计结合高速试验平台能真实反映高速下超声系统检测效果。经测试，80 km/h速度下超声系统检测轨头φ3 mm横通孔信噪比为20 dB，轨头φ5 mm-17.5°斜孔信噪比为30 dB，螺孔37°裂纹信噪比达到31 dB，出波点数均大于3个，检出伤损有效，系统经测试满足高速下检测要求。轨底月牙受样板轮圆弧曲率影响超声反射率降低无法检出，后续还需铺设试验线对超声系统轨底伤损检测能力进行验证。