钢轨探伤车偏斜70°反射点群分析及应用

马运忠 马铁雷 张玉华 李培 李忠

1.中国铁道科学研究院集团有限公司基础设施检测研究所，北京 100081；2.中国铁路沈阳局集团有限公司沈阳工务机械段，沈阳 110032；3.北京铁科英迈技术有限公司，北京 100081

利用大型钢轨探伤车对在役线路钢轨开展周期检测，对保障线路运营安全起到越来越重要的作用［1］。探伤车最高检测速度可达80 km∕h，积累了一定运用经验［2-4］。相关学者在采用70°换能器检测钢轨轨头核伤方面开展了广泛研究。黎连修等［5］研究了钢轨核伤检测方法，建立了70°换能器核伤检测方法的几何学。卢超等［6］开展了钢轨中超声次表面纵波传播特性的边界元分析及试验分析。马运忠［7］研究了探伤车数据中接头不明反射点群及其应用。王品等［8］对高速钢轨超声波探伤中螺孔70°幻象波进行了分析识别。

探伤车B 显数据为多通道综合显示，伤损判定依赖于B 显数据中多通道的综合判定。80 km∕h 探伤车增加了中间探轮，除配置直打70°外，还增加了偏斜70°。目前在利用偏斜70°的检测方面积累了一定的经验，但某些条件下形成的偏斜70°的反射回波易与伤损波混淆，造成误判。本文基于80 km∕h 探伤车对60 kg∕m 钢轨的B显数据对偏斜70°在接头处的出波特征进行分析。通过对偏斜70°回波数据进行声学推算和验证试验，分析偏斜70°出波原因。

1 超声波检测技术

1.1 探伤车探轮布置

国内探伤车采用超声波探轮作为检测传感器。80 km∕h 探伤车单侧钢轨有3个超声波探轮（图1），分别称为前轮、中间轮、后轮。其中，前后轮内部设置了0°、45°、直打70°和侧打换能器，中间轮内部设置了0°和偏斜70°换能器。除0°换能器在钢轨中传播为超声纵波外，其他换能器在钢轨内部传播均为横波。

图1 80 km∕h探伤车超声换能器布置

0°换能器用来检测水平伤损，37.5°换能器用来检测轨腰及轨底区域伤损，70°换能器用来检测轨头核伤。其中，直打70°换能器为组合式换能器（内侧、中心、外侧），均采用一次波技术，其一次波声场可覆盖轨头大部分区域；偏斜70°换能器采用一次波和二次波技术，超声入射点集中在轨头中心区域，重点实现轨头内侧区域伤损的检测。

1.2 探伤车接头B显数据特征

有缝线路的接头位置是伤损高发区域，接头区域内固定反射波和伤损波易于混淆。80 km∕h 探伤车在60 kg∕m 钢轨接头处B 显数据的典型形态见图2。其中，前后0°通道在螺孔及接缝的底波失波点群显示在轨底下方区域；前后45°通道螺孔反射点群显示在轨腰对应的螺孔处，与0°通道螺孔的反射点群拼合成A字形；前后轮直打70°（内侧、中心、外侧）通道的接缝反射点群显示在两轨连接处接缝的轨头区域；前后偏斜70°通道在接缝反射点群显示在接缝的轨头（一次波）及轨腰（二次波）区域；偏斜70°通道在二孔轨身上方附近（二次波）形成反射点群。偏斜70°的出波特征为：①在一侧接头呈现单方向偏斜70°出波，另一侧接头呈现相反方向偏斜70°出波；②两侧出现的偏斜70°出波均集中出现在二孔斜上方区域，二次波出波位置距离轨缝约230 ～ 250 mm；③偏斜70°的出波走势符合伤损判定原则，检测系统将其识别为轨头内侧横向裂纹。受探伤车检测增益设置和轨面状态等的影响，该偏斜70°出波特征不会在每个接头处稳定呈现。

图2 60 kg∕m钢轨接头处探伤车超声波B显数据

目前尚未掌握探伤车在接头处B显数据中的偏斜70°出波原因，且该接头区域易存在核伤，而偏斜70°出波易与核伤出波混淆，导致误判或漏判。分析该反射点群的形成原因，掌握其出波特点，对提升探伤车的检测参数调整和接头伤损判定经验具有指导意义。

2 偏斜70°接头出波点群

2.1 出波点群形成原因

以探伤车在60 kg∕m钢轨接头的B显数据为例，分析在该区域偏斜70°出波点群形成原因。考虑到接头附近存在6个螺孔，而B 显数据中只有二孔侧上方存在偏斜70°出波，基本排除了由于探轮和钢轨横向对中不良导致的偏斜70°声束进入轨腰螺孔形成反射回波的可能。

探伤车各换能器均按照脉冲反射法方式工作，各换能器接收其发射超声波产生的超声回波进行伤损判定。根据80 km∕h 探伤车探轮的空间布置关系（前后轮和中间轮的中心距离430 mm，直打70°与偏斜70°在轨面的入射点距离L= 404 mm），在某些情况下，存在前后轮直打70°通道发射的超声波被中间轮偏斜70°通道接收的可能。

直打70°发射偏斜70°接收的超声传播路径（图3）为：①直打70°换能器在钢轨内传播的横波在接头端面处发生反射（a→b）；②端面反射横波传播至轨颚（b→c）；③轨颚反射横波传播至钢轨踏面（c→d）；④踏面反射横波再次传播至轨颚（d→e）；⑤轨颚二次反射横波传播至踏面（e→f）发生折射，折射纵波进入中间轮内部，被偏斜70°换能器接收。随着探伤车的运行，3个探轮在钢轨踏面上持续滚动，在钢轨接头处的B显数据上可能呈现二孔侧上方偏斜70°的出波点群。

图3 直打70°发射偏斜70°接收的超声传播路径

2.2 传播声程推算

2.2.1 直打70°主声束声程计算

由于60 kg∕m 钢轨轨头截面形状复杂，将直打70°在轨头区域的传播路径进行简化处理，选取轨颚中心点作为直打70°主声束传播路径在轨颚区域的入射点。直打70°发射至偏斜70°接收超声波的传播总距离laf及该超声传播路径的总声程taf的表达式为

式中：l0—l6依次为直打70°轮内纵波传播距离、踏面至接头端面的横波传播距离、经接头端面反射至轨颚的横波传播距离、经轨颚一次反射至钢轨踏面的横波传播距离、经踏面反射至轨颚的横波传播距离、经轨颚二次反射至钢轨踏面的横波传播距离、偏斜70°轮内纵波传播距离；t0—t6依次为l0—l6对应的声程，t0=l0∕vc，t1=l1∕vs，t2=l2∕vs，t3=l3∕vs，t4=l4∕vs，t5=l5∕vs，t6=l6∕vc，其中耦合液声速vc取1.7 mm∕us，钢轨横波声速vs取3.2 mm∕us。

计算得：l0=48.5 mm，t0=28.5 us；l1=16.5 mm，t1= 5.2 us；l2= 99.4 mm，t2= 31.1 us；l3=l4=l5=115.9 mm，t3=t4=t5= 36.2 us；l6= 41.5 mm，t6=24.4 us。整个传播路径声程taf≈197.6 us。

2.2.2 探伤车70°通道延迟设置

80 km∕h 探伤车各探轮的0°换能器均是同一时刻激发，直打70°换能器和偏斜70°换能器相对0°换能器发射均设有一定时间延迟（图4）。对于前后轮，其直打70°换能器相对0°换能器延迟tc70激发；对于中间探轮，其偏斜70°换能器相对0°换能器延迟tx70激发。本文设置tc70= 16 us，tx70= 45 us。

图4 直打70°、偏斜70°延迟设置示意

2.2.3 偏斜70°通道回波出波显示

探伤车B 显数据利用A 显数据转化而来，采用空间定位算法（图5），将A 显数据中的声程分为探轮内（AB段）和钢轨内（BC段）两部分进行计算，从而确定超声回波的位置。钢轨内回波定位以钢轨踏面入射点为基准，在设定声束方向上的对应声程位置显示反射点，其中偏斜70°在探轮中入射纵波角度按β=29.6°设定，在钢轨内折射横波角度按α= 70°设定。

图5 空间定位原理示意

偏斜70°按照脉冲反射法计算回波位置，根据钢轨中超声回波声程tR=tc70+taf-tx70- 2t，利用横波声速vs计算钢轨回波距离lR，计算公式为

计算可得，tR= 119.8 us，lR≈ 191.7 mm。该偏斜70°回波在水平方向位移分量LOR=l1sinα+L-lRsinα。计算可得，LOR≈239.4 mm。该水平方向位移分量计算值与探伤车B 显数据中测量的偏斜70°出波点群水平方向距离轨缝约230～250 mm的现象相符。

2.3 静态试验

为了验证声程推算的正确性，搭建双探轮试验平台（图6），配置未加工螺孔的60 kg∕m 钢轨试块，设置前轮和中间轮的距离为440 mm，与80 km∕h 探伤车的探轮间距保持一致。采用通用探伤仪，设置前轮直打70°发射、中间轮偏斜70°接收，开展静态试验。

图6 直打70°发射偏斜70°接收试验

试验结果表明，通过纵向移动钢轨试块，可以从探伤仪上获得直打70°发射偏斜70°接收的超声回波，其最大出波位置与声程推算的结果接近，试验测得的回波声程为202.9 us，与声程计算的taf≈197.6 us误差约为5.3 us，证明声程推算正确。

3 伤损判定中的应用

80 km∕h 探伤车的 B 显数据中，偏斜 70°通道在接头二孔侧上方的出波点群在正常接头处的形状和位置明确。当钢轨中存在近乎垂直的轨头横向裂纹时，同样会产生直打70°发射偏斜70°接收的出波情况，可以利用这一特点进行综合伤损判定。

探伤车检测某线路K281+388 处报告一处加固焊缝轨头核伤，该伤损波由直打70°出波点群和偏斜70°出波构成（图7）。分析可知，该偏斜70°出波是由直打70°发射偏斜70°接收形成的，可确定该处为近乎垂直的轨头横向裂纹，避免了将该偏斜70°出波报告为其他伤损，提高了伤损报警的准确率，降低了误报率。

图7 伤损判定示例

4 结论

1）偏斜70°出波点群形成原因为中间轮偏斜70°接收到前后轮直打70°发射的超声波，直打70°发射的超声波经接头端面、轨颚和踏面多次反射最终被偏斜70°接收。

2）钢轨中存在近乎垂直的轨头横向裂纹时，若探伤车B 显数据中偏斜70°二次波回波点群符合单通道偏斜70°二次波声程范围内出波且形成走势、出波水平位置距离近乎垂直的轨头横向裂纹约230～250 mm等特征时，不宜作伤损报警处理。

本文研究对于开展探伤车伤损判定具有实践指导意义。