双轨探伤小车兰州局定西工务段现场运用研究

刘军祥 崔会锋 张彦红

摘要 随着我国铁路里程的跨越式增长，对轨道的安全性和检测效率提出了新的要求，传统钢轨探伤仪检测需要更加经济便捷高效的检测方式。文章依据探伤需求开发探轮式轨道探伤检测小车，基于探伤需要和检测原理，合理设计探伤车的车体模块和探伤模块，并在标定轨、自然轨和正线开展以15 km/h速度开展实际检测，检测表明轨头核伤、轨腰和轨底裂纹的检出均有效达到100%，正线测试缺陷高速检出效果得到验证，为轨道安全生产提供了有力保障。

关键词 轨道探伤;探轮式;标定轨;超声探伤

中图分类号 U213.43 文献标识码 A 文章编号 2096-8949（2022）13-0135-04

0 前言

随着国家经济的高速发展，铁路运输保持了快速稳定的增长趋势[1]，截至2020年底全国铁路运营里程达到14.6万km，对轨道安全性和检测效率有了更高的要求。轨道病害是线路安全运营的最大隐患，开展钢轨探伤检查是确保轨道交通运营安全的重要手段[2]。目前已有的检测手段有手推式探测仪和高速探伤车，探伤车和探伤仪分别按各自的年、月计划进行探伤检查[3]。手推式钢轨探测仪是在小型的手推车上搭载铁路探伤轮，铁路维护人员手推其进行铁路探伤[4]，普通手推式探伤仪速度2 km/h，在有限的天窗时间作业距离较短，走行能力弱，铁路探伤工作强度大，而大型的钢轨探伤设备源于欧美，我国对其进行了引进和国产化，即使如此，大型探伤车的造价依然很高，每辆高达2 500万元人民币[5]，不适合大规模应用。滑靴式小车不易实现良好的耦合、探头与钢轨之间的水层中间易产生降低声能能量的气泡、对接头错牙要求高[6]、过道岔困难以及用水量大。新型探轮式轨道探伤检测小车既具有价格低廉，运行速度快，检测效率高，现有操作人员易掌握的特点，也具备滑靴式15～20 km/h的检测速度，且耦合良好节约用水，过道方便，降低了探伤人员劳动强度和提高了工区探伤保障。因此，探轮式轨道探伤小车是现有超声探伤条件下的优势集成解决方案。

1 小车系统设计

双轨探伤车如图1所示，主要包括驱动系统、对中系统、电气控制系统和探伤系统四个子系统。

驱动系统包括车架、后驱差速桥、主走行轮和辅助走行轮等部件，主要实现双轨探伤车在钢轨上走行功能，并为对中系统、探伤系统和电气控制系统提供硬件接口和动力;对中系统包括对中机械结构、对中电机、倾角电机和耦合喷水机构等，主要用于调整探轮在轨面位置，保持探轮与轨面对中和耦合良好，超声波有效能量入射到钢轨内部;电气控制系统将传感器、电源、驱动电机及超声主机连接，实现系统的走行、对中、检测、耦合、报警等功能。探伤系统包括超声波探轮和3张8通道并行超声主机，外部触发方式实现18个超声通道的发射及数据采集，对钢轨进行检测。预留了用于轨面质量检测的轨检单元和道床检测的巡检单元。整个小车系统与扩展见图2。

1.1 车体结构及装配

双軌探伤车主要由8个模块组成，分别是车架、随动轴、后驱动轮轴、2个对中机构、超声主机、电池和水箱。首先，分别将前随动轮轴和后驱动轮轴放置于轨道上，并用安装辅具管将前后轮轴连接。其次，四个人将一体式机架抬起并放置在前后车轮轴上，机架与车轮轴有定位装置，通过快速夹钳将车架与轮轴连接在一起，快速夹钳含防松动机构。第三，分别将2个对中机构组装到一体式小车机架左右两侧，并通过锁紧螺纹将对中机构与小车机架相连，安装各个模块。最后，对整车的电气接线、信号接线、水路接线进行检查，结束后启动电源开关，按响警告按钮表示走行部分连接正常。随后接通检测系统电源，打开电脑，启动探伤软件，探伤开始作业。装配完成后如图3所示。

1.2 探伤机构

探伤模块由探轮及对中伺服部分、超声信号采集与分析部分、耦合水喷淋部分、中控显示、编码器等组成。

探伤机械控制单元具备探头对中调节功能[7]，通过车体控制面板按钮可进行对中调节，连接装置：用以将探轮装置与车体稳定连接在一起，对中弹簧、对中靠轮使探轮装置能够与钢轨紧密贴合在一起，保证探轮在钢轨上的水平左右位置稳定，超声波探伤的难点是保证探头的平稳性，只有这样才能保证采集信号的平稳可靠[8]，如图4所示对中结构。耦合水喷淋系统具备耦合水量控制功能，通过改变泵的功率来控制耦合水的出水量，完成探轮与钢轨间的耦合，超声波进入钢轨，此系统适应多种检测环境。

超声信号采集与分析系统，通过探头采集轨道信息后，经过自开发软件进行处理分析，运用C语言完成上位机监控，采用串口及USB接口串行到采集箱，对小车的运动平稳性及横向运动特性进行分析能够对钢轨损伤进行一定的判断，并输出有效数据。通过编码器采集里程信息，小车具备里程定位功能，并且可以实时进行里程校准。

探头集成在轮式探轮上，每个探轮含有9个探头，探头参数及用途见表1，包括一个0°探头，2个37°探头，6个70°探头（4个二次波斜70°探头和2个直70°探头），通过这种布局，保障了钢轨探伤的检测覆盖范围，探轮组装完成后见图5。

所有探头均为“自发自收”工作方式，均采用探头发射超声波，从钢轨轨面入射并接收缺陷反射回波或穿透失波，来对钢轨各部位进行检测。根据超声波的声程推算，就可以轻易地将缺陷信号和底波信号区分开，然后通过超声波试块进行定标，就可以实现对钢轨缺陷的定位和定量[9]，相比手推仪器的原理，探伤小车的超声波还需要穿过耦合液和轮皮后进入钢轨，如图6所示。我国重载线路中造成断轨最主要的原因是轨头核伤，占断轨总数的一半[10]，70°探头一次波探测缺陷，可以覆盖轨头30%左右的区域，通过端面反射的二次波可以有效扩大轨头探测区域，覆盖轨头范围。由于螺孔缺陷发展方向不固定，按声束方向，设计前37°和后37°探头，覆盖缺陷的不同发展方向，尤其值得注意的是，螺孔区域靠近端面，存在端面反射的现象。0°探头放置钢轨顶面中心，发射声束从轨面至轨底，能探测的区域为轨腰投影范围内，如果钢轨内有纵向裂纹和斜裂纹，超声波在传播过程中改变方向，使探头接收不到轨底反射波而产生失波报警。

2 现场运用

为充分验证小车的性能和预期设计目标，在人工标定线、模拟自然状态的定西自然轨测试线测试小车的探伤检测和车体性能，在正线上开展运营测试和使用。

2.1 标定轨静态测试

《双轨式钢轨超声波探伤仪暂行技术条件》（TJ/GW157—2017）6.6检测能力阐述：探伤仪调整到实际钢轨探伤状态，以15 km/h （±0.5 km/h）速度，分别连续5次不间断检测GTS-60SG-1/2/3组成的直标定线和曲标定线，除轨底锥孔、GTS-60SG-3试块中的人工伤损外，其他人工伤损能全部检出，并能正常报警。如探伤仪具备15°螺孔裂紋或垂向伤损等的检测能力，则需全部检出相应人工伤损，并能正常报警。

探轮式轨道探伤检测小车标定轨检测结果如表2所示，人工伤损检出率100%。与将小车对标定轨上所有缺陷检测结果与手推车的检测结果对比分析，轨鄂反射率较低，手推车未能检测出小车检测出的轨颚裂纹，而探轮的对中弹簧、对中靠轮使探轮装置能够与钢轨紧密贴合在一起，保证了标定轨轨鄂R4H2横向刻槽、R5H4横向刻槽和R6H6横向刻槽的检出，B扫结果见图7。

标定轨测试表明15 km/h下该车超声系统对轨头轨腰和轨底的人工伤损检测达到了设计要求。

2.2 自然轨探伤测试

自然轨道测试内容为检验小车在小仪器检出更换的旧轨的缺陷检出测试，还原正常运行下的铁路轨道状况下探伤缺陷的检出。

自然测试轨，前一段加速区为新轨，后端为测试旧轨，如图8展示的自然轨，测试旧轨为正线上检出缺陷的保留轨道，测试轨左右钢轨是由一段段不同长度的钢轨拼接而成，且钢轨上均进行了编号。在每根轨上基本均有缺陷，分别连续多次多环境状况不间断在15 km/h速度下，对测试轨开展检测。

探轮式轨道探伤检测小车自然轨检测结果如表3，与传手推车设备的检出对比，其检测效果是一致的，在速度上远远超过传统的手推式仪器。自然轨测试表明15 km/h速度下该车超声系统对服役的钢轨的伤损轨头核伤、轨鄂裂纹、螺孔裂纹、底缺陷检测效果好。

2.3 正线检测运用

在完成标定线和自然轨道的测试对比后，已经达到了初步的设计预期。开展正线检测，验证小车在正线工况下的探伤运用。

经现场测试及连续的试用，研制的小车完全满足规定的技术性能要求，功能上满足现场使用需求，达到了预期目的。对小仪器难以检出的一些情况，小车也有较好的检出，如探伤小车在梁家坪到定西正线，兰渝线上道测试，上道检测50 km期间检测到缺陷轨底划痕1例，位于兰渝线上行右轨54.8 km处，深度约为0.2 mm，长度约为15 mm，作业结果如图9所示。在作业效率方面，每个天窗时间约为4 h，实际纯作业时间约为3.5 h，探伤仪平均检测7 km，小车可检测50 km左右，在作业效率方面提升明显。正线探伤效率和检出表明小车的超声系统缺陷高速检出效果和作业性能得到验证。

3 结论

基于钢轨探伤现状及探伤需要，开发探轮式轨道探伤检测小车，并开展标定轨静态、自然轨探伤测试分析和正线的检测使用。结果表明：在设计速度下各系统功能实现较为完整，检测效率高，标定轨静态、自然轨探伤测试检出率100%，并在超声系统缺陷高速检出效果和作业性能得到验证，相对比手推式仪器探伤，工作效率大幅提升，为轨道探伤检测提供了新的保障。

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