双轨式钢轨探伤仪的分析与应用

马占生 姜 兴

（湖南高速铁路职业技术学院，湖南 衡阳 421001）

1 研究背景

钢轨探伤是发现钢轨伤损、确保铁路安全运行的重要技术手段[1]。在铁路运营维护过程中，常用的钢轨探伤技术主要包括超声波探伤、磁粉探伤、渗透探伤、涡流探伤等[2]。目前，我国铁路探伤领域使用较为广泛的钢轨探伤技术为超声波探伤，其主要采用的设备包括单轨探伤仪、双轨探伤仪和钢轨探伤车[3]。单轨探伤仪工作效率较低、工人劳动强度大，存在大型钢轨探伤车投入成本大、操作复杂等问题[4]。双轨探伤仪能够较好地解决单轨探伤仪和大型钢轨探伤车存在的问题，目前运用双轨探伤仪进行铁路探伤已成为一种新趋势。因此，对双轨探伤仪开展钢轨探伤研究具有重要的现实意义。

国内外学者针对钢轨探伤开展了大量研究。钟星等[5]基于目前铁路运营现状及钢轨探伤方式的特点，研制了双轨自行式B扫描钢轨探伤小车，研究结果表明该款探伤小车能够满足现场探伤要求。韩小平[6]针对目前钢轨探伤存在的问题，结合目前天窗修作业的工作特点，提出了一种新型的钢轨探伤设备，并对设备的技术性能和特点进行了总结。郑韵娴等[7]基于目前双轨式探伤仪轮式探头使用没有专门标准及检验方法存在的问题，分析了既有超声波探伤仪性能指标，提出了一种详细的轮式探头性能指标检验方法。王志伟等[8]基于目前高原高海拔地区双轨式探伤仪研究稀缺的原因，从轮式探头、机械和电子等多方面对双轨式探伤仪开展研究，设计一款新型高原双轨式探伤仪，研究成果能够促进高原高海拔地区钢轨探伤作业模式的进步。安尚文等[9]基于钢轨廓形特性与双轨探伤仪的工作特点，设计了一款模块化的涡流检测系统用于开展钢轨探伤，结果表明该模块化检测系统能够有效检出大于0.5 mm深的人工直裂纹和斜裂纹。张海龙等[10]对铁路既有探伤设备局限进行系统结构剖析和实证研究，证明铁路轨道综合检测系统能够更好地适应铁路维修模式。双轨式钢轨探伤仪目前侧重对某一特点开展研究，对双轨式钢轨探伤仪整体研究少有报道。本研究对双轨式探伤仪原理和特点进行分析，详细介绍双轨式钢轨探伤仪的各个组成部分及其注意事项，对其结构安全性进行计算，结合试验结果探讨双轨式探伤仪，以期为双轨式探伤仪的应用提供理论支持。

2 双轨式钢轨探伤仪原理及特点

2.1 双轨式钢轨探伤仪的原理

超声波在液体和固体中传播速度不同，在空气中几乎不能传播。采用超声波进行探伤时，超声波发射晶片将超声波射入钢轨内部，当超声波遇到伤损时，在钢和空气界面传播受阻，产生反射回波，经过仪器的接收与显示，能够发现钢轨内部伤损；根据超声波在钢轨内部的传播速度以及发射与反射波的时间间隔，可以得到伤损的位置。

双轨式钢轨探伤仪采用超声波方法进行探伤，单个轮式探头包含9个不同角度发射晶片，其中1个0°晶片安装于中心位置，晶片发射的超声纵波用于检测轨腰水平裂纹和轨底纵向裂纹；2个37°晶片一前一后安装，晶片发射的超声横波用于检测轨腰25°～45°斜裂纹和轨底横向裂纹；4个斜70°晶片两前两后安装，利用其超声横波的一次波和二次波检测轨头横向裂纹；2个直70°晶片一前一后安装，利用其超声横波的一次波检测轨头横向裂纹。

2.2 双轨式钢轨探伤仪的特点

双轨式钢轨探伤仪适用于43～75 kg/m铁道线路钢轨的超声波探伤作业；能够满足检测钢轨轨头、轨腰、轨底中部（轨腰延伸部位）等部位伤损的需要；双轨式钢轨探伤仪其轮式探头配置直探头、斜探头（35°～45°）检测轨腰及其延伸部位，斜探头（70°或其他有利于检测轨头横向裂纹的角度）检测轨头部位；双轨式钢轨探伤仪具有一次波和二次波检测轨头横向裂纹的能力；整体布局应便于各部件调整和维修；用轻量化、模块化设计，单个模块质量不超过60 kg，总质量不超过240 kg（不含电池和耦合水），随乘人员可在5 min内完成上道组装或下道拆卸；走行操控与检测系统分别操控，可双向行驶；最高走行速度不小于20 km/h；最高持续检测速度不小于15 km/h；续航能力方面，可以连续运行60 km或4 h以上；定位里程精度误差不大于2‰；载重不小于460 kg，可承载4人；配有不小于100 L耦合水箱，水量可直观检查。

2.2.1 对比传统的手推式探伤仪

双轨式钢轨超声波探伤仪检查速度快，平均检测速度为15 km/h，效率高，充分利用天窗时间，安全能得到保障，大幅度节约了人力，减轻了探伤人员的劳动强度。双轨式钢轨超声波探伤仪的动力系统机械运行可靠，操作方便，整车拆装简便，连续作业里程长。整体稳定性和重复性优于手推式探伤仪，消除了手推探伤仪手推过程中的人为因素的影响。双轨式钢轨超声波探伤仪检测系统使用轮探头，9个通道同时对钢轨进行检测，耦合情况更好，有利于对伤损的检测，伤损检出率高。双轨式钢轨超声波探伤仪整车采用模块化设计，组装和拆分简单快捷，能够在5 min内能完成，上下线路操作。

2.2.2 对比大型探伤车

双轨式钢轨超声波探伤仪使用更加机动灵活，不需要调度，只要有天窗点就能上道检测。双轨式钢轨超声波探伤仪检测更精细。探伤仪每2.67 mm发射一个脉冲，大型探伤车每4 mm发射一个脉冲。双轨式钢轨超声波探伤仪检测轨底裂纹，而大型探伤车不检测轨底裂纹。双轨式钢轨超声波探伤仪的造价远低于大型探伤车，探伤车的维修不但价格昂贵，而且人员到达现场速度缓慢。双轨式钢轨超声波探伤仪在作业过程中，发现伤损可立即倒车复核，现场判伤。而大型探伤车只能通过回放发现伤损，再由探伤工作人员利用手推式仪器进行二次复核，严重浪费了人力物力。

3 双轨式钢轨探伤仪系统组成及注意事项

3.1 硬件

双轨式钢轨探伤仪硬件包括机箱、笔记本、锂电池、轮式探头、鼠标、编码器、连接线、车体、走行轮、传动装置、制动装置、水箱、防护装置、照明装置等。

3.2 软件

双轨式钢轨探伤仪软件在配置的笔记本中运行。软件具有良好的中文操作界面，能够显示B型图和超声作业参数，主要有探伤参数设置、数据采集、处理和回放以及伤损智能识别等功能。

3.3 注意事项

车架组装时，注意驱动路桥上的螺丝位置，防止弯曲变形后车架无法顺利装入；水轮支架与车架装配连接时，应使支架背面与车架外面水平，螺丝固定时节省时间；所有电路插头需要按照缺口轻轻插入，防止插芯断裂导致接触不良；水轮安装时，水轮支架上的探头位置必须在上面，否则无信号输出；车子快速行驶中，没有意外情况不要紧急刹车，防止防滑轮快速磨损，影响防滑效果；车架和水轮支架均不能剧烈碰撞，否则变形后无法正常运行；水轮支架使用前必须手动检查中轴灵活度；车体自身质量和所载总量不超过700 kg，以免严重影响使用寿命；所有电池远离火源，且禁止投入火源，以免引发爆炸；车子所有电路接通前，总电源应处于关闭状态。

4 双轨式钢轨探伤仪安全性分析

4.1 车轮强度分析

双轨式钢轨探伤仪车轮的轮毂采用铝合金，利用有限元方法对车轮强度进行分析。假设4个车轮承载800 kg，则每个车轮的负荷为1 960 N，计算可得车轮变形为0.017 7 mm，车轮最大有效应力为14.7 MPa，铝合金的屈服应力为27.6 MPa，没有达到屈服应力，说明车轮强度满足要求。

4.2 车轴强度分析

双轨式钢轨探伤仪车轴采用空心厚管，利用有限元方法对车轴强度进行分析。每根轴承受400 kg质量，车轴变形约为0.09 mm，车轴的最大有效应力34.16 MPa，合金钢的屈服应力为620.4 MPa，远没有达到屈服应力，说明车轴强度满足要求。

4.3 车架强度分析

双轨式钢轨探伤仪车架采用Q235的钢管，利用有限元方法对车架强度进行分析。假设车身承载500 kg的质量，则每半个车身的负荷为2 450 N，车架变形为2.87 mm，车轮最大有效应力121.8 MPa，钢管的屈服应力为235.0 MPa，没有达到屈服应力，说明车架满足强度要求。

基于有限元方法对双轨式钢轨探伤仪走行平台的车轮、车轴、车架进行分析。结果表明，结构各部位的安全性均满足强度要求，可用于下一步试验研究。

5 双轨式钢轨探伤仪的应用

南宁工务段利用双轨式钢轨探伤仪对车间标准试轨伤损进行现场测试，双轨式钢轨探伤仪检测发现轨头核伤12处、鄂部伤损4处、轨底伤损12处、螺孔裂纹23处以及钢轨接头处伤损4处，双轨式钢轨探伤仪综合检出率大于90%。

武汉高铁工务段利用双轨式钢轨探伤仪对车间标准损伤轨进行测试，双轨探伤仪检测发现轨头核伤4处、鄂部伤损两处、轨底伤损4处、螺孔裂纹3处以及自然伤损1处，标准伤轨全部检出，且夜间上道使用效果良好。

6 结语

文章从双轨式探伤仪原理和特点进行分析，详细介绍双轨式钢轨探伤仪的各个组成部分及其注意事项，对其结构安全性进行计算，结合试验结果对双轨式探伤仪进行讨论。双轨式钢轨探伤仪基于超声波原理对钢轨进行探伤，从9个不同角度的发射晶片对钢轨各个方向伤损进行检测，能够满足检测钢轨轨头、轨腰、轨底中部等部位伤损的需要；双轨式钢轨探伤仪采用模块化、轻量化设计，用于钢轨探伤时存在诸多注意事项，需要遵守操作规定；双轨式钢轨探伤仪的车轮、车轴以及车架强度能够满足安全性要求，可用于试验研究；双轨式钢轨探伤仪在现场应用其伤损检出率大于90%，且夜间使用效果良好，能够用于现场实际探伤。