王澤

摘 要：本文對(duì)超聲波鋼軌探傷儀新型0°+37°窄探頭、直70°內(nèi)偏斜探頭的研制進(jìn)行了簡(jiǎn)要論述。

關(guān)鍵詞：超聲波鋼軌探傷儀；探頭；無(wú)損檢測(cè)

1 研究背景與課題來(lái)源

鋼軌在服役過(guò)程中承受很大的交變荷載，在列車加速或制動(dòng)過(guò)程中對(duì)鋼軌產(chǎn)生的復(fù)雜應(yīng)力以及溫度、氣候、表面附著物對(duì)鋼軌的反復(fù)作用下極易產(chǎn)生疲勞傷損和腐蝕，如果鋼軌中出現(xiàn)超過(guò)允許標(biāo)準(zhǔn)的缺陷，就會(huì)引發(fā)斷軌事故。因而各國(guó)鐵路部門對(duì)鋼軌探傷都十分重視，不惜投入大量人力、物力對(duì)在役鋼軌進(jìn)行定期檢驗(yàn)。超聲波探傷是國(guó)內(nèi)外鋼軌探傷的主要探傷方法，國(guó)外鋼軌探傷以大型探傷車為主，小型探傷設(shè)備一般只用來(lái)復(fù)查檢測(cè)結(jié)果；而我國(guó)鐵路由于運(yùn)輸繁忙，車流密度大，探傷作業(yè)無(wú)法固定時(shí)間，大型設(shè)備難以使用，因此鋼軌探傷至今仍以小車為主，超聲波鋼軌探傷儀是探傷工作的核心設(shè)備。

探傷儀由發(fā)射電路產(chǎn)生電脈沖信號(hào)，通過(guò)超聲波換能器（探頭）的轉(zhuǎn)換后發(fā)射出頻率為2MHz～2.5MHz的超聲波對(duì)鋼軌進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)。探頭根據(jù)折射角的不同分為70°、37°及0°三種類型。目前探傷儀配備的探頭均為長(zhǎng)47mm、寬23mm的標(biāo)準(zhǔn)探頭。

標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格探頭的普遍應(yīng)用給探傷設(shè)備、配件的更換、維修帶來(lái)了極大便利，節(jié)省了時(shí)間，但是另一方面，由于我國(guó)鐵路正在向高速、重載的方向發(fā)展，超期服役的鋼軌數(shù)量很大，我局管內(nèi)的老軌、舊軌、再用軌普遍存在不同程度的傷損，且傷損情況復(fù)雜，標(biāo)準(zhǔn)探頭已不能滿足重點(diǎn)區(qū)段探傷作業(yè)的要求。尤其是曲線處所的鋼軌探傷一直是困擾探傷工作的一大難題：

由于曲線上股磨耗使得鋼軌探測(cè)面不平且變窄，70°探頭在軌面偏斜達(dá)到20°時(shí)與軌面產(chǎn)生接觸不良。由于超聲波直線傳播的特性，一旦與軌面接觸不良，超聲波束則無(wú)法有效射入和接收而造成失檢。

另一方面，曲線下股除部分剝離、掉塊等影響檢測(cè)外，曲線下股鋼軌存在的凹心問(wèn)題，軌頭放寬，使得探頭無(wú)法良好接觸軌面形成耦合不良而造成失檢。

因此，研發(fā)一些新型探頭用以針對(duì)曲線地段磨損嚴(yán)重、傷損情況復(fù)雜的鋼軌進(jìn)行探傷成為了探傷工作亟待解決的難題。

2 研究?jī)?nèi)容及技術(shù)目標(biāo)

2.1 研究?jī)?nèi)容

研發(fā)一些新型探頭，一種針對(duì)曲線上股鋼軌，在探頭內(nèi)的晶片制造一個(gè)偏斜角，從而克服側(cè)磨造成的探測(cè)面不平、軌面傾斜的問(wèn)題，使探頭與軌面接觸良好，超聲波束有效射入鋼軌并在鋼軌中傳播，換能器能夠準(zhǔn)確接收超聲波經(jīng)鋼軌內(nèi)缺陷或界面反射的回波，通過(guò)單片機(jī)的編程軟件形成有效的探測(cè)數(shù)據(jù)；另一種針對(duì)曲線下股鋼軌普遍存在的凹心、壓寬等現(xiàn)象，將探頭寬度適量減小，使探頭與軌頭的有效探測(cè)面相吻合，解決耦合不良的問(wèn)題。

其主要研發(fā)內(nèi)容為：①曲線上股鋼軌側(cè)面磨耗測(cè)量；②曲線上股鋼軌軌面傾斜角度的范圍測(cè)定；③探頭晶片內(nèi)偏斜角的計(jì)算；④內(nèi)斜70°探頭鋼軌探傷試驗(yàn)；⑤曲線下股鋼軌側(cè)磨磨耗及凹心寬度、深度測(cè)量；⑥0°+37°窄探頭縮進(jìn)量測(cè)試。⑦0°+37°探頭鋼軌探傷試驗(yàn)；

2.2 技術(shù)目標(biāo)

①研究一種針對(duì)曲線上股鋼軌探傷的探頭，取消原有外斜70°探頭的外傾斜角，在探頭內(nèi)的晶片制造一個(gè)偏斜角，由外斜改為內(nèi)斜，內(nèi)斜探頭探傷時(shí)正交于鋼軌方向，與直70°探頭方向一致，減小了探頭與鋼軌的接觸面，消除了原探頭與鋼軌由于曲線側(cè)磨造成的不良接觸面，從而增大了有效接觸面，克服掉接觸面不平、軌面傾斜的問(wèn)題。②研究一種針對(duì)曲線下股鋼軌探傷的探頭，針對(duì)鋼軌凹心、壓寬等問(wèn)題，將探頭寬度減小，長(zhǎng)度加長(zhǎng)，在滿足超聲波束對(duì)鋼軌的探傷范圍條件下減小晶片分布寬度，從而與軌頭的有效探測(cè)面相吻合，解決耦合不良的問(wèn)題。

3 研制過(guò)程

3.1 調(diào)研工作

準(zhǔn)確了解曲線地段鋼軌材質(zhì)、規(guī)格，重點(diǎn)地段、重點(diǎn)位置鋼軌傷損情況、傷損種類，改變?cè)O(shè)備參數(shù)對(duì)探傷數(shù)據(jù)的影響。為做好課題的研究工作，課題組組織工務(wù)處、工務(wù)段相關(guān)技術(shù)人員攜帶探傷儀及測(cè)量設(shè)備深入現(xiàn)場(chǎng)，對(duì)曲線地段的鋼軌信息進(jìn)行了準(zhǔn)確的采集，對(duì)傷損情況進(jìn)行了準(zhǔn)確測(cè)量和記錄，并對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行詳細(xì)分析。

正線曲線地段一般情況下均鋪設(shè)60kg型鋼軌，高度176mm，軌頭寬度73mm，軌頭內(nèi)高48.5mm。曲線上股鋼軌一般發(fā)現(xiàn)為側(cè)磨、軌面不平、魚(yú)鱗傷、剝離掉塊等傷損，影響探傷結(jié)果的傷損主要表現(xiàn)為鋼軌側(cè)磨及軌面不平；曲線下股鋼軌一般發(fā)現(xiàn)為凹心、壓寬、剝離掉塊等傷損，影響探傷結(jié)果的傷損主要表現(xiàn)為鋼軌凹心。

在使用探傷儀進(jìn)行探傷實(shí)驗(yàn)時(shí)，由于曲線上股磨耗和曲線下股凹心造成探頭與軌面的接觸不良，造成耦合度不夠，使得超聲波不能全面有效射入，造成部分失檢。人工調(diào)整探頭位置、加大水量后依然無(wú)法滿足耦合要求；一般探傷工進(jìn)行探傷作業(yè)時(shí)探傷靈敏度定為42～46dB，課題組針對(duì)鋼軌傷損情況調(diào)整衰減器，衰減至40dB時(shí)，出現(xiàn)較多雜波，嚴(yán)重影響數(shù)據(jù)分析，無(wú)法有效判斷傷損，且曲線磨耗超過(guò)12mm時(shí)依然處于失檢狀態(tài)，衰減至38dB以下時(shí)已無(wú)法區(qū)分傷波。

3.2 研發(fā)思路

無(wú)論怎樣調(diào)整設(shè)備參數(shù)，均無(wú)法有效解決探傷儀在線路曲線鋼軌傷損嚴(yán)重地段的失檢問(wèn)題，由此課題組得出結(jié)論，須改進(jìn)探傷儀超聲波換能器（探頭）設(shè)計(jì)，突破原有標(biāo)準(zhǔn)探頭的設(shè)計(jì)規(guī)格，研發(fā)一些新型探頭，用以專門針對(duì)曲線地段鋼軌探傷。研發(fā)方向?yàn)椋?/p>

改造一種新探頭，取消原有的外斜70°探頭的外傾斜角，在探頭內(nèi)的晶片制造一個(gè)偏斜角，由外斜改為內(nèi)斜，增大有效接觸面，使探頭與鋼軌耦合良好。

改造一種新探頭，將探頭寬度減小，長(zhǎng)度加長(zhǎng)，在滿足超聲波束對(duì)鋼軌的探傷范圍條件下減小晶片分布寬度，與軌頭的有效探測(cè)面相吻合，解決耦合不良的問(wèn)題。

3.3 細(xì)化設(shè)計(jì)方案

①取消70°探頭外傾斜角度，新探頭探傷時(shí)正交于鋼軌方向，與直70°探頭方向一致，探頭與鋼軌的接觸面由斜矩面變成了正矩面，消除了原探頭與鋼軌由于曲線側(cè)磨造成的不良接觸面，增大了有效接觸面，從而克服掉接觸面不平、軌面傾斜的問(wèn)題。

70°探頭主要探測(cè)鋼軌軌頭的內(nèi)部傷損情況，原外斜70°探頭由超聲波束折射出的一次波與二次波的覆蓋來(lái)檢測(cè)軌頭中心與兩端部分的區(qū)域。

超聲波探頭與鋼軌的接觸面大致呈矩形，原外斜70°探頭與鋼軌接觸面為斜矩面，在曲線段作業(yè)時(shí)，探頭與軌面接觸不良，多處于懸空狀態(tài)。

70°探頭探測(cè)范圍為軌頭部分，取消外傾斜角度后，探傷范圍僅為軌頭中心部分，超聲波傳播特性為輻射型直線傳播，超聲波進(jìn)入鋼軌后產(chǎn)生聲軸偏斜角，由此擴(kuò)大了部分探測(cè)面。

軌頭部位的探傷主要依靠一次波與折射后產(chǎn)生的二次波探測(cè)傷損情況，探頭由外斜改為內(nèi)斜后，入射的超聲波束與鋼軌軌面法向產(chǎn)生偏角。

將探頭內(nèi)的晶片增加偏斜楔塊，制造一個(gè)偏斜角成為內(nèi)斜探頭，內(nèi)偏斜角為14°～18°時(shí)，發(fā)出的一次波與二次波覆蓋軌頭中心到兩邊緣的部分，達(dá)到與外斜探頭同樣的效果。

探頭內(nèi)偏斜角是通過(guò)在探頭內(nèi)增加偏斜楔塊來(lái)實(shí)現(xiàn)的，偏斜楔塊的角度在制作時(shí)根據(jù)探傷作業(yè)班組作業(yè)線路鋼軌的實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整。通過(guò)課題組的反復(fù)試驗(yàn)，確定將調(diào)整范圍規(guī)定在14°～18°，超聲波束可覆蓋原外斜70°探頭所有探測(cè)范圍，且探傷靈敏度有少許提高，提高數(shù)值1～2dB。

改進(jìn)前后探頭對(duì)比

一臺(tái)探傷儀安裝兩個(gè)新型內(nèi)斜70°探頭，一個(gè)探測(cè)軌頭里口，一個(gè)探頭探測(cè)軌頭外口。

最終兩個(gè)內(nèi)斜70°探頭與一個(gè)直70°探頭共同完成軌頭部分的探測(cè)。

目前我局管內(nèi)各線路運(yùn)載量不同，曲線鋼軌所承受荷載也有差異，鋼軌側(cè)面磨耗發(fā)生于軌頭里口，軌頭核傷也多發(fā)生于里口部位，因此，新型70°內(nèi)斜探頭的研制與推廣應(yīng)用極為必要。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明，探頭晶片偏斜角為12°～18°時(shí)，一次波與二次波束可覆蓋至與原外斜探頭一致的范圍，但探頭晶片內(nèi)偏斜楔塊的偏斜角過(guò)大時(shí)，晶片所占探頭寬度大于探頭規(guī)格寬度，導(dǎo)致無(wú)法制作。楔塊偏斜角為14°時(shí)，探測(cè)范圍與原探頭一致且不超過(guò)探頭寬度限制。

②針對(duì)曲線下股鋼軌的凹心、壓寬等問(wèn)題，改進(jìn)0°+37°探頭設(shè)計(jì)，將標(biāo)準(zhǔn)探頭寬度減小，長(zhǎng)度加長(zhǎng)，在滿足超聲波束對(duì)鋼軌的探傷范圍條件下減小晶片分布寬度，從而與軌頭的有效探測(cè)面相吻合，解決耦合不良的問(wèn)題。

鑒于曲線下股鋼軌軌面凹凸不平，課題組改變?cè)?°+37°探頭設(shè)計(jì)規(guī)格，調(diào)整晶片尺寸，保證超聲波束發(fā)射頻率（2～2.5HMz）不變的條件下，減小晶片寬度，是超聲波束發(fā)射更加集中，同時(shí)可使探頭寬度減小，縮小了探頭與鋼軌的不良接觸面，從而提高了耦合度。

晶片尺寸過(guò)小時(shí)，將無(wú)法保證超聲波束的發(fā)射頻率，在課題組的反復(fù)試驗(yàn)下，發(fā)現(xiàn)將探頭寬度定為16cm時(shí)，可在保證超聲波束發(fā)射頻率的條件下將探頭內(nèi)組合晶片合理分布，同時(shí)探頭寬度可達(dá)到與鋼軌軌面耦合度要求，保證探傷作業(yè)質(zhì)量、探傷數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、清晰。

根據(jù)課題組在現(xiàn)場(chǎng)對(duì)曲線下股鋼軌傷損的分析判定，通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試將0°+37°探頭寬度由23mm減小為16mm時(shí)，探頭與傷損鋼軌軌面耦合效果最佳，探傷數(shù)據(jù)最準(zhǔn)確。

4 0°+37°窄探頭鋼軌探傷試驗(yàn)

4.1 概況 為了解新型0°+37°窄探頭的探傷效果，課題組攜帶安裝了新型實(shí)驗(yàn)探頭的探傷儀來(lái)到百子灣站外曲線進(jìn)行探傷試驗(yàn)。

百子灣站外，豐雙線下行曲線29km+059m處通過(guò)新型探頭進(jìn)行探傷試驗(yàn)，鋼軌發(fā)現(xiàn)曲線磨耗、魚(yú)鱗傷等傷損，遇鋼軌接頭時(shí)，0°+37°探頭耦合良好，數(shù)據(jù)成像清晰，無(wú)雜波。

4.2 試驗(yàn)結(jié)論

從現(xiàn)場(chǎng)操作及數(shù)據(jù)結(jié)果看，新型0°+37°探頭工作良好，耦合度高，未出現(xiàn)失檢現(xiàn)象，適用于曲線地段鋼軌探傷作業(yè)。

5 內(nèi)斜70°探頭鋼軌探傷試驗(yàn)

5.1 概況

百子灣站外，豐雙線下行曲線29km+059m處通過(guò)新型探頭進(jìn)行探傷試驗(yàn)，鋼軌發(fā)現(xiàn)曲線磨耗、魚(yú)鱗傷等傷損，內(nèi)斜70°探頭耦合良好，數(shù)據(jù)成像清晰，無(wú)雜波。

5.2 試驗(yàn)結(jié)論

從現(xiàn)場(chǎng)操作及數(shù)據(jù)結(jié)果看，內(nèi)斜70°探頭工作良好，未發(fā)生因曲線側(cè)磨引起的軌面不平而導(dǎo)致的失檢現(xiàn)象，可適用于曲線地段鋼軌探傷作業(yè)。

6 研制結(jié)果和建議

通過(guò)課題組歷時(shí)數(shù)月的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研、分析改進(jìn)以及新設(shè)備試驗(yàn)，結(jié)合鋼軌實(shí)際傷損情況，成功完成了“超聲波鋼軌探傷儀新型0°+37°窄探頭、直70°內(nèi)偏斜探頭的研制”項(xiàng)目的各項(xiàng)工作，新型探頭符合TB/T 2340-2012《多通道A型顯示鋼軌超聲波探傷儀行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)》要求。

本項(xiàng)目打破了固有的超聲波換能器設(shè)計(jì)規(guī)格，理論結(jié)合實(shí)際，深入現(xiàn)場(chǎng)，從實(shí)際出發(fā)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)鋼軌問(wèn)題提出了全新的“內(nèi)斜探頭”設(shè)想，改外斜為內(nèi)斜，成功解決了曲線地段鋼軌探傷失檢的問(wèn)題。

7 效果分析

北京鐵路局北京工務(wù)段檢查監(jiān)控車間管內(nèi)線路多為老軌、舊軌、再用軌，多數(shù)線路曲線地段鋼軌傷損較為嚴(yán)重，傷損情況復(fù)雜。每每當(dāng)探傷工作業(yè)至曲線鋼軌重點(diǎn)地段時(shí)，探傷儀開(kāi)始頻繁報(bào)警，曲線上股鋼軌側(cè)磨嚴(yán)重，探傷工執(zhí)機(jī)時(shí)不時(shí)跑偏、掉道，軌面接觸不良至使無(wú)法作業(yè)；曲線下股鋼軌軌頭剝離掉塊、凹心現(xiàn)象嚴(yán)重，軌面凹凸不平導(dǎo)致出現(xiàn)雜波和失波，耦合不好導(dǎo)致失檢，走形速度緩慢，判斷傷波困難，探傷作業(yè)極難進(jìn)行。2014年初，我段為管界線路曲線鋼軌傷損最為復(fù)雜的百子灣、密云等探傷工區(qū)配置了新型超聲波0°+37°窄探頭及直70°內(nèi)偏斜探頭，取代了過(guò)去一直使用的標(biāo)準(zhǔn)探頭。在新探頭使用過(guò)程中，探傷作業(yè)質(zhì)量，特別是曲線線路鋼軌探傷作業(yè)質(zhì)量得到了明顯提高。

超聲波探頭是超聲波鋼軌探傷儀的一部分，新探頭的研制保障了超聲波鋼軌探傷儀的進(jìn)一步應(yīng)用，是超聲波無(wú)損檢測(cè)技術(shù)得到進(jìn)一步應(yīng)用的顯著體現(xiàn)，為無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展提供動(dòng)力。

鋼軌檢測(cè)能力提高后，可使北京鐵路局對(duì)管界內(nèi)的鋼軌使用情況有了更準(zhǔn)確的把握，減少了工務(wù)部門解決突發(fā)事件的情況，另外傷損檢出率提高后，可使工務(wù)系統(tǒng)更有針對(duì)性地對(duì)各線路采取養(yǎng)護(hù)、大修及更換處理，減少不必要耗材與勞動(dòng)力的浪費(fèi)，對(duì)我局的人員與材料的使用起到積極作用。