超声波钢轨探伤仪新型0°+37°窄探头、直70°内偏斜探头的研制

-精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 1 超声波钢轨探伤仪新型 0+37窄探 头、直 70内偏斜探头的研制 摘 要：本文对超声波钢轨探伤 仪新型 0+37窄探头、直 70内偏斜探 头的研制进行了简要论述。 中国论文网 /4/view-12748586.htm 关键词：超声波钢轨探伤仪；探 头；无损检测 1 研究背景与课题来源 钢轨在服役过程中承受很大的交 变荷载，在列车加速或制动过程中对钢 轨产生的复杂应力以及温度、气候、表 面附着物对钢轨的反复作用下极易产生 疲劳伤损和腐蚀，如果钢轨中出现超过 允许标准的缺陷，就会引发断轨事故。 因而各国铁路部门对钢轨探伤都十分重 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 2 视，不惜投入大量人力、物力对在役钢 轨进行定期检验。超声波探伤是国内外 钢轨探伤的主要探伤方法，国外钢轨探 伤以大型探伤车为主，小型探伤设备一 般只用来复查检测结果；而我国铁路由 于运输繁忙，车流密度大，探伤作业无 法固定时间，大型设备难以使用，因此 钢轨探伤至今仍以小车为主，超声波钢 轨探伤仪是探伤工作的核心设备。 探伤仪由发射电路产生电脉冲信 号，通过超声波换能器（探头）的转换 后发射出频率为 2MHz2.5MHz 的超 声波对钢轨进行无损检测。探头根据折 射角的不同分为 70、37及 0三种类型。 目前探伤仪配备的探头均为长 47mm、 宽 23mm 的标准探头。 标准规格探头的普遍应用给探伤 设备、配件的更换、维修带来了极大便 利，节省了时间，但是另一方面，由于 我国铁路正在向高速、重载的方向发展， 超期服役的钢轨数量很大，我局管内的 老轨、旧轨、再用轨普遍存在不同程度 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 3 的伤损，且伤损情况复杂，标准探头已 不能满足重点区段探伤作业的要求。尤 其是曲线处所的钢轨探伤一直是困扰探 伤工作的一大难题： 由于曲线上股磨耗使得钢轨探测 面不平且变窄，70 探头在轨面偏斜达 到 20时与轨面产生接触不良。由于超 声波直线传播的特性，一旦与轨面接触 不良，超声波束则无法有效射入和接收 而造成失检。 另一方面，曲线下股除部分剥离、 掉块等影响检测外，曲线下股钢轨存在 的凹心问题，轨头放宽，使得探头无法 良好接触轨面形成耦合不良而造成失检。 因此，研发一些新型探头用以针 对曲线地段磨损严重、伤损情况复杂的 钢轨进行探伤成为了探伤工作亟待解决 的难题。 2 研究内容及技术目标 2.1 研究内容 研发一些新型探头，一种针对曲 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 4 线上股钢轨，在探头内的晶片制造一个 偏斜角，从而克服侧磨造成的探测面不 平、轨面倾斜的问题，使探头与轨面接 触良好，超声波束有效射入钢轨并在钢 轨中传播，换能器能够准确接收超声波 经钢轨内缺陷或界面反射的回波，通过 单片机的编程软件形成有效的探测数据； 另一种针对曲线下股钢轨普遍存在的凹 心、压宽等现象，将探头宽度适量减小， 使探头与轨头的有效探测面相吻合，解 决耦合不良的问题。 其主要研发内容为：曲线上股 钢轨侧面磨耗测量；曲线上股钢轨轨 面倾斜角度的范围测定；探头晶片内 偏斜角的计算；内斜 70探头钢轨探 伤试验；曲线下股钢轨侧磨磨耗及凹 心宽度、深度测量；0+37窄探头缩 进量测试。0+37 探头钢轨探伤试验； 2.2 技术目标 研究一种针对曲线上股钢轨探 伤的探头，取消原有外斜 70探头的外 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 5 倾斜角，在探头内的晶片制造一个偏斜 角，由外斜改为内斜，内斜探头探伤时 正交于钢轨方向，与直 70探头方向一 致，减小了探头与钢轨的接触面，消除 了原探头与钢轨由于曲线侧磨造成的不 良接触面，从而增大了有效接触面，克 服掉接触面不平、轨面倾斜的问题。 研究一种针对曲线下股钢轨探伤的探头， 针对钢轨凹心、压宽等问题，将探头宽 度减小，长度加长，在满足超声波束对 钢轨的探伤范围条件下减小晶片分布宽 度，从而与轨头的有效探测面相吻合， 解决耦合不良的问题。 3 研制过程 3.1 调研工作 准确了解曲线地段钢轨材质、规 格，重点地段、重点位置钢轨伤损情况、 伤损种类，改变设备参数对探伤数据的 影响。为做好课题的研究工作，课题组 组织工务处、工务段相关技术人员携带 探伤仪及测量设备深入现场，对曲线地 段的钢轨信息进行了准确的采集，对伤 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 6 损情况进行了准确测量和记录，并对采 集数据进行详细分析。 正线曲线地段一般情况下均铺设 60kg 型钢轨，高度 176mm，轨头宽度 73mm，轨头内高 48.5mm。曲线上股钢 轨一般发现为侧磨、轨面不平、鱼鳞伤、 剥离掉块等伤损，影响探伤结果的伤损 主要表现为钢轨侧磨及轨面不平；曲线 下股钢轨一般发现为凹心、压宽、剥离 掉块等伤损，影响探伤结果的伤损主要 表现为钢轨凹心。 在使用探伤仪进行探伤实验时， 由于曲线上股磨耗和曲线下股凹心造成 探头与轨面的接触不良，造成耦合度不 够，使得超声波不能全面有效射入，造 成部分失检。人工调整探头位置、加大 水量后依然无法满足耦合要求；一般探 伤工进行探伤作业时探伤灵敏度定为 4246dB ，课题组针对钢轨伤损情况调 整衰减器，衰减至 40dB 时，出现较多 杂波，严重影响数据分析，无法有效判 断伤损，且曲线磨耗超过 12mm 时依然 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 7 处于失检状态，衰减至 38dB 以下时已 无法区分伤波。 3.2 研发思路 无论怎样调整设备参数，均无法 有效解决探伤仪在线路曲线钢轨伤损严 重地段的失检问题，由此课题组得出结 论，须改进探伤仪超声波换能器（探头） 设计，突破原有标准探头的设计规格， 研发一些新型探头，用以专门针对曲线 地段钢轨探伤。研发方向为： 改造一种新探头，取消原有的外 斜 70探头的外倾斜角，在探头内的晶 片制造一个偏斜角，由外斜改为内斜， 增大有效接触面，使探头与钢轨耦合良 好。 改造一种新探头，将探头宽度减 小，长度加长，在满足超声波束对钢轨 的探伤范围条件下减小晶片分布宽度， 与轨头的有效探测面相吻合，解决耦合 不良的问题。 3.3 细化设计方案 取消 70探头外倾斜角度，新 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 8 探头探伤时正交于钢轨方向，与直 70 探头方向一致，探头与钢轨的接触面由 斜矩面变成了正矩面，消除了原探头与 钢轨由于曲线侧磨造成的不良接触面， 增大了有效接触面，从而克服掉接触面 不平、轨面倾斜的问题。 70探 头主要探测钢轨轨头的内部伤损情况， 原外斜 70探头由超声波束折射出的一 次波与二次波的覆盖来检测轨头中心与 两端部分的区域。 超声波探头与钢轨的接触面大致 呈矩形，原外斜 70探头与钢轨接触面 为斜矩面，在曲线段作业时，探头与轨 面接触不良，多处于悬空状态。 70探头探测范围为轨头部分， 取消外倾斜角度后，探伤范围仅为轨头 中心部分，超声波传播特性为辐射型直 线传播，超声波进入钢轨后产生声轴偏 斜角，由此扩大了部分探测面。 轨头部位的探伤主要依靠一次波 与折射后产生的二次波探测伤损情况， 探头由外斜改为内斜后，入射的超声波 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 9 束与钢轨轨面法向产生偏角。 将探头内的晶片增加偏斜楔块， 制造一个偏斜角成为内斜探头，内偏斜 角为 1418时，发出的一次波与二次 波覆盖轨头中心到两边缘的部分，达到 与外斜探头同样的效果。 探头内偏斜角是通过在探头内增 加偏斜楔块来实现的，偏斜楔块的角度 在制作时根据探伤作业班组作业线路钢 轨的实际情况进行调整。通过课题组的 反复试验，确定将调整范围规定在 1418，超声波束可覆盖原外斜 70 探头所有探测范围，且探伤灵敏度有少 许提高，提高数值 12dB。 改进前后探头对比 一台探伤仪安装两个新型内斜 70探头，一个探测轨头里口，一个探 头探测轨头外口。 最终两个内斜 70探头与一个直 70探头共同完成轨头部分的探测。 目前我局管内各线路运载量不同， 曲线钢轨所承受荷载也有差异，钢轨侧 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 10 面磨耗发生于轨头里口，轨头核伤也多 发生于里口部位，因此，新型 70内斜 探头的研制与推广应用极为必要。 通过实验证明，探头晶片偏斜角 为 1218时，一次波与二次波束可覆 盖至与原外斜探头一致的范围，但探头 晶片内偏斜楔块的偏斜角过大时，晶片 所占探头宽度大于探头规格宽度，导致 无法制作。楔块偏斜角为 14时，探测 范围与原探头一致且不超过探头宽度限 制。 针对曲线下股钢轨的凹心、压 宽等问题，改进 0+37探头设计，将标 准探头宽度减小，长度加长，在满足超 声波束对钢轨的探伤范围条件下减小晶 片分布宽度，从而与轨头的有效探测面 相吻合，解决耦合不良的问题。 鉴于曲线下股钢轨轨面凹凸不平， 课题组改变原 0+37探头设计规格，调 整晶片尺寸，保证超声波束发射频率 （22.5HMz）不变的条件下，减小晶 片宽度，是超声波束发射更加集中，同 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 11 时可使探头宽度减小，缩小了探头与钢 轨的不良接触面，从而提高了耦合度。 晶片尺寸过小时，将无法保证超 声波束的发射频率，在课题组的反复试 验下，发现将探头宽度定为 16cm 时， 可在保证超声波束发射频率的条件下将 探头内组合晶片合理分布，同时探头宽 度可达到与钢轨轨面耦合度要求，保证 探伤作业质量、探伤数据准确、清晰。 根据课题组在现场对曲线下股钢 轨伤损的分析判定，通过实验测试将 0 +37探头宽度由 23mm 减小为 16mm 时， 探头与伤损钢轨轨面耦合效果最佳，探 伤数据最准确。 4 0+37 窄探头钢轨探伤试验 4.1 概况 为了解新型 0+37窄 探头的探伤效果，课题组携带安装了新 型实验探头的探伤仪来到百子湾站外曲 线进行探伤试验。 百子湾站外，丰双线下行曲线 29km+059m 处通过新型探头进行探伤 试验，钢轨发现曲线磨耗、鱼鳞伤等伤 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 12 损，遇钢轨接头时，0+37探头耦合良 好，数据成像清晰，无杂波。 4.2 试验结论 从现场操作及数据结果看，新型 0+37探头工作良好，耦合度高，未出 现失检现象，适用于曲线地段钢轨探伤 作业。 5 内斜 70探头钢轨探伤试验 5.1 概况 百子湾站外，丰双线下行曲线 29km+059m 处通过新型探头进行探伤 试验，钢轨发现曲线磨耗、鱼鳞伤等伤 损，内斜 70探头耦合良好，数据成像 清晰，无杂波。 5.2 试验结论 从现场操作及数据结果看，内斜 70探头工作良好，未发生因曲线侧磨 引起的轨面不平而导致的失检现象，可 适用于曲线地段钢轨探伤作业。 6 研制结果和建议 通过课题组历时数月的现场调研、 分析改进以及新设备试验，结合钢轨实 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 13 际伤损情况，成功完成了“超声波钢轨 探伤仪新型 0+37窄探头、直 70内偏 斜探头的研制” 项目的各项工作，新型 探头符合 TB/T 2340-2012多通道 A 型 显示钢轨超声波探伤仪行业标准要求。 本项目打破了固有的超声波换能 器设计规格，理论结合实际，深入现场， 从实际出发，根据现场钢轨问题提出了 全新的“内斜探头 ”设想，改外斜为内斜， 成功解决了曲线地段钢轨探伤失检的问 题。 7 效果分析 北京铁路局北京工务段检查监控 车间管内线路多为老轨、旧轨、再用轨， 多数线路曲线地段钢轨伤损较为严重， 伤损情况复杂。每每当探伤工作业至曲 线钢轨重点地段时，探伤仪开始频繁报 警，曲线上股钢轨侧磨严重，探伤工执 机时不时跑偏、掉道，轨面接触不良至 使无法作业；曲线下股钢轨轨头剥离掉 块、凹心现象严重，轨面凹凸不平导致 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 14 出现杂波和失波，耦合不好导致失检， 走形速度缓慢，判断伤波困难，探伤作 业极难进行。2014 年初，我段为管界线 路曲线钢轨伤损最为复杂的百子湾、密 云等探伤工区配置了新型超声波 0+37 窄探头及直 70内偏斜探头，取代了过 去一直使用的标准探头。在新探头使用 过程中，探伤作业质量，特别是曲线线