姜玉宇
沈阳铁道科学技术研究所有限公司 辽宁沈阳 110013
摘要：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，线路上的钢轨在承担繁重的运输任务中，不可避免要产生各种损伤。因此，进行钢轨内部的探伤可以及时发现各种钢轨伤损，保证线路质量，确保铁路运输安全。
关键词：探伤，超声相控阵，检测工艺
一、概述
当前国内外钢轨超声波探伤主要有两种方式：一种是高速钢轨探伤车，另一种是手推式超声波探伤仪。然而这两种钢轨探伤方式都是采用多通道即多个检测方向上单探头进行探伤，因而结构笨重复杂，多方向单探头虽可实现多声束同时探伤，但角度调节不灵活，无法进行实时扫描，对钢轨内部不能详细检查，同时单探头探伤声束不能精细可调，因而检测可靠性差。
基于以上现状，研发超声相控阵的钢轨探伤装置，能够满足现场探伤需求，同时建立向导式的检测工艺流程，降低人为因素对检测结果的影响。
二、总体设计方案
（一）应用技术
1. 超声相控阵波束控制技术
超声波相控阵是指按照一定的规则和时序激发一组探头晶片,通过调整激发晶片的序列、数量、时间来控制波束的形状、轴线偏转角度及焦点位置等参数的超声波电子扫查方式。超声波相控阵探头由按照一定序列排列的多个晶片组成，仪器通过调节单个晶片激发时间控制超声波声束形状、轴线偏转角和焦点位置等参数，它有2个不同以往超声波探头的特点,多晶片阵列和电子控制超声场特性。超声相控阵检测技术是一种特殊的超声检测技术，它利用精密复杂的相控阵和功能强大的软件来控制超声波声束，使其覆盖被检测材料，并生成修正的材料内部结构图像。相控阵检测技术不仅可探查缺陷，而且在检测压力容器、管路的腐蚀和绘制腐蚀图等方面也有其独特的应用。超声相控阵波束控制技术，通过控制系统分别调整各个阵元发射信号的参数，使得各阵元发出的超声子波束在空间干涉叠加增强，形成阵列发射声束的指向性及聚焦偏转等效果，以适应钢轨探伤的要求。
2.钢轨探伤检测工艺流程向导化技术
钢轨探伤主要检查钢轨中的材质缺陷和制作缺陷，如夹杂、疏松、气孔、白点和各种表面裂纹等。钢轨内部缺陷主要使用超声波法进行探测。钢轨探伤检测工艺流程向导化技术，即通过对钢轨探伤标准流程进行分析，设计向导式的检测工艺流程，同时在检测工艺流程中可以融入文档，图片，视频等内容，最大程度降低对检测人员的要求。钢轨探伤轨型匹配技术，即通过对装置进行自适应式设计，采集、分析和调整检测参数，使之满足多种类型钢轨的探伤需求，并建立不同轨型的探伤模式。
3.钢轨探伤轨型匹配技术
钢轨探伤轨型匹配技术，即通过对装置进行自适应式设计，采集、分析和调整检测参数，使之满足多种类型钢轨的探伤需求，并建立不同轨型的探伤模式。
（二）设计原理
利用相控阵技术特点，通过电子的方式控制声束角度、焦点及形状，让探头在一个固定位置能够实现大面积扫查，通过图像的形式显示信号。
当被检钢轨内部有一个裂纹缺陷（或其他缺陷），将超声波探头放在被检钢轨的某一表面部位（该面称作探伤面、检测面），探头向被检钢轨发射超声波信号，超声波穿过界面进入被检钢轨内部，在遇到缺陷和两介质的界面时都会有反射，反射信号被探头接收后，通过探伤仪内部的电路转换，就可以把缺陷信号和底波信号形象地显示出来。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。
图1 超声探伤示意图
（三）设备功能
全套钢轨探伤装置包括便携式超声探伤仪、检测管理平台。装置拥有相控阵功能（图2），支持 A 扫描，B 扫描，扇形扫描，C 扫描，20KHz 超高脉冲重复频率，测量最大峰值 800%，可实现大面积扫查，近表面分辨率达 2mm。操作简便，设置灵活，受环境影响小，适应性强，可有效助力钢轨探伤作业提质增效。
图2 相控阵功能
三、装置用途
通过相控阵多角度大面积扫查，极大提高检测效率，提高缺陷的检出率，通过图像直观显示缺陷信息，使缺陷的定量，定性更加准确，在 B 扫描和 C 扫描图像上可以准确测量缺陷的尺寸信息。实现钢轨焊缝检测、焊缝垂直裂纹高度测量铁路车轴检测。利用压电效应和电致伸缩效应原理，以脉冲反射法对车轮、车轴缺陷进行车轴检测、车轴拉伤检测、实心车轴检测、车身焊缝检测。操作平台采用全开放式的仪器操作平台，根据需求设计仪器的作界面、所需菜单、显示图像大小等等。尽量降低对检测人员的要求，最大限度降低人为因素影响。该系统需高速进行探伤数据的采集，实现实时探伤、记录和智能化数据分析。通过投影图像方式显示和记录，结果直观可靠。可基于工业互联网+数据管理平台在软件平台设计并创建检测应用APP，同时将检测工艺标准完全融入APP中，根据检测工艺设计检测流程、操作界面、操作菜单、显示界面，生成的APP可以运行于所有的系统主机。
四、结束语
综上所述，本文研究的超声相控阵的钢轨探伤装置，运用超声相控阵波束控制技术、钢轨检测工艺导向化技术、钢轨探伤轨型匹配技术，实现钢轨缺陷的准确测量，极大地降低人为因素对检测结果的影响。增强了工务部门对钢轨的安全管理，有利于保障行车及作业安全。
参考文献
1.（美）Lester W，Schmerr.Jr著，徐春广，李卫彬译，超声相控阵原理，国防工业出版社，2017,03
2.中国铁路总公司，铁路探伤工（钢轨探伤），中国铁道出版社，2014.09
3.中国铁路总公司，铁路技术管理规程（普速铁路部分），中国铁道出版社，2014.07
4.（美）Bruce Eckel著，陈昊鹏译，Java编程思想（第4版），机械工业出版社，2007.06