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铁路钢轨焊缝超声波探伤技术及便携式检测仪器分析王广勋

发表时间：2021/6/10 来源：《基层建设》2021年第6期作者：王广勋

[导读] 摘要：随着列车运行速度的不断提高，轨道车辆安全可靠性受到人们的高度关注，对轨道车辆监测系统的要求也越来越高。

        中国铁路呼和浩特局集团有限公司乌海工务段内蒙古乌海 016000
        摘要：随着列车运行速度的不断提高，轨道车辆安全可靠性受到人们的高度关注，对轨道车辆监测系统的要求也越来越高。Pt100温度传感器具备应用温度范围广、稳定性好、测量准确度高等优点，在轨道车辆监测系统有广泛而重要的应用。
        关键词：铁路；钢轨焊缝；超声波探伤技术；便携式检测仪器
        引言
        在铁路运营中，钢轨起着支撑列车的作用。在列车运行过程中，钢轨不断受到摩擦、挤压、弯曲和冲击作用，再加上钢轨内部隐藏的核伤，会导致钢轨突然断裂，可能造成脱轨、倾覆等重大事故的产生。因此，铁路系统要求定期对在役钢轨进行检测，以降低事故发生几率。超声波检测是通过电脉冲激发超声换能器晶片，使其发射超声波。定向发射的超声波束在被测工件中传播，遇到缺陷时反射、透射和衰减。利用超声波的反射和透射特性，通过接收回波信号进行伤损评定。
        1探伤原理
        探伤是一种非破坏性检测方法，能够在不损伤被测件的前提下掌握其内部质量情况。在探伤技术体系中，超声波检测技术已取得广泛应用，其依托于超声波的传播原理，在传播途径中遇界面时将发生反射，并由指定装置接收反射波，从而以此来揭露被测件的内部缺陷。当前，超声波探伤原理包含如下三类：（1）脉冲反射检测原理。超声波向被测件发射超声波，在传播途中若遇两种介质不同的交界面，则会出现反射现象；由于其仅需配置一个探头即可，因此可实现同步接收。（2）脉冲投射检测原理。在被测件的两侧分别设置发射探头和接收探头，通过脉冲波穿透被测件而实现检测。（3）共振法检测原理。被测件的厚度为关键参数，在该值达到超声波半波长的整数倍时，便会发生共振；在此基础上，可通过确定相邻共振差而得到工件厚度；同时能根据厚度来判断工件内部质量是否存在缺陷。
        2铁路钢轨焊缝超声波探伤技术的概述及必要性
        为解决导管架和组块结构焊缝超声波检验过程中遇到的众多不便，比如：钢桩和导管环焊缝探伤时需要频繁转管，焊缝处于狭窄、高处、弦外空间时，探头很难或无法接触到焊缝扫查面而增加检验难度的问题。设计一种用于焊缝探伤的超声波探头夹持工具，此探头夹持工具主要由手柄、伸缩杆、旋转轴、磁性探头套组成。将探头固定在磁性探头套内，磁性探头套可将探头与工件表面吸附，在不用手按压的情况下使探头与工件保持良好接触和耦合，磁性探头套与伸缩杆通过两个旋转轴连接，调节旋转轴可使探头上下左右旋转，可使探头各个方向扫查，根据需求调整伸缩杆长度，伸缩杆与磁性探头套可自由拆装，既可达到帮助手臂伸长的目的，又可达到解放手的情况下探头依然稳定吸附在工件表面的目的。在实现功能的同时，磁场是否会对超声波信号产生影响，影响的程度是否进而影响到探伤结果成了关键问题。因此，有必要进行磁场对超声波信号影响的试验研究。
        3焊缝全断面探伤
        3.1焊缝轨腰探伤方式
        （1）直探头置于轨面纵向中间区域，沿纵向移动探头。采取此方法可检测焊缝中反射面与探测面平行的缺陷。（2）钢轨焊缝中存在缺陷时会发生散射现象，从而导致声波难以在轨底形成足够的反射能量。若存在倾斜片状缺陷，那么探测结果则会出现轨底波消失的情况。（3）串列式反射法是较适合垂直轨面片状缺陷的方法，具在将两探头置于某探测面的同时，让两者同步纵向移动，而期间适当调整探头的距离，便可实现全断面扫描。经探头采集后，汇总钢轨反射回波，无法识别钢轨缺陷。通过小波分析方法的应用，能够达到同时分析信号视域和频域的效果。因此，可以应用小波分析的方法，重构缺陷特征信号，期间结合希尔伯特解调细化频谱分析，能更全面地生成钢轨缺陷信息，并根据所得信息来准确判断缺陷的发生位置。

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        3.2焊缝轨底探伤
        超声波发射探头的驱动电路有多种，如储能电感放电法、电容放电法、互补对称结构法、半桥驱动结构法，这些方法大都需要外加超过400V的高压直流电，且电路参数不易调整。本设计采用推挽结构脉冲变压器法驱动探头，该方法最大优点是不需要外加高压直流，其通过一类推挽放大电路，经脉冲变压器产生高压脉冲激励换能器。超声波在钢轨内传播过程中会产生衰减，为不影响其探伤效果，需要发射电路产生足够高的激励信号以驱动探头。脉冲频率信号由STM32的定时器产生，经隔离、功率放大后驱动探头。功率放大部分由升压电路完成，其主要功能是将脉冲频率信号进行放大处理。钢轨超声无损检测系统软件采用C语言编写，采用模块化程序设计，主要包括主程序、数据转换子程序、数据处理子程、显示子程序、通信程序等。
        4便携式检测仪器分析
        4.1钢轨磨损的概念
        钢轨磨损是指轮轨之间摩擦使轨头产生磨损的现象，在直线和曲线段有不同的磨损形式。钢轨磨耗主要有钢轨垂向磨耗、钢轨轨距角侧磨、钢轨波浪形磨损，以及轮轨擦伤所引起的钢轨磨损。大部分文献中钢轨磨耗主要是指小半径曲线上钢轨侧面磨耗和轨顶纵向波浪形磨耗，磨耗程度随着列车轴重和通过总重的增加而增大。其中，列车通过小半径曲线时，会发生横移现象，轮轨通常会出现两点接触的情况，轮轨的摩擦与滑动是造成外轨侧磨的主要原因。钢轨波浪形磨耗是指钢轨顶面上出现的波浪形不均匀磨耗，钢轨波磨会引起高频轮轨振动噪声，加速轨道车辆及相关零部件的损坏，严重时还会威胁行车安全，其发展速度快于侧磨，是更换钢轨的主要原因之一，因此应当对钢轨状态进行检测，以便保证列车的行驶安全。其次，它会增加列车的垂向不平顺，加大列车车轮与钢轨接触的振动，产生噪音污染，对乘客的乘坐舒适性会造成影响，并且振动也会对列车与钢轨部件的使用寿命产生影响，甚至引发严重的脱轨事故，影响人车安全。目前测量钢轨波磨的主要方法是接触式测量和非接触式测量。其中德国Vogel公司研发的SKM1就是以接触式测量的方式去测量数据，它采用轨地面进行机械定位，因此只能用于特定规格的钢轨测量。美国IEM公司研发的激光轨道轮廓仪是通过非接触测量的方式测量数据，这类装置使用非接触激光传感器测量技术，可完整测量轨头横断面磨损，具有体积小、轻便携带等优点，但分辨率和精度较低。
        4.2波磨检测。
        采用连续式钢轨波磨检测仪，重点分析波磨峰峰平均值及超限百分比。优先采用快速打磨方式，开展预防性打磨措施。对于既有波磨，尽量采用快速打磨方式，通过增大打磨量对整个区段实施打磨。当采用传统打磨方式时，建议做好保养维护，保障打磨电机、打磨砂轮、打磨轴承等部件处于良好工作状态。在打磨作业时，控制好打磨角度，在起落砂轮位置做好顺接。尽量避免人工小机打磨作业。
        结束语
        综上所述，铁路钢轨焊缝缺陷易威胁到列车运行的稳定性和安全性，因此必须做好检测工作，从而准确判断焊缝质量情况，以针对缺陷采取处理措施。当前，超声波技术作为一种无损检测技术，已取得广泛的应用，其能以较便捷的方式完成检测工作，且取得的结果准确、操作时间短，具有可行性。
        参考文献
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