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

王泽

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。

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2MHz～2.5MHz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：①曲线上股钢轨侧面磨耗测量；②曲线上股钢轨轨面倾斜角度的范围测定；③探头晶片内偏斜角的计算；④内斜70°探头钢轨探伤试验；⑤曲线下股钢轨侧磨磨耗及凹心宽度、深度测量；⑥0°+37°窄探头缩进量测试。⑦0°+37°探头钢轨探伤试验；

2.2 技术目标

①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。②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。

正線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42～46dB，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

①取消70°探头外倾斜角度，新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14°～18°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14°～18°，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1～2dB。

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12°～18°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過探头宽度限制。

②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（2～2.5HMz）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，特别是曲线线路钢轨探伤作业质量得到了明显提高。

超声波探头是超声波钢轨探伤仪的一部分，新探头的研制保障了超声波钢轨探伤仪的进一步应用，是超声波无损检测技术得到进一步应用的显著体现，为无损检测技术的发展提供动力。

钢轨检测能力提高后，可使北京铁路局对管界内的钢轨使用情况有了更准确的把握，减少了工务部门解决突发事件的情况，另外伤损检出率提高后，可使工务系统更有针对性地对各线路采取养护、大修及更换处理，减少不必要耗材与劳动力的浪费，对我局的人员与材料的使用起到积极作用。