多探测点超声法在线钢轨检测系统研究

戴雨馨，王月明

（1.内蒙古科技大学 信息工程学院，包头 014010；2.内蒙古包钢钢联股份有限公司轨梁轧钢厂，包头 014010）

0 引言

由于铁路运输业的发展，大运量、高密度、轴重和速度不断提高的情况下，加剧钢轨的疲劳、伤损，以及钢轨内外应力缺陷[1]。铁路中大量钢轨长期在动态重载荷易出现腐蚀、变形、磨损、裂纹甚至断裂，严重影响行车安全[2]。我国钢轨探伤常以线路探伤为检测手段，且钢轨检测大型设备难以使用，因此钢轨检测至今仍以探伤小车为主，这点与国外大不相同[3]。目前，常用的漏磁，涡流，交流电磁场钢轨检测等方法仅能对钢轨踏面缺陷进行检测，而实用性强的钢轨检测主要方法为超声无损检测技术[4]。

为符合交通运输对钢轨的安全要求，钢轨的质量必须得到严格控制。由于钢轨的形状不规则，在出厂前应对轨头、轨腰、踏面、轨底进行全方位探伤，这对钢轨在线检测增加了一定的难度。针对传统超声钢轨在线探伤系统检测覆盖面小，探头的位置不稳定以及探头起落架易松动且气压不稳定，钢轨表面氧化铁皮大量附着，提出了多探测点超声法钢轨在线检测系统。这是一种由上下位机、多个探头、电控系统、机械系统组成的检测系统，采用检测中心的辊道运动，超声检测探头不动的检测方式。作为超声在线钢轨检测系统，它的检测精度高、功能强，运行稳定且报伤准确，因此对于钢轨的平直度和钢轨表面质量提出了很高的要求，以保证在线检测正常运行[5]。本文对多探测点超声法在线钢轨检测系统在钢轨检测中的具体应用进行相关分析，对多探测点超声法在线钢轨检测系统的控制系统的检测原理、系统机械组成、控制模块及系统的性能指标进行研究。

1 多探测点在线钢轨超声检测系统

1.1 系统检测原理

多探测点在线钢轨超声检测系统以气动控制为基础，通过电磁阀来控制气缸和气嚢启动、停止，使探伤起落架产生动作，由两对对射光电来检测钢轨位置，控制起落架的工作，用接近开关来检测起落架的位置，检测过程中，通过测试静态标准试样调整好仪器和探头，使人工缺陷的反射波高达到满幅度的80%作为检测的初始db值与成品钢轨的回波db值比较判伤，利用超声波脉冲反射法，对检测数据引入自动计算和自动处理[6]。检测时，先由A通道的超声波换能器发射脉冲，紧接着由上位机触发、与下位机通讯后，由下位机发出通道信号，另外一个通道的超声波换能器B做为接收器，接收从各个通道发射脉冲的回波，经过后续电路将回波波形显示在屏幕上。图1为系统检测钢轨的检测工作原理，由于钢轨的形状采用20个超声探头，耦合剂采用工业用水耦合。

图1 多探测点在线钢轨超声检测系统工作原理

系统电控部分原理是由plc通过pn/dp耦合器发送钢轨运动的指令（启动、停止、前进、后退、速度）等基本动作。辊道的控制分为手动和自动两种模式，辊道速度调节器依据检测人员的经验，在工控机上调节，通过cp5611将此信号发给plc，plc将此信号发给s7-300，最终由电磁站送出变频电流，达到设定辊道的速度。外部plc根据检测中心准备状态，判断检测中心是否有钢、设备是否正常并对辊道发送是否允许运行指令。Plc利用wincc软件组态出人机界面，显示系统的运行情况，前后编码器信号进入超声波站，提供钢轨的位置、长度、检测的数量及出伤位置等信息。变频站控制接口为用户电磁站plc或传动接口，其中dp/dp耦合器进行信号交换。检测信号通过分布IO由dp网络与plc通讯，数据采集与数据处理连接显示部分和发射部分。完成检测后将采集到的波形在屏幕上显示、判伤报警等功能。这些功能以组成的硬件平台为基础，通过软件实现。

1.2 机械部分

多探测点超声法在线钢轨检测系统分按机械组成为导向对中装置、光电编码轮、探头起落架（检测部分）、气动装置四个部分，系统结构如图2所示。

1）导向对中装置

设置导向对中装置保证钢轨在通过超声波检测装置不出剧烈的上下左右跳动，减少钢轨误报、漏报，提高探伤的准确性。同时导向对中装置通过上下左右夹紧轮的主动约束，降低了钢轨运输辊道磨损情况钢轨高速运转造成的钢轨跳动的作用。生产过程不可避免的会出端部硬弯、大弯等异常情况，有导向装置可有效保护系统安全。

图2 多探测点在线钢轨超声检测系统机械部分

2）光电编码轮

光电编码轮将钢轨的运行速度及位置信息传送给计算机（设置出入两个）。

3）探头起落架（检测部分）

超声波起落架主要由5个单独的起落架构成。图3是多探测点在线钢轨超声检测系统的起落架位置：轨头踏面起落架A，轨头左右起落架B、C，轨腰左侧起落架D，轨底左右侧起落架E。

图3 探头起落架示意图

4）气动装置

检测系统踏面起落架由一双作用式气缸驱动，带动踏面探头起落架上下方向的升降运动；轨底起落架由气嚢驱动，带动轨头踏面起落架上下方向的升降运动；轨头左、右侧和轨腰左、右侧探伤起落架由气嚢驱动，推动转轴带动起落架作旋转运动，完成起落架与钢轨贴合，检测完成后在回位簧的作用下自动回位，各起落架都设有扭转减震器或限位保护装置。

1.3 控制部分

多探测点在线钢轨超声检测系统控制部分由探头起落架控制模块、控速模块、检测中心检测模块、处理、显示、记录模块四个主要模块组成，图4是系统控制部分的构成，系统通过工控机和计算机将模块联系起来。

1）控速模快

控速模块是将编码器输出的钢轨在辊到运行度信息进行处理，然后，输送到起落控制模块对起落架发出起落指令，输送到处理、显示、记录模块给计算机提供长度信息用于显示和记录，输送到超声波检测模块对超声波探伤机发出检测指令，输送到处理、显示、记录模块给计算机提供缺陷位置信息。

2）检测中心检测模块

超声波检测模块是从起落架控制模块得到探头已落到钢轨上的信息，开始发出超声波和接收超声波，并将接收的超声波进行抗干扰处理和动态的波形记录。采用plc总线通信方式、usb接口，检测控制和数据存储集中。

3）探头起落架控制模块

探头起落架控制是将钢轨的长度和速度得到准确控制，由此可减少钢轨头部和尾部的误报，将钢轨完全检测。

4）图像的处理、显示、记录模块

将控速模块、检测中心检测模块和探头起落架控制模块的信息进行处理，排除钢轨由于平直度产生的干扰信号，并将各通道的动态波形和探头的位置、缺陷位置、缺陷波形显示出来。之后可将钢轨长度、缺陷位置、缺陷波形、缺陷大小、缺陷部位、缺陷序号、钢轨序号、检测日期、探伤班次、钢轨型号等参数记录下来。同时，可以以统计报告、缺陷报告、检测报告进行显示和打印。

图4 多探测点在线钢轨超声检测系统控制部分

表1 检测系统的主要性能指标

2 多探测点在线钢轨超声检测系统的性能指标

在线检测钢轨时使用20个通道与探头，样轨制作为φ2mm穿孔，当增益db值升高到一定时可检测φ1mm孔。系统检测速度0.5～1.5m/s，辊道高速运行1.5m/s，端头部分进入检测系统速度为0.5m/s，由此可达到抗干扰能力强、钢轨传送平稳的效果。当钢轨平直度有所波动时，检测系统钢轨上下左右跳动小于2mm。编码轮与钢轨接触良好，钢轨长度显示、钢轨检测状态记录和缺陷位置及波形的定位等参数均小于2mm，系统性能指标如表1所示。

多探测点在线钢轨超声检测系统采用计算机中文菜单操作，数量无限制，可供不同品种钢轨检测，波形回放、通讯、打印。

3 结束语

多探测点超声法在线钢轨检测系统的检测覆盖面广，效果良好，检测结果精确，系统使用方便，人机界面友好。

利用多探头组合探伤，实现了多探测点超声法在线钢轨的探伤，便于检测人员手动倒钢，更为准确判断缺陷的大小，排除人为对探伤的不利影响，方便了操作，为多探测点在线探伤方法奠定了良好的判伤基础，以实现复杂被检物体的在线超声无损检测，满足现代钢轨质量对出厂时对在线超声检测系统的要求，有效的降低了人工劳动强度。

[1]中华人民共和国铁道部.TB/T1778—2010钢轨伤损分类[M].北京:中国铁道出版社,2011.

[2]陈智军,宣建青,王平.基于漏磁信号的钢轨斜裂的识别[J].无损检测.2010,(32)11:843.

[3]Cerny, Louis.Fra Revises defective rail and rail inspection standards, adds new standards for detector car operators[J].Railway Track & Structures,2014,(110)2:19.

[4]汪春晓.相控阵超声波车轮缺陷探伤技术研究[D].西南交通大学,2010.

[5]康颖丰.亚欧铁路国际联运统一运单应用的探讨[J].铁道货运,2016,34(6):5-6.

[6]张书增,杨岳,刘希玲.等基于探头声场特性的钢轨超声检测研究[J].铁道科学与工程学报,2013,10(5):123-128.