浅述钢轨超声波探伤中斜探头的研制

贾朝宏

摘 要 在钢轨超声无损检测中，斜探头在使用过程中与检测工件产生摩擦，根据个人习惯、所检测工件及使用频率的不同探头会产生不同程度的磨损，探头经过磨损后其原有的特性会遭到破坏。本文主要讨论这种破坏对检测工作的影响及如何通过修复探头来纠正这种影响。

关键词 钢轨超声无损检测;探头;无损检测

研发背景

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为探伤设备、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验失败。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探伤工作亟待解决的难题。

1研究内容及技术目标

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：曲线上股钢轨侧面磨耗测量;于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;37°窄探头缩进量测试[1]。

2细化设计方案

于取消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。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。

鉴于曲线下股钢轨轨面凹凸不平，课题組改变原37°探头设计规格，调整晶片尺寸，保证超声波束发射频率不变的条件下，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[2]。

3试验结果

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。

4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/T2340-2012《多通道A型显示钢轨超声波探伤仪行业标准》要求。

5结束语

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。

参考文献

[1] 徐其瑞，刘峰.钢轨探伤车技术发展与应用[J].中国铁路，2011，（7）： 38-41.

[2] 张海燕，周全，夏金东.超声缺陷回波信号的小波包降噪及特征提取[J].仪器仪表学报，2006，（1）：98-101，109.