杭州地铁1号线轮对动态检测系统升级改造方案探讨

楼鑫鸿

(杭州杭港地铁五号线有限公司，浙江 杭州 310000)

0 引言

杭州地铁1号线在七堡车辆基地的正线出入段安装了一套基于TSA超声波探伤模块的轮对动态检测系统，来实行车轮踏面缺陷的快速动态自动检测。随着使用年限的增加，现有的检测系统从实际检测性能、维护成本方面考虑，已无实际使用的价值和意义，并且接触式TSA探伤模块在直流牵引地铁系统中存在轮对与钢轨的打火问题，并造成轮对踏面灼伤。

1 轮对动态检测系统现状

杭州地铁1号线轮对动态检测系统应用的是电磁超声波换能器(EMAT)原理(见图1)，通过将检测设备的4只探头(TSA超声波探伤模块)分别交错安装(两两相隔一定距离)在左右2条定制钢轨上(见图2)，利用探头在轮对踏面发出超声波，超声波在经过轮对踏面1周后回到探头形成相应的波形，通过波形来判定轮对内表面径向是否有缺陷。其用在直流牵引城市轨道交通系统中，会有以下情况。

图1 超声波探伤检测原理图

1.1 TSA探伤模块针对地铁实用性不强

1)TSA探伤模块主要用于检测轮对踏面内部10 mm以下径向缺陷，而对于其他缺陷无法进行有效检测。

2)TSA探伤模块在大铁上运用比较广泛，而在地铁行业运用较少。主要因为大铁车辆长期高速运行，容易造成车轮内部缺陷。地铁车辆行驶速度较低，启停频率高，容易造成车轮外部的擦伤和剥离缺陷，所以探伤检测模块在地铁行业中实用性不强。1号线轮对故障检测系统运用7年来共检测车辆编组67 000多次，至今未检出有车轮内部裂纹等缺陷故障情况。

图2 TSA模块现场安装图

1.2 检测区域钢轨打火，造成轮对踏面及设备轨轨面灼伤

TSA探伤模块需要安装在定制的钢轨上面(见图3)，在检测时需要与电客车轮对踏面接触。为了防止TSA探伤模块被列车经过时的直流牵引回流烧毁，须将这段定制钢轨与正常行轨进行绝缘(此段特制轨道以下简称设备轨)并做高标准单独接地处理(见图4)。现设备轨与正常行轨已经进行绝缘隔离接地处理，隔离的设备轨长度为8.125 m。

图3 TSA探伤模块及定制钢轨

图4 设备轨接地示意图

因设备轨已被隔离接地，当电客车的轮对从行轨通过绝缘节进入设备轨时会出现轮对踏面和设备轨的打火现象，造成轮对踏面(见图5)和设备轨轨面灼伤。

图5 被灼伤的轮对

1.3 继续使用的综合成本高

1)TSA超声波探伤模块是采用10年前的浅表层超声探伤技术，现在国外的供方已经停止对其进行生产，后续维修配件只能购买厂家的库存件，采购价格相当昂贵，该系统共有4个超声波探头，经7年使用其中2个探头与车轮之间存在间隙，探头发射的超声波无法传输到车轮表层上去，需要进行更换。

2)因打火现象造成电客车轮对踏面灼伤后，需要将灼伤的轮对进行镟轮。不仅增加了镟轮工作量，同时减少了轮对的使用寿命。

2 升级改造方案说明

升级改造方案所用的新系统采用的是LVT车轮踏面缺陷图像监测模块(简称“LVT模块”)，通过在轨边布置16个图像采集单元(见图6)，分成4组，定点触发采集4张图片覆盖整个踏面。当一个车轮经过检测区时，系统共采集8张图片(单边)，筛选无遮挡的踏面图片，实现踏面圆周全覆盖展示。

图6 LVT模块轨边布局图

其原理是通过采用图像分析测量技术实现对车轮踏面图像采集，智能化识别踏面缺陷；通过图像特征匹配、模式识别技术，实现对踏面剥离、硌伤等的自动检测(见图7)并对踏面缺陷进行预警。LVT车轮踏面缺陷图像监测模块运用在城市轨道交通系统中有以下几个优点。

图7 LVT模块识别示例

2.1 检测目的性强

地铁车辆轮对踏面主要故障为踏面的剥离、硌伤、凹坑等缺陷，而LVT模块通过图像检测算法和模式识别，实现踏面剥离、硌伤、凹坑的自动检测，且踏面表面缺陷检测范围最小面积8 mm2，最大面积3 600 mm2(见图8)。

图8 LVT检测的范围

2.2 技术成熟，运用普遍

LVT车轮踏面缺陷图像监测模块已在地铁行业安装用于多年，且大部分地铁线路中都已安装了该模块。杭州地铁除1号线无该检测模块。其中2、4、5号线包括已经完成招标的7、9号线都配置了该检测模块。

2.3 安装方便，操作简单

LVT模块安装简单，改造工程量小，无需在定制特殊轨道安装，只需加装在正常钢轨两侧(见图9)，且与现有系统兼容，使用操作简易上手。

图9 LVT模块现场安装效果图

2.4 无需隔离接地，消除钢轨打火隐患

LVT模块与车轮为非接触式检测，不存在牵引回流电对设备造成损毁。所以检测设备区域钢轨无需隔离接地。彻底消除了在直流牵引城市轨道系统使用中出现的钢轨打火隐患。

3 结语

接触式超声波探伤检测模块(TSA模块)无论是从实用性能还是从维护成本来分析，已无实际使用的价值和意义。升级改造方案所采用的LVT模块通过采集车轮图像，即解决接触式检测方式只能检测轮轨接触踏面区域的问题，实现整个踏面状况的可视化监测，又在一定程度上可以减少或替代下地沟对擦伤进行复核的频次以及复核不全问题；同时开发图像检测算法，通过模式识别，实现踏面剥离、硌伤、凹坑的自动检测，并根据缺陷严重程度实现分级报警，为杭州地铁1号线电客车安全运行提供强力保障。