道岔軌面渦流檢測(cè)技術(shù)范文
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摘要：由于輪軌滾動(dòng)接觸，鋼軌軌頭工作邊容易形成魚鱗紋，若不及時(shí)維修處理，將進(jìn)一步發(fā)展形成重傷或剝離掉塊，影響行車安全。根據(jù)鋼軌及道岔的型面，設(shè)計(jì)一種軌面渦流檢測(cè)系統(tǒng)，研究輔助機(jī)械掃查裝置及適形陣列渦流探頭等，并在實(shí)驗(yàn)室和現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了試驗(yàn)。由檢測(cè)人員在鋼軌上推行完成軌頭踏面工作邊處表面裂紋檢測(cè)，獲得軌頭踏面有無缺陷及缺陷深度的定量評(píng)估數(shù)據(jù)。試驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用研究表明，采用該系統(tǒng)檢測(cè)鋼軌試塊，對(duì)0.5mm，1mm，2mm，3mm深的人工斜裂紋均能有效檢出并顯示深度；采用該系統(tǒng)檢測(cè)在線鋼軌?mèng)~鱗紋，能夠顯示魚鱗紋的深度評(píng)估數(shù)據(jù)，為鋼軌打磨維修提供參考。
關(guān)鍵詞：道岔；鋼軌；軌面；渦流探傷；裂紋；檢測(cè)裝置
引言
道岔結(jié)構(gòu)復(fù)雜，其部件包括基本軌、尖軌、翼軌、護(hù)軌和心軌等。高速鐵路上常用可動(dòng)心軌轍叉道岔，軌頭踏面經(jīng)過刨切為變截面。道岔是薄弱環(huán)節(jié)，如有表面缺陷沒有及時(shí)發(fā)現(xiàn)，容易形成剝離掉塊，或進(jìn)一步發(fā)展成鋼軌斷裂，引起行車安全事故［1-5］。對(duì)道岔實(shí)現(xiàn)連續(xù)掃查很困難。目前，國(guó)內(nèi)對(duì)在役道岔鋼軌表面不進(jìn)行檢測(cè)，對(duì)魚鱗紋發(fā)展的嚴(yán)重程度無評(píng)價(jià)手段。德國(guó)鐵路采用4個(gè)通道的渦流探傷小車進(jìn)行探傷或指導(dǎo)鋼軌打磨作業(yè)。渦流檢測(cè)屬于5大常規(guī)無損檢測(cè)方法，基于法拉第電磁感應(yīng)定律，通過測(cè)量被檢工件內(nèi)感生渦流的變化，來評(píng)定導(dǎo)電材料的某些性能或發(fā)現(xiàn)缺陷。由于存在趨膚效應(yīng)，渦流檢測(cè)只能檢查薄試件或厚試件的表面、近表面部位，無法檢測(cè)內(nèi)部深層缺陷，尤其是具有磁屏蔽作用的鐵磁性材料。渦流檢測(cè)具有非接觸、無污染、不需要耦合劑和檢測(cè)速度快等特點(diǎn)，適宜在役鋼軌的表面快速檢測(cè)。設(shè)計(jì)道岔鋼軌渦流檢測(cè)系統(tǒng)，由輔助機(jī)械裝置搭載多通道探頭掃查軌頭踏面，記錄里程和裂紋深度，檢測(cè)效率高。在鋼軌打磨前、中、后進(jìn)行檢測(cè)，可為打磨維修提供數(shù)據(jù)參考。
1鋼軌軌面渦流檢測(cè)系統(tǒng)組引言
道岔結(jié)構(gòu)復(fù)雜，其部件包括基本軌、尖軌、翼軌、護(hù)軌和心軌等。高速鐵路上常用可動(dòng)心軌轍叉道岔，軌頭踏面經(jīng)過刨切為變截面。道岔是薄弱環(huán)節(jié)，如有表面缺陷沒有及時(shí)發(fā)現(xiàn)，容易形成剝離掉塊，或進(jìn)一步發(fā)展成鋼軌斷裂，引起行車安全事故［1-5］。對(duì)道岔實(shí)現(xiàn)連續(xù)掃查很困難。目前，國(guó)內(nèi)對(duì)在役道岔鋼軌表面不進(jìn)行檢測(cè)，對(duì)魚鱗紋發(fā)展的嚴(yán)重程度無評(píng)價(jià)手段。德國(guó)鐵路采用4個(gè)通道的渦流探傷小車進(jìn)行探傷或指導(dǎo)鋼軌打磨作業(yè)。渦流檢測(cè)屬于5大常規(guī)無損檢測(cè)方法，基于法拉第電磁感應(yīng)定律，通過測(cè)量被檢工件內(nèi)感生渦流的變化，來評(píng)定導(dǎo)電材料的某些性能或發(fā)現(xiàn)缺陷。由于存在趨膚效應(yīng)，渦流檢測(cè)只能檢查薄試件或厚試件的表面、近表面部位，無法檢測(cè)內(nèi)部深層缺陷，尤其是具有磁屏蔽作用的鐵磁性材料。渦流檢測(cè)具有非接觸、無污染、不需要耦合劑和檢測(cè)速度快等特點(diǎn)，適宜在役鋼軌的表面快速檢測(cè)。設(shè)計(jì)道岔鋼軌渦流檢測(cè)系統(tǒng)，由輔助機(jī)械裝置搭載多通道探頭掃查軌頭踏面，記錄里程和裂紋深度，檢測(cè)效率高。在鋼軌打磨前、中、后進(jìn)行檢測(cè)，可為打磨維修提供數(shù)據(jù)參考。1鋼軌軌面渦流檢測(cè)系統(tǒng)組道探頭、輔助機(jī)械掃查裝置及其他輔助裝置組成。當(dāng)需要檢測(cè)時(shí)，直接將機(jī)械部分展開，無需組裝。檢測(cè)完后，直接收納，不需要借助任何工具，快速便捷。輔助機(jī)械掃查裝置搭載渦流檢測(cè)主機(jī)及探頭，由檢測(cè)人員推行，沿鋼軌走向移動(dòng)。主機(jī)采用16通道，可擴(kuò)展。系統(tǒng)中阻抗平面圖或柱狀檢測(cè)圖可選，檢測(cè)時(shí)可顯示里程及裂紋深度值。道岔鋼軌渦流檢測(cè)系統(tǒng)如圖1所示。
2輔助機(jī)械掃查裝置設(shè)計(jì)
2.1組成部件
輔助機(jī)械掃查裝置的功能是搭載渦流檢測(cè)主機(jī)及多通道陣列渦流探頭，沿著待檢測(cè)鋼軌長(zhǎng)度方向移動(dòng)。主要部件包括主體、搖臂、橫梁和導(dǎo)輪等部分。機(jī)械掃查裝置主要部件如圖2所示。
2.2主體
主體是該裝置的主要組成部分。其功能是搭載渦流檢測(cè)主機(jī)和探頭，適應(yīng)鋼軌軌頭廓形，使多個(gè)渦流檢測(cè)探頭能平穩(wěn)掃查待檢測(cè)鋼軌。材料由強(qiáng)度高、塑性好的鋁合金制成。2個(gè)彈簧壓緊機(jī)構(gòu)垂直于主體架的長(zhǎng)度方向，用于調(diào)整多個(gè)限位輪與待檢測(cè)鋼軌的位置關(guān)系，將其壓緊到待檢測(cè)鋼軌的側(cè)面。
2.3搖臂
搖臂連接到主體上側(cè)，操作人員通過搖臂推動(dòng)主體，沿待檢測(cè)鋼軌的長(zhǎng)度方向移動(dòng)。搖臂可以繞轉(zhuǎn)軸相對(duì)于主體旋轉(zhuǎn)，即在水平和豎直2個(gè)方向上調(diào)整搖臂相對(duì)于主體的延伸方向，以適應(yīng)操作人員的身高、操作習(xí)慣以及現(xiàn)場(chǎng)工況等。
2.4橫梁
橫梁一端與主體的內(nèi)側(cè)相連接，另一端搭載在另一側(cè)的鋼軌上，且另一端具有夾緊輪，沿鋼軌外側(cè)移動(dòng)，以使整個(gè)輔助機(jī)械掃查設(shè)備在操作人員控制下穩(wěn)定移動(dòng)。橫梁由依次連接的多個(gè)橫梁段組成，在非工作狀態(tài)下能夠折疊。橫梁展開時(shí)的狀態(tài)見圖2（c），多個(gè)橫梁段依次連接在主體和另一側(cè)鋼軌之間，形成支撐。橫梁折疊狀態(tài)見圖2（d），組成橫梁其他部分的2個(gè)橫梁段折疊，可以縮小橫梁的橫向?qū)挾龋阌谑占{、運(yùn)輸。在2根鋼軌之間通過橫梁支撐，使主體和探頭架穩(wěn)定走行，以保證探頭架在檢測(cè)過程中不會(huì)偏離軌道，并對(duì)準(zhǔn)鋼軌待檢測(cè)部位。夾緊輪通過彈簧機(jī)構(gòu)連接到橫梁的另一端，通過彈簧機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)夾緊輪與主體之間的距離。通過調(diào)節(jié)橫梁的橫向?qū)挾龋瑏磉m應(yīng)軌距變化，保證夾緊輪和多個(gè)限位輪可以分別壓緊在2根鋼軌上，使主體不會(huì)發(fā)生傾斜。
2.5前導(dǎo)輪和后輪
前導(dǎo)輪和后輪分別安裝在主體架兩端，以使主體架能夠沿著待檢測(cè)鋼軌的長(zhǎng)度方向移動(dòng)。
2.6限位輪
為進(jìn)一步限定主體架與待檢測(cè)鋼軌的位置關(guān)系，在主體架的側(cè)面設(shè)置有多個(gè)限位輪。掃查過程中，多個(gè)限位輪中每一個(gè)均與待檢測(cè)鋼軌的側(cè)面貼合。通過前導(dǎo)輪和后輪與待檢測(cè)鋼軌軌頭上表面貼合、多個(gè)限位輪與待檢測(cè)鋼軌側(cè)面貼合，保證主體架嚴(yán)格沿著待檢測(cè)鋼軌的長(zhǎng)度方向移動(dòng)，并保持穩(wěn)定。2.7電腦托盤電腦托盤設(shè)置在搖臂架上側(cè)，用于固定計(jì)算機(jī)等設(shè)備。托盤具有可調(diào)節(jié)的寬度，以適應(yīng)不同的電腦尺寸。該設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)。將多個(gè)掃查探頭分別連接到探頭安裝架的預(yù)定位置，并將探頭安裝架連接到主體的下側(cè)；連接橫梁和主體，將主體放置在待檢測(cè)鋼軌上，使多個(gè)掃查探頭分別靠近鋼軌軌頭的預(yù)定位置，并保持主體與待檢測(cè)鋼軌的相對(duì)位置。同時(shí)，未與主體連接的橫梁的另一端，搭在與待檢測(cè)鋼軌相對(duì)的另一側(cè)鋼軌上，通過調(diào)整彈簧機(jī)構(gòu)，使夾緊輪貼緊在另一側(cè)鋼軌外側(cè)。啟動(dòng)儀器、推動(dòng)搖臂，整個(gè)掃查裝置沿待檢測(cè)鋼軌的長(zhǎng)度方向移動(dòng)。多個(gè)掃查探頭對(duì)待檢測(cè)鋼軌軌面不同位置進(jìn)行掃查，并實(shí)時(shí)將掃查數(shù)據(jù)傳送至渦流檢測(cè)主機(jī)；渦流檢測(cè)主機(jī)接收、處理并存儲(chǔ)該掃查數(shù)據(jù)。計(jì)算機(jī)通過網(wǎng)絡(luò)與渦流檢測(cè)主機(jī)通信，獲取掃查數(shù)據(jù)，便于操作人員實(shí)時(shí)查看和分析。
3陣列渦流檢測(cè)探頭設(shè)計(jì)
渦流檢測(cè)探頭采用12個(gè)通道、無方向性探頭。該探頭沿1個(gè)方向掃查，即可檢測(cè)各個(gè)走向的缺陷，減少檢測(cè)盲區(qū)。將多個(gè)渦流探頭分別嵌入多個(gè)柔性皮帶中，連接到安裝架。柔性皮帶可以使嵌入的渦流檢測(cè)探頭更好地適應(yīng)鋼軌廓形，與鋼軌表面良好貼合，減少提離效應(yīng)，提高檢測(cè)精度。12個(gè)渦流檢測(cè)探頭分為2組，其中一組4個(gè)、另一組8個(gè)。8個(gè)為一組的靠近待檢測(cè)鋼軌的軌頭頂面工作邊設(shè)置，4個(gè)為一組的靠近待檢測(cè)鋼軌的軌頭側(cè)面設(shè)置。12個(gè)通道的探頭同時(shí)覆蓋鋼軌軌頭頂面和工作邊一側(cè)側(cè)面，使鋼軌表面質(zhì)量掃查檢測(cè)結(jié)果更完整、準(zhǔn)確。探頭設(shè)計(jì)及實(shí)物如圖3所示。
4渦流檢測(cè)裂紋深度定量評(píng)估
一般情況下，渦流檢測(cè)只能定性判定，無法實(shí)現(xiàn)定量。目前主要采用當(dāng)量法，以人工缺陷當(dāng)量表征缺陷大小，需要盡可能多的對(duì)比試塊。利用刻有人工缺陷的標(biāo)準(zhǔn)試塊，測(cè)得不同深度裂紋對(duì)應(yīng)的渦流檢測(cè)信號(hào)幅值，繪制指數(shù)擬合曲線，保存擬合數(shù)據(jù)。在檢測(cè)過程中，計(jì)算機(jī)軟件程序根據(jù)檢測(cè)信號(hào)幅值，利用擬合曲線函數(shù)得到裂紋對(duì)應(yīng)的深度值，實(shí)現(xiàn)裂紋深度快速定量評(píng)估。表面裂紋深度與渦流檢測(cè)信號(hào)幅度曲線擬合如圖4所示。
5檢測(cè)試驗(yàn)
在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行鋼軌表面缺陷渦流檢測(cè)試驗(yàn)。鋼軌試塊的軌面刻有斜裂紋，深度分別是0.5mm，1mm，2mm，3mm。試驗(yàn)主要步驟如下：待設(shè)備連接好后，打開檢測(cè)軟件。首先，需檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)是否連接正常，探頭連接狀態(tài)是否正常，前置驅(qū)動(dòng)指數(shù)參數(shù)設(shè)置是否合理。然后打開柱狀顯示圖，開始檢測(cè)鋼軌試塊。系統(tǒng)中柱狀圖設(shè)置為：紅色顯示表示超過3mm深度的裂紋報(bào)警信號(hào)；黃色顯示表示大于1mm、小于3mm深度的裂紋報(bào)警信號(hào)；綠色顯示表示小于1mm深度的裂紋報(bào)警信號(hào)。裂紋深度閾值可根據(jù)具體檢測(cè)需求進(jìn)行調(diào)節(jié)。檢測(cè)1mm深裂紋的信號(hào)柱狀圖顯示如圖5所示。第4通道探頭正對(duì)裂紋，其信號(hào)幅度顯示最大，為黃色。第5通道探頭僅部分覆蓋到裂紋，也有裂紋信號(hào)顯示，但幅度小，為綠色。每個(gè)裂紋深度信號(hào)都伴隨一個(gè)藍(lán)色信號(hào)，用于指示裂紋的渦流信號(hào)幅值。取3次檢測(cè)數(shù)據(jù)的平均值，實(shí)驗(yàn)室渦流檢測(cè)系統(tǒng)鋼軌試塊檢測(cè)數(shù)據(jù)見表1。從表1中可以看出，0.5mm和1mm深的裂紋檢測(cè)誤差在5%以內(nèi)，2mm和3mm的的裂紋檢測(cè)誤差在20%以內(nèi)。現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用該系統(tǒng)，推行順暢，軟件顯示正常。該系統(tǒng)應(yīng)用于鋼軌硌傷后的打磨維修，打磨前檢測(cè)到硌傷信號(hào)，打磨后無硌傷信號(hào)。打磨前、中、后檢測(cè)及渦流顯示硌傷信號(hào)如圖6所示。
6結(jié)論
鋼軌軌面渦流檢測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了軌面的多通道快速掃查，既適用于道岔軌面缺陷檢測(cè)，也適用于正線鋼軌。該系統(tǒng)采用多個(gè)限位輪，使整套系統(tǒng)在待檢測(cè)鋼軌上走行更加穩(wěn)定。輔助機(jī)械裝置搭載多個(gè)渦流檢測(cè)探頭，以適應(yīng)道岔鋼軌變截面和變化的軌距。渦流檢測(cè)探頭始終對(duì)準(zhǔn)檢測(cè)區(qū)域，適應(yīng)鋼軌及道岔的型面，減少提離效應(yīng)和邊緣效應(yīng)，提高檢測(cè)效率。采用該系統(tǒng)對(duì)鋼軌試塊進(jìn)行檢測(cè)試驗(yàn)，效果良好，對(duì)0.5mm，1mm，2mm，3mm深的人工斜裂紋均能有效檢出并顯示深度當(dāng)量。0.5mm和1mm的檢測(cè)誤差在5%以內(nèi)，2mm和3mm的檢測(cè)誤差在20%以內(nèi)。當(dāng)需要更精確的數(shù)據(jù)時(shí)，可以選擇手持式渦流檢測(cè)儀進(jìn)行重點(diǎn)局部區(qū)域檢測(cè)，減少檢測(cè)誤差。該系統(tǒng)在線路現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了試用，實(shí)時(shí)顯示檢測(cè)里程和鋼軌軌面的魚鱗紋深度。下一步，該系統(tǒng)將在線路上進(jìn)行大量試驗(yàn)，逐漸改進(jìn)優(yōu)化，不斷提高裂紋測(cè)深檢測(cè)精度。
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作者：黃鳳英 王旭華 安尚文 史啟帥 單位：中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司金屬及化學(xué)研究所