鋼軌在線超聲探傷檢測系統(tǒng)研發(fā)

隨著我國鐵路高速重載的發(fā)展要求，鋼軌的內(nèi)部質(zhì)量要求越來越純凈。鋼軌在鐵路線上服役過程中承受很大的交變載荷，如果鋼軌內(nèi)部存在超過標準允許的夾渣等缺陷，就會引發(fā)斷軌事故，影響鐵路行車安全，因此鋼軌在線超聲波探傷是保障鐵路安全的關(guān)鍵技術(shù)。研發(fā)高靈敏度余量、高信噪比、高檢測準確率的鋼軌在線自動超聲探傷系統(tǒng)是非常必要的。1鋼軌在線超聲波探傷機現(xiàn)狀國內(nèi)鞍鋼、包鋼、武鋼均引進加拿大NDT無損檢測技術(shù)有限公司生產(chǎn)的鋼軌在線超聲波探傷機，加拿大進口的探傷機軌頭、軌腰和軌底探頭均鑲嵌在耐磨鞋中，探頭傾斜角度調(diào)試完成后依靠機械裝置鎖死固定，探頭在檢測時依靠機構(gòu)中的氣缸活塞伸出直接驅(qū)動探頭落下至鋼軌表面，檢測結(jié)束時氣缸活塞收縮將探頭提離鋼軌表面。鋼軌以1.5m/s的速度通過探傷機，其既有水平方向擺動又有垂直方向抖動和瞬間輕微傾翻，因其軌頭、軌腰和軌底探頭機械裝置既不能實現(xiàn)軸向轉(zhuǎn)動，又不能實現(xiàn)徑向傾翻，且鋼軌位置發(fā)生瞬間變化時，氣缸內(nèi)壓縮空氣不能立即補充探頭的瞬間位移變化量，造成檢測過程中探頭工作面與鋼軌被檢測面不能實時貼合。

同時探傷機的軌頭、腰、底探頭均鑲嵌在耐磨鞋中，各探頭的位置和角度均固定，調(diào)試設(shè)備時各探頭不能同時兼顧，造成各探頭靈敏度不均衡，靈敏度低的探頭需依靠提高增益來發(fā)現(xiàn)缺陷。以上綜合原因造成國內(nèi)各鋼軌廠進口探傷設(shè)備在運行過程中誤報率≥25%，漏檢率≥3%左右，同時每次換型調(diào)試時間長達4小時，每8小時設(shè)備校準時間≥1小時，極大地影響生產(chǎn)節(jié)奏和鋼軌的內(nèi)部質(zhì)量檢測準確率。2鋼軌各部位檢測裝置設(shè)計國外的重軌探傷設(shè)備機械裝置設(shè)計復(fù)雜笨重，探頭相對位置和角度均為人工鎖死，探頭對鋼軌的位置實時跟蹤無法依靠氣動系統(tǒng)實現(xiàn)，以上各類因素的疊加造成鋼軌檢測過程中探頭與鋼軌檢測面瞬間分離，超聲波無法有效傳遞到被檢測鋼軌中，形成漏報警或誤報警。鞍鋼經(jīng)過大量實驗和生產(chǎn)實際驗證，應(yīng)用單四連桿加彈簧和水平垂直雙四連桿加彈簧原理設(shè)計鋼軌各部位探頭的實時隨動機構(gòu)。四連桿機構(gòu)的運行特點是，四連桿在轉(zhuǎn)動過程中，始終保持其端面與不受驅(qū)動時的端面平行，容易保持探頭表面與鋼軌表面平行。四連桿機構(gòu)能在X，Y，Z三個方向上移動，四連桿機構(gòu)工作時略呈平行四邊形，在X，Y，Z各方向的位移量均可≥20mm，便于實現(xiàn)鋼軌頭腰底各部位探傷。檢測過程中探頭受到的水平方向摩擦力可讓四連桿進一步變形，并在變形過程中平衡掉該摩擦力，有助于提升檢測過程中機構(gòu)穩(wěn)定性。同時探頭外設(shè)置U和口型框架，可實現(xiàn)探頭X，Y雙向自由轉(zhuǎn)動，確保重軌在傾斜、扭轉(zhuǎn)和抖動的復(fù)雜組合運動過程中探頭工作面對鋼軌檢測面的實時貼合，大幅度提高重軌探傷檢測準確率。01鋼軌軌頭腰側(cè)面超聲探頭隨動裝置鋼軌軌頭腰側(cè)面超聲探頭隨動裝置包括：水平動作氣缸、旋轉(zhuǎn)臂、雙水平四連桿+彈簧機構(gòu)、限位輪及探頭。重軌進入檢測區(qū)，擺臂動作氣缸驅(qū)動水平擺臂擺動，將雙探頭實時隨動機構(gòu)壓落到軌頭腰的側(cè)面檢測區(qū)域，當限位輪接觸到軌頭、腰側(cè)面時，雙探頭實時隨動機構(gòu)中的水平四連桿的復(fù)位彈簧被拉伸，探頭在復(fù)位彈簧拉力作用下，實現(xiàn)探頭在檢測過程中水平方向?qū)崟r隨動。02鋼軌軌底踏面超聲探頭隨動裝置鋼軌軌底踏面超聲探頭隨動裝置包括：水平和垂直動作氣缸、水平和垂直四連桿機構(gòu)、限位輪及探頭。重軌進入檢測區(qū)，水平和垂直動作氣缸分別先后動作，水平氣缸驅(qū)動水平四連桿向前伸出，垂直氣缸伸縮桿收縮，垂直四連桿在復(fù)位彈簧的作用下向下運行，探頭在雙四連桿的帶動下向斜下方45°運動，當限位輪接觸到軌腰時，探頭剛好被壓落到鋼軌軌底踏面指定檢測區(qū)域，此時水平和垂直四連桿的復(fù)位彈簧均被拉伸，探頭在彈簧拉力作用下在檢測過程中實現(xiàn)水平和垂直方向?qū)崟r隨動。03鋼軌軌底平面超聲探傷探頭隨動裝置鋼軌軌底平面超聲探傷探頭隨動裝置包括：水平和垂直動作氣缸、水平和垂直四連桿機構(gòu)、限位輪及探頭。重軌進入檢測區(qū)，水平和垂直動作氣缸分別先后動作，水平氣缸驅(qū)動水平四連桿向前伸出，垂直氣缸驅(qū)動垂直四連桿向上運行，探頭在雙四連桿的帶動下向斜上方運動，當限位輪接觸到軌腰時，探頭剛好被壓落到鋼軌軌底平面指定的檢測區(qū)域，此時水平和垂直四連桿的復(fù)位彈簧均被拉伸，探頭在彈簧拉力作用下在檢測過程中實現(xiàn)水平和垂直方向?qū)崟r隨動。04鋼軌軌頭踏面超聲探傷探頭隨動裝置高鐵用重軌軌頭踏面超聲探傷探頭隨動裝置包括：垂直氣缸、垂直四連桿機構(gòu)、雙限位輪、（圓錐限位輪）水平隨動機構(gòu)及探頭。重軌進入檢測區(qū)，垂直氣缸驅(qū)動垂直四連桿向下伸出，當雙限位輪接觸到軌頭兩側(cè)時，探頭剛好被壓落到軌頭踏面中心區(qū)，此時垂直四連桿的復(fù)位彈簧被拉伸，探頭在彈簧拉力作用下實現(xiàn)垂直實時隨動。然后水平隨動機構(gòu)雙限位輪在軌頭踏面定位功能的作用下實現(xiàn)探頭裝置整體對鋼軌的水平實時隨動。3鋼軌探傷系統(tǒng)研發(fā)鞍鋼將研發(fā)出的鋼軌各部位探傷裝置組成一套24通道鋼軌在線自動超聲探傷機，其整合了國外先進的數(shù)字化超聲探傷儀、鞍鋼自主設(shè)計研發(fā)的機械裝置、鋼軌各部位超聲波探頭和自主編程的PLC自動控制程序。鞍鋼自主研發(fā)的重軌超聲波探傷設(shè)備運行穩(wěn)定，故障率低，15~20分鐘可完成12個鋼軌各部位探頭的設(shè)備校準，在1.5m/s的檢測速度下所有探頭均可準確有效地發(fā)現(xiàn)校準樣軌上的所有人工缺陷。設(shè)備更換軌型調(diào)試時間約1.5~2.0小時，換型調(diào)試后設(shè)備可穩(wěn)定進入下一個軌型的生產(chǎn)檢測狀態(tài)。超聲波探傷系統(tǒng)檢測靈敏度余量≥40dB，檢測系統(tǒng)動態(tài)信噪比≥12dB，誤報率≤5%，漏報警率為零。鞍鋼自主研發(fā)的重軌在線超聲波探傷系統(tǒng)軌頭超聲探傷覆蓋區(qū)域≥70%，重軌軌腰超聲探傷覆蓋區(qū)域≥70%，重軌軌底超聲探傷覆蓋腰對底的投影區(qū)和軌底中心區(qū)域，技術(shù)指標領(lǐng)先于國內(nèi)外同類鋼軌在線探傷系統(tǒng)。缺陷的超聲探傷報警表現(xiàn)為單獨點狀報警、多點報警、密集連續(xù)報警三種類型，缺陷的超聲波反射波波峰均為尖銳形態(tài)。針對上述情況，研究人員通過手工超聲探傷對缺陷進行定位，并進行能譜分析確定，夾雜物成分主要為O，Al，Si，Ca，Mg和Na等夾渣物，夾渣物的存在嚴重地破壞了鋼軌內(nèi)部基體組織結(jié)構(gòu)連續(xù)性，使鋼軌的力學(xué)性能、抗疲勞能力顯著下降。(1)鋼軌在線超聲波探傷系統(tǒng)較好地解決了超聲波探頭對被檢測鋼軌位置的實時跟蹤和探頭工作面在檢測過程中對被檢測鋼軌表面的實時耦合技術(shù)難題。(2)檢測系統(tǒng)可滿足澳大利亞鋼軌標準AS

1085.1:2002；歐洲鐵路軌道用重軌標準EN13674-1；美國鐵路軌道用鋼軌標準AREMA-2:2005；TB/T2344-201243~75kg/m熱軋