超声波钢轨探伤仪的开发与创新

超声波钢轨探伤仪的开发与创新

王 ,海 ,张红梅

天津铁道职业技术学院  天津  300240

摘要  超声波钢轨探伤仪主要利用超声波技术检测钢轨内部缺陷。随着铁路的重载化、高速化不断发展，对钢轨探伤工作提出了更高要求。目前我国铁路已经形成大型钢轨探伤车和探伤仪两级探伤网络，探伤仪探伤已经成为铁路探伤的重要组成部分。为了解决传统探伤仪因其判伤方式繁琐以及仪器本身探头数量少的局限性，导致伤损漏检而引发的断轨等问题，满足国铁集团对安全防控的要求，提出了智能定位和研发新型串列式探头的课题。本论文主要对传统探伤仪的伤损定位和探头布置方面进行改进创新。根据现场试用报告显示，改进后的仪器操作更加简便、判伤速度更快、定位更准确，可以替代原有探伤设备。

关键词：超声波钢轨探伤仪；智能定位；B显基线；串列式探头

随着超声波钢轨探伤仪的出现，使得对钢轨内部伤损的检出成为了可能。在我国,铁路是最早开展无损检测工作的部门之一,1950年铁道部引进瑞士生产的共振式超声波探伤仪检查钢轨,是公认的我国超声波探伤的开端。我国手推式探伤仪的发展从最初的武汉电子仪器厂生产的GTC—1 型钢轨探伤仪到现在市场上流行的JGT-10（上海路超)、GCT-8C(邢台先锋)等型号的探伤仪，可以说，我们一直在为实现伤损智能化判断，提高伤损检出能力而不断创新。

截止2021年，全国铁路运营里程达15万公里，其中高速铁路运营里程达4万公里，铁路建设取得历史性成就，对经济社会发展发挥了重要的支撑作用。钢轨的健康状态，直接影响着铁路运输安全。钢轨探伤是铁路工务部门把好钢轨防断的第一关，提前进行钢轨内部的探伤对于保证铁路的正常运行具有举足轻重的作用。但传统钢轨探伤仪判伤方法繁琐，加之探伤人员技术水平参差不齐，因漏检造成的断轨事故时有发生。部分工务段还因工作量大、任务重不能及时完成探伤计划，存在超周期现象。本论文基于目前探伤仪市场上存在的一些痛点，对传统探伤仪进行改进创新重点介绍伤损快速定位技术，通过串列式探头实现母材和焊缝的联同探伤，保证轨腰横向裂纹检出率可达100%。

一、钢轨伤损快速定位系统的研发

超声波钢轨探伤仪所利用的超声波探伤技术是依据定向辐射超声波束在缺陷界面上产生反射或使透过声能下降等原理，通过测量回波信息和透过声波强度的变化来指示伤损的一种方法。其主要构造为：主机+超声波探头+水箱，主机相当于一个数据集中站，会将接受到的伤损信息以出波的形式反馈出来，以A型显示和B型显示的方式较直观的体现在仪器显示屏上，以供探伤人员对伤损判定。当确定此处有伤后，要对伤损在钢轨中的位置和发展情况进行更确切的定位和定量，就要根据具体探伤方式，通过不同通道的A显的回波位置结合模型构建、三角函数等数学应用确定伤损的位置,通过回波高度确定伤损大小，并配以B显以对伤损进行图像分析来进行确定，实现对钢轨伤损的定性定位定量分析。这就要求探伤人员不仅要熟练掌握探伤仪器的使用，确保不漏伤、不误判，更要有一定的数学知识积累，要确保计算所得伤损在钢轨中的大小和位置准确，对伤损定量和定性分析，以方便制定具体维修计划。这样的伤损定量、定位方式，无疑给整个探伤过程增加了很多工作量,耗费探视人员大量精力.尤其是初学者,更是需要很长一段时间才能掌握，太过耗时耗力。

而本论文采用VB语言技术，综合考虑每一个探头的位置和判伤方法，通过参数设置，植入新的程序，在仪器B显界面上，通过测量线（B显基线）对伤损的B显图像进行测量定位，结合B型显示和B 显基线，把探伤仪的后翻版第二个探头作为参照，使伤损定位更快更准。当探视人员推动仪器，使B显基线刚好卡在B显荧光屏中伤损的中心位置时，伤损在实际钢轨中的水平位置就一定在仪器后翻板第二探头的中心处。这一做法通过提高判伤速度、缩短作业时间，实现智能定位，方便作业人员判读分析，使常年在凌晨作业的高铁、地铁探伤工每天提前结束工作，使他们有更充足的睡眠，呵护每一位探伤人的身体健康。

二、串列式探头的研发

超声波探头是进行超声波探伤不可缺少的器件之一，它承担发射或接受超声波的任务，实现声能与电能的相互转换，故又称换能器。为了适应各类工件和各种探测方式的需要，探头的种类很多，具体按其用途和结构进行分类。而超声波钢轨探伤仪正是将不同用途和结构的探头结合钢轨的断面形式，在尽量保证对钢轨轨腰、轨头全覆盖式探伤的条件下，在探伤仪上布置不同功能的探头，以达到对钢轨内部伤损检出的目的。

目前我国钢轨探伤仪市场最普遍使用的超声波钢轨探伤仪型号主要有JGT-10（上海路超)、GCT-9(汕超超声)、GCT-8C(邢台先锋)等型号，这些仪器在原理、判伤方法上大同小异。仪器中的超声波探头主要负责发射和接受超声波发现伤损，一台仪器所配置的探头一般都为9个，目前采用的探头组合是：1个0°探头、2个37°探头、6个70°探头探测伤损，这9个探头在功能上互补，能够保证对钢轨内部大部分伤损进行检出，但即使这样的组合也存在探测盲区——轨底两侧、轨腰的部分区域依旧出现着漏伤、漏检的情况，尤其对轨腰横向裂纹完全检测不到，只能任其发展，往往造成断轨事故的发生。轨腰横向裂纹之所以检测不到，并非探头发射的超声波扫查不到，而是因为打到伤损处的声波被反射走了，探头接收不到声波信息，自然认为没有伤损。其次这种探头配置，探测通道只有9个，数量较少，无法做到对钢轨母材和焊缝探伤同时进行，使得焊缝探伤周期长、监控不及时。

通过对传统探伤仪探头部位重新布置排列，使用串列式探头，在原有探伤仪功能的基础上，增加探测通道，使仪器具有18个通道，实现钢轨母材和钢轨焊缝探伤同时进行，使得对焊缝探伤的监控更及时。并且串列式探头的布置，使用了多个单晶探头用来接受超声波，这一做法避免了因接收不到回波信息而漏检的情况，做到对轨腰横向裂纹检出率可达100%。18个探测通道中，钢轨母材探伤通道9个：2个直70°、2个内口70°、2个外口70°、2个37°、1个0°通道；钢轨焊缝探伤通道9个：串列式扫查、扫查间隔12.5mm、探头角度K0.8，具有4km/h作业速度下，轨腰Ф3平底孔当量缺陷检出能力。仪器探头在结构上分为8组，分别为：第1组探头为直70°、第7组为内偏70°、第8组为外偏70°、第2组为0+37°探头、第3、4、5、6组为串列式扫查。串列式探头的使用做到了以钢轨母材探伤作业周期检测钢轨焊缝，显著提高了钢轨轨腰横向裂纹的检出能力，能够解决钢轨焊缝探伤周期长、监控不及时等问题。

为保证定位精度，仪器在使用前，需在GTS-60C试块进行校准，试块上所有能发现伤损都具有较高的定位精度。当定位误差较大时，可通过调整相关通道拼孔值和探头架位置来修正。建议：37°探头和串列式探头应以GTS-60C试块轨底R2、R4、R6月牙伤为基准进行校正；70°探头应以Φ4平底孔为基准进行校正。

改革创新后的仪器同时具有伤损图像自动识别功能，能识别出鱼鳞下的核伤。当伤损达到预设数值时， 仪器就有警报声和图像提醒；能够实现多种显示模式的转换，实现A显、B显、A/B混显一键转换，操作简便、直观。实现SD卡和闪存（意外断电数据不会丢失）双存贮模式，保障数据安全，存贮时间长达一个月。USB接口，可外接U盘，实现数据转存及输出。

根据现场测试，两项技术显著提高了伤损定位速度，提高了轨腰横向裂纹的检出率，对目前探伤工作的欠缺进行了补充，为从事探伤工作的人员身体健康给予了保障，同时也在一定程度上减少了铁路事故的发生。因此，这两项技术具有良好的推广前景。

参考文献：

[1]王克文.钢轨探伤高速试验平台判伤算法.铁道建筑.2022.6

[2]王炳辉.普速铁路钢轨探伤及伤损原因分析.减速顶与减速技术.2022.1

[3]李静中.铁路工务钢轨探伤工作的探讨.大科技.2017.4

[4]李东霞,张大勇.钢轨焊缝超声波探伤方法的研究与应用.铁道标准设计.2012.12

[5]李锦,刘景利.钢轨铝热焊焊缝边缘伤损的超声波检测技术.铁道建筑.2009.9

作者简介：王  海，2001.2-，男，汉族，宁夏固原人，天津铁道职业技术学院，铁道工程技术专业在读。