道岔轨面涡流检测技术范文

摘要：由于轮轨滚动接触，钢轨轨头工作边容易形成鱼鳞纹，若不及时维修处理，将进一步发展形成重伤或剥离掉块，影响行车安全。根据钢轨及道岔的型面，设计一种轨面涡流检测系统，研究辅助机械扫查装置及适形阵列涡流探头等，并在实验室和现场进行了试验。由检测人员在钢轨上推行完成轨头踏面工作边处表面裂纹检测，获得轨头踏面有无缺陷及缺陷深度的定量评估数据。试验及现场应用研究表明，采用该系统检测钢轨试块，对0.5mm，1mm，2mm，3mm深的人工斜裂纹均能有效检出并显示深度；采用该系统检测在线钢轨鱼鳞纹，能够显示鱼鳞纹的深度评估数据，为钢轨打磨维修提供参考。

关键词：道岔；钢轨；轨面；涡流探伤；裂纹；检测装置

引言

道岔结构复杂，其部件包括基本轨、尖轨、翼轨、护轨和心轨等。高速铁路上常用可动心轨辙叉道岔，轨头踏面经过刨切为变截面。道岔是薄弱环节，如有表面缺陷没有及时发现，容易形成剥离掉块，或进一步发展成钢轨断裂，引起行车安全事故［1-5］。对道岔实现连续扫查很困难。目前，国内对在役道岔钢轨表面不进行检测，对鱼鳞纹发展的严重程度无评价手段。德国铁路采用4个通道的涡流探伤小车进行探伤或指导钢轨打磨作业。涡流检测属于5大常规无损检测方法，基于法拉第电磁感应定律，通过测量被检工件内感生涡流的变化，来评定导电材料的某些性能或发现缺陷。由于存在趋肤效应，涡流检测只能检查薄试件或厚试件的表面、近表面部位，无法检测内部深层缺陷，尤其是具有磁屏蔽作用的铁磁性材料。涡流检测具有非接触、无污染、不需要耦合剂和检测速度快等特点，适宜在役钢轨的表面快速检测。设计道岔钢轨涡流检测系统，由辅助机械装置搭载多通道探头扫查轨头踏面，记录里程和裂纹深度，检测效率高。在钢轨打磨前、中、后进行检测，可为打磨维修提供数据参考。

1钢轨轨面涡流检测系统组引言

道岔结构复杂，其部件包括基本轨、尖轨、翼轨、护轨和心轨等。高速铁路上常用可动心轨辙叉道岔，轨头踏面经过刨切为变截面。道岔是薄弱环节，如有表面缺陷没有及时发现，容易形成剥离掉块，或进一步发展成钢轨断裂，引起行车安全事故［1-5］。对道岔实现连续扫查很困难。目前，国内对在役道岔钢轨表面不进行检测，对鱼鳞纹发展的严重程度无评价手段。德国铁路采用4个通道的涡流探伤小车进行探伤或指导钢轨打磨作业。涡流检测属于5大常规无损检测方法，基于法拉第电磁感应定律，通过测量被检工件内感生涡流的变化，来评定导电材料的某些性能或发现缺陷。由于存在趋肤效应，涡流检测只能检查薄试件或厚试件的表面、近表面部位，无法检测内部深层缺陷，尤其是具有磁屏蔽作用的铁磁性材料。涡流检测具有非接触、无污染、不需要耦合剂和检测速度快等特点，适宜在役钢轨的表面快速检测。设计道岔钢轨涡流检测系统，由辅助机械装置搭载多通道探头扫查轨头踏面，记录里程和裂纹深度，检测效率高。在钢轨打磨前、中、后进行检测，可为打磨维修提供数据参考。1钢轨轨面涡流检测系统组道探头、辅助机械扫查装置及其他辅助装置组成。当需要检测时，直接将机械部分展开，无需组装。检测完后，直接收纳，不需要借助任何工具，快速便捷。辅助机械扫查装置搭载涡流检测主机及探头，由检测人员推行，沿钢轨走向移动。主机采用16通道，可扩展。系统中阻抗平面图或柱状检测图可选，检测时可显示里程及裂纹深度值。道岔钢轨涡流检测系统如图1所示。

2辅助机械扫查装置设计

2.1组成部件

辅助机械扫查装置的功能是搭载涡流检测主机及多通道阵列涡流探头，沿着待检测钢轨长度方向移动。主要部件包括主体、摇臂、横梁和导轮等部分。机械扫查装置主要部件如图2所示。

2.2主体

主体是该装置的主要组成部分。其功能是搭载涡流检测主机和探头，适应钢轨轨头廓形，使多个涡流检测探头能平稳扫查待检测钢轨。材料由强度高、塑性好的铝合金制成。2个弹簧压紧机构垂直于主体架的长度方向，用于调整多个限位轮与待检测钢轨的位置关系，将其压紧到待检测钢轨的侧面。

2.3摇臂

摇臂连接到主体上侧，操作人员通过摇臂推动主体，沿待检测钢轨的长度方向移动。摇臂可以绕转轴相对于主体旋转，即在水平和竖直2个方向上调整摇臂相对于主体的延伸方向，以适应操作人员的身高、操作习惯以及现场工况等。

2.4横梁

横梁一端与主体的内侧相连接，另一端搭载在另一侧的钢轨上，且另一端具有夹紧轮，沿钢轨外侧移动，以使整个辅助机械扫查设备在操作人员控制下稳定移动。横梁由依次连接的多个横梁段组成，在非工作状态下能够折叠。横梁展开时的状态见图2（c），多个横梁段依次连接在主体和另一侧钢轨之间，形成支撑。横梁折叠状态见图2（d），组成横梁其他部分的2个横梁段折叠，可以缩小横梁的横向宽度，便于收纳、运输。在2根钢轨之间通过横梁支撑，使主体和探头架稳定走行，以保证探头架在检测过程中不会偏离轨道，并对准钢轨待检测部位。夹紧轮通过弹簧机构连接到横梁的另一端，通过弹簧机构调节夹紧轮与主体之间的距离。通过调节横梁的横向宽度，来适应轨距变化，保证夹紧轮和多个限位轮可以分别压紧在2根钢轨上，使主体不会发生倾斜。

2.5前导轮和后轮

前导轮和后轮分别安装在主体架两端，以使主体架能够沿着待检测钢轨的长度方向移动。

2.6限位轮

为进一步限定主体架与待检测钢轨的位置关系，在主体架的侧面设置有多个限位轮。扫查过程中，多个限位轮中每一个均与待检测钢轨的侧面贴合。通过前导轮和后轮与待检测钢轨轨头上表面贴合、多个限位轮与待检测钢轨侧面贴合，保证主体架严格沿着待检测钢轨的长度方向移动，并保持稳定。2.7电脑托盘电脑托盘设置在摇臂架上侧，用于固定计算机等设备。托盘具有可调节的宽度，以适应不同的电脑尺寸。该设计简单、易于实现。将多个扫查探头分别连接到探头安装架的预定位置，并将探头安装架连接到主体的下侧；连接横梁和主体，将主体放置在待检测钢轨上，使多个扫查探头分别靠近钢轨轨头的预定位置，并保持主体与待检测钢轨的相对位置。同时，未与主体连接的横梁的另一端，搭在与待检测钢轨相对的另一侧钢轨上，通过调整弹簧机构，使夹紧轮贴紧在另一侧钢轨外侧。启动仪器、推动摇臂，整个扫查装置沿待检测钢轨的长度方向移动。多个扫查探头对待检测钢轨轨面不同位置进行扫查，并实时将扫查数据传送至涡流检测主机；涡流检测主机接收、处理并存储该扫查数据。计算机通过网络与涡流检测主机通信，获取扫查数据，便于操作人员实时查看和分析。

3阵列涡流检测探头设计

涡流检测探头采用12个通道、无方向性探头。该探头沿1个方向扫查，即可检测各个走向的缺陷，减少检测盲区。将多个涡流探头分别嵌入多个柔性皮带中，连接到安装架。柔性皮带可以使嵌入的涡流检测探头更好地适应钢轨廓形，与钢轨表面良好贴合，减少提离效应，提高检测精度。12个涡流检测探头分为2组，其中一组4个、另一组8个。8个为一组的靠近待检测钢轨的轨头顶面工作边设置，4个为一组的靠近待检测钢轨的轨头侧面设置。12个通道的探头同时覆盖钢轨轨头顶面和工作边一侧侧面，使钢轨表面质量扫查检测结果更完整、准确。探头设计及实物如图3所示。

4涡流检测裂纹深度定量评估

一般情况下，涡流检测只能定性判定，无法实现定量。目前主要采用当量法，以人工缺陷当量表征缺陷大小，需要尽可能多的对比试块。利用刻有人工缺陷的标准试块，测得不同深度裂纹对应的涡流检测信号幅值，绘制指数拟合曲线，保存拟合数据。在检测过程中，计算机软件程序根据检测信号幅值，利用拟合曲线函数得到裂纹对应的深度值，实现裂纹深度快速定量评估。表面裂纹深度与涡流检测信号幅度曲线拟合如图4所示。

5检测试验

在实验室进行钢轨表面缺陷涡流检测试验。钢轨试块的轨面刻有斜裂纹，深度分别是0.5mm，1mm，2mm，3mm。试验主要步骤如下：待设备连接好后，打开检测软件。首先，需检测网络是否连接正常，探头连接状态是否正常，前置驱动指数参数设置是否合理。然后打开柱状显示图，开始检测钢轨试块。系统中柱状图设置为：红色显示表示超过3mm深度的裂纹报警信号；黄色显示表示大于1mm、小于3mm深度的裂纹报警信号；绿色显示表示小于1mm深度的裂纹报警信号。裂纹深度阈值可根据具体检测需求进行调节。检测1mm深裂纹的信号柱状图显示如图5所示。第4通道探头正对裂纹，其信号幅度显示最大，为黄色。第5通道探头仅部分覆盖到裂纹，也有裂纹信号显示，但幅度小，为绿色。每个裂纹深度信号都伴随一个蓝色信号，用于指示裂纹的涡流信号幅值。取3次检测数据的平均值，实验室涡流检测系统钢轨试块检测数据见表1。从表1中可以看出，0.5mm和1mm深的裂纹检测误差在5%以内，2mm和3mm的的裂纹检测误差在20%以内。现场应用该系统，推行顺畅，软件显示正常。该系统应用于钢轨硌伤后的打磨维修，打磨前检测到硌伤信号，打磨后无硌伤信号。打磨前、中、后检测及涡流显示硌伤信号如图6所示。

6结论

钢轨轨面涡流检测系统实现了轨面的多通道快速扫查，既适用于道岔轨面缺陷检测，也适用于正线钢轨。该系统采用多个限位轮，使整套系统在待检测钢轨上走行更加稳定。辅助机械装置搭载多个涡流检测探头，以适应道岔钢轨变截面和变化的轨距。涡流检测探头始终对准检测区域，适应钢轨及道岔的型面，减少提离效应和边缘效应，提高检测效率。采用该系统对钢轨试块进行检测试验，效果良好，对0.5mm，1mm，2mm，3mm深的人工斜裂纹均能有效检出并显示深度当量。0.5mm和1mm的检测误差在5%以内，2mm和3mm的检测误差在20%以内。当需要更精确的数据时，可以选择手持式涡流检测仪进行重点局部区域检测，减少检测误差。该系统在线路现场进行了试用，实时显示检测里程和钢轨轨面的鱼鳞纹深度。下一步，该系统将在线路上进行大量试验，逐渐改进优化，不断提高裂纹测深检测精度。

参考文献

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作者：黄凤英 王旭华 安尚文 史启帅 单位：中国铁道科学研究院集团有限公司金属及化学研究所