钢轨高速探伤系统的研究

　　1　引　　言

　　我国铁路运输繁忙,列车运行间隔只有十几分钟,同时,运营线路近七万公里,线路状况较差,超期服役钢轨数量很大,钢轨伤损发生率高。为了保障铁路运输安全,目前检测钢轨内部缺陷的主要设备为小型钢轨超声探伤仪,由人工进行钢轨伤损的检测。为防止、监测伤损的发生、发展,平均每年每条线路检测需十遍以上,总检测里程近一百万公里,全线有近万名专职钢轨探伤人员负责钢轨内部伤损的检测。随着中国铁路的第三次提速,使铁路对于能在现有鱼尾板联结线路上完成高速探伤的设备需求日益迫切,研究开发钢轨高速探伤车,使其在检测时不影响铁路正常运营,对铁路运输业具有重要的意义。

　　2　钢轨探伤车系统的工作原理

　　钢轨探伤车系统由高速轮探头,超声发生装置,探头自动对中伺服装置,以及伤损信号处理等系统组成。

　　装有超声探头组的高速探轮在钢轨上滚动,轮内充满用于传声的耦合液,超声发生接收器组合探头向钢轨发出连续超声脉冲波束,连续波束通过耦合液及探轮橡胶轮壁到达钢轨内,如无损伤存在,波束到达钢轨底面后依原路返回探头,得到底波。如有损伤,则底波前出现一个伤损波,底波降低或消失。当探头在钢轨上滚动时,高速探伤数据采集系统接收反射回波信号并由计算机处理取得探伤信息,经高速伤损分析系统实时处理,使探伤车检测到伤损信息实时地在屏幕上显示,检测数据被记录和打印,并可随时回放,重现当时的检测结果。钢轨中对中伺服机构与多参数行车状况自动监测系统控制轮探头自动对中,保证超声发生接收装置始终对准钢轨轨腰的中心线位置,同时,在高速行车探伤时,也完成了探头的自动钢轨循迹跟踪。

　　3　高速探轮的设计

　　在高速探伤时,为获得较高的钢轨伤损检出率,将探测密度设为200微秒/次,在时速80公里/小时的运行速度下,超声探测重复频率为5000次/秒。因此,在高速探伤轮设计时,首先要使超声探头与钢轨轨面近距离耦合,减少轮式探头的轮内超声延迟。其次,必须使探头有稳定的钢轨对中循迹跟踪,保证在高速行车探伤时,轮探头和超声收发装置的自动对中,高速探轮结构如图2所示。

　　高速探轮包括探轮轮胎,超声探头悬挂支架,轮内随动控制器和超声探头组等几部分。超声探头悬挂支架一方面用于固定超声探头组,使其能与探测轨面保持较小的耦合间隙并跟随路面的高低变化,以保证轮内声程的缩短;另一方面的重要用途在于保护超声探头组在高速运行时不受损坏,当遇到钢轨接头的正向错牙时,探轮受向上的力而产生弹性变形和向上的冲击力,轮内悬挂支架此时对于探头组进行调整,避免冲击力对探头组造成损坏。轮内悬挂装置的调整方式一部分为探头位置随动伺服控制,一部分选用抗冲击力的平衡力的闭环伺服调整。图3为平衡力闭环伺服调整系统原理图。高频响力敏传感器将探轮及超声探头组所受的不平衡力信号送入放大器,经调整环节后进行伺服反馈变换,以反向力矩平衡控制探头组所受的冲击力,使探头组力敏传感检测系统内总受力为零,即冲击力、弹性力、惯性力、阻尼力及反馈力之和为零,以使探头悬挂装置达到随动调整的功能。