钢轨在线超声探伤仪探头工作机构的研究与开发

　　1　钢轨超声波探伤原理

　　电能与声能之间的相互转换以及超声波在弹性介质中的物理特性是超声波探伤的基本原理。利用定向发射的超声波束在钢轨中传播遇到缺陷时被反射的特性来判断工件中是否存在缺陷以及缺陷的位置和大小(如图1所示)。“S”为超声波在工件表面产生的反射回波称为界面波,“F”为超声波在工件内部缺陷处产生的反射回波称为伤波,“B”为超声波在工件底面产生的反射回波称为底波。通常在界面波和底波之间设置缺陷的报警闸门,当缺陷回波的幅度高于闸门的门限值时探伤仪产生报警输出。对于钢轨而言,超声波探伤主要用以检测轨头、轨腰及轨底的内部缺陷,其中包括缩孔、夹渣、内部裂纹、白点、气孔等,此外,在最佳配置下尚可按有关国际标准检测轨底底面的表面裂纹,并达到尽可能大的检验截面。

　　2　钢轨探伤国家标准

　　铁道部在2004年初参照欧洲的高速轨标准颁布了新的YB/T 2344-2004标准,标准明确规定钢轨横截面扫查区域轨头≥70%,轨腰≥60%,轨底≥30%。上述面积根据探头发射声影确定,钢轨头部应从两个侧面和踏面进行检测。钢轨进行超声波检测时应备有动态样轨,其轨头灵敏度为 2 mm平底孔、轨腰灵敏度为 2 mm平底孔、轨底灵敏度为1mm×1 mm×40 mm人工矩形槽,检测灵敏度应比规定人工缺陷所要求的灵敏度至少高4 dB,同时要求检测系统必须具备对界面波或底波的连续监视功能,实现在线自动记录检测结果。

　　3　钢轨探伤机械设备的研究

　　3.1　钢轨超声探伤工艺布置及探伤机械装置技术难点

　　轨梁厂要求钢轨在线探伤,运行参数为:检测速度1.5 m/s、检测准确率≥99%、漏报率为零,耦合剂为水。国内四家钢轨厂均将超声探伤机布置于钢轨矫直机后、锯钻组合机床和成品检查工序前以便消除钢轨两端检测盲区,确保钢轨出厂质量。钢轨超声探伤系统包括探头、工作机构、仪器三部分组成。工作机构必需保证探头在钢轨运行过程中实时与钢轨紧密接触,即工作机构要有良好的随动性。

　　3.2　工作机构的作用

　　当钢轨进入检测位置时,将探头放下,并保证探头与钢轨的接触面相对稳定,使探头灵活跟踪钢轨。当检测结束时,将探头抬起,并等待下次检测开始。

　　3.3　国外设备设计原理及缺陷

　　钢轨运行速度为1.5 m/s,25 m长轨单重为1.516吨,因此其运行起来惯性非常大。而国外引进设备的探头随动机械装置,采用两个相对独立的机构来完成检测过程中探头对钢轨的跟踪要求,造成探头随动效果不理想。所以要求国内生产厂的相关配套设备必需非常精密,钢轨运行也得非常平稳,方可满足实际探伤要求。现阶段国内生产厂都很难提供精密的配套设备,所以研制适合国内生产厂具体工艺的超声机械设备很有必要。国外设备具体问题如下:探头的上下跟踪动作由大气缸负责,大气缸相当于一个气弹簧。当钢轨向上时气弹簧压缩,否则气弹簧伸长。探头的水平跟踪动作由导向辊负责,导向辊的夹持钢轨动作依靠强制导向与减震弹簧组合完成。当钢轨左右摆动时,依靠减震弹簧的弹性来完成探头对钢轨的跟踪。因大气缸安装于轨头检测系统支架上,而导向辊安装于相对独立的平台上(如图2所示),因此轨头检测系统的水平、垂直跟踪动作不统一。