Page 109 - 无损检测2023年第四期

张志文, 等:

皮带轮式相控阵钢轨探伤车的研制

高速钢轨探伤车采用的快速相控阵技术能在 头( 垂直入射), 1个55° 探头( 侧打入射), 未采用70°

80km · h 的速度下同时激发42个超声通道, 极大 二次波偏斜入射的布局方式。其中, 37° 探头负责监
-1
提高了对钢轨的声束覆盖率, 从而适应不同线路条 控螺孔裂纹及轨头、 轨腰和轨底斜裂纹, 70° 探头负
件下的检测, 此外利用相控阵的声束偏转及聚焦功 责监控轨头内、 中、 外侧核伤, TR0° 探头负责监控

能, 可根据不同检测轨型( 43~75k g m ) 定制不 轨头、 轨腰和轨底水平纵向裂纹, 55° 探头负责监控

-1
·
同的超声配置, 来提升对中偏差、 有轨型变化、 线路 轨头劈裂。与国外的皮带轮式探伤车相比, 国内皮
状态不良等情况下的检测效果。 带轮式探伤车采用相控阵布局方式: 取消横向 55°
1.2 皮带轮式超声布局方案 和内外侧的70° 探头, 保留一次波 37° 和一次波 70°
钢轨探伤车的超声检测原理如图3所示, 皮带 探头, 同时增加两个相控阵超声探头用于检测轨头
轮式和轮式探伤车检测原理相同。探轮内声程约占 核伤, 70° 相控阵探头晶片排列与钢轨横截面平行,
探伤总声程的 2 / 5 , 而皮带轮式探伤车的超声波从 钢轨探伤的常规超声布局如图4所示。

近场区入射, 可避免声程浪费。在6mm 的扫查间

-1
距下, 轮式探头理论最大检测速度为86.4km · h ,

皮带轮式布局方式理论最大检测速度可达120km ·
h , 且相同速度下皮带轮式采样精度更高。此外
-1
平铺式布局的超声信号存在物理空间隔离, 可避免
超声串扰等问题。

图4 钢轨探伤的常规超声布局示意
相控阵超声技术通过生成多个声束来实现钢轨
轨头全覆盖检测, 当采用串行方式激发不同角度声
束时, 激发声束越多则检测周期越长, 即探伤速度与
波束数量成反比。为实现高速、 高效地检出探伤目
标, 引入快速相控阵技术( FAAST-PA ), FAAST-
PA 主机能够在相控阵探头上一次激发多方向和 /
或多聚焦的多个声束, 然后实时处理接收到的所有
声束信号。快速相控阵技术可将数据处理速度提高
到普通相控阵技术的8倍, 即其激发8个角度声束
所用 时 间 是 普 通 相 控 阵 技 术 的 1 / 8 。同 时 利 用
FPGA ( 现 场 可 编 程 门 阵 列) 并 行 处 理 技 术 对
FAAST-PA 主机的超声数据进行后处理, 理论检测
速度可达110km · h 以上。一维线性相控阵探头

-1
一次激发多个定向声束的原理如图5所示。

图3 钢轨探伤车的超声检测原理
图5 一维线性相控阵探头一次激发多个定向声束的
国外皮带轮式探伤车采用常规超声布局: 2 个 原理示意
直打37° 探头( 前后向入射), 2个内中外3晶片集成 利用快速相控阵技术的多波束偏转聚焦、 并行
的70° 探头( 前后向入射), 1 个激发接收( TR ) 0° 探 发射和接收等特点, 可极大提高钢轨轨头探伤的声
1
7
2023年 第45卷 第4期
无损检测