Page 116 - 无损检测2024年第六期

张海山，等：

双轨式钢轨超声检测系统的设计与应用

准产生了各种串列式扫查方式和工具 。但是这些 1.1 设计原理
[1]
扫查都是基于手持仪器进行的，检测效率很低。虽 针对图1中所示的垂直裂纹问题，如果增加探
然有些手推车增加了串列式扫查功能，但是需要采 头，通过轨底的反射，将处于不同高度的垂直裂纹通
用多达10个滑靴式探头，推行阻力很大，维护保养 过不同的发射和接收组合，就可以检测到钢轨中任
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的难度也大，而且检测速度也只能达到3 km · h ， 意深度的垂直裂纹。为此可以把钢轨检测区域沿竖
探头数量多也导致其耦合效果较差。其二，对于轨 直方向均匀划分为多个扫查高度h，每个扫查高度对
底角区域，也就是通常所说的钢轨检测的第三区，由 应一个用于接收垂直伤损反射信号的接收探头和发
 H 
于超声波从轨面发射，不能到达轨底脚区域，故当前 射探头，若钢轨的深度为H，int  h   是将整个钢轨

的机械化检测设备不能对轨底角区域进行检测。根 
深度均匀划分的节点数，每一个节点要有一个发射
据标准TB/T 2658. 21—2007，对钢轨轨底角区域应 探头和一个接收探头对应。
采用单探头或者双探头进行手工检测。 串列式扫查发射和接收声束路径如图 2所示，
针对当前机械化检测设备无法有效检测钢轨焊 图中将国内常用的60轨均分成17等份，每一等份的
缝两处位置的难点，研发了一套双轨式钢轨母材焊 扫查高度是10 mm。发射探头和接收探头均设置在
缝综合检测系统。首先，研发了一套轮式探头串列 钢轨的上表面，发射探头1发出的超声波信号沿发
式扫查系统，并将其安装于双轨式钢轨超声波检测 射路径A行进，遇到检测区域内某一高度D处的垂
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仪上 [2-3] ，检测速度可达15 km · h ，轮式探头保证了 直伤损后会发生镜面反射，反射信号沿发射路径B
检测过程中良好的耦合性。该设备不仅保证了对垂 行进至钢轨底面再次发生镜面反射，沿接收路径C
直伤损的检出能力，而且在对钢轨母材检测的同时 行进被对应的接收探头7接收，分析接收探头7接收
可完成焊缝检测作业中要求的串列式扫查。其次， 到的超声波信号即可得到伤损位置等信息，以便及
研发了一套轨底的焊缝检测系统，同样采用轮式探 时对不合格轨道进行更换；在此基础上为发射探头1
设置了接收探头3~10来接收其在不同高度处遇到
头，安装有双轨式钢轨超声检测仪，可以实现钢轨焊
的垂直伤损反射信号（发射探头2也作接收用），同
缝轨底的快速检测。
样为发射探头2设置了接收探头3~10接收其在未
1 应用于双轨式检测仪的轮式探头串列式 被发射探头1覆盖的多个高度处遇到的垂直伤损反
扫查系统设计 射信号，因此用2个发射探头和8个接收探头的组合
覆盖了17个高度的伤损检测，同时由于超声波声束
首先设计能应用于双轨式钢轨超声检测仪的
的扩散性，实际上该方案能够覆盖整个钢轨的高度。
串列式扫查系统，实现对垂直伤损的检出功能。当
前37°探头及70°探头不能有效地检出轨腰及轨头的
垂直裂纹。双轨式检测仪的 37°探头只能检测轨腰
的倾斜裂纹、螺孔裂纹和轨底横向裂纹（月牙伤），
但对于轨底 20 mm 以上的垂直裂纹几乎无检测能
力，其原因为伤损回波会落到探头后面（或前方），
探头无法接收到信号，该情况下的声束路径如图 1
图 2 串列式扫查发射和接收声束路径示意
所示。
图 2 中 17 个节点离轨底面的高度分别为 10，
20，……，170 mm，对应的发射接收组合分别是
1 → 2，2 → 3，1 → 3，2 → 4，1 → 4，2 → 5，1 → 5，
2 → 6，1 → 6，2 → 7，1 → 7，2 → 8，1 → 8，2 → 9，
1→9，2→10。图2中每一个路径都是等距离的，以
60钢轨为例， 如果入射角为38. 65°，从发射到接收的
时间则为140 µs，最简单的触发时序就是按照前面
图 1 37°探头无法检测垂直裂纹情况下的声束路径示意 所描述的发射接收组合，每隔140 µs，依次发射和接

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2024 年 第 46 卷 第 6 期
无损检测