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摘要：由于輪軌滾動接觸，鋼軌軌頭工作邊容易形成魚鱗紋，若不及時維修處理，將進一步發展形成重傷或剝離掉塊，影響行車安全。根據鋼軌及道岔的型面，設計一種軌面渦流檢測系統，研究輔助機械掃查裝置及適形陣列渦流探頭等，并在實驗室和現場進行了試驗。由檢測人員在鋼軌上推行完成軌頭踏面工作邊處表面裂紋檢測，獲得軌頭踏面有無缺陷及缺陷深度的定量評估數據。試驗及現場應用研究表明，采用該系統檢測鋼軌試塊，對0.5mm，1mm，2mm，3mm深的人工斜裂紋均能有效檢出并顯示深度；采用該系統檢測在線鋼軌魚鱗紋，能夠顯示魚鱗紋的深度評估數據，為鋼軌打磨維修提供參考。
關鍵詞：道岔；鋼軌；軌面；渦流探傷；裂紋；檢測裝置
引言
道岔結構復雜，其部件包括基本軌、尖軌、翼軌、護軌和心軌等。高速鐵路上常用可動心軌轍叉道岔，軌頭踏面經過刨切為變截面。道岔是薄弱環節，如有表面缺陷沒有及時發現，容易形成剝離掉塊，或進一步發展成鋼軌斷裂，引起行車安全事故［1-5］。對道岔實現連續掃查很困難。目前，國內對在役道岔鋼軌表面不進行檢測，對魚鱗紋發展的嚴重程度無評價手段。德國鐵路采用4個通道的渦流探傷小車進行探傷或指導鋼軌打磨作業。渦流檢測屬于5大常規無損檢測方法，基于法拉第電磁感應定律，通過測量被檢工件內感生渦流的變化，來評定導電材料的某些性能或發現缺陷。由于存在趨膚效應，渦流檢測只能檢查薄試件或厚試件的表面、近表面部位，無法檢測內部深層缺陷，尤其是具有磁屏蔽作用的鐵磁性材料。渦流檢測具有非接觸、無污染、不需要耦合劑和檢測速度快等特點，適宜在役鋼軌的表面快速檢測。設計道岔鋼軌渦流檢測系統，由輔助機械裝置搭載多通道探頭掃查軌頭踏面，記錄里程和裂紋深度，檢測效率高。在鋼軌打磨前、中、后進行檢測，可為打磨維修提供數據參考。
1鋼軌軌面渦流檢測系統組引言
道岔結構復雜，其部件包括基本軌、尖軌、翼軌、護軌和心軌等。高速鐵路上常用可動心軌轍叉道岔，軌頭踏面經過刨切為變截面。道岔是薄弱環節，如有表面缺陷沒有及時發現，容易形成剝離掉塊，或進一步發展成鋼軌斷裂，引起行車安全事故［1-5］。對道岔實現連續掃查很困難。目前，國內對在役道岔鋼軌表面不進行檢測，對魚鱗紋發展的嚴重程度無評價手段。德國鐵路采用4個通道的渦流探傷小車進行探傷或指導鋼軌打磨作業。渦流檢測屬于5大常規無損檢測方法，基于法拉第電磁感應定律，通過測量被檢工件內感生渦流的變化，來評定導電材料的某些性能或發現缺陷。由于存在趨膚效應，渦流檢測只能檢查薄試件或厚試件的表面、近表面部位，無法檢測內部深層缺陷，尤其是具有磁屏蔽作用的鐵磁性材料。渦流檢測具有非接觸、無污染、不需要耦合劑和檢測速度快等特點，適宜在役鋼軌的表面快速檢測。設計道岔鋼軌渦流檢測系統，由輔助機械裝置搭載多通道探頭掃查軌頭踏面，記錄里程和裂紋深度，檢測效率高。在鋼軌打磨前、中、后進行檢測，可為打磨維修提供數據參考。1鋼軌軌面渦流檢測系統組道探頭、輔助機械掃查裝置及其他輔助裝置組成。當需要檢測時，直接將機械部分展開，無需組裝。檢測完后，直接收納，不需要借助任何工具，快速便捷。輔助機械掃查裝置搭載渦流檢測主機及探頭，由檢測人員推行，沿鋼軌走向移動。主機采用16通道，可擴展。系統中阻抗平面圖或柱狀檢測圖可選，檢測時可顯示里程及裂紋深度值。道岔鋼軌渦流檢測系統如圖1所示。
2輔助機械掃查裝置設計
2.1組成部件
輔助機械掃查裝置的功能是搭載渦流檢測主機及多通道陣列渦流探頭，沿著待檢測鋼軌長度方向移動。主要部件包括主體、搖臂、橫梁和導輪等部分。機械掃查裝置主要部件如圖2所示。
2.2主體
主體是該裝置的主要組成部分。其功能是搭載渦流檢測主機和探頭，適應鋼軌軌頭廓形，使多個渦流檢測探頭能平穩掃查待檢測鋼軌。材料由強度高、塑性好的鋁合金制成。2個彈簧壓緊機構垂直于主體架的長度方向，用于調整多個限位輪與待檢測鋼軌的位置關系，將其壓緊到待檢測鋼軌的側面。
2.3搖臂
搖臂連接到主體上側，操作人員通過搖臂推動主體，沿待檢測鋼軌的長度方向移動。搖臂可以繞轉軸相對于主體旋轉，即在水平和豎直2個方向上調整搖臂相對于主體的延伸方向，以適應操作人員的身高、操作習慣以及現場工況等。
2.4橫梁
橫梁一端與主體的內側相連接，另一端搭載在另一側的鋼軌上，且另一端具有夾緊輪，沿鋼軌外側移動，以使整個輔助機械掃查設備在操作人員控制下穩定移動。橫梁由依次連接的多個橫梁段組成，在非工作狀態下能夠折疊。橫梁展開時的狀態見圖2（c），多個橫梁段依次連接在主體和另一側鋼軌之間，形成支撐。橫梁折疊狀態見圖2（d），組成橫梁其他部分的2個橫梁段折疊，可以縮小橫梁的橫向寬度，便于收納、運輸。在2根鋼軌之間通過橫梁支撐，使主體和探頭架穩定走行，以保證探頭架在檢測過程中不會偏離軌道，并對準鋼軌待檢測部位。夾緊輪通過彈簧機構連接到橫梁的另一端，通過彈簧機構調節夾緊輪與主體之間的距離。通過調節橫梁的橫向寬度，來適應軌距變化，保證夾緊輪和多個限位輪可以分別壓緊在2根鋼軌上，使主體不會發生傾斜。
2.5前導輪和后輪
前導輪和后輪分別安裝在主體架兩端，以使主體架能夠沿著待檢測鋼軌的長度方向移動。
2.6限位輪
為進一步限定主體架與待檢測鋼軌的位置關系，在主體架的側面設置有多個限位輪。掃查過程中，多個限位輪中每一個均與待檢測鋼軌的側面貼合。通過前導輪和后輪與待檢測鋼軌軌頭上表面貼合、多個限位輪與待檢測鋼軌側面貼合，保證主體架嚴格沿著待檢測鋼軌的長度方向移動，并保持穩定。2.7電腦托盤電腦托盤設置在搖臂架上側，用于固定計算機等設備。托盤具有可調節的寬度，以適應不同的電腦尺寸。該設計簡單、易于實現。將多個掃查探頭分別連接到探頭安裝架的預定位置，并將探頭安裝架連接到主體的下側；連接橫梁和主體，將主體放置在待檢測鋼軌上，使多個掃查探頭分別靠近鋼軌軌頭的預定位置，并保持主體與待檢測鋼軌的相對位置。同時，未與主體連接的橫梁的另一端，搭在與待檢測鋼軌相對的另一側鋼軌上，通過調整彈簧機構，使夾緊輪貼緊在另一側鋼軌外側。啟動儀器、推動搖臂，整個掃查裝置沿待檢測鋼軌的長度方向移動。多個掃查探頭對待檢測鋼軌軌面不同位置進行掃查，并實時將掃查數據傳送至渦流檢測主機；渦流檢測主機接收、處理并存儲該掃查數據。計算機通過網絡與渦流檢測主機通信，獲取掃查數據，便于操作人員實時查看和分析。
3陣列渦流檢測探頭設計
渦流檢測探頭采用12個通道、無方向性探頭。該探頭沿1個方向掃查，即可檢測各個走向的缺陷，減少檢測盲區。將多個渦流探頭分別嵌入多個柔性皮帶中，連接到安裝架。柔性皮帶可以使嵌入的渦流檢測探頭更好地適應鋼軌廓形，與鋼軌表面良好貼合，減少提離效應，提高檢測精度。12個渦流檢測探頭分為2組，其中一組4個、另一組8個。8個為一組的靠近待檢測鋼軌的軌頭頂面工作邊設置，4個為一組的靠近待檢測鋼軌的軌頭側面設置。12個通道的探頭同時覆蓋鋼軌軌頭頂面和工作邊一側側面，使鋼軌表面質量掃查檢測結果更完整、準確。探頭設計及實物如圖3所示。
4渦流檢測裂紋深度定量評估
一般情況下，渦流檢測只能定性判定，無法實現定量。目前主要采用當量法，以人工缺陷當量表征缺陷大小，需要盡可能多的對比試塊。利用刻有人工缺陷的標準試塊，測得不同深度裂紋對應的渦流檢測信號幅值，繪制指數擬合曲線，保存擬合數據。在檢測過程中，計算機軟件程序根據檢測信號幅值，利用擬合曲線函數得到裂紋對應的深度值，實現裂紋深度快速定量評估。表面裂紋深度與渦流檢測信號幅度曲線擬合如圖4所示。
5檢測試驗
在實驗室進行鋼軌表面缺陷渦流檢測試驗。鋼軌試塊的軌面刻有斜裂紋，深度分別是0.5mm，1mm，2mm，3mm。試驗主要步驟如下：待設備連接好后，打開檢測軟件。首先，需檢測網絡是否連接正常，探頭連接狀態是否正常，前置驅動指數參數設置是否合理。然后打開柱狀顯示圖，開始檢測鋼軌試塊。系統中柱狀圖設置為：紅色顯示表示超過3mm深度的裂紋報警信號；黃色顯示表示大于1mm、小于3mm深度的裂紋報警信號；綠色顯示表示小于1mm深度的裂紋報警信號。裂紋深度閾值可根據具體檢測需求進行調節。檢測1mm深裂紋的信號柱狀圖顯示如圖5所示。第4通道探頭正對裂紋，其信號幅度顯示最大，為黃色。第5通道探頭僅部分覆蓋到裂紋，也有裂紋信號顯示，但幅度小，為綠色。每個裂紋深度信號都伴隨一個藍色信號，用于指示裂紋的渦流信號幅值。取3次檢測數據的平均值，實驗室渦流檢測系統鋼軌試塊檢測數據見表1。從表1中可以看出，0.5mm和1mm深的裂紋檢測誤差在5%以內，2mm和3mm的的裂紋檢測誤差在20%以內。現場應用該系統，推行順暢，軟件顯示正常。該系統應用于鋼軌硌傷后的打磨維修，打磨前檢測到硌傷信號，打磨后無硌傷信號。打磨前、中、后檢測及渦流顯示硌傷信號如圖6所示。
6結論
鋼軌軌面渦流檢測系統實現了軌面的多通道快速掃查，既適用于道岔軌面缺陷檢測，也適用于正線鋼軌。該系統采用多個限位輪，使整套系統在待檢測鋼軌上走行更加穩定。輔助機械裝置搭載多個渦流檢測探頭，以適應道岔鋼軌變截面和變化的軌距。渦流檢測探頭始終對準檢測區域，適應鋼軌及道岔的型面，減少提離效應和邊緣效應，提高檢測效率。采用該系統對鋼軌試塊進行檢測試驗，效果良好，對0.5mm，1mm，2mm，3mm深的人工斜裂紋均能有效檢出并顯示深度當量。0.5mm和1mm的檢測誤差在5%以內，2mm和3mm的檢測誤差在20%以內。當需要更精確的數據時，可以選擇手持式渦流檢測儀進行重點局部區域檢測，減少檢測誤差。該系統在線路現場進行了試用，實時顯示檢測里程和鋼軌軌面的魚鱗紋深度。下一步，該系統將在線路上進行大量試驗，逐漸改進優化，不斷提高裂紋測深檢測精度。
參考文獻
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作者：黃鳳英 王旭華 安尚文 史啟帥 單位：中國鐵道科學研究院集團有限公司金屬及化學研究所