GTC-60型钢轨探伤车检测状态不良的原因分析及对策研究.pdf

南 方 职 业 教 育 学 刊JOURNAL OF SOUTHERN VOCATIONAL EDUCATION第 13 卷 第 2 期2023 年 3 月Vol.13 No.2Mar.2023大型钢轨探伤车在国外发达国家的应用已有几十年的历史，早已替代人工探伤设备，成为检测在役钢轨伤损的主要手段。检测钢轨伤损的办法主要有超声波探伤和磁感应探伤。由于超声波探伤具有灵敏度高、检测速度快、定位准确、经济性好等优点，目前超声波探伤技术在我国得到了广泛的应用。我国从 1993 年开始引进美国钢轨探伤车，1994 年成功投入使用，在役的探伤车主要包含 GTC-40、GTC-60、GTC-80 三种车型。本文主要从解析 GTC-60 钢轨探伤车的探伤原理入手，结合现场生产情况分析检测过程中状态不良的原因，提出一种将静态调整和动态调整相结合以保证系统良好状态的解决方法。1 GTC-60 型钢轨探伤车探伤系统结构及其原理GTC-60 型钢轨探伤超声波检测系统由探轮、实时处理系统、控制显示计算机、A 型显示系统、B 型显示系统组成。探轮内部集成了超声波换能器，能够发射和接收超声波。超声波信号通过耦合液传递至钢轨，遇伤损或边界后反射，进入实GTC-60 型钢轨探伤车检测状态不良的原因分析及对策研究李 曙1，陈 晓2，刘治辉2（1.广州铁路职业技术学院，广东 广州 511300；2.中国铁路广州局集团有限公司广州大机段，广东 广州 511400）摘 要：钢轨探伤车利用超声波原理对钢轨表面及内部伤损进行检测，检测时由于钢轨内部的状态及线路的状态不一，不可避免地会导致系统出现较多的杂波，既影响了检测系统的有效检测率，也干扰了回放员对伤损的判断。在介绍探伤系统工作原理的基础上，分析导致检测状态不良的原因，提出了一种将静态调整和动态调整相结合的方法。该方法有效地提高了检测系统的判伤准确率，通过采样试验证明，系统有效检测率提高了 26.7%。关键词：GTC-60 型钢轨探伤车；检测；探轮；静态调整；动态调整中图分类号：U216.3 文献标志码：A 文章编号：2095-073X（2023）02-0089-08收稿日期：2023-02-06基金项目：广东省普通高校重点领域专项（2021ZDZX4074）作者简介：李曙（1990），男，湖南桃江人，广州铁路职业技术学院工程师，硕士，研究方向为铁道工程施工、维护与现场管理和技术指导。陈晓（1993），男，湖南溆浦人，中国铁路广州局集团有限公司广州大机段工程师，学士，研究方向为工务机械。刘治辉（1983），男，湖南益阳人，中国铁路广州局集团有限公司广州大机段高级工程师，硕士，研究方向为工务机械。南 方 职 业 教 育 学 刊90第 13 卷时处理系统进行超声波回波信号处理，接收到的信号会分两路：一路输出到示波器进行 A 型显示，显示出声波幅度与传输时间的关系；另一路传输到显示计算机，经过空间转换及伤损识别后，把数字化的超声波信息转换成为以钢轨里程及伤损埋藏深度为参考系的 B 型显示1。简单来说，钢轨探伤车探伤系统的检测原理是依靠探轮中换能器的压电效应及其逆压电效应来实现超声波的发射和接收。发射的高压脉冲激励着换能器产生超声波，超声波在钢轨内部传播过程中遇到缺陷（空气介质）时会产生反射，反射的超声波被仪器接收，通过数模转换后展现在显示计算机上。回放员通过分析其图像规律判断钢轨伤损性质。1.1 A 型显示系统钢轨探伤中超声波 A 型显示系统主要包含两部分信息，前半部分的激励波显示和后半部分的回波显示。A 型显示分为两大类：0 通道 A 型显示、非 0通道 A 型显示。非 0通道是指 45、70 和侧打通道。两类 A 型显示的前半部分显示内容相同，都显示激励波。它的显示顺序是按晶片激励的先后排序，这是因为 3 种激励晶片到钢轨表面的距离不一致。为了使晶片的激励波到达钢轨表面的时间相同，只有控制激励时序，从而使超声波同步到达钢轨表面，以达到同步计算和处理。后半部分的显示内容有区别，例如 0 通道显示中有界面、伤损、底面 3 个监视闸门及回波，非 0 通道只有伤损监视闸门及回波。回波部分显示的内容主要把数字信号处理后的回波、闸门显示出来。A 型显示最主要的作用，一是根据界面波、底面回波强弱来调整探轮是否在钢轨轨腰正上方，二是通过激励波与界面波距离调整探轮的下压量2。1.2 B 型显示系统钢轨探伤中超声波 B 型显示是系统根据空间转换和伤损识别后的图形数据配上定位信息、路况信号在显示器上显示，同时系统也会进行伤损自动识别，在钢轨下方显示出伤损图标。这些构成完整的 B 型显示。B 型显示内容包含两个窗口，一是弹出窗口，弹出窗口主要显示钢轨的纵截面图形，显示超声波在钢轨中的状态及车子运行的状态，其中包含钢轨内部的反射情况、伤损所处的位置、检测速度、检测里程等；二是进程窗口，进程窗口主要显示弹出窗口所在的状态、伤损的标志等3。1.3 探轮探伤小车作为钢轨探伤车的核心检测部件，其包含小车支架、水平液压油缸、倾角液压油缸、提升油缸和 4 个探轮。小车支架是检测小车的主要支撑部件；水平液压油缸是调整探轮水平的工作油缸；倾角液压油缸是调整探轮倾角的油缸；提升油缸是提升和下降检测小车的动力单元，在不检测时，检测小车可以通过钩子和绳索，固定在车架上；探轮是探伤的核心元件，探轮内的晶片承载着超声波的发射和接收。探轮内部主要包含 1 个 0 晶片、1 个 45晶片、1 个 70 晶片、1 个侧打换能器、1 个六芯轴和 1 升耦合液。探轮内部的 70 晶片有三个通道，主要用于发射和接收内侧 70 信号、中心 70 信号和外侧 70 信号，用于检测钢轨轨头部位的表面扎伤和轨头核伤等伤损。每个探轮内部包含 1 个 45晶片，主要用于发射和接收 45 信号，用于检测钢轨轨腰螺孔的斜裂纹以及轨底的横向裂纹等伤损。每个探轮内部包含 1 个 0 晶片，主要用于发射和接收 0 信号，通过 0 反射和 0 失波两种情况来实时判断探轮的对中情况，检测钢轨的表面轧伤、轨腰螺孔的水平裂纹、轨腰的水平裂纹等伤损。探轮内部的耦合液能够有效地保护探轮内的晶片不受到损坏，还能将晶片发射出的超声波信号传递到钢轨内部。探轮内的六芯轴是用来固定内部晶片的机械结构，负责传递各晶片的发射和接收信号，也是调整 0 晶片对中的构件4。91第 2 期2 检测系统状态不良的现象及其原因分析一台钢轨探伤车每年能检测近十万公里铁路线路。由于每段被检测线路和每根钢轨的状态都不一致，最初调整好的检测系统参数根本无法适应不同要素的曲线和不同状态的钢轨，很容易出现由各个通道反射回来的杂波，从而增加回放分析人员的工作量、影响系统的检测效果和降低系统的有效检测率5。根据理论推导、图像分析和实际操作发现，导致检测系统状态不良的原因主要有探轮状态不良、检测员操作不当和探伤小车机械机构间隙增大三大类。探轮状态不良包括晶片老化、调零不到位、晶片失效或接线松动、探轮缺液、六芯轴故障五种原因；检测员操作不当包括探轮对中不良、增益调整不当、噪声干扰等三种原因。2.1 探轮状态不良（1）晶片老化探轮内的晶片老化，会降低晶片的压电效应及逆压电效应，缩小检测时发射和接收到的超声波能量。在 A 型显示图里表现为该晶片所有通道的始波、界面波或底波减弱，在 B 型显示图中表现为晶片某一通道接收的信号减少，无法接收到钢轨内部构件的正常反射回波，从而导致检测系统无法检测到钢轨伤损，容易导致漏伤。图 1 为右后外侧探轮 70 晶片老化的 A 型显示图。图 1 右后外侧 70 晶片老化 A 型显示图（2）调零不到位探轮中 0 晶片调零不到位，会导致 0、70、45 晶片的发射方向产生改变。其在 A 型显示里表现为在增益调到合适的情况下，0 晶片的底波较低甚至消失；在 B 型显示中表现为 0 出现失底波，前后探轮 45 晶片对螺孔的反射图形无法呈现八字形，反射图像会交叉或分离较远，前后探轮70 晶片对接头的反射比较零散。调零不到位会导致回放员出现漏判或误判，同时也对伤损的定位和定量产生干扰。图 2 为右侧前向 0 晶片调零不到位的 A 型显示图。图 2 右前 0 晶片调零不到位 A 型显示图（3）晶片失效或接线松动晶片失效或晶片与六芯轴的接线松动，会导致该晶片对超声波的发射和接收全部丢失。其在 A型显示图中会显示该通道的始波、界面波、底波会全部消失；B 型显示图中表现为该通道无任何超声波接收信号。晶片失效或接线松动也就意味着该晶片的检测效果完全失去，会导致检测数据失效。图3 为左侧前向 45 晶片失效的 A 型显示图。图 3 左前 45 晶片失效 A 型显示图李 曙，陈 晓，刘治辉：GTC-60 型钢轨探伤车检测状态不良的原因分析及对策研究南 方 职 业 教 育 学 刊92第 13 卷（4）探轮缺液探轮缺液主要是由于探轮外膜破裂导致探轮内进入大量的空气，在 A 型显示图中显示 0 的底波会消失，70 和 45 通道的反射会出现许多杂乱无章的波形；在 B 型显示图中会显示为 0 一直失去底波，45 和 70 接收到的信号中会出现满屏的杂波。探轮缺液会导致系统失去检测效果。图 4为右后探轮外膜破裂的 A 型显示图。图 4 右后探轮外膜破裂 A 型显示图（5）六芯轴故障六芯轴产生故障将会导致所有晶片所接收到的超声波信号无法准确传递到计算机，在 A 型显示图中表现为各个通道的监视闸门里有许多不规则的草状波，在 B 型显示图中表现为各个通道的反射会无规则地布满检测区域。六芯轴故障会导致检测系统的检测效果完全失效。2.2 操作不当（1）探轮对中不良将探轮保持在钢轨的中心部位能确保 0、70、45 晶片的反射能量达到最高、探伤效果达到最佳。导致探轮对中不良的原因有两种：一是操作人员在静态调整时，没有将某侧探轮调整在钢轨的中心部位，使检测过程的调整失去基准；二是检测小车经过曲线时，由于重力的原因，探轮会朝曲线低股倾斜，使探轮无法处于钢轨中心部位。在检测过程中，探轮对中不良会导致某侧前后 0 晶片发射的信号在轨颚位置发生反射，无法贯穿轨腰及轨底，失去底波；某一侧的 70 晶片反射变得强烈，出现较多的杂波干扰检测。如图 5为左侧探轮对中不良的 A 型显示图。图 5 左侧探轮对中不良 A 型显示图（2）增益调整不当增益调整不当包括增益过高和过低两种情况：增益过高，在 A 型显示图中，监视闸门会出现较多的草状波，B 型显示图中会出现较多的杂波；增益过低，A 型显示图中信号的发射和接收的超声波能量都会降低，B 型显示图中反映超声波信号的图像显示会减少。增益过高，会导致系统在采集数据过程中出现较多的杂波，增加回放人员的工作量，对伤损的定量分析产生误判；增益过低，会导致系统接收到的信号减少，对伤损的检测率也会降低，容易导致漏伤，对伤损的定量分析也会产生干扰。图6为左侧前向内侧70 晶片增益过大的A型显示图。图 6 左前内侧 70晶片增益过大 A 型显示图93第 2 期（3）噪声干扰检测过程中，由于检测速度的不同或探伤车车轮与钢轨的耦合不良，会导致钢轨与车轮之间摩擦较大，会产生噪声。噪声的产生会干扰超声波的接收，检测系统中会显示较多零散的杂波。2.3 探伤小车机械机构间隙增大随着探伤小车使用的年限增加或日常保养不当，由于机械疲劳的原因，探伤小车机械结构间隙会增大。其在检测过程中会导致探轮行走出现蛇形的状况，也就意味着探轮始终处于对中不良的情况，系统会产生大量的杂波干扰检测。3 一种将静态调整和动态调整相结合的检测方法3.1 静态调整静态调整分为静态对中调整和静态参数调整。静态对中调整是指在检测之前的直线地段放好检测小车后，对某一侧探轮进行水平及倾角的调整，使某侧前后两个探轮在同一条直线上并处于钢轨中心位置；静态参数调整是将每个晶片各个通道的参数进行的调整，以保证每个晶片处于最佳检测状态。3.1.1 静态对中调整探轮的静态对中调整应在直线地段进行，并分左右两侧依次调整。每次检测前必须用倾角和水平液压油缸调整探轮在钢轨上的位置，使探轮0 晶片的声场中心轴线与钢轨中心重合（对中），确保 0 晶片底波回波最强。对中调整主要通过观察 A 型显示图来进行操作，通过修改 0 晶片底波增益参数，将某一侧前后两个探轮里的 0 底波回波高度调到 A 型显示图屏幕的 50%；通过调节水平液压油缸，观察前后探轮 0 晶片底波是否同步上升或下降（如不同步，要在车下探轮架水平位置调节螺栓，直至两个探轮前后同步动作），再分别调节探轮的水平和倾角油缸，使前后探轮的0 底波反射都达到最高，此时记录好水平对中数值和倾角数值，然后增加前后探轮 0 晶片底波增益，使 0 晶片的底波回波达到显示屏的 100%，最后再在此数值上增加 12 个 dB 值，以此作为探轮 0 底波增益参考值6。3.1.2 静态参数调整各参数调整的原则是在杂波最少的前提下尽量提高各通道参数，在有缝线路保证 B 型显示图正常，在无缝线路保证 A 型显示图的界面波有满屏回波7。通过理论分析和大量现场试验，统计出各通道参数的调整参考值，如下表 1。表 1 各通道参数的调整参考值李 曙，陈 晓，刘治辉：GTC-60 型钢轨探伤车检测状态不良的原因分析及对策研究通道参数07045界面波增益（dB）1725/界面波闸门延迟（us）120/界面波闸门宽度(us)100/界面波阈值()3050/监视闸门增益（dB）203520352035南 方 职 业 教 育 学 刊94第 13 卷3.2 动态调整动态调整是指在检测过程中对探轮的对中和实时参数进行的调整，主要包括曲线地段的对中调整和检测过程中各通道实时参数进行的调整。3.2.1 曲线地段的对中调整检测小车在过曲线时，由于重力作用，会向曲线低股一侧进行倾斜，容易导致探轮对中不良。在行车过程中，直线地段的对中调整比曲线地段的调整要容易。在检测小车进入曲线之前，操作人员对探轮的对中要进行预调整，提前调整水平油缸 35 个数值（35mm）以提前将探轮往曲线高股一侧进行调整，并在通过曲线后回调水平油缸至直线地段的标准值，以保证通过直线和曲线地段的探轮都能够处于钢轨的中心位置。3.2.2 检测过程中对各通道的实时参数进行调整检测过程中对各通道的参数调整有两种方法。一是通过观察 B 型显示图实时显示的检测情况来进行调整，当发现多处某一通道接收到的信号都较弱或杂波较多时，就要将这个通道的参数增加或减少增益值，确保检测系统的检测参数始终处于最适应某段线路的最佳状态。以外侧 70 通道为例，当发现某个探轮的外侧 70 通道接收的杂波较多，在调整探轮对中无效的情况下，就需要降低外侧 70 的增益来减少杂波。另一方面，也要避免增益调到过小而影响系统的检测效果，操作人员需要继续观察多个接头部位的外侧 70 的反射是否正常，以此来确保外侧 70 通道能够有效探伤。另一种方法是通过观察 A 型显示图来及时调整探轮的对中及其参数。在检测过程中，如发现 A 型显示图中的监视闸门内持续出现杂波或回波不正常时，就要调整该通道的实时参数。以 0 通道为例，如果发现 0 底波闸门回波较低，在探轮对中调整无效的情况下，就需要增加 0 底波闸门的增益；如果发现 0 界面波较低的情况下，就需要增加 0 界面波闸门的增益。3.3 探伤小车机构检修保养导致检测系统状态不良的主要原因之一是探伤小车机构的老化或保养不良，它包括探轮状态续上表监视闸门延迟(us)93530监视闸门宽度(us)50 轨 39、60 轨 476070130底波闸门增益(dB)2040/底波闸门延迟(us)0.11/底波闸门宽度(us)1015/距离幅度补偿(us)050闸门阈值()505050抑制（）203020302030射频测试增益（dB）25252595第 2 期不良和探伤小车机械结构间隙增大。机械结构间隙过大会导致探轮行走出现蛇形的状况，这就要求检测人员在日常工作中加强检查，及时发现隐患并处理。探轮状态不良包含晶片老化、调零不到位、晶片接线松动、六芯轴故障和探轮缺液。遇到这些情况，操作人员就需要有丰富的经验，结合 A 型显示图和 B 型显示图，及时发现并在最短时间内更换探轮，保证检测系统的良好检测效果。4 现场检测试验为验证检测状态不良的原因分析和对策的有效性，选取中国铁路广州局京广线 K1900-K1950区段的线路作为被检测对象。该线路区间既有直线又有曲线，且为有缝线路，已知超声波反射体较多。4.1 验证造成检测系统状态不良的原因在使用原有检测方法时，通过分析本段数据发现，在检测过程中出现检测系统状态不良区段有 7.5km，约占总检测区段的 15%。通过统计和分析采集检测数据发现，导致系统状态不良的原因组成如图 7 所示，其中探轮缺液占 27%，对中不良占 24%，增益不合适占 16%，噪声干扰占8%，调零不到位占 7%，晶片老化占 6%，晶片失效或接线松动占 5%，机械间隙过大占 4%，六芯轴故障占 3%。图 7 检测系统状态不良的原因组成4.2 验证一种将动态调整和静态调整相结合的方法的有效性在使用一种将静态调整和动态调整相结合的方法时，再次选取京广线 K1900-K1950 区段的线路作为被检测对象。通过分析本段数据发现，检测系统状态不良区段有 5.5 公里，约占总检测区段的 11%，系统有效检测率提高了 26.7%。5 结论通过介绍大型钢轨探伤车在我国的应用情况，解析了 GTC-60 检测系统的结构和探伤原理，结合实际工作情况，重点分析了导致检测过程中状李 曙，陈 晓，刘治辉：GTC-60 型钢轨探伤车检测状态不良的原因分析及对策研究增益不合适16%对中不良24%探轮缺液27%机械间隙过大4%六芯轴故障3%晶片老化6%调零不到位7%噪音干扰8%晶片失效或接线松动5%南 方 职 业 教 育 学 刊96第 13 卷态不良的原因，并在此基础上提出了相应的对策。第一，导致检测系统状态不良的主要原因是探轮状态不良、检测员操作不当和探伤小车机械机构间隙增大三大类，因此必须改进探伤车检测方法、加强机构保养、合理调整参数、提高人员操作技能和分析能力，才能有效减少探伤车漏检伤损。第二，对提出的一种将静态调整和动态调整相结合的方法进行了实际线路的动态试验，结果表明，使用该方法下的系统有效检测率提高了26.7%，该方法能够有效减小伤损误报率，提高伤损检测的重复性，提高伤损检出准确率，使伤损检测可知可控，进一步确保检测系统状态良好，提高检测数据有效率。参考文献：1国家市场监督管理总局 国家标准化管理委员会GB/T 28426-2021 铁路大型养路机械 钢轨探伤车S 北京：中国标准出版社，20212谭群林 钢轨超声波探伤的信号处理A 2013 年轨道交通电气与信息技术国际学术会议（EITRT2013）论文集C 20133徐其瑞，刘峰钢轨探伤车技术发展与应用J 中国铁路，2011（7）：38-414张玉华，许贵阳，李培，等钢轨探伤车自主化超声检测系统的关键技术J 中国铁道科学，2015（5）：131-1365秦怀冰钢轨探伤车漏检伤损原因分析及对策研究 铁道建筑，2016（12）：117-1206杨国涛 钢轨探伤车探伤作业系统自主化研究 铁道建筑，2016（9）：124-1267石永生，张玉华，李培，等高速铁路钢轨探伤车动态灵敏度设置探讨 铁道建筑，2014（9）：113-116.Cause Analysis and Countermeasure ofGTC-60 Rail Flaw Detector in Bad ConditionLI Shu1,CHEN Xiao2,LIU Zhi-hui2(1.Guangzhou Railway Polytechnic,Guangzhou 511300,China;2.Guangzhou Locomotive Depot of China Railway Guangzhou Group Co.Ltd,Guangzhou 511400,China)Abstract:The rail flaw detection car makes use of the principle of ultrasonic to detect the surface and internal damage of the rail.Due to the different situation of the interior rail and the line,the system will inevitably produce more chaotic wave,which not only affects the effective detection rate of the system,but also interferes with the damage judgment of the person who deals with the playback of the system.Based on the working principle of the flaw detection system,the paper analyzes the causes of poor detection,and proposes a method which effectively improves the detection accuracy of the system by combining static adjustment with dynamic adjustment.The sampling test proves that this method increases the effective detection rate of the system by 26.7%.Key words:GTC-60 rail flaw detection vehicle;detection;an exploratory wheel;static adjustment;dynamic adjustment