钢轨超声波高速探伤

钢轨超声波高速探伤系统设计

《检测技术》课程设计说明书

同组成员：刘言5040309901

游宇5040309297

刘祖良5040309285

胡晟5040309165

吕吉5040309288

2007年6月

目录

一.设计题目 (1)

二.设计目的 (3)

三.设计要求 (3)

四.设计背景 (4)

五.技术原理 (9)

六.基本设计过程 (11)

1.探头的设计 (11)

2.探伤系统的设计 (15)

3.探伤小车的设计 (18)

4.探伤车组的设计 (22)

5.其他 (24)

七.高速探伤车的关键技术 (25)

八.设计总结 (27)

九.参考书目 (29)

钢轨超声波高速探伤设计说明书

【设计目的】

我国铁路运输繁忙，列车运行间隔只有十几分钟，同时，运

营线路近七万公里，线路状况较差，超期服役钢轨数量很大，

钢轨伤损发生率高。为了保障铁路运输安全，目前检测钢轨

内部缺陷的主要设备为小型钢轨超声探伤仪，由人工进行钢

轨伤损的检测。为防止、监测伤损的发生、发展，平均每年

每条线路检测需十遍以上，总检测里程近一百万公里，全线

有近万名专职钢轨探伤人员负责钢轨内部伤损的检测。随着

中国铁路的第三次提速，使铁路对于能在现有鱼尾板联结线

路上完成高速探伤的设备需求日益迫切，研究开发钢轨高速

探伤车，使其在检测时不影响铁路正常运营，对铁路运输业

具有重要的意义。试设计钢轨探伤系统。

【设计要求】

（1）以5人左右的小组为单位，注意发挥集体的力量。对问

题的讨论务必注意叙述的清晰性、严谨性。

（2）最后的结果必须以Word文档和PowerPoint 文档提

交，每组只提交一份文档即可。注意，文件的格式、图表的

美观将作为评价的一部分。其中图必须采用Microsoft Visio

描画。

（3）每组在班级作10-15分钟交流。

（4）可以进行自由选题，问题可超出教师拟定的问题之外。【设计背景】

钢轨和钢轨伤损

一．钢轨的作用和分类

（一）钢轨的作用：

钢轨是轨道结构的重要部件，主要作用是支持并引导机车车辆的车轮，直接承受来自车轮的载荷和冲击，并将其传

布于轨枕和扣件。在自动闭塞区段，钢轨成为信号电流的导

体，起到轨道电路的作用。在电气化区段，钢轨还起到牵引

电流的回流导线。

（二）钢轨的分类

目前我国定型钢轨分类如下：

a)按钢轨成份分：

i.普碳钢:U71、U74和U71Cu等

ii.合金钢:U71Mn、U70MnSi和U70MnSiCu等

b)按钢轨重量分：

38kg/m；

43kg/m；

50kg/m；

60kg/m（主要线路使用）；

75kg/m（主要线路使用）。

c)按钢轨长度分：

12.5m、25m以及超长无缝钢轨

二．钢轨的性能和成分

（一）钢轨的性能

1.机械性能

主要包括：强度，塑性，硬度，韧性，疲劳

2.综合性能

在列车行驶下的抗压性，耐磨性，抗剥离，抗磨擦，抗疲劳，

耐腐蚀，可焊接性。

（二）钢轨的成分

主要成分：钢和碳；

有益成分：锰、铜、钒、钛等；

有害成分：硫、磷、氧、氢等。

三．钢轨伤损和形成原因

共分五大类：

1.钢轨核伤（危害最大的伤损，也是探伤的主要项目）

2.钢轨接头伤损

3.钢轨水平和纵向裂纹

4.钢轨轨底裂纹

5.钢轨焊接接头伤损

（附：核伤形成的主要原因是钢轨本身存在白点、气泡、非金属杂质或严重偏折等缺陷。在列车动载荷的重复作用下，使这些微细疲劳源逐步扩展而形成斑痕，通常称为白核。当白核发展至轨面，疲劳斑痕受氧化，逐步发展成为黑核。除材质因素外还有下列原因：

a)接触疲劳形成的核伤

b)轨面剥离形成的核伤

c)鱼鳞破损形成的核伤

d)擦伤焊补形成的核伤

等等原因。实验表明，当核伤面积占轨头5%~10%，静力强度只有正常钢轨的16%~40%；当占10%~15%时，疲劳强度下降90%以上；当占20%~30%时将发生断轨。

由此可见，核伤是钢轨伤损中最为严重的项目，因此也就成为探伤中最重要的项目。

其他种类伤损形成原因及危害此处略，详见《钢轨探伤工》P135)

四．无损检测简介

1．无损检测的定义

无损检测是一门综合性的应用科学技术，它是在不改变或不影响被检对象使用性能的前提下，检验和分析材料、零件和构件的一种非破坏性检测方法。

2．无损检测的特点

a) 不破坏被检对象；

b) 可实现100%的检验；

c) 发现缺陷并作做出质量评估；

d) 可对缺陷成因及发展规律做出判断；

e) 对关键部件和部位在运行中作定期检查，甚至长期监控，

以保障运行安全。

3．无损检测的方法

1.射线探伤（RT ）;

2.磁粉探伤（MT ）；

3.渗透探伤（PT ）；

4.涡流探伤（ET ）；

5.超声探伤（UT ）；

6.计算机断层成像技术(CT)。

X 光探伤仪 ↑

↑磁粉探伤仪

四．五种主要探伤方法比较

五．我国超声波探伤的发展

1954年：引进瑞士MATISA设备

1969年：上海无线电22厂研制首台A型脉冲反射式钢轨探伤仪（JGT-1型）

1993年：颁发探伤国家标准（TB/T 2340——2000）

【技术原理】

超声波探伤原理：

超声波是指频率为超过20kHz的声波，探伤利用了其三个特性：1．发射特性：当超声波由一种介质进入另一种介质的时候会发生反射，当介质密度相差悬殊时，声波几乎完全反射回来。

2．衰减特性：在传播过程中，由于受到介质或者杂志的阻碍，强度会产生衰减。

3．声速特性：在同样条件下，其在同一介质中传播速度为常数，这是进行测量的基础。

对钢轨进行探伤基本原理是利用声波在不同介质中的传播特性，用200kHz的声波射人钢轨中，当遇到钢轨损伤时，根据反射回来的信号，即可判断伤痕的大小及位置。在探伤仪上安装有不同角度的探头，分别检查不同部位的损伤。如70度角探头。用来发现轨头内的核伤或横裂，35~45度角探头可探轨腰及螺栓孔损伤，垂直探头发射纵波，可探轨头轨腰轨底的水平裂纹、纵裂纹。

采用脉冲反射法，根据反射脉冲信号幅度及其在荧光屏上显示的位置来判断缺陷的方法，称为脉冲反射法。它是超声波探伤中应用最

广泛的方法。

脉冲反射法的优点：适用范围广，探伤灵敏度高，缺陷定位正确，操作方便。缺点是反射波受缺陷取向影响，超声波在传播过程中衰减大，对近表面的探测能力差。

超声波脉冲探伤方法的分类方法：（如图）

探头对于这种缺陷的反应分析：

各种缺陷性质的分析

【基本设计过程】

一．探头的设计

目前探头的主要形式有两种：轮式探头与滑靴式探头。

１．轮式探头，轮子由透声树脂材料制作，内充透声液，轴上装固定探头。一般有三个探头芯，向钢轨发射三种不同方向和不同波型的超声波。探伤时，轮胎随车运动而转动，而其中的探头芯不动，以保持声波的发射和接收方向不变。

２．滑靴式探头，有探头芯和撬板组合而成（介绍略）。

早期探伤车由轮式探头为主，但因为当时探头设计和制作技术比较落后，适应性差，曾经一度使滑靴式探头占了上风。最近十几年，轮式探头质量明显提高，所以轮式探头又逐渐成了主流方向。

我国铁路的现状，以有缝线路为主，即使在无缝线路，由于焊接质量和波浪磨损严重，使用滑靴式探头是不合适的，主要有以下几个原因：

1．不容易实现良好的耦合

滑靴式储水腔是开放的，遇到钢轨磨耗、接缝等情况时必然会引起耦合水的流失，在储水腔重新充满之前，声波将无法

进入钢轨中，因而无法进行探伤。轮式探头的情况则有所不同，由于轮胎是柔软的，耦合水只需浸湿轨面即可，因而可以实现

良好的声耦合。

2．易产生水泡

在探头与钢轨之间的水层中间含有水泡时，超声波会发生强烈的散射衰减，使射入钢轨中的声能减弱并产生大量的水泡干扰波。尤其是那些非常细小、但极密的水泡会附着在探头的保护膜上，阻隔声波的发射，甚至会导致0°探头的底波消失。3．过钢轨接头困难

在钢轨接头处，两根钢轨之间通常存在缝隙和高差，滑靴式探头过接头时会出现以下几种情况：

a.出现振动以至探头颠覆——因为滑靴式探头是刚性结构

b.耦合水流失——由接缝引起

c.探头翘起——由高低接头引起

4．过道岔困难

道岔的有害空间少则一百多毫米，多则数百毫米。对于滑靴长度小于此尺寸的滑靴探头，过道岔时会直接调入道岔的有害空间中。为了不至于发生此类毁坏探头的事件，采用滑靴式探头的探伤车，每次过道岔时都要将探头提起；这给探伤车操纵者造成很大的困难，并且也不能完全杜绝这类事件的发生。

如果加长滑靴的长度，又会带来其它副作用。

5．用水量大

道岔的有害空间少则一百多毫米，多则数百毫米。对于滑靴长度小于此尺寸的滑靴探头，过道岔时会直接调入道岔的有害空间中。为了不至于发生此类毁坏探头的事件，采用滑靴式

探头的探伤车，每次过道岔时都要将探头提起；这给探伤车操

纵者造成很大的困难，并且也不能完全杜绝这类事件的发生。

如果加长滑靴的长度，又会带来其它副作用。

因此采用轮式探头是符合国情的，也是符合现代科技发展方向的。

轮式探头结构示意图

在现实使用中，根据钢轨探伤的需要，探伤仪一般配有70°，38°，38°+0°，45°等几种组合，各探头的组合排列形式，可以根据钢轨损伤存在规律及线路状态采取多种形式排列，但基本上有以下两种：

1)有缝线路采用38

插座编号及通道前38。后70。(外) 前70。(内)

2)无缝线路采用45°70°0°探头

二．探伤系统的设计

钢轨探伤检测系统主要由探头、超声收发装置、探头伺服控制

系统、探伤数据采集系统、损伤分析系统、耦合液喷淋系统、主控计算机以及外设等组成。

探头里装有超声换能器，通过超声发射电路使换能器按定频率发射超声波。探伤时，耦合液喷淋装置在探头和钢轨之间喷洒耦合液，保证探头与钢轨耦合良好。使超声波束大部分能量能传入钢轨内。如无损伤存在，波束到达钢轨底面后依原路返回探头，得到底波。如有损伤，则在底波前出现一个损伤波，而底波峰值降低或消失。

超声回波信号经超声接受装置放大、滤波及电平转换后送入高速数据采集系统。数据采集系统按规定格式记录下回波信号的波程、峰值及脉冲重复周期的序号，形成数据文件送人损伤分析系统。损伤分析系统判断出有无损伤并描绘出钢轨伤损图，当探测出有损伤时会自动报警。

超声探伤仪的种类（按缺陷的显示分）

A型：脉冲反射式（通常说的超声探伤仪，使用最普遍），可以确定缺陷深度和大小；

B型：可以显示探头下方工件的缺陷分布和离探头侧面的深度，获得横截面图象（当今主流方向）；

C型：可以显示工件纵截面图象。

除上述三种以外，还有D型显示、超声全息成像显示以及ALOK成像显示等多种显示。

从目前的应用看来，Ｂ型扫描方式的实时钢轨超声图形显示方

式成为潮流，操作人员监视直观，比较方便，利用计算机支持的高分辨率彩色显示器可以完成钢轨Ｂ扫描图形显示。

部分电路示意图：

变流器原理框图

五路开关信号五

路

探

头发

射

晶

片发射系统电路框图

五

路

回

波

信

号

接受系统电路框图

三．探伤小车的设计

从目前商业运用的钢轨探伤车结构来看，均采用探伤小车作为探伤装置的载运工具，且将探伤小车安装在钢轨探伤车的中部底架上。所以探伤小车是一种为钢轨探伤车的超声波探头和对中伺服系统提供安装基础的走行装置。

钢轨探伤小车的设计必须达到下列目标：

①不脱轨、不倾覆、不失稳；②运行平稳；③顺利通过曲线；④各零部件需要满足强度要求；⑤兼顾性能指标、可靠性指标、经济性指标三者协调；⑥在满足性能要求的条件下，结构尽可能简单，便于制造和维修，主要零部件应立足于国内生产制造；⑦探伤小车抬起锁紧后应满足车辆限界要求；⑧满足探伤超声传感器和对中伺服系统的安装要求；⑨应保证在直线段以８０ｋｍ／ｈ速度以下运行的安全性，在半径大于350ｍ的曲线段和直线道岔区段

以不大于40ｋｍ／ｈ速度运行的安全性；⑩探伤小车与探伤车辆组装后，无论是探伤检测时，还是吊起锁紧后，都不影响探伤车辆的运行安全。

轮式探头探伤小车外形图

导向轮简图

主要特点：

１．双导向轮结构

使用了双导向轮结构（参考美国Rails Coｍpany生产的RAIL Road Track Carts小车设计）。双导向轮结构通过道岔时，循迹导向性好。前一个导向轮过轨缝时因后导向轮与轨面支撑不会中心位置下降，避免产生跳动。

２．探头伺服对中系统