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钢轨核伤的相控阵超声检测
发布日期:2023/7/11 14:29:00      点击次数:169

        钢轨是铁路轨道的重要组成部件,其主要功能为引导机车车辆的车轮前进,同时承载车轮的作用力并将力传递到轨枕上。随着我国铁路向重载、高速以及高密度方向快速发展,钢轨在使用过程中表现出来的滚动接触疲劳损伤越来越频繁和严重。核伤主要由钢轨滚动接触疲劳引起,是轨头踏面裂纹发展到一定深度或者轨面剥离掉块底部再次萌生裂纹到一定深度形成的,其中轨头横裂型核伤是危害性最大的损伤形式之一,已成为影响铁路运输安全的主要损伤。

       钢轨核伤一般呈椭圆形,长短轴之比约为3∶2。核伤面积与轨头横截面面积之比超过10%,钢轨的强度下降90%,容易引起突发性钢轨折断,严重影响铁路运输安全。根据核伤所在位置不同可分为“白核”和“黑核”。核伤在未发展到外表面时肉眼不可见,称“白核”;已扩展到外表面时,因氧化变为黑色,称“黑核”。

       使用相控阵探头对轨头核伤进行检测,首先基于声束传播路径和核伤分布特点得到超声折射角,然后基于轨道截面几何形状和声束击打在轨颚上的最佳位置来确定探头偏斜角和探头距轨面中心线的偏移量。最后,基于上述参数设计相控阵探头并用于核伤检测。结果证明该技术可实现轨头区域的超声全覆盖检测。

       探头折射角的确定折射角β的选择主要从利于核伤反射的角度考虑。核伤方向与轨头侧面近乎垂直,与踏面多呈10°~25°夹角(单行线上)或近乎垂直(复行线上)。在信噪比允许的情况下,β角的选取上限为65°~70°,这样可尽量减小声波在核伤上的入射角,从而利于声束反射。根据式(1)和式(2)可以得到最佳折射角为70°。


基于上述仿真放样和理论分析可得:

① 当折射角β为70°时,可获得最佳的核伤检测效果;

② 对于60轨,探头偏移量为0、折射角β为70°时,偏斜角为14.5°可使主声束检测到轨鄂中间的月牙缺陷,该参数为60轨核伤最佳检测参数;

③ 对于75轨,探头偏移量为0、折射角β为70°时,偏斜角为12.5°可使主声束检测到轨颚中间的月牙缺陷,该参数为75轨核伤的最佳检测参数;

④ 在超声入射点位置不变的情况下,若要倾斜70°的主声束检测到轨鄂中间的月牙缺陷,75轨70°折射角的声束偏斜角要比60轨的小2.2°;

⑤ 在超声折射角度不变的情况下,若要倾斜70°的主声束检测到轨鄂中间的月牙缺陷,75轨超声入射点位置要往远离轨鄂月牙缺陷方向横向平移4.85 mm。


结论:

首先对钢轨核伤进行建模分析,发现超声折射角、探头在轨面的偏斜角以及探头距轨面中心线的偏移量是影响核伤检测的主要因素,要实现核伤的最优检测需同时满足70°折射声波的二次波与钢轨纵向平行且主声束在轨鄂中部反射的条件,由此可得到适用于钢轨核伤检测的相控阵探头参数。

然后在60标定轨和75标定轨上设计了不同类型的损伤(包括轨头横孔、轨头斜孔、轨鄂月牙刻槽和轨鄂锥孔),并使用基于上述参数设计的超声相控阵探头在轨面进行横向偏转扫查,上述所有损伤均被检出且信噪比不低于12 dB。试验结果证明基于相控阵技术的钢轨核伤检测可以适应不同轨型高度和轨鄂倾角的变化,实现轨头区域的超声全覆盖。


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