圖 1系統(tǒng)關(guān)聯(lián)關(guān)系示意
隨著中國鐵路系統(tǒng)的多次提速，列車行駛速度不斷提高，行車頻率、運營負荷越來越大，中國鐵路正在向高速、重載的方向快速發(fā)展，對鐵路線路在役鋼軌的安全性要求也日益提高。利用大型鋼軌探傷車對在役鋼軌進行快速探傷檢測已成為國鐵集團各路局工務(wù)部門進行鐵路鋼軌維護的重要手段。當前，大型鋼軌探傷車在全路已逐步替代小型化探傷儀的周期性檢測任務(wù)[1-10]。
大型鋼軌探傷車檢測作業(yè)時，通過車下承載機構(gòu)上搭載的多通道超聲波探輪來發(fā)射超聲波以實現(xiàn)對鋼軌內(nèi)部缺陷的無損檢測。為了不斷提高既有探傷系統(tǒng)的檢測數(shù)據(jù)質(zhì)量及研究更高檢測速度的鋼軌探傷檢測技術(shù)，文章提出一種基于環(huán)形鋼軌回轉(zhuǎn)系統(tǒng)的鋼軌探傷綜合試驗仿真平臺，旨在通過高速回轉(zhuǎn)模擬探輪高速動態(tài)運行狀態(tài)，并集成超聲波檢測、異常監(jiān)測等功能模塊，為探傷設(shè)備的性能評估提供標準化試驗環(huán)境。
試驗平臺的設(shè)計目標為：①支持多探輪承載，實現(xiàn)不低于120km·h−1的線速度模擬；②支持探輪升降、壓力調(diào)節(jié)及多傳感器協(xié)同控制；③集成標準人工傷損缺陷，滿足相關(guān)國標規(guī)范要求；④支持探輪高速動態(tài)標定、動態(tài)性能評估；⑤支持傷損檢測性能評估、系統(tǒng)軟硬件性能評估。
1. 系統(tǒng)平臺設(shè)計
1.1 總體架構(gòu)
平臺由探傷檢測系統(tǒng)與圓形轉(zhuǎn)臺兩部分構(gòu)成，系統(tǒng)關(guān)聯(lián)關(guān)系示意如圖1所示。探傷檢測系統(tǒng)包括超聲波檢測機柜、探輪作業(yè)單元、探輪恒溫單元及操作臺等，負責數(shù)據(jù)采集與分析處理；圓形轉(zhuǎn)臺包括傳動裝置、環(huán)形鋼軌回轉(zhuǎn)盤、轉(zhuǎn)臺固定裝置、被試品承載平臺和電氣控制柜等，通過傳動裝置的交流變頻電機驅(qū)動環(huán)形鋼軌高速回轉(zhuǎn)，帶動下壓在環(huán)形鋼軌上的探輪實現(xiàn)高速轉(zhuǎn)動，以此來模擬現(xiàn)場實際探輪的高速滾動工況。整個系統(tǒng)采用PLC（可編程邏輯控制器）與變頻器實現(xiàn)遠程控制，并通過以太網(wǎng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互。
其中，探輪作業(yè)單元、探輪恒溫系統(tǒng)柜和檢測機柜等部件均復(fù)用大型鋼軌探傷車探傷系統(tǒng)中的成熟部件，以實現(xiàn)對檢測探輪的固定、升降收放、下壓調(diào)整、輪內(nèi)恒溫以及探傷數(shù)據(jù)分析處理等，以滿足檢測試驗的需求[11-13]。
1.2 核心功能模塊設(shè)計
1.2.1 供電系統(tǒng)
試驗平臺設(shè)備采用三相直流380 V電源供電，總功率不小于25 kW，整個平臺配有一個電源控制柜作為供電單元，實現(xiàn)整個試驗平臺的供電需求，電源控制柜包括直流380 V電源、直流220 V電源和交流24 V電源部分，實現(xiàn)對不同設(shè)備的供電，供電方案如圖2所示。探輪恒溫組件和轉(zhuǎn)臺電機采用直流380 V供電；氣路空壓機采用直流220 V供電。直流220 V經(jīng)過交流24 V電源轉(zhuǎn)換模塊，輸出24 V直流電源，為平臺內(nèi)的PLC系統(tǒng)、編碼器、操作臺等供電。
圖 2系統(tǒng)供電方案示意
圓形轉(zhuǎn)臺的電氣控制采用斷路器、接觸器、交流24 V直流電源和PLC控制器等，實現(xiàn)對整個系統(tǒng)的供電控制；通過上位機控制程序，利用MODUBUS-TCP通訊總線遠程控制變頻器，實現(xiàn)電機啟停、電機正反轉(zhuǎn)、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)、數(shù)據(jù)記錄、狀態(tài)指示等電氣控制功能。圓形轉(zhuǎn)臺內(nèi)部電機和減速機溫度傳感器、環(huán)形鋼軌位置開關(guān)、振動傳感器與控制電源柜內(nèi)PLC采集模塊相連。
1.2.2 超聲檢測系統(tǒng)
（1）超聲檢測
超聲檢測系統(tǒng)由信號采集層、信號處理層、控制及顯示層構(gòu)成。信號采集層編碼器為系統(tǒng)提供里程脈沖信號輸入，超聲信號處理機箱根據(jù)輸入信號，產(chǎn)生超聲激勵信號作用到超聲波輪式傳感器，同時采集超聲波輪式傳感器的回波信號進行處理，模擬的回波信號傳遞到顯示及控制層進行A掃描顯示。工業(yè)計算機集成上位機軟件，將超聲控制參數(shù)與B顯信號進行顯示，通過以太網(wǎng)與超聲信號處理機箱進行數(shù)據(jù)交互。超聲檢測系統(tǒng)原理如圖3所示。
圖 3超聲檢測系統(tǒng)原理示意
目前，國內(nèi)鋼軌探傷車持續(xù)探傷檢測速度最高達80 km·h−1。超聲檢測系統(tǒng)配備了30路超聲通道用于鋼軌內(nèi)部缺陷的高速掃查，掃查角度包含有0°，37.5°，70°陣列、偏斜70°及側(cè)打等，其中0°超聲波傳感器可檢測鋼軌中水平取向傷損、螺孔裂紋和螺孔不良；37.5°超聲波傳感器可檢測螺孔裂紋、軌腰垂直劈裂、軌腰斜裂紋、軌底橫向裂紋；70°陣列超聲波傳感器可檢測軌頭核傷及焊縫傷；側(cè)打超聲波傳感器可檢測軌頭垂直劈裂；偏斜70°超聲波傳感器可檢測軌頭內(nèi)側(cè)(尤其表面有微裂紋)核傷。探傷車超聲波探輪傳感器配置及聲束傳播方向如圖4所示。
圖 4探傷車超聲波探輪傳感器配置及聲束傳播方向示意
（2）環(huán)形鋼軌
環(huán)形鋼軌，作為傷損標定軌，設(shè)計直徑為2 m，采用U71Mn鋼整體數(shù)控加工方式，保證一定的同軸度和軌面的平面度、平行度。加工后的鋼軌廓形與標準60 kg·m−1型號鋼軌廓形保持一致，并且在鋼軌底部內(nèi)邊和外邊提前預(yù)加工螺紋孔和定位銷孔，用于鋼軌與圓形轉(zhuǎn)臺回轉(zhuǎn)盤的連接與定位。環(huán)形鋼軌結(jié)構(gòu)示意如圖5所示。
圖 5環(huán)形鋼軌結(jié)構(gòu)示意
環(huán)形鋼軌加工有人工傷損缺陷，參照國家標準GB/T 28426—2012《鐵路大型養(yǎng)路機械鋼軌探傷車》及GB/T 28426—2021，分別在環(huán)形鋼軌軌頭、軌鄂、軌腰及軌底等位置設(shè)計人工傷損。其中軌頭處設(shè)計有平底孔、橫孔和橫通孔，軌鄂處設(shè)計有半圓槽，軌腰處設(shè)計有螺孔線切割槽和橫孔，軌底處設(shè)計有半圓槽。傷損類型及布置如圖6所示。
圖 6傷損類型及布置示意
1.2.3 圓形轉(zhuǎn)臺
圓形轉(zhuǎn)臺框架主要包括傳動裝置、環(huán)形鋼軌回轉(zhuǎn)盤、轉(zhuǎn)臺固定裝置和被試品承載平臺等。環(huán)形鋼軌固定在回轉(zhuǎn)盤上，通過鍵與主軸連接，由交流變頻電機連接減速機驅(qū)動回轉(zhuǎn)主軸帶動回轉(zhuǎn)盤進行高速回轉(zhuǎn)，以此來模擬探輪在鋼軌上高速滾動的狀態(tài)。其可實現(xiàn)0~130 km·h−1的無級變速控制，并能控制正反回轉(zhuǎn)，靜態(tài)時，可手動雙向轉(zhuǎn)動。圓形轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)如圖7所示。
圖 7圓形轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)示意
其中，轉(zhuǎn)臺固定裝置為整個圓形轉(zhuǎn)臺的承載基體，主構(gòu)架采用工字鋼拼焊而成，用于支持傳動主軸及上部回轉(zhuǎn)盤的受力。裝置主要由承重板、承重框架、隔聲防護板和減振調(diào)節(jié)墊組成，承重板上平面焊接多道從里向外逐漸降低的環(huán)形條帶，其上安裝耦合水集水器，使設(shè)備收集的耦合水匯聚于集水器外圈，然后通過閥門手動排放。
被試品承載平臺為探輪作業(yè)單元固定平臺，主構(gòu)架采用工字鋼以十字交叉形式拼焊而成，承載平臺需具備足夠的剛性，以滿足下部探輪單元的吊掛和作業(yè)時的穩(wěn)定性。平臺中心下掛安裝增量式編碼器，與回轉(zhuǎn)主軸通過彈性聯(lián)軸器進行連接，可輸出方波信號，用于速度顯示、里程計算、超聲掃查觸發(fā)等。
傳動裝置主要由驅(qū)動電機、減速機和軸承組及傳動主軸組成，驅(qū)動電機配合減速機帶動主軸輸出動力。軸承組上部為圓錐滾子軸承，以承受徑向和軸向的聯(lián)合載荷，軸承組下部為角接觸球軸承。其中，軸承整個傳動裝置由回轉(zhuǎn)軸承座整體通過螺栓固定在轉(zhuǎn)臺固定裝置基座上。傳動裝置結(jié)構(gòu)如圖8所示。
圖 8傳動裝置結(jié)構(gòu)示意
1.2.4 耦合水噴灑系統(tǒng)
沿鋼軌周向，探輪前后布置多處不銹鋼噴管，可通過手動閥門調(diào)節(jié)水流向鋼軌表面噴灑耦合水，用于超聲波探輪檢測的耦合，噴淋后的水經(jīng)圓形轉(zhuǎn)臺的集水器回收處理。
1.2.5 異常監(jiān)控系統(tǒng)
為實時監(jiān)控圓周轉(zhuǎn)臺的機械運行狀態(tài)，采用振動和限位傳感器對轉(zhuǎn)臺關(guān)鍵部位進行運動狀態(tài)采集。其中振動傳感器安裝在主軸安裝座上，對主軸軸承的運行狀態(tài)進行監(jiān)測，監(jiān)測軸承游隙增大造成的轉(zhuǎn)臺高速回轉(zhuǎn)振動；限位傳感器安裝在環(huán)形鋼軌上方，對鋼軌的旋轉(zhuǎn)姿態(tài)進行垂向偏擺監(jiān)控。在監(jiān)測到異常信號反饋后，操作界面將進行異常警示，同時切斷圓形轉(zhuǎn)臺的供電，使設(shè)備停止轉(zhuǎn)動，保證設(shè)備和人員作業(yè)安全。此外，還將圓形轉(zhuǎn)臺布置在單獨的封閉房間內(nèi)，四周布置有高清網(wǎng)絡(luò)攝像機，實時圖像監(jiān)控圓形轉(zhuǎn)臺的狀態(tài)，進出門還設(shè)置有門鎖互聯(lián)，確保試驗人員的作業(yè)安全。
2. 關(guān)鍵參數(shù)分析與計算
2.1 回轉(zhuǎn)力矩計算
圓形轉(zhuǎn)臺的回轉(zhuǎn)力矩主要有啟動阻力矩、加減速阻力矩和勻速運行阻力矩，其中啟動阻力矩最大，加減速阻力矩次之，勻速運行阻力矩最小，因此計算圓形轉(zhuǎn)臺的回轉(zhuǎn)力矩選擇啟動阻力矩即可。而啟動阻力矩由啟動時加速自身質(zhì)量慣性力矩和檢測輪的靜摩擦力矩兩部分構(gòu)成。
（1）質(zhì)量慣性力矩M1，由式（1）計算。
式中：J為回轉(zhuǎn)體轉(zhuǎn)動慣量；γ為角加速度；m為回轉(zhuǎn)體質(zhì)量；R為回轉(zhuǎn)體回轉(zhuǎn)半徑；ω為角速度；n為最終回轉(zhuǎn)速度，取350 轉(zhuǎn)·min−1；t為加速時間，取120 s。
（2）檢測輪靜摩擦力矩M2，由式（2）計算。
式中：µ為鋼軌靜摩擦系數(shù)，取0.15；N為檢測輪作用在鋼軌表面的作用力；R為摩擦力作用點到旋轉(zhuǎn)軸的垂直距離。
故回轉(zhuǎn)力矩=啟動阻力矩，即
式中：k為安全系數(shù)，取1.3。
2.2 電機和減速機選型計算
試驗場內(nèi)供電電源為AC380 V/50 Hz，試驗要求鋼軌轉(zhuǎn)動速度不小于120 km·h−1，啟動時間為120 s，最高回轉(zhuǎn)速度為350 轉(zhuǎn)·min−1。初步選用50 Hz，15 kW的三相交流變頻電機，額定轉(zhuǎn)速為2 800 轉(zhuǎn)·min−1，傳動驅(qū)動系統(tǒng)功率核算中，傳動機構(gòu)減速比為
則，回轉(zhuǎn)所需電機轉(zhuǎn)矩為
因此，電機選型時，需滿足以下兩個條件：①額定轉(zhuǎn)矩不小于45.9 N·m；②可120 s長時間負荷運行。
減速機選型時，需滿足以下3個條件：①滿足啟動扭矩的要求，輸出扭矩不小于367 N·m；②滿足回轉(zhuǎn)速度的要求，輸出轉(zhuǎn)速不小于350 轉(zhuǎn)·min−1；③滿足轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)布局的空間和接口要求。
2.3 動平衡設(shè)計
因圓形轉(zhuǎn)臺為回轉(zhuǎn)體，為保證回轉(zhuǎn)體的整體穩(wěn)定性和使用壽命，必須對回轉(zhuǎn)體進行動平衡，使其達到允許的平衡精度等級。根據(jù)標準ISO1940-1：2003《機械振動，在恒定（剛性）狀態(tài)下轉(zhuǎn)子的平衡質(zhì)量要求。第1部分：平衡公差的規(guī)范和檢定》，動平衡等級不得低于G6.3。
允許殘留不平衡量Mper，由式（6）計算。
式中：M為回轉(zhuǎn)體轉(zhuǎn)子重量；G為轉(zhuǎn)子平衡精度等級，取3.6 mm·s−1；R為轉(zhuǎn)子矯正半徑；n為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速。
故，回轉(zhuǎn)體殘余不平衡量需低于120 g?？赏ㄟ^輻桿預(yù)留配重孔，結(jié)合動平衡試驗調(diào)整配重塊，確保不低于G6.3級的平衡精度，有效抑制振動與噪聲。
3. 應(yīng)用效果分析
上述設(shè)計開發(fā)方案得到的綜合試驗仿真平臺，現(xiàn)已進入實際應(yīng)用階段。圖9為圓形轉(zhuǎn)臺安裝后最終狀態(tài)，時速40 km·h−1、60 km·h−1、80 km·h−1下的部分傷損檢測結(jié)果如圖10~12所示。
圖 9圓形轉(zhuǎn)臺示意
圖 10速度40 km·h−1下的部分傷損檢測結(jié)果
圖 11速度60 km·h−1下的部分傷損檢測結(jié)果
圖 12速度80 km·h−1下的部分傷損檢測結(jié)果
可見，試驗平臺可滿足探傷系統(tǒng)的整體檢測性能試驗驗證，且具備以下關(guān)鍵技術(shù)及創(chuàng)新點。
（1）高速旋轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)集成技術(shù)：可實現(xiàn)直徑2 m鋼軌在時速120 km·h−1下的長時間運轉(zhuǎn)。
（2）環(huán)形鋼軌傷損設(shè)計技術(shù)：根據(jù)環(huán)形鋼軌的結(jié)構(gòu)特點，進行超聲仿真計算，參照相關(guān)國家標準傷損原型，實現(xiàn)了人工傷損的適應(yīng)性設(shè)計，滿足探傷檢測系統(tǒng)的傷損檢測性能測試。
4. 結(jié)語
文章設(shè)計的鋼軌探傷綜合試驗仿真平臺，通過回轉(zhuǎn)體、環(huán)形傷損鋼軌和檢測系統(tǒng)集成，解決了傳統(tǒng)實驗室低速測試的局限性。試驗表明，平臺能夠有效模擬探輪在鋼軌表面進行高速檢測的狀態(tài)，并為探傷設(shè)備性能優(yōu)化升級提供數(shù)據(jù)支持。未來將進一步集成AI算法，實現(xiàn)傷損智能識別與診斷功能。
文章來源——材料與測試網(wǎng)