隨著中國(guó)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(yùn)營(yíng)負(fù)荷越來越大，中國(guó)鐵路正在向高速、重載的方向快速發(fā)展，對(duì)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(duì)在役鋼軌進(jìn)行快速探傷檢測(cè)已成為國(guó)鐵集團(tuán)各路局工務(wù)部門進(jìn)行鐵路鋼軌維護(hù)的重要手段。當(dāng)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(cè)任務(wù)[1-10]。 

大型鋼軌探傷車檢測(cè)作業(yè)時(shí)，通過車下承載機(jī)構(gòu)上搭載的多通道超聲波探輪來發(fā)射超聲波以實(shí)現(xiàn)對(duì)鋼軌內(nèi)部缺陷的無損檢測(cè)。為了不斷提高既有探傷系統(tǒng)的檢測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量及研究更高檢測(cè)速度的鋼軌探傷檢測(cè)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(yàn)仿真平臺(tái)，旨在通過高速回轉(zhuǎn)模擬探輪高速動(dòng)態(tài)運(yùn)行狀態(tài)，并集成超聲波檢測(cè)、異常監(jiān)測(cè)等功能模塊，為探傷設(shè)備的性能評(píng)估提供標(biāo)準(zhǔn)化試驗(yàn)環(huán)境。 

試驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)目標(biāo)為：①支持多探輪承載，實(shí)現(xiàn)不低于120 km·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(biāo)準(zhǔn)人工傷損缺陷，滿足相關(guān)國(guó)標(biāo)規(guī)范要求；④支持探輪高速動(dòng)態(tài)標(biāo)定、動(dòng)態(tài)性能評(píng)估；⑤支持傷損檢測(cè)性能評(píng)估、系統(tǒng)軟硬件性能評(píng)估。 

1.   系統(tǒng)平臺(tái)設(shè)計(jì)

1.1   總體架構(gòu)

平臺(tái)由探傷檢測(cè)系統(tǒng)與圓形轉(zhuǎn)臺(tái)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(cè)系統(tǒng)包括超聲波檢測(cè)機(jī)柜、探輪作業(yè)單元、探輪恒溫單元及操作臺(tái)等，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集與分析處理；圓形轉(zhuǎn)臺(tái)包括傳動(dòng)裝置、環(huán)形鋼軌回轉(zhuǎn)盤、轉(zhuǎn)臺(tái)固定裝置、被試品承載平臺(tái)和電氣控制柜等，通過傳動(dòng)裝置的交流變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)環(huán)形鋼軌高速回轉(zhuǎn)，帶動(dòng)下壓在環(huán)形鋼軌上的探輪實(shí)現(xiàn)高速轉(zhuǎn)動(dòng)，以此來模擬現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際探輪的高速滾動(dòng)工況。整個(gè)系統(tǒng)采用PLC（可編程邏輯控制器）與變頻器實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，并通過以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互。 

圖  1  系統(tǒng)關(guān)聯(lián)關(guān)系示意

其中，探輪作業(yè)單元、探輪恒溫系統(tǒng)柜和檢測(cè)機(jī)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(shí)現(xiàn)對(duì)檢測(cè)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(cè)試驗(yàn)的需求[11-13]。 

1.2   核心功能模塊設(shè)計(jì)

1.2.1   供電系統(tǒng)

試驗(yàn)平臺(tái)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(gè)平臺(tái)配有一個(gè)電源控制柜作為供電單元，實(shí)現(xiàn)整個(gè)試驗(yàn)平臺(tái)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(shí)現(xiàn)對(duì)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(tái)電機(jī)采用直流380 V供電；氣路空壓機(jī)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(tái)內(nèi)的PLC系統(tǒng)、編碼器、操作臺(tái)等供電。 

圖  2  系統(tǒng)供電方案示意

圓形轉(zhuǎn)臺(tái)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(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的供電控制；通過上位機(jī)控制程序，利用MODUBUS-TCP通訊總線遠(yuǎn)程控制變頻器，實(shí)現(xiàn)電機(jī)啟停、電機(jī)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(tái)內(nèi)部電機(jī)和減速機(jī)溫度傳感器、環(huán)形鋼軌位置開關(guān)、振動(dòng)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(cè)系統(tǒng)

（1）超聲檢測(cè) 

超聲檢測(cè)系統(tǒng)由信號(hào)采集層、信號(hào)處理層、控制及顯示層構(gòu)成。信號(hào)采集層編碼器為系統(tǒng)提供里程脈沖信號(hào)輸入，超聲信號(hào)處理機(jī)箱根據(jù)輸入信號(hào)，產(chǎn)生超聲激勵(lì)信號(hào)作用到超聲波輪式傳感器，同時(shí)采集超聲波輪式傳感器的回波信號(hào)進(jìn)行處理，模擬的回波信號(hào)傳遞到顯示及控制層進(jìn)行A掃描顯示。工業(yè)計(jì)算機(jī)集成上位機(jī)軟件，將超聲控制參數(shù)與B顯信號(hào)進(jìn)行顯示，通過以太網(wǎng)與超聲信號(hào)處理機(jī)箱進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。超聲檢測(cè)系統(tǒng)原理如圖3所示。 

圖  3  超聲檢測(cè)系統(tǒng)原理示意

目前，國(guó)內(nèi)鋼軌探傷車持續(xù)探傷檢測(cè)速度最高達(dá)80 km·h−1。超聲檢測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)軌頭核傷及焊縫傷；側(cè)打超聲波傳感器可檢測(cè)軌頭垂直劈裂；偏斜70°超聲波傳感器可檢測(cè)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(biāo)定軌，設(shè)計(jì)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(biāo)準(zhǔn)60 kg·m−1型號(hào)鋼軌廓形保持一致，并且在鋼軌底部?jī)?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(tái)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(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 28426—2012《鐵路大型養(yǎng)路機(jī)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(jì)人工傷損。其中軌頭處設(shè)計(jì)有平底孔、橫孔和橫通孔，軌鄂處設(shè)計(jì)有半圓槽，軌腰處設(shè)計(jì)有螺孔線切割槽和橫孔，軌底處設(shè)計(jì)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(tái)

圓形轉(zhuǎn)臺(tái)框架主要包括傳動(dòng)裝置、環(huán)形鋼軌回轉(zhuǎn)盤、轉(zhuǎn)臺(tái)固定裝置和被試品承載平臺(tái)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(jī)連接減速機(jī)驅(qū)動(dòng)回轉(zhuǎn)主軸帶動(dòng)回轉(zhuǎn)盤進(jìn)行高速回轉(zhuǎn)，以此來模擬探輪在鋼軌上高速滾動(dòng)的狀態(tài)。其可實(shí)現(xiàn)0~130 km·h−1的無級(jí)變速控制，并能控制正反回轉(zhuǎn)，靜態(tài)時(shí)，可手動(dòng)雙向轉(zhuǎn)動(dòng)。圓形轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)如圖7所示。 

圖  7  圓形轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)示意

其中，轉(zhuǎn)臺(tái)固定裝置為整個(gè)圓形轉(zhuǎn)臺(tái)的承載基體，主構(gòu)架采用工字鋼拼焊而成，用于支持傳動(dòng)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(hù)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(dòng)排放。 

被試品承載平臺(tái)為探輪作業(yè)單元固定平臺(tái)，主構(gòu)架采用工字鋼以十字交叉形式拼焊而成，承載平臺(tái)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(shí)的穩(wěn)定性。平臺(tái)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(jìn)行連接，可輸出方波信號(hào)，用于速度顯示、里程計(jì)算、超聲掃查觸發(fā)等。 

傳動(dòng)裝置主要由驅(qū)動(dòng)電機(jī)、減速機(jī)和軸承組及傳動(dòng)主軸組成，驅(qū)動(dòng)電機(jī)配合減速機(jī)帶動(dòng)主軸輸出動(dòng)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(gè)傳動(dòng)裝置由回轉(zhuǎn)軸承座整體通過螺栓固定在轉(zhuǎn)臺(tái)固定裝置基座上。傳動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)如圖8所示。 

圖  8  傳動(dòng)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(dòng)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(cè)的耦合，噴淋后的水經(jīng)圓形轉(zhuǎn)臺(tái)的集水器回收處理。 

1.2.5   異常監(jiān)控系統(tǒng)

為實(shí)時(shí)監(jiān)控圓周轉(zhuǎn)臺(tái)的機(jī)械運(yùn)行狀態(tài)，采用振動(dòng)和限位傳感器對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)關(guān)鍵部位進(jìn)行運(yùn)動(dòng)狀態(tài)采集。其中振動(dòng)傳感器安裝在主軸安裝座上，對(duì)主軸軸承的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)軸承游隙增大造成的轉(zhuǎn)臺(tái)高速回轉(zhuǎn)振動(dòng)；限位傳感器安裝在環(huán)形鋼軌上方，對(duì)鋼軌的旋轉(zhuǎn)姿態(tài)進(jìn)行垂向偏擺監(jiān)控。在監(jiān)測(cè)到異常信號(hào)反饋后，操作界面將進(jìn)行異常警示，同時(shí)切斷圓形轉(zhuǎn)臺(tái)的供電，使設(shè)備停止轉(zhuǎn)動(dòng)，保證設(shè)備和人員作業(yè)安全。此外，還將圓形轉(zhuǎn)臺(tái)布置在單獨(dú)的封閉房間內(nèi)，四周布置有高清網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)，實(shí)時(shí)圖像監(jiān)控圓形轉(zhuǎn)臺(tái)的狀態(tài)，進(jìn)出門還設(shè)置有門鎖互聯(lián)，確保試驗(yàn)人員的作業(yè)安全。 

2.   關(guān)鍵參數(shù)分析與計(jì)算

2.1   回轉(zhuǎn)力矩計(jì)算

圓形轉(zhuǎn)臺(tái)的回轉(zhuǎn)力矩主要有啟動(dòng)阻力矩、加減速阻力矩和勻速運(yùn)行阻力矩，其中啟動(dòng)阻力矩最大，加減速阻力矩次之，勻速運(yùn)行阻力矩最小，因此計(jì)算圓形轉(zhuǎn)臺(tái)的回轉(zhuǎn)力矩選擇啟動(dòng)阻力矩即可。而啟動(dòng)阻力矩由啟動(dòng)時(shí)加速自身質(zhì)量慣性力矩和檢測(cè)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(jì)算。 

式中：J為回轉(zhuǎn)體轉(zhuǎn)動(dòng)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(shí)間，取120 s。 

（2）檢測(cè)輪靜摩擦力矩M2，由式（2）計(jì)算。 

式中：µ為鋼軌靜摩擦系數(shù)，取0.15；N為檢測(cè)輪作用在鋼軌表面的作用力；R為摩擦力作用點(diǎn)到旋轉(zhuǎn)軸的垂直距離。 

故回轉(zhuǎn)力矩=啟動(dòng)阻力矩，即 

式中：k為安全系數(shù)，取1.3。 

2.2   電機(jī)和減速機(jī)選型計(jì)算

試驗(yàn)場(chǎng)內(nèi)供電電源為AC380 V/50 Hz，試驗(yàn)要求鋼軌轉(zhuǎn)動(dòng)速度不小于120 km·h−1，啟動(dòng)時(shí)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(jī)，額定轉(zhuǎn)速為2 800 轉(zhuǎn)·min−1，傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)功率核算中，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)減速比為 

則，回轉(zhuǎn)所需電機(jī)轉(zhuǎn)矩為 

因此，電機(jī)選型時(shí)，需滿足以下兩個(gè)條件：①額定轉(zhuǎn)矩不小于45.9 N·m；②可120 s長(zhǎng)時(shí)間負(fù)荷運(yùn)行。 

減速機(jī)選型時(shí)，需滿足以下3個(gè)條件：①滿足啟動(dòng)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(tái)結(jié)構(gòu)布局的空間和接口要求。 

2.3   動(dòng)平衡設(shè)計(jì)

因圓形轉(zhuǎn)臺(tái)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(duì)回轉(zhuǎn)體進(jìn)行動(dòng)平衡，使其達(dá)到允許的平衡精度等級(jí)。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)ISO1940-1：2003《機(jī)械振動(dòng)，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(dòng)平衡等級(jí)不得低于G6.3。 

允許殘留不平衡量Mper，由式（6）計(jì)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(jí)，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(dòng)平衡試驗(yàn)調(diào)整配重塊，確保不低于G6.3級(jí)的平衡精度，有效抑制振動(dòng)與噪聲。 

3.   應(yīng)用效果分析

上述設(shè)計(jì)開發(fā)方案得到的綜合試驗(yàn)仿真平臺(tái)，現(xiàn)已進(jìn)入實(shí)際應(yīng)用階段。圖9為圓形轉(zhuǎn)臺(tái)安裝后最終狀態(tài)，時(shí)速40 km·h−1、60 km·h−1、80 km·h−1下的部分傷損檢測(cè)結(jié)果如圖10~12所示。 

圖  9  圓形轉(zhuǎn)臺(tái)示意

圖  10  速度40 km·h−1下的部分傷損檢測(cè)結(jié)果

圖  11  速度60 km·h−1下的部分傷損檢測(cè)結(jié)果

圖  12  速度80 km·h−1下的部分傷損檢測(cè)結(jié)果

可見，試驗(yàn)平臺(tái)可滿足探傷系統(tǒng)的整體檢測(cè)性能試驗(yàn)驗(yàn)證，且具備以下關(guān)鍵技術(shù)及創(chuàng)新點(diǎn)。 

（1）高速旋轉(zhuǎn)臺(tái)系統(tǒng)集成技術(shù)：可實(shí)現(xiàn)直徑2 m鋼軌在時(shí)速120 km·h−1下的長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)。 

（2）環(huán)形鋼軌傷損設(shè)計(jì)技術(shù)：根據(jù)環(huán)形鋼軌的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，進(jìn)行超聲仿真計(jì)算，參照相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)傷損原型，實(shí)現(xiàn)了人工傷損的適應(yīng)性設(shè)計(jì)，滿足探傷檢測(cè)系統(tǒng)的傷損檢測(cè)性能測(cè)試。 

4.   結(jié)語

文章設(shè)計(jì)的鋼軌探傷綜合試驗(yàn)仿真平臺(tái)，通過回轉(zhuǎn)體、環(huán)形傷損鋼軌和檢測(cè)系統(tǒng)集成，解決了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室低速測(cè)試的局限性。試驗(yàn)表明，平臺(tái)能夠有效模擬探輪在鋼軌表面進(jìn)行高速檢測(cè)的狀態(tài)，并為探傷設(shè)備性能優(yōu)化升級(jí)提供數(shù)據(jù)支持。未來將進(jìn)一步集成AI算法，實(shí)現(xiàn)傷損智能識(shí)別與診斷功能。 

文章來源——材料與測(cè)試網(wǎng)