大型钢轨探伤车SYS1900探伤检测系统工作原理及各换能器技术参数的设置

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【摘 要】SYS1900超声检测系统各换能器闸门参数（增益、初始值、闸门宽度）的合理设定，有利于提高大型钢轨探伤车的伤损检出率，减少伤损的误判。本文以检测P60轨为例，结合GTC-80型钢轨探伤车使用的实际情况，对1900探伤检测系统工作原理及各换能器闸门的参数设置进行简介，以备在实际中应用。

【关键词】超声检测;探伤;系统参数;闸门;us（微秒）

一.概述

随着兰新客专的开通，兰州局于2013年底在GTC-6J型钢轨探伤车的基础上又引进一台GTC-80型钢轨探伤车，两台探伤车都配备了sys1900超声探伤检测系统。合理调整SYS1900探伤检测系统各换能器闸门参数，不仅需要操作员了解超声波及各换能器的工作性能和特点，还要有丰富的现场实践经验，根据线路状态，及时准确的调整各闸门参数，采集高质量的探伤检测数据，提高探伤检测质量。

二、探伤车超声检测的工作原理

由声学知识得知，从换能器发出的超声波能量在钢轨中的传播速度是常数，换句话说，超声波能量总是以相同的速度传播。实际上，对于钢轨中的纵波，这个速度是5960 米/秒，而对于横波则为3260米/秒。探伤车检测系统据此测量超声波回波在钢轨中的传播时间，从而确定回波的位置。需要注意的是，由于换能器接收到的回波在伤损与换能器之间传播了一个来回，由传播时间获得的超声波传播路程是伤损与换能器之间的距离的二倍。这就是检测系统确定伤损在钢轨位置的原理。由于系统用示波器显示超声波A 型信号，其横轴代表时间，回波信号的距离信息可以在横轴上显示。图2给出了0度通道示波器信号与钢轨深度之间的关系。

图2 0度超声时间/距离关系（钢轨与示波器对照）

探伤车系统采用轮式探头。探头外部包裹有聚酯橡胶外膜，内充专用液体。当系统将短时间高电压脉冲施加到换能器的压电晶体上时，换能器的晶体将按照其本征频率振动，该振动通过轮探头中的液体传播到钢轨里，这就是超声波的发射过程。由于超声波不能穿透空气间隙，系统配备有耦合水喷头，以排除轨面与轮探头之间的空气。如钢轨内部有伤损，将得到出现伤损波回波。因检测不同取向伤损的需要，每个探轮内部安装有不同发射角度的超声波传感器（0度、45度和70度）。

图3 9英寸探轮超声波束发射示意图

当轮探头在钢轨上快速移动并以高频率连续向钢轨发出超声波，就完成了高速连续的检测。大型钢轨探伤车的检测原理就是发射超声波对钢轨做高密度的断面切片式扫查。系统检测伤损的灵敏度取决于两点：一轮探头和超声晶片在声学意义上的灵敏度;二超声扫查的密度（超声发射频率）。

三、SYS1900探伤检测系统各换能器闸门的参数设置

（一）0度界面闸门的参数设置

0度界面闸门区间对应0度晶片的第一次界面反射，该界面反射信号从轮膜内表面或从轨面返回到0度晶片。界面波闸门虽然不是一个检测闸门，但它和其它系统设置一起共同决定了同一个探轮内其余晶片的动态定位。0度界面增益设置值需要能保证0度晶片接触面的反射信号始终超出阈值，一般设为31.5dB。0度界面延时应设置在钢轨或轮膜第一次界面反射之前，标准的9英寸探轮在探轮液的声程是90us。界面窗口初始值设置成80us，允许探轮在检测过程存在下压的余量。探轮0度界面宽度参数在检测过程中动态改变，一般设为40us，随着第一次界面反射信号的结束，闸门的末端也会戛然而止，探轮中其他闸门时序会随之开始，这样能获得更高的检测分辨率。

（二）0度监视闸门的参数设置

0度监视闸门范围对因于钢轨轨头中心到接近轨底之间的区域。0度监视窗初始值设置的位置能最大限度提高伤损检测，同时又能远离钢轨接触面以抑制噪声，一般设为12.8us。0度监视宽度包括轨底在内，从轨面到轨底的距离，0度监视闸门的宽度值取决于钢轨轨型，不同的轨型需要不同的监视宽度，P60轨的监视闸门宽度一般设为38us。

（三）0度底波闸门的参数设置

0度通道LER（底波消失）闸门对应的是轨底，底波闸门能反馈轨底面反射的状态。在对中良好，探轮0度晶片垂直钢轨正中心已经足够增益的情况下，轨底反射波能保持连续稳定。如在导线孔或接头螺孔或处，在B型显示中底波不出现消失，说明0度底波增益值过高，需手动对0度底波增益进行适当降低，以保证在0度监视闸门内出现伤损时0度底波消失。设置一个合适的0度底波增益值既可以获得连续稳定的轨底面反射信号，又能在0度监视闸门内出现钢轨伤损时发生底波消失。在钢轨表面状态良好的情况下0底波增益一般设为31dB左右。轨底监视闸门在轨腰闸门结束1us后开启，轨底闸门初始值一般设为2us。0度底波闸门宽度一般在20us左右，如果轨腰闸门宽度设置合适，则轨底反射波将出现在轨底闸门的中心位置。

（四）70度换能器闸门参数设置

直70度晶片阵列由外、中、内70度晶片组成，用于检测钢轨焊缝及轨头的核伤。直70度设置足够高的增益是为了检测缺陷，设置低增益是为了减少非伤损的显示，一般70度增益设为32dB。设定直70度闸门初始值以区分闸门与界面反射信号，当轨面状态不好时可能产生串扰。直70度闸门开得过深会导致钢轨近表面的伤损漏掉，设置过浅会使噪声信号进入闸门，在B新显示中出现大量杂波，影响判伤。当探轮下压量过大会在钢轨近表面产生噪声，这时需要把闸门初始值设大一点以避开噪声区域，一般直70度闸门初始值设为18us。直70度监视闸门宽度设置要求能检测到轨头伤损，一般设为60us，但不大于90us。

（五）45度闸门参数设置

45度换能器主要用于检测钢轨轨腰的斜裂纹，45度增益设置过高往往会因为非伤损噪声影响检出率。螺栓孔就是设置45度增益最好参照物，要求所选择的螺栓孔最少有5个点显示在B型显示上，45度增益值一般设为25.8dB。45度监视闸门初始值的设置，可以使45度通道有足够的分辨率，检测水平裂纹，不能使闸门太接近轨面受界面反射干扰，45度闸门延时一般设为20us。设置45度监视闸门宽度允许检测深至轨底顶部的区域。45度底波闸门开启情况下，监视闸门必须在底波开始之前关闭。

（六）45度底波闸门参数设置

45度底波闸门对应轨底，用于检测钢轨轨底部位的伤损，包括轨底可能发展的横向伤损，也包括轨底锈蚀。建议45度底波闸门增益保持或接近其他45度闸门，45度闸门阈值设置在80%，否则闸门会超报，小的伤损会湮没在大量信号当中，所以要平衡好增益与闸门阈值。45度底波闸门是唯一阈值设置在80%的闸门。45度监视闸门一结束，轨底闸门就要立即开启，轨底闸门初始值设定在轨底面大约10us，不包括轨头。轨高不同，闸门起始点不一样。37.5轨底闸门宽度主要是为了检测轨底，一般设为30us。

（七）X-Fire闸门参数设置

X-Fire换能器用于检测某些位置特殊而难以被普通70度换能器阵列发现的轨头核伤。通过优化超声波入射点和声束方向使得X-Fire换能器能找到难以发现的缺陷。X-Fire闸门增益的设置，要求满足既可以检测轨头缺陷，又不会出现大量误报杂波，一般增益值设为27.4dB。X-Fire闸门的初始位置会把界面噪声的影响降到最小。声束的入射点和相对伤损的方位使得X-Fire闸门开始位置比一般闸门更靠后，但不会导致检测率下降。X-Fire闸门宽度允许对轨头进行二次检测，这使得超声波束可以在轨面异常的下方传播并检测到轨面下的伤损。

实践证明，合理的参数设置能有效减少伤损误判，提高伤损检出率。影响sys1900探伤检测系统各通道闸门参数由多方面因素，包括轨形、钢轨表面状态、钢轨磨耗程度、探轮下压量等。钢轨轨面状况会影响透射进钢轨的超声量，涂油，脏污以及其它在钢轨表面常见的异常，比如鱼鳞伤，剥离掉块等，在检测轨面不良区段过程中应补偿足够的灵敏度以保证钢轨检测的一致性。轨形及钢轨磨耗影响各通道闸门的初始值及闸门宽度，在检测中应根据钢轨轨形及钢轨磨耗在检测系统A型显示的波对闸门参数进行合理设置。因此在实际探伤检测中，应结合各方面因素对探伤检测参数进行有效设置，以便得到高质量的探伤检测数据。

四、结束语

通过提高大型钢轨探伤车的运用水平，可以有效的预防断轨事件的发生，探伤检测设备应在试验线进行静态调试和动态标定，并与工务段小型探伤仪的复核工作相结合，对检出的伤损进行对比分析。通过实践摸索，积累经验，不断优化sys1900探伤检测系统各参数的设置，进一步提高探伤检测质量，提高探伤车的运用水平。

参考文献：

[1] 南车株洲电力机车研究所有限公司.GTC-80钢轨探伤车检测系统用户手册，2011.

[2] 铁路职工岗位培训教材编审委员会.钢轨探伤工[M].北京：中国铁道出版社，2010.