姬冠妮

（西安交通工程學院，陜西 西安 710065）

0 引言

超聲導波技術(shù)在近幾年來開始興起，并逐漸成為了鋼軌無損檢測領域當中最為主要的應用技術(shù)之一。超聲導波技術(shù)與常規(guī)的超聲波檢測技術(shù)相比，具有聲波衰減程度低、傳輸距離遠、檢測速度快以及鋼軌探傷準確等特點，能夠很好的保障列車的平穩(wěn)運行，對于維持鐵路交通系統(tǒng)的穩(wěn)定來說具有重要的價值，在下文中筆者將對超聲導波技術(shù)在鋼軌無損檢測當中的應用做出細致的分析。

1 超聲導波的定義及特點

超聲導波的定義就是指頻率在20kHZ以上的聲波，這種超聲導波和普通的超聲波相比，具有如下特性，筆者將對此一一列舉。

1.1 聲波傳導的特性

超聲導波可以在固體、液體和氣體當中以穩(wěn)定高效的態(tài)勢進行傳播，這一點與普通超聲波的傳導特性所一致，但是在介質(zhì)溫度以及外界壓力的環(huán)境影響下，超聲導波的傳導速度與普通超聲波相比略有不同，一般來說，在外界環(huán)境穩(wěn)定的狀態(tài)下，超聲導波在固體介質(zhì)中的傳導速度為常數(shù)，這一特點也就為超聲導波在鋼軌探傷中的應用打下了堅實的基礎。

1.2 聲波的反射特性

每一種介質(zhì)的密度都存在著一定的差異，因此在超聲導波的傳輸過程中，經(jīng)過一種介質(zhì)進入到另一種介質(zhì)時，在介質(zhì)之間的交界處就會產(chǎn)生一定量的反射現(xiàn)象。究其原因，是由于介質(zhì)的交界處會對超聲導波的傳輸方向造成一定的改變，超聲導波與光波存在的最明顯差異就是，超聲導波從氣體直接傳輸?shù)焦腆w或是液體當中時，受到這兩種介質(zhì)密度的影響，超聲導波會有可能完全被反射回來，這一特性在鋼軌無損檢測中具有著重要的實用價值，這也是超聲波物位計的工作原理所在。

1.3 聲波的衰減原理

從能量的角度來看，超聲波的本質(zhì)仍然是一種能量，只要是能量就勢必會產(chǎn)生衰減的現(xiàn)象，超聲波在傳輸?shù)倪^程當中會受到介質(zhì)以及介質(zhì)當中的雜質(zhì)所影響，聲波的強度便會便會在傳輸過程中被介質(zhì)所吸收，從而逐漸衰減。聲波的衰減特性也是超聲波探測的局限性所在，無論是超聲波流量計或是超聲波都會受到此原理的制約[1]。因此，在使用超聲波類探測時，聲波的衰減是相關(guān)技術(shù)人員要去重點控制的問題之一，要將聲波的衰減程度維持在一定標準之下，否則會極大地影響探測的精確度。

2 鋼軌超聲波探傷的重要意義

從性質(zhì)上來講，鋼軌本身屬于消耗品，在列車和貨車運行所不斷的給予負載壓力下，鋼軌在所難免地會出現(xiàn)各種損耗現(xiàn)象，例如軌頭壓潰、鋼軌銹蝕、剝離掉塊等。這些損耗現(xiàn)象都存在于鋼軌表面，本身易于察覺，可以及時進行修復防止意外事故的發(fā)生，但是如果鋼軌內(nèi)部出現(xiàn)損傷的話，就會很難察覺，如果不能夠及時處理的話，由于列車在運行過程中對軌道的長期施壓就會產(chǎn)生更大安全隱患。另外，鋼軌在制造和冶煉的過程中，內(nèi)部所產(chǎn)生的如白點、裂紋等內(nèi)部性的損傷，如果不能及時發(fā)現(xiàn)并解決，就會造成鋼軌的段裂現(xiàn)象，這對于正在運行的列車來說后果是十分嚴重的。而這些內(nèi)部的問題利用常規(guī)手段檢測起來十分麻煩，而使用超聲波鋼軌無損探傷的方式，可以精確的找出鋼軌內(nèi)部所存在的問題，從而對問題進行妥善的解決，保證列車的平穩(wěn)運行。

3 鋼軌超聲導波探傷原理分析

在鋼軌超聲導波的無損檢測方式中，使用的同樣是超聲波在不同介質(zhì)中的傳輸性質(zhì)，一旦超聲導波在傳輸?shù)倪^程中遇到損傷的部分，那么就會產(chǎn)生聲波反射現(xiàn)象，這樣一來工作人員就可以根據(jù)聲波的反射狀況來確定鋼軌損傷的類型以及程度。在聲波規(guī)格的使用上，一般都是采用20萬Hz的聲波放射進入鋼軌當中，并且為了保證反射聲波的準確性，在探傷儀上會安裝許多不同角度的探頭，不同的角度都有著不同的作用，例如較為常用的50度角探頭，就是為檢測鋼軌內(nèi)部的核傷或橫裂現(xiàn)象的；30度角的探頭主要是用于檢測鋼軌軌腰以及螺旋孔的損傷；垂直探頭則更多地用于檢測軌腰底部的水平裂痕以及縱裂紋等，通過發(fā)射縱波的形式，來對鋼軌損傷進行逐一排查。下圖為鋼軌超聲導波探傷系統(tǒng)的基本原理

圖1 軌道探傷系統(tǒng)的基本原理Fig.1 Basic principle of trajectory detection system

從上圖中我們可以看出，鋼軌探傷系統(tǒng)的組成部件主要有探頭、超聲波收發(fā)裝置、耦合液噴射裝置、探頭伺服控制系統(tǒng)以及計算機控制平臺等共同組成。探傷系統(tǒng)在運行的過程中，需要先在鋼軌上均勻的噴射耦合液，這樣可以充分的保證探頭與鋼軌之間實現(xiàn)無縫對接，探頭發(fā)出的超聲導波就可以準確無誤的進入鋼軌內(nèi)部。在檢測過程中，如果鋼軌內(nèi)部沒有損傷，那么超聲導波在到達鋼軌底部之后，就會反射進入超聲收發(fā)裝置當中，從而獲得底波。一旦導波傳輸?shù)倪^程中在鋼軌內(nèi)部發(fā)現(xiàn)故障，那么超聲導波就會在故障處產(chǎn)生一部分的反射，這種反射與底波之間會存在一定的差異，這樣一來探傷系統(tǒng)內(nèi)部的數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)就會對反射所產(chǎn)生的波形圖進行分析，以便掌握鋼軌的損傷情況，并將故障情況及時上傳到計算機控制平臺當中，來進行進一步的分析與說明。

4 一種新型的探傷儀器 - B型掃查超聲波探傷儀

現(xiàn)階段，B型掃查超聲波探傷儀在鋼軌探傷工作中得到了極為廣泛的應用，這種儀器的工作機理與醫(yī)院的B超檢測儀器相類似，是通過連續(xù)的單探頭形成一條直線上的探頭組合，這樣排列的探頭所發(fā)出的聲波就會形成為一個切面，對于不同深度的回波就通過不同的顏色和深度來表示，這種聲波的排列方式會使鋼軌探傷的工作效率成倍的提升，同時也使鋼軌探傷的精確度有了極大程度的提升。但是目前，線性探頭由于鋼軌形狀的限制，因此無法使用線性探頭來進行檢測工作，更多地都是采用單探頭模擬的方式來進行工作，這也是現(xiàn)階段技術(shù)方面的一個重點問題。單探頭檢測的工作機理是通過單探頭多次掃描的方式，從而得到一個切面式的掃描結(jié)果[2]，這種方式經(jīng)過多次的改進與實踐，其探測的結(jié)果已經(jīng)與線性探頭的探測結(jié)果沒有差異。但是需要注意的是發(fā)射電路需要去遵循探頭移動的定長距離來發(fā)射超聲波，這樣可以保證回波的間距保持在統(tǒng)一的長度之下，形成的圖形也非常清晰明了。

另外，如果鋼軌內(nèi)部沒有損傷情況的話，在探測的波形圖上就只會顯示主沖擊峰，這是由于超聲導波沒有形成反射狀況所形成的。但是一旦鋼軌內(nèi)部出現(xiàn)損傷的話，超聲導波就會出現(xiàn)削弱或者是反射的狀況，從而就會在主沖擊波的頂峰之上形成一種由于軌道底部缺陷所產(chǎn)生的回波[3-5]。這樣我們就可以通過波形圖來直觀的看出鋼軌出現(xiàn)損傷的狀況，如果軌道底部缺陷回波的波峰越高，那么就證明這種缺陷對鋼軌強度的影響越大[6-7]。下圖為B型掃查超聲波探測所形成的波形圖。

圖2 B型超聲波單探頭的探測結(jié)果Fig.2 Detection results of B-type Ultrasonic Single Probe

同時我們還需要注意的是，如果探頭的位置與既定的位置發(fā)生偏移，那么就會造成超聲導波的檢測工作無法按照既定的程序來進行，從而造成檢測結(jié)果的不準確。另外，鋼軌在惡劣的外部環(huán)境下，有可能會發(fā)生銹蝕的現(xiàn)象，這樣一來鋼軌和探頭之間的耦合程度就會產(chǎn)生影響，使超聲導波無法完全進入鋼軌，這樣測量的結(jié)果就會產(chǎn)生一定量的誤差。這些情況需要相關(guān)工作人員在探傷工作中多加注意[8-10]。

5 結(jié)論

列車鋼軌按照性質(zhì)來講屬于消耗品，在列車的長期運行過程中難免會存在損傷，尤其是鋼軌的內(nèi)部損傷不易發(fā)覺，長此以往對列車的穩(wěn)定運行會造成很大的影響。本文中筆者對鋼軌無損檢測中的超聲導波技術(shù)進行了詳細的分析，并結(jié)合實際提出了技術(shù)要點和注意事項，望相關(guān)部門及工作人員能夠充分借鑒，并有效應用。