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1、大小探伤车合理配套使用方案研究 西南交通大学硕士学位论文大小探伤车合理配套使用方案研究姓名:陈伯靖申请学位级别:硕士专业:道路与铁道工程指导教师:李成辉20050301第页西南交通大学硕士研究生学位论文摘要随着我国现代化铁路和工务管理信息化的快速发展,对钢轨探伤技术提出了越来越高的要求。在我国,随着列车速度提高和轴重的增加,钢轨伤损发展速度也相应加快,致使检测周期亦有缩短的趋势,开展钢轨探伤,是保证铁路畅通运行的重要措施。我国钢轨的探伤主要采用超声波检测方法,设备主要有大型探伤车和小型探伤仪。本文在分析比较大小探伤车功能原理的基础二,结合我国铁路线路的具体情况以及钢轨伤损病害类型、尺寸对探伤的
2、影响,对大小探伤车合理配套使用方案进行了深入地研究,为建立有效、可靠的检测机制和方案打下坚实的基础。本文所做的主要工作如下:.结合国内外的钢轨探伤对现代铁路的巨大影响等多个方面,阐明了当前形势下大小探伤车合理配套使用的必要性。通过对钢轨伤损的形态特征、类型、尺寸和探伤精度、探伤周期之间关系特性的研究,不仅确定了钢轨探伤周期方案,还为制定大小探伤车合理配套使用方案提供依据。.对大小探伤车的结构性能及探伤原理进行比较分析,在综合考虑大小探伤车对钢轨伤损的检测能力的基础上,确定采用大型探伤车为主、小型探伤车为辅的使用模式,并逐步向完全采用大型探伤车的方式发展。.通过试验对大小探伤车检测数据结果进行分
3、析和总结,建立了较为完善的大小探伤车合理配套使用方案。确定现在应采用探伤车检查取代部分小型探伤仪检查遍次的使用模式,对于大型探伤车/的运行速度为最合理的速度,探伤仪的探测速度为./,探伤仪超声波发射频率为次/。关键词:合理配套使用:检测周期;探伤车;探伤仪第 页西南交通大学硕士研究生学位论文, .,. . ,., ,. :.,. ,., 第 页西南交通大学硕士研究生学位论文 . ,.,. .? /./.: . ,第页西南交通大学硕士研究生学位论文第章绪论.概述钢轨是铁路线路的重要设备,钢轨的发展方向是重型化、强韧化和纯净化,需要对钢轨进行合理的使用。钢轨在使用的过程中,会发生折断、裂纹及其它影
4、响和限制钢轨使用性能的伤损形式,都称为钢轨伤损。钢轨伤损的种类很多,常见的有磨耗、剥离及轨头核伤、轨腰螺孔裂纹等。钢轨伤损是断轨的主要原因,是影响行车安全的重要隐患,列车出轨事故主要由钢轨断裂产生,为了准确检测出各种可能导致断轨伤损,消除安全隐患,备种无损检测技术飞速发展,铁路是最早引入无损检测的行业之。常用的无损伤检测方法主要由以下几利,:可视化检测这种方法被广泛采用,但它检测效果是以下介绍无损检测方法中最差的,其主要优点是快速直观,现被广泛应用于表面裂纹的检测,甚至可用于肉眼不可见的表面裂纹。超声波检测超声波探伤被铁路行业广泛采用,因其技术成熟,所以被广泛的接受,被认为是检测裂纹的最好方式
5、,然而很难检测到表面裂纹,但是超声波检测对材料内部的裂纹检测很准确,因此就产生了涡流探伤。涡流检测涡流探伤被广泛应用于金属表面裂纹的检测,和超声波探伤的比较见列表卜。磁粒子检测以前在铁路行业也采用过磁粒子检测,但其检测效率低下,检测繁琐,第页西南交通大学硕士研究生学位论文结果不准确,现在钢轨探伤中己基本上不采用这种检测方法。列车在加速和制动过程中以及通过钢轨接缝、弯道和道箍时,对钢轨造成摩擦、挤压、弯曲和冲击作用。在这些作用力的反复作用下,钢轨极易产生疲劳裂纹。裂纹一旦产生就易于快速扩展,从而造成钢轨折断等重大恶性事故。表涡流、超声波探伤比较涡流 超声波对表面缺陷检测准确 表面裂纹检测效果很差
6、近表面裂纹检测可靠度差 可以检测近表面裂纹材料内部裂纹检测不可能 内部裂纹检测准确度高探头对缺陷位置灵敏度不高 能准确判断裂纹位置结果稳定 结果不稳定检测速度快 检测速度慢丌展钢轨探伤,是保证铁路畅通运行的重要措施,尤其是在我圈,随着列车速度的提高和轴重的增加,使钢轨伤损发展速度相应加快,致使检测周期亦有缩短的趋势。加之行车密度大,利用手推式钢轨探伤仪已经不适应铁路的发展情况。换言之,速度较慢的手推式探伤小车作业时占道时间过长,妨碍了列车的正常运行。因此,周大型探伤车代替人工检测钢轨内部伤损来改变目前钢轨检测的被动局面势在必行。我国钢轨的探伤主要采用超声波检测方法,设备主要有大型探伤车和小型探
7、伤仪,为了有效并及时地消除行车安全隐患,保障行车安全,降低行车安全事故造成的损失,节省检测成本,降低因漏检造成的钢轨断裂风险,必须做到对钢轨等设备状态的严密监控。加拿大及美国各铁路公司近年来较完整地发展和应用了可靠性较高的钢轨检测方法及科学合理的第页西南交通大学硕士研究生学位论文紧急情况应对措施体系,并对不同等级的铁路做出了相应明确的检测周期规定。我国铁路引进了技术性能很好的大型超声波钢轨探伤车,但应用效果却并不十分理想,以至于造成了昂贵的大型探伤车在钢轨伤损检测中处于辅助地位,而让探伤小车唱主角的尴尬局面。问题的关键在于我们只引进了先进的设备,但缺乏应用经验和相适应的检测机制,没有与自身的线
8、路与运营条件配套的检测方法。其次,随着养护维修机械化进程加快、线路运营强度和密度不断提高,剥俐轨进行快速、可靠、有效的检测要求越来越急迫,探伤小车唱主角的模式是必将淘汰。因此研究大型钢轨探伤车钢轨伤损检测可靠性,结合线路和运营特点,在充分发挥大型钢轨探伤车性能基础上.辅以其它探伤方法,建立先进、有效、可靠的检测机制和方法,确保线路运营安全是非常必要的。因此,大小探伤车合理配套使用方案研究的完成也将为可靠性较高的钢轨检测方法及科学台理的紧急情况应对措雕体系的发展打下坚实基础。.国内钋现状铁路是较早开展无损检测工作的部门之一,钢轨探伤是无损检测技术应用的一个重要领域,由于钢轨在使用过程中会因应力作
9、用产生各种疲劳裂纹,如检测不及时,会造成钢轨断裂,以至于引起列车颠覆,中断交通等恶性事故,因而各国对钢轨探伤都十分重视,不惜投入大量人力物力对现役钢轨进行定期检测,以便及早发现疲劳伤损,防止断轨,确保安全。在探伤设备和手段方面,国内外有较大差别。目前国外钢轨探伤主要使用大型探伤车,小型设备一般只用来复查大型探伤车的检测结果。目前探伤车探伤速度大多在?/。德国拟把电磁声技术运用到钢轨探伤车上,准备研制探伤速度在/以上的探伤车,但此项目目前还没有正式投入使用,探伤车的工作方式多采用停顿式,即探伤线路第页西南交通大学硕士研究生学位论文是封闭的,发现伤损马上停下来手工复核,一旦确认立即换轨,目前这点在
10、我国也很难做到。美国、德国、法国、澳大利亚、俄罗斯等国都可以设计和生产钢轨探伤车,有些国家还少量出口。美国公司生产的一型探伤车是较有代表性的具有年代先进水平的探伤车,我国成都铁路局等使用的是该型进口探伤车,国内生产的型大型探伤车,其检测系统就是一,探伤速度可达/。国外钢轨探伤部门一般与铁路运输部门是分离的,也就是说探伤部门和铁路部门分属不同的公司,铁路部门将探伤工作以合同形式委托给探伤公司,铁路部门只负责提供必要的探伤条件,探伤公司则要根据铁路部门要求定期对钢轨进行检验。这种做法的优点在于责任明确,工作上避免人为的干扰,铁路部门可以不必配备大量的探伤人员和设备,而探伤公司则可按照探伤工作固有规
11、律开展工作,履行职责。这样打破了探伤技术和设备的行业所有,有利于发挥探伤人员的积极性,真正做到人尽其刁,物尽其用,在激烈的市场竞争中,迫使探伤部门不断完善更新自己的探伤技术、设备和提高探伤人员素质,有利于探伤技术水平的提高。另外,国外在探伤方面的投资也很大,许多国家都建有钢轨探伤的研究中心或探伤设备的生产基地。如美国的公司、公司,康州大学:德国的明登机械研究所、弗琅霍费研究所;法国的公司等,都有很强的钢轨探伤研究能力和探伤设备的生产能力。在我国,铁路是最早开展无损检测工作的部门之 ,年铁道部引进瑞士生产的共振式超声波探伤仪检查钢轨,是公认的我国超声波探伤的开端。经过多年的努力,钢轨探伤已取得长
12、足发展,经国内与国外合作,已经能够生产大型探伤车,并丌发研制了一系列探伤小车,还先后制定了钢轨探伤仪和专用探头的技术条件,发布了钢轨探伤管理规则,标志着我国探伤已经逐步向成熟化、规范化、制度化方向发展。第页西南交通大学硕士研究生学位论文由于我国运输繁忙,车流密度大,探伤作业没有固定时,大型设备难以使用,因此钢轨探伤至今仍然以探伤仪为主。为了提高椿伤效率和准确率,必须充分发挥大型探伤车的作片,袱据线路条件制定合理的探伤制度和探伤周期。我国钢轨探伤的基本特点是任务重,要求严和条件差,这与我国有缝线路较多,钢轨质量差,车流密度大,钢轨损伤快有关。长期以来,铁路运输安全基本上是用提高探伤灵敏度和增加探
13、伤次数的方法来实现的。西方国家铁路以无缝线路为主,钢轨缺陷主要为核伤,多数国家在核伤面积超过轨头面积%以上时才要求换轨,法国甚至放宽到%换轨。然而我国比国外要严格得多,一般来说,超过中当量的缺陷则要求马上换轨,有些线路甚至不允许缺陷存在,只要能确认是核伤。就要求马上换下,否则就认为有造成事故的危险。这样做极其不科学,也不终济,必须建立科学的风险管理机制。即建立既能保证运输安全又最大限度节省探伤和换轨成本的风险制度。国外钢轨探伤周期长,例如美国一股线路每年只检查两遍,重点线路包括客运线路也只有三遍。而我国则不然,基本上一个月?遍,一些特殊区段,如石太线差不多天就要检查一遍,又基本靠手推小车完成,
14、工作量之大可想而知,每年探伤的线路长度可绕地球余圈,基本靠探伤工手推车步行完成。艰苦的环境,恶劣的条件不仅影响探伤人员的工作积极性。同时还影响探伤设备的正常使用和钢轨探伤效果。长期以来,我国钢轨探伤完全依靠手推式探伤仪施行人工探伤。全路现有近名专职钢轨探伤人员使用着约台手推式钢轨探伤小车,负担近万公里钢轨的内部伤损检查。从年开始,铁道部先后从澳大利亚?公司和美国公司进口了台大型钢轨探伤车其中台从美国进口,但目前这台大型探伤车使用情况不很理想。第页西南交通大学硕士研究生学位论文当前我国的钢轨探伤工作仍处于以手推式探伤小车为主,大型探伤车为辅的局面。在国外发达国家,大型钢轨探伤车得到了成功的应用。
15、这些国家的钢轨探伤主要由探伤车承担,人工探伤小车仅作为辅助手段,与我国目前的状况刚好相反。有关其它困家的钢轨探伤车的使用情况参见表】一。表发达国家探伤车使用情况国家 制造商 最高检测速 作业方 传感器 年检测里程度/ 类型停顿式 轮式 美国、加拿 :人、墨西哥等国法国、瑞士 停顿式 轮式等国连续式 滑靴式英国 英国铁路公司 连续式 滑靴式德国 自产 连续式 滑靴式日本 自产和部分进口 停顿式 滑靴式各国不但在探伤设备上进行开发改进,在探伤风险和可靠度管理上也有了一定研究,并取得了初步的成果。年,铁道部引进两台一型超声波大型探伤车,此型号探伤车是在美国公司和宝鸡工程机械厂联合研制的,采用一探伤检
16、测系统。世界各国对钢轨探伤的研究远不如我国迫切。提高钢轨伤损检测可靠性的问题,是一个复杂的系统问题,高精度的探伤车是必要的,但仅仅有高精度的探伤车却是远远不够的。利用大型钢轨探伤车对钢轨伤损进行高可靠性的检测,涉及到探伤车对各种伤损类型的敏感程度、探伤车对某一伤损各种发展第页西南交通大学硕士研究生学位论文阶段及不同部位的敏感程度、探测车对不同钢轨伤损的判识精度、检测的周期、探伤车工作走行速度以及操作人员的素质等等问题,都必须通过研究加以解决。在一定的维修模式与运营条件下,对于既定的钢轨伤损检测机制,应当通过研究,确定钢轨伤损检查的可靠性,从而计算出可能漏探的伤损数量,确定采用其它检测方式进行补
17、检的措施。钢轨伤损是重复受载下钢轨疲劳的结果,未发现的钢轨伤损可能造成钢轨突然折断,造成行车中断或更加灾难性的后果,最直接的后果是造成额外的两个焊缝。钢轨风险管理中探伤管理的目的是在保证行车安全的前提下,不使钢轨过分保守地更换,提高钢轨使用的经济性。为了取得最大的经济效益,同时将事故隐患减至最小,国外铁路公司在提高钢轨检测与监控水平、管理以及维护水平方丽下大力气,采用先进的设备、技术及管理理念,取得了十分突出的效果。.我国钢轨探伤工作存在的问题手工式钢轨探伤作业的工艺方法经过近几年的使用已经比较成熟伤损的检出率较高,可靠性较好,在保证铁路运输安全方面发挥了重要作用。但是随着铁路向高速重载的方向
18、发展,以手推式探伤小车为主,大型探伤车为辅的状况明显地暴露出不足之处:手推式人工探伤小车探伤作业效率低。其检测速度一般为/,每天的作业量为一个区间一般为。这种手推式探伤小车与国外大型探伤车相比,探伤速度太低,明显地不能适应提速后新的运营要求。手工钢轨探伤作业方式需要投入大量的人力,不符合铁道部减员增效的政策。如果改用大型钢轨探伤车,所需人员还不到手工探伤人员的十分之一。第页西南交通大学硕士研究生学位论文进口的大型钢轨探伤车最高检测速度为/;作业方式为停顿式作业,即发现伤损后,探伤车需停下,用小型探伤仪复核后再继续检测。占道时间长,运输组织上不易安排。与手推式钢轨探伤小车相比,进口探伤车检测轨头
19、核伤的灵敏度要低左右。大型钢轨探伤车的核伤检出率低,误判率高。然而随着列车速度的提高,核伤成为影响运输安全的巨大隐患,对核伤的检出变得更为重要。分析大型钢轨探伤车使用不理想的原因,主要在于以下几个方面:我国的钢轨线路使用情况和美国不同。美国的行车密度比我国小得多,运输组织部门可以为钢轨探伤车“开天窗”,因此/的检测速度和停顿式作业方式是可行的。在我国,铁路线运输比较繁忙,不能给钢轨探伤车提供足够的检测时间。欧美等国钢轨中的核伤主要是由于白点造成的,核伤主要存在于钢轨轨头中央。而我国钢轨的核伤主要是由于夹杂和表面擦伤等引起的,又多存在于轨头内侧。因此,适合于美国线路的钢轨探伤工艺不适合于我国钢轨
20、核伤的检查。中美两国对核伤的探测标准不同。美国的探伤标准要求较为宽松,只要求检出轨头面积的%可,而在我国,铡轨轨头内部不允许存在大于当量平底孔的核伤,比美国标准要严格得多。美国的探伤车采用轮式探头,超声波经过耦合液、探测轮橡胶等多层介质后衰减较大,所以检测灵敏度要比手推式探伤小车低。这种检测灵敏度相对较低的轮式探头在探伤要求较为宽松的美国是适用的,而在我国则达不到探伤要求。.本文的研究内容为了降低断轨风险,降低探伤劳动强度和成本必须使用以大型探伤车第页西南交通大学硕士研究生学位论文为主,小型探伤仪配合检测的检测机制,并建立相应的成本风险管理机制。首先必须确定大型探伤车的合理探伤周期,建立大小探
21、伤车的合理配套检测方案,再有就是建立科学的探伤成本风险管理机制。要建立大小探伤车的配套检测方案,必须解决以下几个问题:钢轨伤损类型、尺寸及形态特征的研究。钢轨各利伤损的形态特征,记录钢轨伤伤损的萌生和发展过程,关系到大型探伤车和探伤仪检测的准确性,也为采取合理的探伤周期提供了直接依据。大、小型探伤车探伤原理、功能及存在的缺陷研究。大小探伤车对各种伤损检测的准确度研究,通过建立实验段统计大小探伤车的漏减和错判率,以便在现有设备基础上做改进,在新设备开发研制和引进前发挥最佳探伤性能,将漏减和错判率降到最低。确定经济合理的检测速度和探伤周期,钢轨探伤周期过短,占道时间长,探伤成本高,检测周期过长会使
22、未超限和漏检的伤损发展到影响行车安全的程度,造成安全隐患,要既不影响列车安全又节省探伤成本,就必须建立科学的风险管理机制,对榆测周期内的伤损发展进行科学分析,确定最科学经济的探伤周期和检测速度。本文通过对钢轨伤损的形态特征、类型、尺寸和探伤精度、探伤周期之间关系特性的研究,确定了钢轨探伤周期方案。本文对大小探伤车的结构性能及探伤原理进行了比较分析,在综合考虑大小探伤车对钢轨伤损的检测能力的基础上,确定采用大小探伤车的使用模式。通过试验对大小探伤车检测数据结果进行分析和总结,确定大小探伤车探伤合理速度。研究得出了较为合理的大小探伤车配套使用方案,为建立健全、合理的钢轨探伤机制奠定了一定的理论基础
23、。第页西南交通大学硕士研究生学位论文第章钢轨伤损与钢轨探伤钢轨各种伤损的形态特征,汜录了钢轨伤损的萌生和发展过程。研究钢轨伤损类型、尺寸与钢轨探伤之间的特性关系为钢轨探伤提供了现实和理论基础,对大、小探伤车采用合理的探伤周期、检测速度提供了最直接的依据。.钢轨的主要伤损钢轨伤损是指钢轨在使用过程中,发,折断、裂纹及其它影向和限制钢轨使用性能的伤损。钢轨伤损种类很多,常见的有磨耗、剥离及轨头核伤、螺孔裂纹等等。.轨头剥离剥离出现在瞌线外股钢轨轨头轮轨接触全长部位,呈鱼鳞状。鱼鳞状剥离裂纹方向和行车方向相对应,随后逐渐发展呈薄片状剥离或局部发展成剥离掉块,钢轨表层金属沿车轮滚动方向塑性流动变形,剥
24、离裂纹萌生于塑性变形层表面并呈多裂纹源,裂纹沿变形流线方向向深处发展,变形深度与塑性变形层的深度相对应,是剥离伤损的主要形态特征,例如小半径曲线外股钢轨轨头塑性变形层的深度可达,剥离裂纹的深度和剥离掉块的深度也为左右。轨头剥离掉块的主要原因是钢轨材质不纯、淬火工艺不当、轨底坡设置和涂油工艺不当等引起的。广州、北京等局已采取加楔形胶垫调整轨底坡、问断涂油让剥离部位磨掉等措施来防止剥离掉块的发生和发展,并取得了明显的效果。.钢轨核伤第页西南交通大学硕士研究生学位论文起源于轨头内部的纵横裂型核伤的裂纹源通常是呈条状形貌并逐渐发展成为水平方向分布的纵向疲劳裂纹面,横向疲劳裂纹是起源于纵向疲部位,主要沿
25、钢劳面的某一部分。条状疲劳源一般位于踏面下轨轧制方向分布的链状氧化铝夹杂或硅酸盐央杂,内部疲劳裂纹发展到较大面积或快速扩展阶段时才会出现在轨头表面或发生横向断裂。起源于轨头内部的横向疲劳裂纹型核伤其疲劳源通常位于踏面以下,在横向疲劳断口的中部位置并具有核状斑痕。其成因是钢轨的原始制造缺陷,如白点、低倍夹杂、缩孔残余等。起源于轨头表面的横向疲劳裂纹型核伤的裂纹源位于轨头表面。踏面剥离掉块处,擦伤部位,轨头焊补工艺不良和钢轨接续线焊接不良等,都可能成为横向疲劳裂纹源,甚至导致横向疲劳断裂。起源于焊接接头的焊补部位的横向疲劳裂纹型核伤由于铝热焊、接触焊、气压焊焊接工艺不良或铝热焊剂不当等原因,造成央
26、渣、末焊台、结晶裂缝、晶粒粗大及光斑、灰斑等都有可能成为疲劳源,在继续使用中成核扩展造成断轨。这种是现场发现最多的伤损,焊缝也是伤损探测的重点。轨头核伤是最危险的一种伤损形式,钢轨会在列车作用下突然断裂,严重影响行车安全。在重复动荷载的作用下,在钢轨走行面以下的轨头内部出现极为复杂的应力组合,使细小裂纹先是成核,然后向轨头四周发展,直到核伤周围的钢料不足以提供足够的抵抗,钢轨在毫无预兆的情况下猝然折断。所以钢轨内部材质的缺陷是形成核伤的内凶,而外部荷载的作用是外因,促使核伤的发展。核伤的发展与运量、轴重及行车速度、线路平面状态有关。不同线路由于运量不同,核伤形成与发展的周期也不同。为确保行车的
27、安全,对钢轨要定期探伤。.螺栓孔裂纹和轨底横向疲劳裂纹普碳轨螺栓孔裂纹的裂纹源,起源于螺栓孔边角处。轨底横向疲劳第页西南交通大学硕士研究生学位论文裂纹通常起源于轨底表面缺陷和外伤处。裂纹直接向轨头方向扩展导致钢轨横向裂纹。轨头淬火轨螺栓孔裂纹的裂纹源,起源于轨端轨腰部位或螺栓孔边角处。当裂纹扩展到轨头下颚时,由于轨头淬硬层的强韧性明显优于轨腰,所以裂纹易沿轨腰纵向扩展,从而导致整段轨头崩裂,严重危及行车安全。淬火轨有时在裂纹源观察不到明显外伤或缺陷,而疲劳裂纹临界尺寸通常都小于普碳轨同类型伤损的疲劳裂纹临界尺寸。钢轨的螺栓孔裂纹的形成与施工造成的螺孔应力集中、运营中接头胶挚失效、接头夹板螺栓扭
28、矩不足、钢轨爬行和大轨缝所造成螺孔一侧受力较大、接头空吊板底扣坍塌加大了接头动力荷载等因素密不可分,也可以说是这些因素导致螺栓裂纹的形成。.钢轨波浪形磨耗钢轨波浪形磨耗是指钢轨顶面出现有规律性的高低波浪形起伏,是一种不均匀的磨耗。钢轨铺入线路以后,经过列车的碾压,在钢轨的表面.二会产生不同程度的磨损.而波浪形磨耗是其中影响行车质量的一种轨面磨损。在一般的情况下,波浪形磨耗可以分为短波波磨和长波波磨。短波波磨的波峰发亮,波谷发暗也有波峰和波谷都发亮的情况,波幅为.,波峰之间的间距约?。长波波磨的波峰、波谷都发亮,波幅在以下,波峰间距在数十厘米以上。一般来说,在高速行车和小半径曲线地段,短波波磨的
29、情况较为多见;而在重载低速的线路上。基本上都是长波波磨,且波长具有较大的随机性,长的可达,最短的也有,波幅最小的在以下,最大可达?。铁路线路中曲线超高设置的不合理、轨道刚度偏高、轨底坡度殴置不适应、曲线几何状态不良及机车车辆走行部设置都会导致钢轨波浪形磨耗的产生和发展。同时针对以上因素采取定的磨耗整治措施是非常必要的。第页西南交通大学硕士研究生学位论文表 各种伤损形态特征及表现形式主要形态特征 失效的表现形式伤损类型轨头侧面和垂直磨耗超限磨耗 表层塑性流变和微裂纹萌生于表层,轨头断面逐渐减少压渍 轨头踏面压宽和碾边表层和次表层金属塑性流动变形钢轨表层金属沿车轮滚动方 轨头全剥离和掉块剥离向塑性
30、流动变形同磨耗和压溃 轨头全氏呈周期性高低不平的波形磨耗波状变形纵横型核伤 裂纹源通常是是条状形貌并 轨头横向疲劳断裂逐渐发展成为水平方向分布的纵向疲劳裂纹面轨头横向疲劳裂 裂纹源位于轨头内部或表面 钢轨横向疲劳裂纹纹有明显疲劳裂纹扩展区轨底横向疲劳裂 裂纹源位丁轨底内部或表面, 同上纹有疲劳裂纹扩展区螺栓孔裂纹 裂纹源位于螺孔边角处或轨钢轨断裂和轨头揭盖端轨腰处,有疲劳裂纹扩展区脆性断裂 断口无明显疲劳特征,根据放横向脆性断裂射状撕裂棱线方向可以确定断裂其始点位置踏面擦伤白层马氏体 擦伤层剥离掉块或导致钢轨横向裂纹轨头淬硬层纵向 针状马氏体踏面浅层纵向裂纹或浅层掉块裂纹焊接接头伤损 出现掉块
31、或断裂钢轨轨腰形断裂和横向疲劳断裂等列车经过钢轨波浪形磨耗地段时会引起轮对、转向架及车体的上下剧烈振动,加大了轮轨之间的动力作用.给机车车辆的保养以不良影响,加速了机车车辆及轨道部件的损坏,增加了运输设备养护维修费用,缩短了钢轨的更换周期。严重时危及行车安全。此外钢轨踏面波浪形磨耗的存在降低了旅客列车的舒适度,并且是城市噪音的主要来源。各种伤损形念特征及表现形式见表?所示。钢轨的磨耗、压溃、剥离、波磨和纵横向裂型核伤,都是与轮轨接触应力有关,所以可以将该第页西南交通大学硕士研究生学位论文五种伤损归纳为轮轨接触疲劳伤损,其共同的失效机理为接触疲劳。轮轨接触疲劳是钢轨在接触应力和摩擦力作用下,形成
32、以塑性流动变形、疲劳磨耗、疲劳裂纹共存,相互影响或制约,发生于轮轨接触面表层和次表层的伤损现象。钢轨的使用条件、性能和质量的好坏,都将明显影响或控制上述五种伤损萌生和发展速率,而某一种伤损又会成为控制钢轨寿命和安全性的主要因素。.探伤可靠性与伤损尺寸的关系目前的依据超声波原理进行探伤的方法,其可靠性与钢轨伤损尺寸有直接的关系,具体见图?所示。一般来讲,当伤损达到轨头面积的%时,探测到的可靠性约为%,而当伤损裂纹仅仅为轨头面积的%时,探测到的机率仅有%。伤损尺寸%轨头面积图?轨头伤损尺寸与探测可靠性的关系.探伤可靠性与伤损类型的关系探伤可靠性与钢轨伤损的类型和部位也有很大关系。表?给出的是探伤车
33、最低探伤精度与钢轨伤损类型及伤损部位的关系,由此可见,第 页西南交通大学硕士研究生学位论文小同类型的钢轨伤损探测可靠性差异较大。表?最低探测精度与伤损类型、部位关系尺寸长度或占轨 一次探测到的伤损类型可靠率%头的面积自分比?% 横向裂纹一%?% 一% ?% 由剥离发展出来的裂纹?% 一% 一% 一% 现场焊轨头?% ?% 一% 轨头纵向伤损 一】 一 大。探伤周期与钢轨伤损裂纹扩展的速率很难预测,因此钢轨断裂具有不可预见性.尤其是轨底的伤损以及车轮冲击载荷对裂纹扩展的影响。然而设置合理的探伤周期必须要大致确定出各种伤损的发展速率以及各种伤损发展至断轨时的最大尺寸。国外许多铁路公司都是依据自身铁
34、路的运营条件,通过试验研究,得到典型钢轨伤损的扩展规律、引发断轨的核伤或裂纹最大尺寸、钢轨伤损从出现发展到断轨的大致通过总重,结合探伤车的精度和可行性,第页西南交通大学硕士研究生学位论文由此可以得到合理探伤间隔,及其与钢轨伤损漏探机率的关系。表?是美国试验线上公里线路钢轨的探伤周期与伤损漏探率的试验结果。表探伤间隔与漏探机率的关系公里线路在未探测到之前就发展到%纠头面积探伤间隔的伤损数目.考虑探伤费、漏探造成的紧急换轨增加的费用,以及漏探可能造成的脱轨事故费用,可以求得最佳的探伤周期。例如,探出伤轨修理及换轨按每处元计算,未探出钢轨需紧急换轨按每处万元计,可能造成脱轨事故按%且每次事故平均按万
35、元计,则可计算出上公里线路的最佳探伤周期为。在设定合理探伤周期后,由于探伤仪器及钢轨伤损的不确定性,所以应依据钢轨探出的伤损数量和维修数量,对探伤周期进行调整。如北美重载铁路上规定,下列情况下要求缩短探伤周期:每年每公里钢轨伤损维修率超过.:维修处所与探测到的钢轨伤损处所之和超过每公里每百万吨.处:维修处所与探测到伤损的处所之比超过.。上述情况可能由维修量与轨道状态不相适应引起,也可能因探伤仪器的精度不够引起,也可能由两者共同引起,但只要分析线路上探测到的伤损数与进行了维修的伤损数,就能找出问题所在。由于人力、物力的限制,一味地缩小探伤周期,提高探伤次数未必是超声波钢轨探伤检出率的有效措施,关
36、键是要抓住影响探伤周期的终第】页西南交通大学硕士研究生学位论文点。在制定探伤周期时,首先要抓住运量这一要素,因为钢轨伤损的发生、发展主要受运量的控制。钢轨伤损的发展过程可分为早期大修换轨初期、稳定期对/轨.运量亿吨以下:对/轨,运量.亿吨以下、发展期对/轨,运量亿吨:对/轨,运量,亿吨、高发期/轨,运量亿吨以上:对/轨。运量亿吨以上四个阶段。在早期和稳定期,伤损率较低;随着累积运量的增加,进入发展期后,伤损就明显上升;随着时间的推移,累积运量不断增加,到一定程度时,线路钢轨强度也接近疲劳极限.就进入高发期,线路钢轨伤损周趋严重,其总体伤损率可达%左右。正常情况下,线路钢轨的探伤周期见表所示。表
37、正常情况下的钢轨探伤周期累积运量亿吨 探伤周划所处阶段/ /.早划 次/季稳定期 . . 次/季,冬季增加次., .。发展期 次/季,冬季增加次/月 高发期 次/月,冬季增加次冬季应对小半径曲线、长大坡道尤其自动地段和桥梁、隧道内、接头区域、道岔等重点部位,适当缩短探伤周期,增加探伤次数。夏季的探伤周期可在冬季的基础上适当的延长,但对炎热夏季应力峰可能“生的终点区域必须强化。无缝线路气压焊接缝处的探测和检测次数可比铝热焊接次数少二分之一;对于铺设/轨的区段,可比按比/轨区段的探伤次数少%的原则制定,但要保证探测质量。第页西南交通大学硕士研究生学位论文第章试验方案研究大小探伤车的合理配套使用方案
38、首先要深入地研究大小探伤车的组成和功能原理,在理论分析的基础上建立大小探伤车伤损检测试验方案。通过试验检测数据的分祈比较,为大小探伤车的配套使用提供依据。可以说现在我们只引进了先进的设备,但缺乏应用经验和相适应的检测机制,没有与自身的线路与运营条件相配套的检测方法。因此研究大小探伤车的合理配套使用在实际线路上进行检测试验是十分必要和必须的。大型探伤车功能原理.基本概况现在我国线路上运行的探伤车型号为一型,是由美国公司与中国宝鸡工程机械厂联合制造。它具有良好的检测界面,检测最大有效速度为/,检测效果在精度、可靠性方面都有其长足之处。早期从美陶引进的探伤车其检测系统也是?,除车体不同外,其检测系统
39、.数据输入输出.信号处理系统竞全一样。本文以中美两国联合制造的一为例,介绍该种探伤车检测功能、原理和缺陷,提出改进措施。探伤车全长.米,由两节车厢组成。其中一节为动力车,长米,配备有一台马力美国康明斯原装发动机,一台英国帕金斯发电机和一台康明斯备用发电机。动力系统采用与轨道车不同的液力传动方式。另一节为检测车,无动力,长米,车下吊挂有探伤小车。探伤小车采用液压、风动方式落到钢轨上进行工作。探伤车运行速度为/,检测速度为/。一型钢轨探伤车检测系统可分为两个子系统:机械子系统和计算机及电子子系统。机械子系统包括为探测架,其上装有超声波轮探头、第页西南交通大学硕士研究生学位论文液压子系统、气动子系统
40、、柴油子系统、水系统。计算机子系统分为:操作员界面操作系统及嵌入子系统。.轮探头钢轨探伤车发射的超声波是由共四个轮探头发出的,每股钢轨各两个。轮探头外包橡胶轮胎,内充专用的耦合液。在检测的时候,由轮探头前后的喷水喷头向探轮前方喷射耦合水。每个轮探头轮径为,由六个品片组成,分别是度、度、外侧度、中心度、内侧度、侧打晶片。安装轮探头时,每一股钢轨安装两个轮探头,按相反方向安装。度晶片:度晶片发出的超声波垂直于轨面进入钢轨,通过轨腰到达轨底。度晶片得到的回波分为缺陷检测波及钢轨底波消失回波。度晶片:度晶片探测任务共由块晶片组成,分别是内侧、中心、外侧度,以便能够全面地探测存在于钢轨轨头区域的伤损,同
41、时亦能更好地区分出各伤损所处的不同位置。他的主要任务是探测轨头核伤和焊缝缺陷,另外还可探头轨头中的垂直横向取向的伤损。每一股钢轨上的两轮探头中的度晶片相向安装,一个向前,一个向后。度晶片:度主要用于探测轨腰部分缺陷,尤其是螺孔裂纹,该晶片还可检测钢轨轨头的部分缺陷,能检测到度晶片漏掉的特殊取向的缺陷。在一股钢轨中两块度晶片相对安装,一个向前,一个向后。侧打晶片:主要用于探测轨头垂直纵向的缺陷,。股钢轨中两块侧打晶片一个负责扫描轨头外侧,一个负责扫描轨头内侧。为适应线路实际轨距的微小变化及曲线的超高,轮探头安装在一个可以水平横移及倾角调节的架子上,轮探头在油缸的带动下可以水平移动、倾角可以调整负
42、度。通过安装轮探头的方式我们知道,检测时每股钢轨共有十二股声束,占通道。同股钢轨上的两个轮探头无第页西南交通大学硕士研究生学位论文任何联系,但它们彼此并不完全独立。对伤损的判别需要综合两个轮探头的信息来进行。探轮的晶片对超声波是单收发状态,声速从发出到接收,在现有的轮探头的设计情况下,最长不超过微秒。从发射脉冲的频来说,轮探头发出的超声波频率共分四个档,分别为./次、./次、./次、./次,山探伤车实际检测速度决定。探伤车在每小时公里的速度下行进时,实际超声波发射脉冲的移动距离小于,由于晶片远远大于这个尺寸,因此刘声波的接收不会带来实质的影响。.计算机操作系统计算机操作系统简介?系统的操作员界
43、面为两个计算机:系统控制计算机,及显示计算机 。的主要功能如下:系统中超声子系统的配置:系统中空间转换子系统的配置;识别子系统的配置:显示计算机的配置;控制系统检测的开始/停止;系统诊断/维护:计算机的主要功能如下:实时显示超声信息:实时显示检测区识的识别信息:显示缺陷及特征的准备位置以便进行维护:回放检测数据及打印超声检测彩色图谱;伤损信息处理流程西南交通大学硕士研究生学位论文 第页结合伤损信息的处理过程讲解一下探伤车的工作方式,见图到图?所示。从探伤晶片将超声波发出直到回收后,晶片将反射后的电脉冲信息由电缆反馈给系统柜,由系统柜的模拟信号处理板板接收,在经过板的滤波及处理后,分由两路传达信
44、息.一路送向模拟示波器,在操作员前方实时地显示声波状态,以便能够快速地调节参数及探轮位置。一路送由数字信号处理板板进行继续处理。板的任务是将信息进行/转换,将原来的模拟信号转化为可供计算机处理的数字信号。接下来的工作,就要交由柜处理器来做了,柜处理机又称,他是整个嵌入系统中非常重要的一个环节。他的任务是采集由下方传上来的数据信号,将一个“干净”的信息交到下?个工序。在进行增益、衰减等调节的时候,实际上就是通过它来进行的。另外,还完成测量钢轨高度,进行模拟测试和系统测试等系统渗断工作。探轮不是完全独立的,在过程中需要配合的工作,那么这个配合工作就是空间转换计算机来完成的,所谓空间转换,就是将两个
45、探轮反射的超声波进行空间上的拟合。探轮在安装的时候,他们相互间有.的距离.空间转换计算机的任务就是把这.的距离消除掉,将两轮的反射图形拟合在一点上,使之成为一个完整的伤损。在空间转换计算机处理过后的信息将交由别计算机,在这里,识别计算机将把各种反射图形与伤损图库中的伤损典型图样进行对比,对不正常的图形要进行筛选与识别。识别出螺孔裂纹、核伤、焊缝等等伤损,然后在交由计算机显示出来供操作员参考,并递交计算机进行登记在案。探伤车在检测过程中,同时会把检测过的全部线路的各项数据,存储在。的硬盘中,形成伤损文件,以备操作员同后回放处理。第页西南交通大学硕士研究生学位论文图一轮探头在钢轨上的安装位置图探头声束取向图第页西南交通大学硕士研究生学位论文滕。目一一一一.一震 ,.麟女黼图度超卢波在钢轨中的覆盖区图?度超声波在钢轨中的覆盖区第页西南交通大学硕士研究生学位论文图度晶片在钢轨中的覆盖区图侧打晶片在钢轨中的覆盖区伤损图谱在经历
