第一节 钢轨超声波探伤仪
钢轨超声波探伤仪是指能在钢轨上推行并对钢轨内部质量进行检测的小型探伤设备，可利用行车间隔或天窗时间上道作业，具有机动、灵活、方便、实用的特点，是目前我国铁路在役钢轨的主要探伤设备，已实现数字化。
一、钢轨探伤技术
对在役钢轨的周期性探伤，我国已形成普速铁路以探伤仪为主、探伤车为辅，高速铁路以探伤车为主、探伤仪为辅的检测模式。
在役钢轨探伤是检查钢轨在使用过程中产生的疲劳缺陷，主要是轨头核伤、螺孔裂纹和其他方向的疲劳裂纹，还包括一些钢轨出厂漏检的材质缺陷，如严重的纵向夹杂等。因缺陷类型、位置、方向等有很大区别，需多只不同角度的探头进行扫查。
1.轨头核伤
钢轨核伤多发生在钢轨头部，为轨头横向疲劳裂纹，多呈椭圆形，一般距踏面8～12mm、距内侧5～10mm（图4-2）；也有位于轨头中部的核伤。钢轨核伤与轨头侧面近乎垂直，与踏面多呈10°～25°夹角（单行线上）或近乎垂直（复行线上）。核伤在未发展到外表面时肉眼不可见，在没有和外界空气接触时，称“白核”；已扩展到外表面时，因氧化变为黑色，故称“黑核”。
国内外对核伤均采用折射角为65°～70°的超声横波探头进行探伤。根据核伤多出现在轨头靠近轨距角的特点，且采用一次波检测近表面伤损难度较大，我国铁路多年来一直采用二次波法，即将探头向内侧偏转14°～20°，利用经轨颚反射后的二次波进行检测，见图4-2。
图4-2 钢轨核伤的探测示意图
2.螺孔裂纹
螺孔裂纹是从螺孔周边开裂发展而成的疲劳缺陷，一般与水平线呈0°～45°夹角。由孔向钢轨上部发展的称为螺孔裂纹上裂；由孔向钢轨下部发展的称为螺孔裂纹下裂。
使用37°斜探头探测螺孔斜裂纹，0°直探头探测螺孔水平裂纹，见图4-3。
图4-3 螺孔裂纹的探伤方法示意图
二、钢轨探伤仪主机组成及工作原理
1.主机组成
（1）同步电路
同步电路又称触发电路，是整个探伤仪的“中枢”，用来触发探伤仪扫描电路、发射电路等，使之按设定的时序工作。
（2）扫描电路
扫描电路又称时基电路，用来产生锯齿波电压，使荧光屏上的光点沿水平方向作等速移动，产生一条水平扫描时基线。
（3）发射电路
利用闸流管或可控硅的开关特性，产生几百伏至上千伏的电脉冲，施加于发射探头，激励压电晶片振动，使之产生超声波。
（4）接收电路
接收电路由衰减器、射频放大器、检波器和视频放大器等组成。它将来自探头的电信号进行放大、检波，最后在荧光屏上显示回波信号。
（5）显示电路
主要由显示器及外围电路组成，用来显示探伤图形。
2.工作原理
同步电路产生的触发脉冲同时加至扫描和发射电路，扫描电路受触发产生锯齿波电压，在荧光屏上产生一条水平扫描线。同时，发射电路受触发产生高频窄脉冲，加至探头，激励压电晶片振动，在工件中产生超声波。超声波在工件中传播，遇缺陷或底面发生反射时，被探头中的压电晶片接收，转变为电脉冲，经接收电路放大和检波，加至水平扫描线的相应位置上产生缺陷波和底波，根据缺陷波的幅度可以估算缺陷的当量大小。如果将显示器扫描线的扫描速率同步于超声波在被测工件中的传播速度，则根据回波的水平显示位置可以确定缺陷的位置。
较小缺陷可以根据回波强度和对比试块的模拟缺陷回波的幅度对比，判断缺陷的当量大小。大缺陷则根据回波的幅度和探头位移量来判断缺陷的当量大小。图4-4是用直探头检测被测工件中无缺陷、小缺陷、大缺陷的显示原理图。
图4-4 直探头检测被测工件显示原理
三、钢轨探伤仪结构组成
数字钢轨探伤仪主要由探伤仪主机、探头、耦合剂容器、小车等构成。
1.整体结构
钢轨探伤仪是多通道超声波探伤设备，包括仪器（含电源）、显示器、探头、编码器以及可在轨道上推行的小车（带耦合液水箱）等部分，见图4-5。
2.各组成部分的功能
（1）仪器（主机）
仪器具有人机对话键盘、数据采集模块、存储器、导出探伤记录的USB接口、编码器、主控模块和同步与处理模块，具有A、B型显示区域，电源部分提供各种直流电压供各单元使用。
（2）显示器
显示器多采用LCD液晶显示器或EL场致发光显示器。A、B型图像可同屏分区显示，这种显示方式需要较大的屏幕尺寸，给现场的探伤分析带来极大的方便。
（3）探头
图4-5 钢轨探伤仪结构组成图例
1—主机；2—标记键；3—推手；4—推手紧固丝；5—水阀；6—翻板挂钩；7—橡胶轮；8—探头及探头架；
9—水刷；10—抬手；11—工具箱；12—俯仰紧固螺丝；13—旋转紧固丝；14—翻板；15—侧轮；
16—尼龙轮；17—抬手；18—主机固定丝
①基本技术参数
钢轨超声波探头由双晶片构成，工作频率多为2MHz，晶片材料为锆钛酸铅，晶片尺寸8mm×12mm。其他技术指标在《钢轨超声波探伤仪》（TB/T 2340）做出了详细的规定。
②探头基本配置模式
现有钢轨超声波探伤仪的探头基本配置模式为9个探测通道：其中0°通道一个；37°通道两个（前37°、后37°）；70°通道六个（前70°、后70°、前内70°、前外70°、后内70°、后外70°）。探头基本配置示意图见图4-6。
图4-6 钢轨探伤仪的探头配置示意图
（4）编码器
编码器有光电编码器和磁性编码器两种，磁性编码器和尼龙轮轴组合在一起，易安装、可靠性高，精度可达到256～1024个脉冲/转。
（5）小车和水箱
小车用于安装探伤作业时使用的所有零部件，包括主机托架、探头架、翻板、水阀、水刷、探头尼龙轮、陆地行走轮、推手、抬手等。水桶用来盛放耦合剂，安装在小车上。
四、钢轨探伤仪主要性能指标及功能
1.性能指标
（1）重复频率、增益控制范围、动态范围、放大器频率响应、水平线性误差、垂直线性误差、阻塞范围、抑制状态对测量结果的影响、灵敏度余量、距离幅度特性、信噪比等技术指标应符合TB/T 2340要求。
（2）能适用于43～75kg/m在役钢轨的超声波探伤作业；有同时探测轨头、轨腰和轨底横向疲劳裂纹、其他部位裂纹（包括纵向垂直裂、斜裂、纵向平裂和螺孔裂纹等）的能力（自轨面入射的超声束无法射及的部位除外）。
（3）探伤小车应是重量轻的框架结构，可在平地上推行和直立，能承受正常使用情况下的冲击和振动。在线路上推移时，滚动轮应具有横向限位轮缘。所有与轨面接触部分都应采用电绝缘材料制作。车架上有便于上下道的抬手柄，车体设计应考虑便于在旅客列车上搭乘。
（4）供水系统应能保证每个探头耦合良好，阀门易于调节；水箱应耐腐蚀，容量不小于10L。
（5）蓄电池容量应能满足探伤仪连续工作8h的需要。
2.主要功能
探伤仪主要功能应包括：线路信息记录录入、作业基本信息、里程记录、探伤灵敏度调节、探伤灵敏度记录、探伤数据A/B型显示、闸门报警、测速、超速报警、标识、数据存储、数据回放、卫星定位等。