铁路道岔固定螺栓智能检测技术与装置

负责人：曾亮

所在学院：机械工程学院

一、项目简介

本项目提供一种铁路道岔固定螺栓智能检测装置，包括数字处理集成电路、超声相控阵探头、相控阵超声智能分析软件和便携式超声成像仪器。采用超声成像技术作为检测平台，通过定制型超声检测工艺开发以及定制型软件为支撑，完成铁路道岔固定螺栓的智能检测。该装置通过相控阵探头发射超声波，再由数字处理集成电路对回波信号进行处理，之后通过定制相控阵超声智能分析软件，实现道岔固定螺栓免拆卸状态（折断、裂纹）的检查分析，并且能够实时在线判断螺栓状态；另外，通过设计便携式超声成像仪器，可以实现智能检测分析、数据存储、维修数据、检测报告等功能。该检测分析装置可以提高道岔螺栓状态的检测效率，减轻工人的劳动强度，保证列车的安全运行，特别适合铁路道岔固定螺栓的智能检测，符合未来轨道交通行业的发展趋势。

                                     a）铁路道岔                                                           b)道岔固定螺栓

图 1.铁路道岔及其固定螺栓

二、关键技术

该项目使用超声相控阵技术，实现铁路道岔固定螺栓的智能检测，可解决目前铁路道岔固定螺栓故障检测中存在的一些问题：

（一）发展适合于螺栓检测的超声相控阵成像技术。与现有单晶探头超声检测技术相比，超声相控技术利用电子控制方式实现波束偏转，可进行连续电子“面”扫描，探头的布局保证各自的声束扫描角度范围之间存在重叠区域（其超声相控探头如图 2a 所示），实现检测区域的快速高效、全覆盖检测，图2b；另外，超声相控技术可以控制声束在待检区域内连续变焦，使得在整个检测区域内都可以保持几乎一致的扫描精度，且可以在待测区域内不同位置实现聚焦，缺陷处的回波能量更强，检测灵敏度更高，更易于发现缺陷。

         a）超声相控阵探头                                 b)探头放置螺栓端面发射的扇形波束

图 2. 相控阵探头及其发射扇形波束

（二）实现直观显示检测结果。与现有检测系统相比，相控阵超声智能分析软件可以实现道岔固定螺栓免拆卸状态（折断、裂纹）检测分析、在线实时判断螺栓状态。另外，可以生成二维或三维直观图像，使得缺陷判别更加便捷，对于检测人员的技术水平和经验要求低。

（三）定制开发便携式超声成像仪器。提供螺栓智能检测分析、数据存储、维修数据、检测报告等功能。与传统的定期维修模式相比，该螺栓智能检测装置符合大数据时代对于设备的预测性维护要求，通过收集海量数据并进行分析，及时发现并预防螺栓可能存在的安全隐患，让铁路道岔保持正常稳定工作，这不仅能提高运维效率，还能减少系统的维修费用。

三、应用市场

截至 2020 年，我国铁路运营里程已达到 14.6 万公里，共设立 18 个铁路局。仅以西安铁路局为例，其下辖高铁车站共使用近 800 组道岔，平均每个道岔使用 5 台转辙机，每台转辙机包含 4 个固定螺栓，根据现有检修规程，固定螺栓每 10 天外观敲击检查一次，每两年拆卸检查一次，检修耗时严重且代价高昂。铁路道岔固定螺栓的智能检测分析装置属于专用仪器，涉及数据存储、智能检测分析、检测报告生成等功能。装置价格低廉，功能强大，可以满足铁路道岔固定螺栓的运维需求。该项目产业化后，可以填补国内市场空白，适合面向国内铁路推广，具有广阔的应用和推广前景。此外，该装置还可以推广至风电领域，用于风电场高强螺栓的运维。以华能集团为例，其目前拥有风机约 1.2 万台，每半年需检测一次高强螺栓力矩。若开展在役风电机组高强螺栓力矩检测技术服务，每台风机螺栓力矩检测费用0.9 万（每台风机高强螺栓约 900 颗×10 元/颗力矩检测费），螺栓力矩检测费用约 1.08 亿。