重载货车车轮轮辋缺陷及几何参数自动化检测系统研制科技创新项目计划任务书.docx
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重载货车车轮轮辋缺陷及几何参数自动化检测系统研制科技创新项目计划任务书
一、国内外概况、水平和发展趋势及专利情况
铁路机车车辆车轮是铁路运输安全的关键部件。
车轮在运行的应用过程中，由于冶炼时存在于车轮中的成份偏析、Al2O3等夹杂物以及踏面制动等原因造成的疲劳源逐步扩展，形成了严重危及铁路运输安全的车轮周向辋裂和径向裂纹等缺陷。
如何在线及时检测出车轮中的危害性缺陷，是国内外广大铁路安全检测科技人员的重点科研方向，并研制出了相关的检测设备。
1、国外车轮在线检测技术概况
1.1德国的电磁超声波探伤
德国采用电磁超声表面波检测车轮。
具体方法是在钢轨上镶嵌一线圈，根据电磁感应原理，线圈中的高频电流会在轮箍踏面上激发一高频涡流，高频涡流与磁场相互作用会产生一高频交变应力，该交变应力便在轮箍中激发出一频率为0.4MHz的表面波,探测深度约10mm。
探头镶嵌在钢轨上，每根钢轨两只，彼此相距600mm，可以互相覆盖对方的盲区。
当列车轧上探头时，超声波便被激发，并沿踏面朝两个方向传播，以检测轮箍或车轮近表面的径向疲劳缺陷。
该系统已在德国慕尼黑高速铁路（ICE）上使用了许多年，能够探出踏面中心1mm深、20mm长的人工锯口，此时信噪比约为10dB。
电磁超声的最大优点是不需耦合介质，因而可实现非接触探伤，其主要缺点是
（1）只能探测车轮表面层，
（2）转换效率较低，一般比压电换能器低30～40dB，即近两个数量级，为获得足够高的超声波，必须加大激励电流和外加磁场，使设备和探头变得十分庞大。
（3）若踏面材质不均匀，会引起涡流大小和分布的变化，进而引起声波强度的变化，探伤灵敏度会出现忽高忽地的现象。
（4）只能检测径向裂纹。
由于电磁超声只能检测径向裂纹，对于危害性更大的周向辋裂缺陷无能为力。
因此，造成了1998年ICE列车的惨痛教训。
目前德国已停止使用该技术。
1.2美国的探头移动式检测系统
该检测系统由美国铁路运输技术中心（theTransportationTechnologyCenter,Inc.TTCI）研制。
采用随动式组合探头进行车轮在线检测。
当列车经过检测线时，组合探头随列车前进一个车轮周长距离，探头对车轮轮辋进行缺陷扫描。
当扫描一周后，探头退至起始位置，等待下一个车轮的到来。
优点：
可实现车轮轮辋的无间隔连续扫查，检测全面、细致；
缺点：
1组合探头随动机构非常复杂，对机械、控制有非常高要求；
2机械结构故障率高，对环境要求苛刻，灰尘、煤渣等固体颗粒会严重影响系统正常运行，可靠性低。
2、国内车轮在线检测技术概况
2.1某科技有限公司的电磁超声在线检测设备
2003年，国内某科技公司引进了德国产的电磁超声检测系统，并在全路机务系统推广，后又在动车系统安装了几套。
至2012年年底，发生了多起严重辋裂漏探事件，差点造成不可预测的人员及财产损失。
于2012年底被铁道部叫停。
2.2北方交大与北京内燃机务段的合作项目
1997～2006年，北京交通大学与北京内燃机务段立项研制车轮径向缺陷超声波自动化检测设备。
该设备的超声检测工艺以车轮轮辋内侧面作为耦合面，在检测线的前端放置接近开关以计算车速，并根据车速来控制液压系统升降探头组，使之与车轮轮辋内侧面实现接触耦合，同时通过计算机控制相应位置探头的发射与接收。
同样，该设备可检测径向裂纹，对周向辋裂无效。
2.3陈列式探头检测系统
该检测系统由中国铁道科学研究院金属及化学研究所历经10年研究开发完成。
铁科院金化所于2005年在国际上首次发明了钢轨外偏置技术装置，在保证机车车辆运行安全的前提下，采用拓宽轨距和增设护轮轨的方式，有效地解决了在线检测中探头安装与定位的技术难题，满足了车轮超声波自动化检测的需要。
探测车轮周向缺陷用的双晶纵波直探头和探测径向缺陷用的大角度横波探头按一定间距周期性排列，布置长度达到车轮周长，即可完成车轮通过式全周长扫查。
该项技术具有独立自主的发明专利（专利号ZL200520118146.2）。
该检测系统于2007年通过了由铁科院与上海铁路局的联合技术评审，并于2008年起在铁科院东郊国家铁道试验中心进行了不间断的运行考核。
检测效果良好。
3本项目完成后的技术、经济状态
本研究项目完成后，技术水平将领先于国内外同样的检测系统，在铁路机车车辆车轮在线检测领域得到推广。
目前全路共有18个铁路局，每个局平均拥有3个货段，具有十分广阔的市场前景和经济效益。
二、主要研究内容、目标、技术关键及主要技术经济指标
1.研究项目所包含的主要内容：
1.1车轮伤损规律及相应超声波探伤工艺的研究
对车轮缺陷进行调研，确定危及行车安全的车轮裂纹类型。
研究相应的车轮缺陷超声波检测工艺。
这是本项目研究成功的必要条件。
1.2超声波探头的研制
具有高灵敏度和声场覆盖范围大的特点，提高探伤效率，确保缺陷检出率。
1.3声波耦合技术的研究
研究声波耦合剂的过滤、冷冻状态下的的正常使用等技术，确保超声波能有效地发射到车轮内部。
1.4高速信号采集技术的研究
采用计算机技术控制整个系统的工作，并对探伤信息进行处理。
2．与现有技术的对比分析：
将在铁科院现有技术的基础之上，进一步改进检测工艺，提高缺陷识别正确率，提高软件控制系统功能，做到全自动、全信息化。
3.技术特点、关键技术和关键工艺
3.1钢轨外偏置检测轨道：
在保证机车车辆运行安全的前提下，采用拓宽轨距和增设护轮轨的方式，巧妙并有效地解决了在线检测中探头安装与定位的技术难题，满足了车轮超声波自动化检测的需要。
该设计为国际首创。
3.2阵列式探头组合：
探测车轮周向缺陷用的双晶纵波直探头和探测径向缺陷用的大角度横波探头按一定间距周期性排列，布置长度达到车轮周长，即可完成车轮通过式全周长扫查。
3.3采用了多通道超声发射、接收系统，每个通道对应一个探头，保证信号专一，相互之间无干扰。
3.4采用多模式综合判断处理方法，提高了缺陷识别正确率。
4.要达到的技术性能指标和参数
4.1技术目标：
提供一套切实可行的车轮缺陷检测方法、工艺和设备。
该探伤设备能自动完成对车轮轮辋缺陷的检测，每节车辆不超过20秒。
能可靠地检出轮辋中一定当量大小的周向及径向疲劳缺陷。
标准试样中辋裂缺陷识别灵敏度φ40mm，准确率100%；径向缺陷识别灵敏度30mm深φ3×90mm（或表面裂纹1×20mm），准确率100%。
4.2设备性能指标
（1）设备应符合下列标准和规范要求
JB/T10061-1999《A型脉冲反射式超声探伤仪通用技术条件》
JB/T10062-1999《超声探伤用探头性能测试方法》
EN12668-2000《无损检测-超声检测设备的特性及其校验》
（2）探伤仪及探头性能要求
超声波探伤仪至少应符合JB/T10061-1999《A型脉冲反射式超声探伤仪通用技术条件》及如下技术指标：
重复频率
10-2000Hz
带宽
0.8–10MHz
采样频率
≥60MHz
采样点数
≥10000点
综合增益
≥80dB
脉冲发生器延迟
0-10us（10ns步进）
接收器延迟
0-10us（10ns步进）
仪器最大通道数
500
主要技术参数
1）.设备主机主要技术参数
（1）.工作效率：
≤20S/辆
（2）.周向探测覆盖率：
≥100%
（3）.适用轮对直径：
所有机车车辆车轮
（4）.探头耦合液为水剂耦合剂
2）.超声系统技术参数
超声相控阵检测系统
（1）灵敏度余量：
≥46dB（2.5P20Z探头，φ2×200平底孔）
（2）放大器带宽：
（1～10）MHz
（3）衰减或增益可控范围：
≥80dB
（4）动态范围：
≥30dB
（5）垂直线性误差：
≤6%
（6）声程测量（或水平线性）误差：
≤1%
（7）缺陷定位误差：
≤5mm
（8）分辨力：
≥26dB（2.5MHz直探头，纵向）
（9）采样频率：
≥60MHz
超声探头
中心频率：
2.5MHz，中心频率相对误差：
≤15%
分辨力：
≥26dB
相对灵敏度：
≥30dB
5.发明专利
至少申请4项发明专利（或实用新型发明专利）。
三、达到的技术水平、经济、社会效益及推广应用的前景
1．项目完成后所能达到的技术水平：
本项目完成后应能够达到对神华铁路重载货车车轮轮辋部位危害性缺陷进行自动化无损检测，每节车辆不超过20秒。
能可靠地检出轮辋中一定当量大小的周向及径向疲劳缺陷。
标准试样中辋裂缺陷识别灵敏度φ40mm，准确率100%；径向缺陷识别灵敏度30mm深φ3×90mm（或表面裂纹1×20mm），准确率100%。
当发现疑似缺陷时，均需手工复探。
检测系统工艺技术和软件识别技术应至少为国际先进水平。
2．经济效益：
在铁路运输过程中，一旦发生重大大事故，少则几十万元，多则上千万元。
若铁路重载货车轮超声波自动探机的投入使用，能够及时发现轮辋的危害性缺陷和裂纹，有效地防止车轮裂损和崩轮，减少重大事故的发生，为实现铁路运输重载和提速提供可靠的安全保障，减少轮轴事故的发生就是最大的经济效益。
本项目完成后将提高现有铁路货车车轮轮辋缺陷的检出率及精准度，从而减少货车的事故率，使神华铁路公司避免由于事故造成的损失。
从持有成本上来说，由于我们采用阵列式组合探头的检测方式，使设备的整体拥有成本大大降低。
3．社会效益：
随着我国国民经济飞速发展和人民生活水平的不断提高，货物运输量不断增长，人们的社会活动日益增多。
因此，货物运输需要得到可靠的安全保障，人们外出最关注的就是“安全”问题。
无论是航空运输、铁路运输、水路运输、公路运输，一旦发生重大事故，都会给社会带来极大的震动，给遇难亲属带来巨大悲痛，给国家财产带来巨大损失。
铁路运输在我国仍占有极为重要的地位，70%的客、货运量是靠铁路运输来完成的。
因此，铁路运输的安全直接关系到各行各业、千家万户，是一个非常重要的社会问题。
神华铁路重载货车车轮轮辋缺陷自动化检测系统的研制成功，将使神华铁路车辆的车轮检测工作跨入了自动化时代，使神华铁路车辆的车轮在线检测技术跨入了世界先进行列。
4．推广应用前景：
目前铁路货车系统尚未开展车轮在线检测，总需求量在50台左右，每套价格600万元左右，具有十分广阔的市场前景和经济效益。
而本项目的研制成功，不仅可以取得巨大的经济效益，还可以为其他零部件的自动化检测提供很好的经验，进而使机车车辆整体检测水平得到提高，为社会及经济发展贡献力量。
四、采用的研究、实验方法和技术路线
1周向裂纹的检测
根据超声波探伤的原理，当超声波与裂纹面垂直时，超声反射能量最大。
超声波沿车轮径向入射时正好与周向缺陷相垂直。
因此，采用超声径向入射检测车轮周向缺陷的效果最好，如图1所示
图1周向裂纹的检测
2径向缺陷的检测
采用常规超声横波进行检测，如图2所示
图2径向裂纹的检测
3钢轨外偏置技术
由于车轮与钢轨的相互作用，车轮踏面受疲劳应力作用，在受力区的表面或内部产生裂纹。
因此，车轮踏面及以下部位就是超声波的检测区域，一般深度为踏面以下5～30mm。
在检测区段，将钢轨外偏，空出一定区域，放置超声波探头对轮辋进行检测。
另外，为了防止轮对蛇行运动轴向窜动造成脱轨，在轮缘内侧设置了护轨，防止脱轨。
如图3所示。
图3轮辋内部缺陷超声检测示意图
4研究开发技术路线的选定
图4铁路车轮超声在线检测研究技术路线
五、现有的技术基础及条件
中国铁道科学研究院金属及化学研究所（简称金化所）成立于1950年春，是中国铁路系统唯一从事新材料、新工艺、失效分析及材料检测的综合性研究机构。
设有金属材料性能与工艺、焊接技术与工艺、无损检测、润滑材料、高分子材料及应用化学等6个专业事业部。
铁路安全部件失效及故障分析是金化所的特色专业，在铁路重大事故的部件失效分析方面具有权威性，为铁道部在事故的分析、处理与仲裁提供了强有力的技术支持。
几十年来，金化所在铁路轮、轨、轴以及其它零部件的失效分析方面开展了大量的检验分析工作，积累了丰富的失效分析经验和技术理论知识，主编了多部有关钢轨、车轮和车轴失效分析专著。
金化所实验室还具备铁路机车、车辆、工务用金属及其制品的性能检验（包括超声、磁粉、渗透无损检测）及材料测试能力；各类铁路专用润滑油脂的检验测试能力；砂、石、水泥、沥青、砂浆、涂料等建材类产品的检验测试能力；橡胶、塑料及高分子材料及其制品的检验测试能力。
检验项目包括化学成分、金相、硬度、低倍、拉伸、冲击、弯曲、疲劳等常规项目。
同时还可以进行材料断裂韧性测试、材料裂纹扩展速率测试以及材料S－N曲线测试；进行材料热力学模拟试验、磨擦磨损试验和扫描电镜分析等，此外，还承担铁道产品的进出口商品质量检验。
金化所分别于2008年2月3日和2009年1月7日通过了国家资质认定（CMA）计量认证及中国合格评定国家认可委员会（CNAS）实验室认可，为高速铁路系统试验国家工程实验室材料工程实验部。
目前我实验室计量认证范围为25个检测产品类别，270个检测项目和参数，认可能力也由原来的7个产品95个参数扩展到了60个产品302个参数（扩项证书将于2012年1月份颁布）。
金化所自建所以来，共承担500多项研究课题，已取得300多项科研成果，其中获全国科学大会奖14项、国家科学技术进步奖二等奖4项、国家科学技术进步奖三等奖7项、国家发明奖5项、国家重大技术装备表彰一等奖1项、建国40周年百项科技贡献奖1项；国家级新产品1项；国家重点新产品2项。
铁道部科技进步一等奖3项、铁道部科技进步二等奖22项，院、局级科技成果奖50多项，目前拥有国家发明专利18项、实用新型专利22项。
制（修）定铁路行业标准70余项。
为铁路运输设备、基础设施的升级、改造、换代进行了大量的工作，在保障铁路运输安全，提高材料使用水平和规范产品质量，延长设备检修周期和使用寿命，节约生产成本，提高生产效率方面取得了显著的成绩。
铁科院金化所无损检测事业部承担铁路行业无损检测工艺技术研究、无损检测技术人员培训。
科研技术实力雄厚，现有职工15人，其中博导1人，硕导1人，博士4人，硕士2人。
拥有多种先进检测设备，如超声波特征扫描成像系统，可对任意形状工件进行任意形式超声波扫描，技术国内领先；弹性波波场光学成像系统，简称超声光弹仪，可实时观察超声波在工件（模型）中的传播路径、传播特性，是超声探伤工艺研究的有力武器。
该设备的配置，已使金化所探伤室超声探伤研究水平进入了世界先进行列；超声波相控阵探伤仪，可在不移动探头的前题下，快速完成工件全截面扫查。
该设备含有超声端点衍射（TOFD）、超声导波功能，性价比极高。
TOFD能对焊缝中的缺陷精确定位，精度可达0.5mm；磁粉性能检测系列设备，根据“TB/T2047.1铁路用无损检测材料技术条件第1部分：
磁粉检测用材料”的规定内容，配置了荧光亮度测试仪、磁吸附仪、磁粉灵敏度仪、磁粉流动仪等全套磁粉性能检测用设备，可对磁粉性能全方位检测。
近十年来,金化所无损检测事业部承担了铁道部、铁科院或金化所11项科研项目，其中2项获4次铁道科学技术奖；制订了7项铁道行业标准；制订了3项铁道行业规程；取得了2项实用新型发明专利，2项发明专利（已受理）。
研究的机车在线检测系统于2007年通过了由铁科院和上海局的联合技术评审。
六、地点、试验规模和进度安排
1.项目研究、试验所在地点：
中国铁道科学研究院国家铁道试验中心
中国铁道科学研究院金化所无损检测事业部
2.项目现场试验地点：
中国神华能源股份有限公司铁路货车运输分公司指定地点
3.项目进度安排（各方资源配合到位情况下，计划项目时间12个月）：
序号
工作内容
工作时间（以月为单位）
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
1
现场调研与协商
■
■
2
超声仪器制作
■
■
■
3
超声波探头制作
■
■
■
4
探头支架制作
■
■
■
5
检测线路钢轨制作
■
■
6
现场施工
■
■
7
设备组装
■
8
软件编制
■
■
■
■
■
9
设备调试
■
■
10
系统运行考核
■
■
■
11
评审资料总结
■
■
12
系统技术评审
■
七、承担单位和主要协作单位及分工
1.主要承担单位情况及承担任务与责任：
中国铁道科学研究院：
负责项目的整体设计，进度控制，经费控制，资源协调等工作。
2.主要协作单位情况及承担任务与责任：
中国神华能源股份有限公司铁路货车运输分公司：
负责项目需求的提出，试验环境的搭建，以及项目相关资源的协调配合。
八、经费概算
项目概算
科目
价格
（1）
（2）
一、人员费
10.80
其中：
项目负责人
1.20
主要研究人员
9.60
二、设备费
359.00
1、购置费（特殊需要）
247.00
2、试制费（包括样机）
100.00
三、相关费用
203.10
1、材料费
160.85
2、测试及化验费
/
3、仪器设备使用费
/
4、差旅费
26.80
5、项目验收或鉴定费
10.45
6、其他费用
5.00
（一、二、三）小计
572.90
四、生产性试验或现场试验费
42.10
1、现场人员费
22.50
2、设施使用费
10.00
3、材料费
1.60
4、交通费
/
5、其他费用
8.00
小计
总计（一、二、三、四）
615.00
九、项目负责人及项目主要工作人员情况
序号
姓名
项目中职责
职称
单位
1
黄永巍
项目总负责
研究员
铁科院金化所
2
任明照
电气及软件
副研究员
铁科院金化所
3
王兴华
检测工艺
高级工程师
铁道部运输局车辆部
4
韩激扬
检测工艺
高级工程师
铁道部运输局车辆部
5
高东海
检测工艺与机械
助理研究员
铁科院金化所
6
范振中
检测工艺与机械
助理研究员
铁科院金化所
7
黄凤英
电气及软件
助理研究员
铁科院金化所
8
郭犇
检测工艺与软件
助理研究员
铁科院金化所
9
滕永平
超声检测检仪器
副教授
北京交通大学
10
吴迪
电气及软件
副教授
北京交通大学
11
史启帅
检测工艺
技术员
铁科院金化所
十、双方审查意见
审查意见
本项目针对重载货车车轮轮辋危害性缺陷的发生、发展和检测工艺进行专项研究，技术方案和技术路线可行，研究经费和系统研制时间安排合理，研究单位和研究人员的技术能力可以保证本科研项目的顺利完成。
同意课题组按本计划任务书的要求开展工作。
甲方（公章）：
乙方（公章）：
负责人（签字）：
负责人（签字）：
2013年3月11日 2013年3月11日
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