鋼軌裂紋及斷軌檢測(cè)方法調(diào)研報(bào)告

1、鋼軌裂紋及斷軌檢測(cè)方法調(diào)研報(bào)告在鐵路運(yùn)輸系統(tǒng)中，鋼軌起著支撐列車和引導(dǎo)車輛車輪前進(jìn)的作用。如果出現(xiàn)鋼軌斷裂將有可能造成列車出軌、傾覆等重大行車安全事故，造成人員傷亡和巨額財(cái)產(chǎn)損失。因此鋼軌傷損檢測(cè)越來(lái)越受到人們的重視。表1所示為近些年由于鋼軌斷裂造成的列車行車事故。表1 近些年鋼軌斷裂造成的列車行車事故時(shí)間地點(diǎn)傷損情況2001年3月18日美國(guó)愛(ài)荷華州鋼軌斷裂引起列車脫軌，造成1人死亡96人受傷2007年10月17日倫敦鋼軌斷裂引發(fā)列車脫軌，造成4人死亡、70人受傷、4人重傷2009年4月7日河北野三坡鋼軌斷裂導(dǎo)致6節(jié)車廂脫軌同時(shí)，隨著國(guó)家高速鐵路和重載鐵路的發(fā)展，鋼軌受到擠壓和沖擊的程度越來(lái)越

2、大，鋼軌發(fā)生損傷的概率也在提高。因此，為保證高速鐵路和重在鐵路的運(yùn)營(yíng)安全性，鋼軌裂紋檢測(cè)成為鐵路運(yùn)營(yíng)部門十分重視的事情。目前，鋼軌的主要檢測(cè)方式分為周期性探傷檢測(cè)和實(shí)時(shí)斷軌監(jiān)測(cè)。周期性鋼軌探傷檢測(cè)包括人工巡軌檢測(cè)、大型鋼軌探傷車、漏磁信號(hào)、渦流探傷、激光超聲、圖像處理等；實(shí)時(shí)斷軌監(jiān)測(cè)技術(shù)包括軌道電路實(shí)時(shí)斷軌檢測(cè)技術(shù)、牽引回流實(shí)時(shí)斷軌檢測(cè)技術(shù)、光纖實(shí)時(shí)斷軌檢測(cè)技術(shù)和超聲波實(shí)時(shí)斷軌監(jiān)測(cè)技術(shù)等。1 周期性檢測(cè)技術(shù)周期性檢測(cè)技術(shù)就是定期對(duì)鋼軌進(jìn)行檢測(cè)，國(guó)內(nèi)外都針對(duì)不同軌道、不同檢測(cè)設(shè)備制定了檢測(cè)周期和檢測(cè)作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)?？傮w上說(shuō)，周期性檢測(cè)設(shè)備精確度高，能及時(shí)發(fā)現(xiàn)鋼軌早期裂紋，以避免發(fā)生重大交通事故；但是它

3、需要占用較多天窗時(shí)間。1.1 探傷小車中國(guó)鐵路廣泛使用的是鋼軌探傷小車，它將小型超聲波鋼軌探傷儀裝在特制的手推車上，如圖1所示。通過(guò)人工手推進(jìn)行鋼軌損傷的檢測(cè)，它耗費(fèi)大量人力物力、檢查結(jié)果主觀性強(qiáng)、檢查周期長(zhǎng)、效率低下、速度慢，無(wú)法做到對(duì)鋼軌傷損情況實(shí)時(shí)檢測(cè)，不能適應(yīng)于我國(guó)日益發(fā)展的高速鐵路事業(yè) 史宏章, 任遠(yuǎn), 張友鵬, 等. 國(guó)內(nèi)外斷軌檢測(cè)技術(shù)發(fā)展的現(xiàn)狀與研究J. 鐵道運(yùn)營(yíng)技術(shù), 2010, 16(4): 1-7- 楊東曉, 雷敬文, 方振歡, 等. 鋼軌小型自動(dòng)探傷車及其拓展平臺(tái)J. 科研探索與知識(shí)創(chuàng)新, 2011, 6: 108-109。近年來(lái)，隨著鋼軌裂紋導(dǎo)致脫軌事故的頻發(fā)，為了加強(qiáng)

4、鋼軌安全監(jiān)測(cè)，歐美也開(kāi)始研發(fā)使用這種便攜式鋼軌探傷儀 Clark R. Rail Flaw Detection: Overview and needs for future developments J. Independent Nondestructive Testing and Evaluation, 2004, 37: 111-118。由于超聲波探傷技術(shù)比較成熟，成本比較低，且隨著科技的發(fā)展，以前只有大型探傷車才具備的A/B超同屏顯示、魚(yú)鱗紋下核傷判別、探傷數(shù)據(jù)儲(chǔ)存、探傷作業(yè)信息記錄、探傷數(shù)據(jù)計(jì)算機(jī)管理等五大功能正移植到探傷小車身上，在各鋼軌探傷儀器生產(chǎn)商當(dāng)中，超聲探傷小車倍受青睞。圖1

5、 手推式鋼軌探傷車結(jié)構(gòu)示意圖1.2 大型鋼軌探傷車大型鋼軌探傷車系統(tǒng)由高速輪探頭，超聲發(fā)生裝置，探頭自動(dòng)對(duì)中伺服裝置，以及傷損信號(hào)處理等系統(tǒng)組成。其原理是，裝有超聲探頭組的高速探輪在鋼軌上滾動(dòng)，超聲發(fā)生接收器組合探頭向鋼軌發(fā)出連續(xù)超聲脈沖波束，連續(xù)波束通過(guò)耦合液及探輪橡膠輪壁到達(dá)鋼軌內(nèi)，如無(wú)損傷存在，波束到達(dá)鋼軌底面后依原路返回探頭，得到底波；如有損傷，則底波前出現(xiàn)一個(gè)傷損波，底波降低或消失 祝連慶, 孫軍華, 董明利, 等. 鋼軌高速探傷系統(tǒng)的研究J. 儀器儀表報(bào), 2002, 23(3): 119-121。我國(guó)鐵道部門為了提高鋼軌傷損的檢出率，推動(dòng)鋼軌維護(hù)設(shè)備的進(jìn)步，從1989年開(kāi)始從美國(guó)

6、引進(jìn)大型鋼軌探傷車，并由寶雞工程機(jī)械廠實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化制造。經(jīng)過(guò)20余年的集成創(chuàng)新研究，發(fā)展了GJ-3，GJ-4，GJ-5三種類型；其中，GJ-4、GJ-5型檢測(cè)設(shè)備已成為我國(guó)既有線路軌道狀態(tài)監(jiān)控的主要手段，最高檢測(cè)速度達(dá)到200 km/h，其自動(dòng)分辨為：鋼軌頭部橫向疲勞裂紋(核傷)，不小于直徑5 mm平底孔當(dāng)量；螺栓孔裂紋及腰部斜裂紋，長(zhǎng)度不小于10 mm；鋼軌縱向水平裂紋，長(zhǎng)度不小于10 mm；探輪自動(dòng)對(duì)中精度小于1 mm2, 陳東生, 田新宇. 中國(guó)高速鐵路軌道檢測(cè)技術(shù)發(fā)展J. 鐵道建筑, 2008, 12: 82-86。圖2 大型鋼軌探傷車該技術(shù)對(duì)檢測(cè)鋼軌疲勞裂紋和其它內(nèi)部缺陷具有靈敏度高、

7、檢測(cè)速度快、定位準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn) 彭良武, 黃信基. 高速鐵路基礎(chǔ)設(shè)施的檢測(cè)（一）J. 鐵道勘測(cè)與設(shè)計(jì), 2008, 6: 22-2。但是常規(guī)的超聲波鋼軌檢測(cè)使用的是壓電傳感器。壓電傳感器與軌頂連接，同時(shí)將超聲輪或滑板注滿水或其他耦合液。此種方法的最大缺點(diǎn)是，淺表面裂縫（剝落）可能會(huì)遮掩鋼軌內(nèi)部存在的橫向缺陷 宋文偉譯. 美國(guó)聯(lián)邦鐵路局研究結(jié)果. 鋼軌缺陷在線高速檢測(cè)J. 西鐵科技, 2008, 8。而且造價(jià)過(guò)高、維護(hù)要求較高，數(shù)量有限，檢測(cè)時(shí)受軌面平整度和清潔度影響較大，其為離線式軌道檢測(cè)設(shè)備。上海鐵路局龔佩毅等人在專利（CN 102445495A）“雙軌白動(dòng)探傷系統(tǒng)”中提出了一種基礎(chǔ)超聲波的成本

8、比較低的雙軌自動(dòng)探傷系統(tǒng) 龔佩毅, 杜新光, 匡俊, 等. 雙軌白動(dòng)探傷系統(tǒng)P. 中國(guó)專利: 201110297408.6, 2012-05-09。其特點(diǎn)是超聲波探輪可三維運(yùn)動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)鋼軌的超聲波自動(dòng)探傷和定位，特別適用于檢測(cè)鋼軌頭部橫向疲勞裂紋（核傷）、螺栓孔裂紋、腰部斜裂紋和鋼軌縱向水平裂紋等損傷。南車洛陽(yáng)機(jī)車有限公司的袁其剛等人在專利（CN 201882114U）“用于檢測(cè)城市輕軌鋼軌的探傷車”中設(shè)計(jì)了一種用于檢測(cè)城市輕軌鋼軌的探傷車 袁其, 剛顧青, 常衛(wèi)軍, 等. 用于檢測(cè)城市輕軌鋼軌的探傷車P. 中國(guó)專利: 201020636317.1, 2011-06-29。其特點(diǎn)是車體通過(guò)二系

9、懸掛落座于前后轉(zhuǎn)向架上，用以保證車輛有較高的運(yùn)行性能，并在其中一臺(tái)轉(zhuǎn)向架上設(shè)置有用于對(duì)鋼軌進(jìn)行檢測(cè)的探傷系統(tǒng)，探傷輪通過(guò)下降和上升的液壓系統(tǒng)控制，提高了鋼軌探傷的效率，增加了輕軌車輛運(yùn)行的安全性。1.3 基于漏磁信號(hào)的鋼軌檢測(cè)技術(shù)該技術(shù)是通過(guò)勵(lì)磁裝置給鋼軌施加一個(gè)磁場(chǎng)，當(dāng)鋼軌完好時(shí)，磁場(chǎng)能順利的通過(guò)鋼軌，基本不產(chǎn)生漏磁；當(dāng)鋼軌出現(xiàn)裂紋時(shí)，裂紋會(huì)阻礙磁場(chǎng)的順利通過(guò)，產(chǎn)生漏磁。由于裂紋大的大小形狀不同，其產(chǎn)生漏磁的強(qiáng)度也不同，根據(jù)漏磁信號(hào)的變化來(lái)判斷裂紋信息，如圖3所示。該技術(shù)的缺點(diǎn)是檢測(cè)范圍有限，僅能檢測(cè)鋼軌軌頭表面和近表面的橫向裂紋缺陷，而對(duì)于夾雜、剝離以及軌頭內(nèi)部深處的缺陷無(wú)法進(jìn)行有效的檢測(cè)

10、。 (a)無(wú)裂紋(b)有裂紋圖3 基于漏磁信號(hào)的鋼軌檢測(cè)原理南京航空航天大學(xué)陳智軍等人 陳智軍, 宣建青, 王平, 等. 基于漏磁信號(hào)的鋼軌斜裂紋識(shí)別J. 無(wú)損檢測(cè), 2010, 32(11): 842-846, Zhijun Chen, Jianqing Xuan, Ping Wang, etal. Simulation on high speed rail magnetic flux leakage inspection C. Instrumentation and Measurement Technology Conference (I2MTC), 2011通過(guò)有限元軟件Ansoft仿真

11、研究了鋼軌斜裂紋的識(shí)別原理及方法，包括理論分析、模型建立、斜裂紋與矩形裂紋的漏磁信號(hào)差異、斜裂紋深度與寬度的識(shí)別以及連續(xù)多個(gè)斜裂紋的識(shí)別等。它可以識(shí)別斜裂紋的方向及寬度，但是不能識(shí)別小間隔多裂紋的數(shù)量。1.4 渦流探傷技術(shù)該技術(shù)的傳感器由一個(gè)U形激勵(lì)線圈和一個(gè)I型檢測(cè)線圈組成，如圖4所示。兩線圈的相對(duì)位置為正交取向，檢測(cè)線圈放置在U型激勵(lì)線圈的開(kāi)口中點(diǎn)處。工作時(shí)，在激勵(lì)線圈上通以一定頻率的正弦波，當(dāng)傳感器沿著試件表面移動(dòng)時(shí)，試件表面在交變磁場(chǎng)作用下會(huì)產(chǎn)生一定分布和大小的渦流，此渦流產(chǎn)生一個(gè)反磁場(chǎng)。當(dāng)無(wú)裂紋時(shí)，沒(méi)有反磁場(chǎng)磁力線通過(guò)檢測(cè)線圈，沒(méi)有電信號(hào)輸出；有裂紋時(shí)，反磁場(chǎng)發(fā)生變化，磁力線通過(guò)檢測(cè)

12、線圈，輸出電信號(hào)，從而反映缺陷的情況。該方法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便、具有非接觸的優(yōu)點(diǎn)，但其檢測(cè)范圍也僅局限于鋼軌表面的缺陷。1激勵(lì) 2激勵(lì)線圈 3U型磁心 4.測(cè)量線圈 5磁心圖4 傳感器結(jié)構(gòu)示意圖長(zhǎng)安大學(xué)馬旺宇等人在專利（CN 101576533A）“一種用于鋼軌檢測(cè)的便攜式渦流探傷儀”中提出一種便攜式探傷儀 馬旺宇, 劉棟, 王迪, 等. 一種用于鋼軌檢測(cè)的便攜式渦流探傷儀P. 中國(guó)專利: 200910022991.2, 2009-11-11，如圖5所示，該探傷儀所使用了專利（CN 201429587Y）“一種用于鋼軌檢測(cè)的新型傳感器”中所設(shè)計(jì)的傳感器 馬旺宇, 劉棟, 趙文博. 一種用于鋼軌

13、檢測(cè)的新型傳感器P. 中國(guó)專利: 200920033614.4, 2010-03-24，其測(cè)量線圈的線圈匣數(shù)、直徑以及激勵(lì)線圈和測(cè)量線圈間的問(wèn)距H為通過(guò)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)法確定的最佳參數(shù)組合。所述激勵(lì)線圈和一個(gè)測(cè)量線圈安裝在一能倒扣在鋼軌上的外部殼體內(nèi)，所述外部殼體下部設(shè)置有與鋼軌的上部結(jié)構(gòu)相對(duì)應(yīng)的凹槽。采集到的信號(hào)再由后臺(tái)放大器放大，并在顯示器上同步顯示裂紋缺陷的相對(duì)大小，且相應(yīng)驅(qū)動(dòng)蜂鳴器報(bào)警，實(shí)現(xiàn)了防患于未然的目的。其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊、體積小、重量輕、便于攜帶，并配備有獨(dú)立電源。經(jīng)過(guò)測(cè)試，其測(cè)量精度能達(dá)到0.2 mm 馬旺宇, 劉棟, 趙文博. 應(yīng)用于鋼軌檢測(cè)的便攜式渦流探傷儀的研制J. 機(jī)械設(shè)計(jì)與

14、制造, 2010, 2: 88-90。圖5 一種用于鋼軌檢測(cè)的便攜式渦流探傷儀莊鑫等人申請(qǐng)的專利（CN 201965116U）“鋼軌裂紋檢測(cè)儀”如圖6所示 莊鑫, 張慧坤, 徐秀華, 等. 鋼軌裂紋檢測(cè)儀P. 中國(guó)專利: 201120083237.2, 2011-09-07，由檢測(cè)頭、檢測(cè)主機(jī)、推拉支架、滾輪、連接管、固定環(huán)組成，其特征在于推拉支架下端兩側(cè)分別通過(guò)連接管前后固定連接兩個(gè)檢測(cè)頭，每個(gè)檢測(cè)頭兩側(cè)部分別固定有滾輪，推拉支架中間的上連管上通過(guò)兩個(gè)固定環(huán)連接有檢測(cè)主機(jī)，檢測(cè)頭與檢測(cè)主機(jī)電連接。該儀器采用手推車式，可實(shí)現(xiàn)雙規(guī)同時(shí)檢測(cè)，每條鋼軌前后設(shè)有兩個(gè)檢測(cè)頭，檢測(cè)速率相對(duì)較高，漏檢率低。

15、圖6 鋼軌裂紋檢測(cè)儀專利（US 6,768,298B2）“Transverse crack detection in rail head using low frequency eddy currents”設(shè)計(jì)了一種低頻渦流探測(cè)軌頭橫向裂紋的裝置 Katragadda G, Antonio S, Earnest D, etal. Transverse crack detection in rail head using low frequency eddy currents P. US: US 6,768,298B2, 2004-07-27，如圖7所示。其特點(diǎn)是該專利采用環(huán)形的直流飽和磁體，通

16、過(guò)鋼軌上方的低頻渦流探針探測(cè)鋼軌軌頭橫向裂紋。并且探針上裝有防護(hù)材料，以防止探針受損。圖7 低頻渦流探測(cè)軌頭橫向裂紋裝置示意圖1.5 圖像處理探傷技術(shù)該技術(shù)通過(guò)安裝在機(jī)車下方隨機(jī)車型走的攝像機(jī)拍攝鋼軌照片，當(dāng)鋼軌有缺陷時(shí)，這些缺陷便被攝相機(jī)拍了下來(lái)，在通過(guò)對(duì)圖片的處理和分析，可以將其中的缺陷提取出來(lái)，進(jìn)行模式識(shí)別，完成鋼軌損傷檢測(cè)。其缺點(diǎn)是無(wú)法實(shí)現(xiàn)軌頭內(nèi)部缺陷的檢測(cè) Marino F, Stella E. ViSyR: a vision system for real-time infrastructure inspection. vision systems: Applications, V

17、ienna, Austria, 2007。西南交通大學(xué)的官鑫等人 官鑫, 趙智雅, 高曉蓉. 圖像處理技術(shù)在鋼軌表面缺陷檢測(cè)和分類中的應(yīng)用J. 鐵路計(jì)算機(jī)應(yīng)用, 2009, 18(6): 27-30對(duì)這一技術(shù)做了理論分析，他采用圖像處理、模式識(shí)別及機(jī)器視覺(jué)等理論，對(duì)現(xiàn)役鋼軌缺陷進(jìn)行檢測(cè)和分類。完成自動(dòng)提取缺陷圖像和最小化缺陷圖像，以減少處理量并降低存儲(chǔ)空間需求，自動(dòng)判斷缺陷類別。文章對(duì)采集到的缺陷圖像進(jìn)行處理，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明該方法能夠正確實(shí)現(xiàn)檢測(cè)軌道表面缺陷檢測(cè)，并具有一定的適用性。此方法可以克服人工檢測(cè)方法的許多弊端，提高檢測(cè)速度和精度。Liu Ze等人 Ze Liu, Wei Wang, X

18、iaofei Zhang, etal. Inspection of rail surface defects based on image processing C. Informatics in Control, Automation and Robotics (CAR), International Asia Conference, 2010 2nd: 472-475用此技術(shù)分析了軌頭剝離和鋼軌表面裂紋的圖片，并得到了鋼軌的磨損程度和裂紋寬度。Chen Limin等人 Limin Chen, Yin Liang, Kaimin Wang. Inspection of rail surfac

19、e defect based on machine vision system C. Information Science and Engineering (ICISE), 2010 2nd International Conference on: 3793-3796也做了這方面的理論研究。他研究了圖像采集，圖像處理，提取特征，缺陷識(shí)別的鋼軌表面缺陷識(shí)別過(guò)程，并基于裂紋形態(tài)學(xué)，通過(guò)動(dòng)態(tài)模版去檢測(cè)連續(xù)裂紋邊界，以此來(lái)估算裂紋長(zhǎng)度。北京交通大學(xué)李清勇等人在專利（CN 101893580A）“基于數(shù)字圖像的鋼軌表面缺陷檢測(cè)方法”中提出了一種基于數(shù)字圖像的鋼軌表面缺陷檢測(cè)方法 李清勇, 羅四維, 林

20、杰, 等. 基于數(shù)字圖像的鋼軌表面缺陷檢測(cè)方法P. 中國(guó)專利: 201010203102.5, 2010-11-24。該方法從對(duì)鋼軌拍攝的圖像中提取鋼軌區(qū)域，并模擬人類視覺(jué)機(jī)制，將灰度圖轉(zhuǎn)換為對(duì)比度圖，從而對(duì)可疑缺陷區(qū)域進(jìn)行定位及判定。北京交通大學(xué)劉澤等人在專利（CN 101699273A）“一種在線鋼軌探傷的圖像處理輔助檢測(cè)裝置及方法”中利用工業(yè)CCD線陣攝像機(jī)采集鋼軌表面的圖像信息。其過(guò)程是在列車在線運(yùn)行過(guò)程中，嵌入式控制系統(tǒng)控制光源激勵(lì)控制器使兩個(gè)輔助光源照射鋼軌表面，工業(yè)CCD線陣攝像機(jī)通過(guò)數(shù)字線陣圖像采集接口的控制采集鋼軌表面的圖像信息，將信息傳輸?shù)角度胧较到y(tǒng)，嵌入式系統(tǒng)使用圖像處理

21、技術(shù)對(duì)采集到的鋼軌圖像進(jìn)行處理；從處理后的鋼軌圖像中統(tǒng)計(jì)鋼軌表面的損傷信息及固有結(jié)構(gòu)信息；再將所獲得的鋼軌表面損傷信息進(jìn)行分類和損傷程度計(jì)算。最后將結(jié)果融合到鋼軌損傷探測(cè)裝置，以減少表面損傷對(duì)探測(cè)鋼軌內(nèi)部傷損的干擾 劉澤, 王嵬, 張廣偉. 一種在線鋼軌探傷的圖像處理輔助檢測(cè)裝置及方法P. 中國(guó)專利: 200910236940.X, 2010-04-28，其總體結(jié)構(gòu)圖如圖8所示。106鋼軌 107控制機(jī)箱 206工業(yè)CCD 線陣攝像機(jī) 207，208輔助光源圖8 在線鋼軌探傷的圖像處理輔助檢測(cè)裝置的總體結(jié)構(gòu)圖1.6 激光超聲探傷技術(shù)該技術(shù)用脈沖激光器發(fā)出的高能脈沖激光轟擊鋼軌表面，鋼軌表面被照

22、射區(qū)域吸收其能量并將之轉(zhuǎn)化為熱能，引起鋼軌表面迅速升溫膨脹，從而構(gòu)成超聲聲源。超聲波在鋼軌內(nèi)部遇到缺陷，將被反射回鋼軌表面，通過(guò)分析反射波的信息來(lái)判斷鋼軌傷損，其原理如圖9所示。圖9 激光超聲檢測(cè)鋼軌原理示意圖浙江大學(xué)劉洋等人 劉洋, 項(xiàng)占琴, 唐志峰. 激光超聲技術(shù)在鋼軌探傷中的應(yīng)用研究J. 機(jī)械設(shè)計(jì)與制造, 2009, 10: 60-61基于先進(jìn)的激光超聲探傷理論，提出了將激光超聲技術(shù)應(yīng)用到鋼軌探傷，詳細(xì)論述了其探傷機(jī)理，對(duì)激光超聲探傷系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。分析結(jié)果表明，激光超聲探傷技術(shù)在鋼軌探傷領(lǐng)域有較大的可行性和發(fā)展?jié)摿?。Nielsen等人在專利（US 7,516,662B2）“DETECT

23、ING RAIL DEFECTS”中介紹了一種激光超聲鋼軌探傷技術(shù) Nielsen S A, Bardenshtein A, Laursen N K. Detecting rail defects P. US: US 7,516,662B2, 2009-04-14。該專利的原理是用脈沖激光（PL）激發(fā)鋼軌產(chǎn)生超聲波，用連續(xù)激光（CW）作為探測(cè)光，通過(guò)法珀干涉儀（CFPI）接受反射光。由于超聲波和鋼軌缺陷的相互作用導(dǎo)致反射光發(fā)生變化，因此可以從反射光中解調(diào)出鋼軌的損傷信息。其原理示意圖如圖10所示。圖10 激光超聲探傷原理示意圖2、實(shí)時(shí)斷軌監(jiān)測(cè)技術(shù)實(shí)時(shí)斷軌檢測(cè)技術(shù)能對(duì)鋼軌進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，能第一時(shí)間

24、發(fā)現(xiàn)斷軌的存在，從而能及時(shí)對(duì)列車發(fā)出警告，以避免災(zāi)難的發(fā)生，因此，該技術(shù)越來(lái)越受到人們重視。但是該類技術(shù)還不能發(fā)現(xiàn)早期鋼軌裂紋，檢測(cè)分辨率有待進(jìn)一步提高。實(shí)時(shí)斷軌監(jiān)測(cè)技術(shù)主要有以下幾種。2.1 牽引回流實(shí)時(shí)斷軌監(jiān)測(cè)技術(shù)在電氣化線路中，鋼軌是牽引回流電路的一部分，如果任何一個(gè)鋼軌發(fā)生斷裂，電流會(huì)繞過(guò)斷軌，從另一個(gè)阻抗較小鋼軌流走，另一個(gè)鋼軌的電流就會(huì)增大。如圖11所示，該技術(shù)通過(guò)檢測(cè)兩只鋼軌電流的不平衡來(lái)判斷斷軌的存在。該方法依托于鋼軌，成本低，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。但是它依賴牽引回流的存在，只能檢測(cè)列車與變電所之間的斷軌，而且在道岔、護(hù)軌等軌道電路復(fù)雜的地方難以實(shí)現(xiàn)2, Semih K, Ri

25、chard M, Richard P R. Broken rail detectionR. Transit Cooperative Research Program, Report 71, 2001, 田銘興, 陳云峰, 趙斌, 等. 實(shí)時(shí)斷軌檢測(cè)方法綜述J. 蘭州交通大學(xué)報(bào), 2011, 30(1): 122-126。圖11 牽引回流不平衡示意圖2.2 準(zhǔn)軌道電路實(shí)時(shí)斷軌監(jiān)測(cè)技術(shù)軌道電路是我國(guó)鐵路信號(hào)系統(tǒng)中的基礎(chǔ)設(shè)備，具有列車占用檢測(cè)、向列車傳送控制信息及斷軌檢測(cè)等功能。目前在我國(guó)廣泛使用的軌道電路類型有相敏軌道電路、ZPW-2000A無(wú)絕緣軌道電路等。斷軌檢測(cè)原理如圖12所示。圖12 準(zhǔn)軌

26、道電路實(shí)時(shí)斷軌檢測(cè)方法示意圖當(dāng)檢測(cè)區(qū)段內(nèi)無(wú)列車通過(guò)且鋼軌完整時(shí)，由兩根鋼軌和軌道繼電器構(gòu)成電流回路，使軌道電路繼電器銜鐵吸起，前接點(diǎn)閉合，信號(hào)開(kāi)放。而當(dāng)軌道電路區(qū)段內(nèi)有鋼軌斷裂情況發(fā)生時(shí)，接收器處的軌道繼電器由于信號(hào)電流消失而釋放，區(qū)間軌道電路顯示紅光帶，發(fā)出列車停止信號(hào)，提示斷軌。軌道電路設(shè)備斷軌檢測(cè)功能的最大特點(diǎn)是，當(dāng)有斷軌發(fā)生時(shí)能立即向列控中心發(fā)送報(bào)警信號(hào)，滿足實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)軌況監(jiān)測(cè)要求。但是，軌道電路本身受道床參數(shù)情況影響較大 杜求茂, 張友鵬, 團(tuán)銘興, 等. 實(shí)時(shí)在線斷軌檢測(cè)方法研究J. 蘭州交通大學(xué)學(xué)報(bào), 2009, 28(3): 123-126，在道床泄漏阻抗小和南方一些雨水充沛的地

27、區(qū)經(jīng)常會(huì)發(fā)生軌間短路、紅光帶誤報(bào)等故障情況。同時(shí)，存在增加電氣化區(qū)段回流系統(tǒng)復(fù)雜程度、電氣絕緣軌道電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜、造價(jià)昂貴、維修困難等缺陷。目前，準(zhǔn)軌道電路斷軌檢測(cè)技術(shù)作為軌道電路的附屬功能，仍是我國(guó)最廣泛使用的在線式斷軌檢測(cè)方法2,26。Holgate等人在專利（US 6,779,761B2）和專利（EP 126825281）“BROKEN RAIL DETECTION”中設(shè)計(jì)了一套軌道電路監(jiān)測(cè)斷軌系統(tǒng) Holgate D J. Broken rail detection P. US: US 6,779,761B2, 2004-08-24- Holgate D J. Broken rail d

28、etection P. EP: EP 126825281, 200-07-06，如圖13所示，12、13為鋼軌，16、18、20為電路連接線，22為直流或低頻交流電源，24為電流計(jì)，26為控制主機(jī)。該技術(shù)通過(guò)電源給電路施加一個(gè)低電壓，形成回路。如果電路完好，電流計(jì)器正常顯示；若兩個(gè)電流計(jì)的示數(shù)同時(shí)降低或消失，則說(shuō)明電線20出現(xiàn)損傷；若其中一只電流計(jì)的示數(shù)降低或消失，則說(shuō)明與之相串聯(lián)的鋼軌出現(xiàn)傷損或斷裂，控制主機(jī)通過(guò)感知電流計(jì)電流的大小來(lái)發(fā)出警報(bào)。圖13 軌道電路監(jiān)測(cè)斷軌示意圖2.3 光纖實(shí)時(shí)斷軌監(jiān)測(cè)技術(shù)光纖實(shí)時(shí)斷軌檢測(cè)技術(shù)是使用貼于軌道上的標(biāo)準(zhǔn)單模光纖進(jìn)行檢測(cè)的技術(shù)方法。該技術(shù)通過(guò)在光纖的一端

29、接入波長(zhǎng)為1550 nm的光源，另一端連接接收器。當(dāng)鋼軌發(fā)生折斷時(shí)，光纖將隨之發(fā)生破裂，光束將不能到達(dá)接收器，由此判斷發(fā)生斷軌 Topalov, I P, Georgieva, M S. Investigation the possibilities for implementation of fiber optic detection of damaged rails C. Electronics Technology, ISSE,2008，如圖14所示。圖14 光纖實(shí)時(shí)斷軌檢測(cè)方法示意圖光纖既是傳輸介質(zhì)，又是傳感元件，且因光纖傳輸損耗小，因此可實(shí)現(xiàn)幾十甚至上百公里的測(cè)量 J. Laferr

30、iere, G. Lietaert. Reference guide to fiber optic testing volume 1 M. 2007。由于采用光信號(hào)為載體，不受電磁干擾，本質(zhì)安全，使用壽命長(zhǎng)，適于惡劣環(huán)境下工作。其缺點(diǎn)是不易安裝維護(hù)，如果遇到過(guò)大的外力或彎曲容易折斷；遇到障礙物（例如鋼軌接頭、平交道口、道岔等）時(shí)，需要將光纖剪斷，并采用短的橋接器繞過(guò)復(fù)雜的部分2,25-26。2.4 超聲波實(shí)時(shí)斷軌監(jiān)測(cè)技術(shù)聲波實(shí)時(shí)斷軌檢測(cè)方法如圖15所示 Richar d P R. Acoustic rail-break detection demonstrationat MTA New York city transit R. Transit Cooperative