鋼軌裂紋及斷軌檢測方法調(diào)研報(bào)告要點(diǎn)

1、鋼軌裂紋及斷軌檢測方法調(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。因此鋼軌傷損檢測越來越受到人們的重視。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日美國愛荷華州2007年10月17日倫敦鋼軌斷裂引起列車脫軌，造成1人死亡96人受傷鋼軌斷裂引發(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越大

2、，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)營安全性，鋼軌裂紋檢測成為鐵路運(yùn)營部門十分重視的事情。目前，鋼軌的主要檢測方式分為周期性探傷檢測和實(shí)時(shí)斷軌監(jiān)測。周期性鋼軌探傷檢測包括人工巡軌檢測、大型鋼軌探傷車、漏磁信號、渦流探傷、激光超聲、圖像處理等；實(shí)時(shí)斷軌監(jiān)測技術(shù)包括軌道電路實(shí)時(shí)斷軌檢測技術(shù)、牽引回流實(shí)時(shí)斷軌檢測技術(shù)、光纖實(shí)時(shí)斷軌檢測技術(shù)和超聲波實(shí)時(shí)斷軌監(jiān)測技術(shù)等。1周期性檢測技術(shù)周期性檢測技術(shù)就是定期對鋼軌進(jìn)行檢測，國內(nèi)外都針對不同軌道、不同檢測設(shè)備制定了檢測周期和檢測作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)?？傮w上說，周期性檢測設(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；但是它需要

3、占用較多天窗時(shí)間。1.1 探傷小車中國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。通過人工手推進(jìn)行鋼軌損傷的檢測，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、效率低下、速度慢，無法做到對鋼軌傷損情況實(shí)時(shí)檢測，不能適應(yīng)于我國日益發(fā)展的高速鐵路事業(yè)1-2。近年來，隨著鋼軌裂紋導(dǎo)致脫軌事故的頻發(fā)，為了加強(qiáng)鋼軌安全監(jiān)測，歐美也開始研發(fā)使用這種便攜式鋼軌探傷儀3。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

4、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)對中伺服裝置，以及傷損信號處理等系統(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)波束通過耦合液及探輪橡膠輪壁到達(dá)鋼軌內(nèi)，如無損傷存在，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40我國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年開始從美國引進(jìn)大型鋼軌探傷車，并由寶雞工程機(jī)械廠實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化制造。經(jīng)過2

5、0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型檢測設(shè)備已成為我國既有線路軌道狀態(tài)監(jiān)控的主要手段，最高檢測速度達(dá)到200km/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5mm平底孔當(dāng)量；螺栓孔裂紋及腰部斜裂紋，長度不小于10mm；鋼軌縱向水平裂紋，長度不小于10mm；探輪自動(dòng)對中精度小于1mm2,50圖2大型鋼軌探傷車該技術(shù)對檢測鋼軌疲勞裂紋和其它內(nèi)部缺陷具有靈敏度高、檢測速度快、定位準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn)60但是常規(guī)的超聲波鋼軌檢測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(

6、剝落)可能會(huì)遮掩鋼軌內(nèi)部存在的橫向缺陷70而且造價(jià)過高、維護(hù)要求較高，數(shù)量有限，檢測時(shí)受軌面平整度和清潔度影響較大，其為離線式軌道檢測設(shè)備。上海鐵路局龔佩毅等人在專利(CN102445495A)“雙軌白動(dòng)探傷系統(tǒng)”中提出了一種基礎(chǔ)超聲波的成本比較低的雙軌自動(dòng)探傷系統(tǒng)網(wǎng)。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。南車洛陽機(jī)車有限公司的袁其剛等人在專利(CN201882114U)”用于檢測城市輕軌鋼軌的探傷車”中設(shè)計(jì)了一種用于檢測城市輕軌鋼軌的探傷車。其特點(diǎn)是車體通過二系懸掛落座于前后

7、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)置有用于對鋼軌進(jìn)行檢測的探傷系統(tǒng)，探傷輪通過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基于漏磁信號的鋼軌檢測技術(shù)該技術(shù)是通過勵(lì)磁裝置給鋼軌施加一個(gè)磁場，當(dāng)鋼軌完好時(shí)，磁場能順利的通過鋼軌，基本不產(chǎn)生漏磁；當(dāng)鋼軌出現(xiàn)裂紋時(shí)，裂紋會(huì)阻礙磁場的順利通過，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)漏磁信號的變化來判斷裂紋信息，如圖3所示。該技術(shù)的缺點(diǎn)是檢測范圍有限，僅能檢測鋼軌軌頭表面和近表面的橫向裂紋缺陷，而對于夾雜、剝離以及軌頭內(nèi)部深處的缺陷無法進(jìn)行有效的檢測。線悶(a)無裂

8、紋(b)有裂紋圖3基于漏磁信號的鋼軌檢測原理南京航空航天大學(xué)陳智軍等人10,11通過有限元軟件Ansoft仿真研究了鋼軌斜裂紋的識別原理及方法，包括理論分析、模型建立、斜裂紋與矩形裂紋的漏磁信號差異、斜裂紋深度與寬度的識別以及連續(xù)多個(gè)斜裂紋的識別等。它可以識別斜裂紋的方向及寬度，但是不能識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型檢測線圈組成，如圖4所示。兩線圈的相對位置為正交取向，檢測線圈放置在U型激勵(lì)線圈的開口中點(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

9、個(gè)反磁場。當(dāng)無裂紋時(shí)，沒有反磁場磁力線通過檢測線圈，沒有電信號輸出；有裂紋時(shí)，反磁場發(fā)生變化，磁力線通過檢測線圈，輸出電信號，從而反映缺陷的情況。該方法結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、具有非接觸的優(yōu)點(diǎn)，但其檢測范圍也僅局限于鋼軌表面的缺陷。1.激勵(lì)2.激勵(lì)線圈3.U型磁心4.測量線圈5.磁心圖4傳感器結(jié)構(gòu)示意圖長安大學(xué)馬旺宇等人在專利(CN101576533A)“一種用于鋼軌檢測的便攜式渦流探傷儀”中提出一種便攜式探傷儀12,如圖5所示，該探傷儀所使用了專利(CN201429587Y)“一種用于鋼軌檢測的新型傳感器”中所設(shè)計(jì)的傳感器13其測量線圈的線圈匣數(shù)、直徑以及激勵(lì)線圈和測量線圈間的問距H為通過正交試

10、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)相對應(yīng)的凹槽。采集到的信號再由后臺(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。具結(jié)構(gòu)簡單緊湊、體積小、重量輕、便于攜帶，并配備有獨(dú)立電源。經(jīng)過測試，其測量精度能達(dá)到0.2mm14。圖5一種用于鋼軌檢測的便攜式渦流探傷儀莊鑫等人申請的專利(CN201965116U)“鋼軌裂紋檢測儀”如圖6所示15,由檢測頭、檢測主機(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)分別通過連接管前后固定連接兩個(gè)檢測頭，

11、每個(gè)檢測頭兩側(cè)部分別固定有滾輪，推拉支架中間的上連管上通過兩個(gè)固定環(huán)連接有檢測主機(jī)，檢測頭與檢測主機(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，每條鋼軌前后設(shè)有兩個(gè)檢測頭，檢測速率相對較高，漏檢率低。圖6鋼軌裂紋檢測儀專利(US6,768,298B2)“Transversecrackdetectioninrailheadusinglowfrequencyeddycurrents設(shè)計(jì)了一種低頻渦流探測軌頭橫向裂紋的裝置16,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，通過鋼軌上方的低頻渦流探針探測鋼軌軌頭橫向裂紋。并且探針上裝有防護(hù)材料，以防止探針受損。(40圖7低頻渦流探測軌頭橫向裂

12、紋裝置示意圖1.5 圖像處理探傷技術(shù)該技術(shù)通過安裝在機(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，在通過對圖片的處理和分析，可以將其中的缺陷提取出來，進(jìn)行模式識別，完成鋼軌損傷檢測。其缺點(diǎn)是無法實(shí)現(xiàn)軌頭內(nèi)部缺陷的檢測17。西南交通大學(xué)的官鑫等人18對這一技術(shù)做了理論分析，他采用圖像處理、模式識別及機(jī)器視覺等理論，對現(xiàn)役鋼軌缺陷進(jìn)行檢測和分類。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)檢測軌道表面缺陷檢測，并具有一定的適用性。此方法可以克服人工檢測方法

13、的許多弊端，提高檢測速度和精度。LiuZe等人19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。ChenLimin等人20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，缺陷識別的鋼軌表面缺陷識別過程，并基于裂紋形態(tài)學(xué)，通過動(dòng)態(tài)模版去檢測連續(xù)裂紋邊界，以此來估算裂紋長度。北京交通大學(xué)李清勇等人在專利(CN101893580A)“基于數(shù)字圖像的鋼軌表面缺陷檢測方法”中提出了一種基于數(shù)字圖像的鋼軌表面缺陷檢測方法210該方法從對鋼軌拍攝的圖像中提取鋼軌區(qū)域，并模擬人類視覺機(jī)制，將灰度圖轉(zhuǎn)換為對比度圖，從而對可疑缺陷區(qū)域進(jìn)行定位及判定。北京交通大學(xué)劉澤等

14、人在專利(CN101699273A)“一種在線鋼軌探傷的圖像處理輔助檢測裝置及方法”中利用工業(yè)CCD線陣攝像機(jī)采集鋼軌表面的圖像信息。其過程是在列車在線運(yùn)行過程中，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)使用圖像處理技術(shù)對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裝置，以減少表面損傷對探測鋼軌內(nèi)部傷損的干擾22,其總體結(jié)構(gòu)圖如圖8所示。106.鋼軌

15、107.控制機(jī)箱206.工業(yè)CCD線陣攝彳t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，通過分析反射波的信息來判斷鋼軌傷損，其原理如圖9所示。圖9激光超聲檢測鋼軌原理示意圖浙江大學(xué)劉洋等人陽基于先進(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

16、可行性和發(fā)展?jié)摿?。Nielsen等人在專禾I(US7,516,662B2)DETECTINGRAILDEFECTS”中介紹了一種激光超聲鋼軌探傷技術(shù)240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）作為探測光，通過法珀干涉儀（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。107106152圖10激光超聲探傷原理示意圖2、實(shí)時(shí)斷軌監(jiān)測技術(shù)實(shí)時(shí)斷軌檢測技術(shù)能對鋼軌進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，能第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)斷軌的存在，從而能及時(shí)對列車發(fā)出警告，以避免災(zāi)難的發(fā)生，因此，該技術(shù)越來越受到人們重視。但是

17、該類技術(shù)還不能發(fā)現(xiàn)早期鋼軌裂紋，檢測分辨率有待進(jìn)一步提高。實(shí)時(shí)斷軌監(jiān)測技術(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)通過檢測兩只鋼軌電流的不平衡來判斷斷軌的存在。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。但是它依賴牽引回流的存在，只能檢測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)2,25,26。7mH：-0發(fā)射器I接收器發(fā)射器2軌3軌4圖15超聲波斷軌檢測系統(tǒng)原理圖蘭州交通大學(xué)的任遠(yuǎn)等人34,35設(shè)計(jì)

18、了一種實(shí)時(shí)超聲導(dǎo)波斷軌檢測系統(tǒng)，并針對鋼軌完整狀態(tài)、斷軌狀態(tài)、列車占用狀態(tài)、接收通道故障等情況進(jìn)行了仿真研究，提出了超聲波探傷技術(shù)計(jì)算鋼軌斷裂位置及裂紋大小的仿真計(jì)算方法圖16為南非railsonic公司生產(chǎn)的超聲波實(shí)時(shí)斷軌檢測用傳感器。它根據(jù)超聲脈沖的頻率、脈沖長度、脈沖時(shí)間問隔來識別信號信息。但是火車通過時(shí)劇烈的連續(xù)噪聲會(huì)影響其探測有效信號信息，因此，當(dāng)火車通過時(shí)，它會(huì)自動(dòng)轉(zhuǎn)為休眠狀態(tài)，等火車離開后會(huì)再次啟動(dòng)360圖16超聲波傳感器3總結(jié)我國鐵路交通運(yùn)輸繁忙，特別是近10年來，國內(nèi)鐵路客運(yùn)高速化、貨運(yùn)重載化趨勢越來越明顯，鐵路的負(fù)荷日益加重，軌道線路狀態(tài)惡化加??；同時(shí)由于行車密度加大，可供

19、檢測維修作業(yè)的列車間隔時(shí)間越來越短，這就使得傳統(tǒng)的周期檢測方法不能滿足新形勢下對鋼軌快速、準(zhǔn)確檢測的要求。實(shí)時(shí)監(jiān)測方法能滿足實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)軌況監(jiān)測要求，但不能有效監(jiān)測早期鋼軌裂紋，這就需要們?nèi)诤隙叩膬?yōu)點(diǎn)，進(jìn)一步去研發(fā)新的檢測技術(shù)和方法。參考文獻(xiàn)1史宏章，任遠(yuǎn)，張友鵬，等.國內(nèi)外斷軌檢測技術(shù)發(fā)展的現(xiàn)狀與研究J.鐵道運(yùn)營技術(shù)：2010,16(4):1-72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.科研探索與知識創(chuàng)新，2011,6:108-1093ClarkR.RailFlawDetection:OverviewandneedsforfuturedevelopmentsJ.Indep

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