鋼軌裂紋及斷軌檢測方法調(diào)研報告要點(diǎn)

鋼軌裂紋及斷軌檢測方法調(diào)研報告在鐵路運(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。假設(shè)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產(chǎn)損失。因此鋼軌傷損檢測越來越受到人們的重視。表1成的列車行車事故。時間地點(diǎn)傷損狀況2001時間地點(diǎn)傷損狀況2001318日美國愛荷華州鋼軌斷裂引起列車脫軌，造成196人受傷20071017倫敦日4人死亡、70人受傷、4人重傷200947日河北野三坡6節(jié)車廂脫軌同時，隨著國家高速鐵路和重載鐵路的進(jìn)展，鋼軌受到擠壓和沖擊的程度越來性，鋼軌裂紋檢測成為鐵路運(yùn)營部門格外重視的事情。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)時斷軌監(jiān)測技術(shù)包括軌道電路實(shí)時斷軌檢測技術(shù)、 牽引回流實(shí)時斷軌檢測技術(shù)、光纖實(shí)時斷軌檢測技術(shù)和超聲波實(shí)時斷軌監(jiān)測技術(shù)等。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)展檢測，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)。總體上說，周期性檢測設(shè)備準(zhǔn)確度高，能準(zhǔn)時覺察鋼軌早期裂紋，以避開發(fā)生重大交通事故；但是它需要占用較多天窗時間。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，如所示。通過人工手推動行鋼軌損傷的檢測，它消耗大量人力物力、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狀況實(shí)時檢測，不能適應(yīng)于我國日益進(jìn)展的高速鐵路事業(yè)[1-2]0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，歐美也開頭研發(fā)使用這種便攜式鋼軌探傷儀[3]0由于超聲波探傷技術(shù)比較成熟，本錢比較低，且隨著科技的進(jìn)展，以前只有大型A/B超同屏顯示、魚鱗紋下核傷判別、探傷數(shù)據(jù)儲存、探傷作業(yè)信息記錄、探傷數(shù)據(jù)計算機(jī)治理等五大功能正移植到探傷小車身上，軌探傷儀器生產(chǎn)商當(dāng)中，超聲探傷小車倍受青睞。

在各鋼大型鋼軌探傷車

圖1手推式鋼軌探傷車構(gòu)造示意圖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，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波；如有損傷，則底波前消滅一個傷損波，底波降低或消逝[4]。我國鐵道部門為了提高鋼軌傷損的檢出率，推動鋼軌維護(hù)設(shè)備的進(jìn)步，從1989年開頭從美國引進(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20余年的集成創(chuàng)爭論，進(jìn)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)200km/h,其自動區(qū)分為：鋼軌頭部橫向疲乏裂紋〔核傷〕5mm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10mm1mm[2,5]。圖2大型鋼軌探傷車該技術(shù)對檢測鋼軌疲乏裂紋和其它內(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)[6]。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，淺外表裂縫〔剝落〕可能會遮掩鋼軌內(nèi)部存在的橫向缺陷[7]量有限，檢測時受軌面平坦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〔〕波的本錢比較低的雙軌自動探傷系統(tǒng)[8]。其特點(diǎn)是超聲波探輪可三維運(yùn)動，可實(shí)現(xiàn)鋼軌的超聲波自動探傷和定位，特別適用于檢測鋼軌頭部橫向疲乏裂紋〔核傷〕、螺栓孔裂紋、腰部斜裂紋和鋼軌縱向水平裂紋等損傷?！病场败嚒敝性O(shè)計了一種用于檢測城市輕軌鋼軌的探傷車[9]。其特點(diǎn)是車體通過二系懸掛落用于對鋼軌進(jìn)展檢測的探傷系統(tǒng)，探傷輪通過下降和上升的液壓系統(tǒng)掌握，提高了鋼軌探傷的效率，增加了輕軌車輛運(yùn)行的安全性。基于漏磁信號的鋼軌檢測技術(shù)該技術(shù)是通過勵磁裝置給鋼軌施加一個磁場，當(dāng)鋼軌完好時，磁場能順當(dāng)?shù)耐鸭y信息，如所示。該技術(shù)的缺點(diǎn)是檢測范圍有限，僅能檢測鋼軌軌頭外表和近外表〔a〕無裂紋〔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[10,11]Ansoft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。渦流探傷技術(shù)UI4所示。兩線圈的相對位置為正交取向，檢測線圈放置在U型鼓勵線圈的開口中點(diǎn)處。工作時，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。鼓勵2．鼓勵線圈3．U型磁心4.測量線圈5．磁心圖4傳感器構(gòu)造示意圖長安大學(xué)馬旺宇等人在專利〔〕出一種便攜式探傷儀[12]，如所示，該探傷儀所使用了專利〔〕“一種用于鋼軌檢測的型傳感器”中所設(shè)計的傳感器[13]，其測量線圈的線圈匣數(shù)、直徑以及鼓勵線圈和測量線圈間的問距H為通過正交試驗(yàn)設(shè)計法確定的最正確參數(shù)組合。所述鼓勵線圈和一個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)置有與鋼軌的上部構(gòu)造相對應(yīng)的凹槽。采集到的信號再由后臺放大器放大，并在顯示器上同步顯簡潔緊湊、體積小、重量輕、便于攜帶，并配備有獨(dú)立電源。經(jīng)過測試，其測量精度能到達(dá)0.2mm[14]。軌裂紋檢測儀”如所示[15]，由檢測頭、檢測主機(jī)、推拉支架、滾輪、連接收、固定環(huán)組成，其特征在于推拉支架下端兩側(cè)分別通過連接收前后固定連接兩個檢測頭，每個檢測頭兩側(cè)局部別固定有滾輪，推拉支架中間的上連管上通過兩個固定環(huán)連接有檢測主機(jī)，檢測頭與檢測主機(jī)電連接。該儀器承受手推車式，可實(shí)現(xiàn)雙規(guī)同時檢測，每條鋼軌前后設(shè)有兩個檢測頭，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)計了一種低頻渦流探測軌頭橫向裂紋的裝置［16］，如所示。其特點(diǎn)是該專利承受環(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。圖7低頻渦流探測軌頭橫向裂紋裝置示意圖圖像處理探傷技術(shù)［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，他承受圖像處理、模式并具有肯定的適用性。此方法可以抑制人工檢測方法的很多弊端，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外表裂紋的圖片，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爭論。他爭論了圖像采集，圖像處理，提取特征，缺陷識別的鋼軌外表缺陷識別過程，并基于裂紋形態(tài)〔〕“中提出了一種基于數(shù)字圖像的鋼軌外表缺陷檢測方法［21］。該方法從對鋼軌拍攝的圖區(qū)域進(jìn)展定位及判定。北京交通大學(xué)劉澤等人在專利〔CNA〕“一種在線鋼軌探傷的圖像處理輔助檢測CCD在線運(yùn)行過程中，嵌入式掌握系統(tǒng)掌握光源鼓勵掌握器使兩個關(guān)心光源照耀鋼軌外表CCD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)展處理；從處理后的鋼軌圖像中統(tǒng)計鋼軌外表的損傷信息及固有構(gòu)造信息；再將所獲得的鋼軌外表損傷信息進(jìn)展分類和損傷程度計算。［22］，其總體構(gòu)造圖如所示。106107206．工業(yè)CCD線陣攝像機(jī)2072088在線鋼軌探傷的圖像處理關(guān)心檢測裝置的總體構(gòu)造圖激光超聲探傷技術(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外表，鋼軌信息來推斷鋼軌傷損，其原理如所示。9［23］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，具體論述了其探傷機(jī)理，對激光超聲探傷系統(tǒng)進(jìn)展了設(shè)計。分析結(jié)果說明，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進(jìn)展?jié)摿Αielsen等人在專利〔US7,516,662B2〕“DETECTINGRAILDEFECTS紹了一種激光超聲鋼軌探傷技術(shù)［24］。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，通過法珀干預(yù)儀〔CFPI〕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。其原理示意圖如所示。圖10激光超聲探傷原理示意圖2實(shí)時斷軌檢測技術(shù)能對鋼軌進(jìn)展實(shí)時監(jiān)測，能第一時間覺察越受到人們重視。但是該類技術(shù)還不能覺察早期鋼軌裂紋，檢測區(qū)分率有待進(jìn)一步提高。實(shí)時斷軌監(jiān)測技術(shù)主要有以下幾種。牽引回流實(shí)時斷軌監(jiān)測技術(shù)。該技術(shù)通過檢測兩只鋼軌電流的不平衡來推斷斷軌的存在。該方法依托于鋼軌，本錢低，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離實(shí)時監(jiān)測。但是它依靠牽引回流的存在，只能檢測列車與變電所之間［2,25,26］。圖11牽引回流不平衡示意圖準(zhǔn)軌道電路實(shí)時斷軌監(jiān)測技術(shù)軌道電路是我國鐵路信號系統(tǒng)中的根底設(shè)備，具有軌道電路類型有相敏軌道電路、ZPW-2000A無絕緣軌道電路等。斷軌檢測原理如所示。圖12準(zhǔn)軌道電路實(shí)時斷軌檢測方法示意圖使軌道電路繼電器銜鐵吸起，前接點(diǎn)閉合，信號開放。而當(dāng)軌道電路區(qū)段內(nèi)有鋼軌斷裂光帶，發(fā)出列車停頓信號，提示斷軌。[27]誤報等故障狀況。同時，存在增加電氣化區(qū)段回流系統(tǒng)簡單程度、電氣絕緣軌道電路構(gòu)造簡單、造價昂貴、修理困難等缺陷。目前，準(zhǔn)軌道電路斷軌檢測技術(shù)作為軌道電路的附屬功能，仍是我國最廣泛使用的在線式斷軌檢測方[2,26]法 。Holgate〔US6,779,761B2〕〔〕“BROKENRAILDETECTION”中設(shè)計了一套軌道電路監(jiān)測斷軌系統(tǒng)

[28-29]12、1316、18、20為電路連接線，22為直流或低頻溝通電源，24為電流計，26為掌握主機(jī)。該技術(shù)通過電源給電路施加一個低電壓，形成回路。假設(shè)電路完好，電流計器20只電流計的示數(shù)降低或消逝，則說明與之相串聯(lián)的鋼軌消滅傷損或斷裂，掌握主機(jī)通過感知電流計電流的大小來發(fā)出警報。圖13軌道電路監(jiān)測斷軌示意圖光纖實(shí)時斷軌監(jiān)測技術(shù)光纖實(shí)時斷軌檢測技術(shù)是使用貼于軌道上的標(biāo)準(zhǔn)單模光纖進(jìn)展檢測的技術(shù)1550nm的光源，另一端連接接收器。當(dāng)鋼軌發(fā)生折斷時，光纖將隨之發(fā)生裂開，光束將不能到達(dá)接收器，由此推斷發(fā)生斷軌[30]，如所示。圖14光纖實(shí)時斷軌檢測方法示意圖[31]長，適于惡劣環(huán)境下工作?！怖玟撥壗宇^、平交道口、道岔等〕時，需要將光纖剪斷，并承受短的橋接器繞過簡單的局部[2,25-26]。超聲波實(shí)時斷軌監(jiān)測技術(shù)[32]據(jù)此可以判定鋼軌是否折斷或者破損。相鄰的聲波發(fā)生裝置共用一個接收裝置，以聲率放射一樣頻率的聲波，它們之間存在干擾和沖突[33]。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)計了一種實(shí)時超聲導(dǎo)波斷軌檢測系統(tǒng)，并針對出了超聲波探傷技術(shù)計算鋼軌斷裂位置及裂紋大小的仿真計算方法。為南非rails。nic公司生產(chǎn)的超聲波實(shí)時斷軌檢測用傳感器。它依據(jù)超聲脈沖的頻[36]。3總結(jié)

圖16超聲波傳感器10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??；同時由于行車密發(fā)的檢測技術(shù)和方法。參考文獻(xiàn)史宏章,任遠(yuǎn),張友鵬,等.國內(nèi)外斷軌檢測技術(shù)進(jìn)展的現(xiàn)狀與爭論[J].鐵道運(yùn)營技術(shù),2010,16(4):1-7,等.[J].,2011,6:108-109ClarkR..RailFlawDetection:Overviewandneedsforfuturedevelopments[J].NondestructiveTestingandEvaluation,2004,37:111-118

Independent孫軍華董明利鋼軌高速探傷系統(tǒng)的爭論[J].儀器儀表報2002,23(3):119-121陳東生田宇中國高速鐵路軌道檢測技術(shù)進(jìn)展[J].鐵道建筑,2008,12:82-86⑹彭良武，黃信基?高速鐵路根底設(shè)施的檢測(一) [J].鐵道勘測與設(shè)計，2008,6:22-2[7] 宋文偉譯美國聯(lián)邦鐵路局爭論結(jié)果鋼軌缺陷在線高速檢測[J].西鐵科技,2008,8[8][9]陳智軍，宣建青，王平，等?基于漏磁信號的鋼軌斜裂紋識別

[J].無損檢測，2010,32(11):842-846ZhijunChen，JianqingXuan，PingWang，etal.Simulationonhighspeedrailmagneticfluxleakageinspection[C].InstrumentationandMeasurementTechnologyConference(I2MTC),2011馬旺宇劉棟趙文博.應(yīng)用于鋼軌檢測的便攜式渦流探傷儀的研制[J].機(jī)械設(shè)計與制造，2010，2:88-90莊鑫張慧坤徐秀華等鋼軌裂紋檢測儀[P].中國專利:KatragaddaG，AntonioS，EarnestD，etal.Transversecrackdetectioninrailheadusinglowfrequencyeddycurrents[P].US:US6，768，298B2，2004-07-27MarinoF，StellaE.ViSyR:avisionsystemforreal-timeinfrastructureinspection.visionsystems:Applications，Vienna，Austria，2007官鑫趙智雅高曉蓉.圖像處理技術(shù)在鋼軌外表缺陷檢測和分類中的應(yīng)用[J].鐵路計算機(jī)應(yīng)用200918(6):27-30ZeLiu，WeiWang，XiaofeiZhang，etal.Inspectionofrailsurfacedefectsbasedonimageprocessing[C].InformaticsinControl，AutomationandRobotics(CAR)，InternationalAsiaConference，20102nd:472-475LiminChen，YinLiang，KaiminWang.Inspectionofrailsurfacedefectbasedonmachinevisionsystem[C].InformationScienceandEngineering(ICISE)，20102ndInternationalConferenceon:3793-3796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)用爭論[J].機(jī)械設(shè)計與制造，2009，10:60-61NielsenSA,BardenshteinA,LaursenNK.Detectingraildefects[P].US:US7,516,662B2,2009-04-14SemihK,RichardM,RichardPR.Brokenraildetection[R].TransitCooperativeRe