鐵路鋼軌缺陷傷損巡檢與監(jiān)測(cè)技術(shù)綜述

段國(guó)華

摘 要：隨著我國(guó)高速鐵路的快速發(fā)展，對(duì)鋼軌基礎(chǔ)的設(shè)施維護(hù)和安全防護(hù)提出了挑戰(zhàn)。

關(guān)鍵詞：鐵路鋼軌;缺陷傷損;監(jiān)測(cè)技術(shù)

鋼軌服役缺陷損傷類(lèi)型較為復(fù)雜，鐵路運(yùn)輸通過(guò)輪軌相互作用實(shí)現(xiàn)列車(chē)運(yùn)行，鐵路損傷是鐵路運(yùn)輸中最昂貴的問(wèn)題

一、鋼軌常見(jiàn)的傷損及檢測(cè)分析

1.最常見(jiàn)的傷損是：（1）鐵路軌頭的橫向裂縫。這是由于軌道材料的缺陷或接觸疲勞，嚴(yán)重的磨損和磨損，大部分在5毫米到10毫米之間（2）軌道接頭損傷。大部分的傷害都是由于保護(hù)和一個(gè)較低的圓圈造成的。由較小的弧線束產(chǎn)生的損傷，通常在接縫的夾板上表現(xiàn)出來(lái)，表現(xiàn)為墊圈磨損和軌道頂部的減壓現(xiàn)象。（3）軌道的水平和垂直縱向裂縫。這是由于軋制過(guò)程的缺陷或通常發(fā)生在鋼軌表面的外部載荷造成的。（4）鐵路底部裂縫。這是一種橫向裂縫或從軌道底部墜落的現(xiàn)象，主要是由彎曲缺陷、生銹的洞和軌道表面的劃痕造成的。（5）焊接損傷。這些缺陷，如冷凝孔隙、氣孔、燒傷、光斑、裂縫、焊縫、焊縫、焊縫、焊縫、焊縫等，都是極其有害的。

2.目前，無(wú)損檢測(cè)技術(shù)主要用于鋼軌的探傷，它不會(huì)對(duì)試件的材料和結(jié)構(gòu)造成損傷，可以通過(guò)聲、光、電、磁等物理手段檢測(cè)被測(cè)零件的缺陷位置、尺寸、性質(zhì)和數(shù)量。具體包括以下檢測(cè)方法：（1）超聲探傷檢測(cè)。對(duì)于鑄件、鉆孔、焊接和金屬、非金屬和復(fù)合材料板，可以檢測(cè)出內(nèi)部缺陷的大小、位置、性質(zhì)、掩埋等。然而，很難準(zhǔn)確地量化缺陷，也需要對(duì)試件的形狀進(jìn)行一些限制。（2）射線探傷。適用于鑄件和焊縫等部件的內(nèi)部容積型缺陷可以顯示和保存檢測(cè)結(jié)果，但檢測(cè)成本很高，很難檢測(cè)出裂紋類(lèi)型的缺陷。（3）碳粉探傷。鑄件、鍛件、焊接件和機(jī)械件的內(nèi)部缺陷具有靈敏度高、檢測(cè)速度快、操作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn);然而，缺陷只能檢測(cè)表面和附近表面的內(nèi)部缺陷的位置和長(zhǎng)度，而不能檢測(cè)內(nèi)部缺陷的深度。（4）滲透探傷。它適用于有色金屬的鑄造、鍛造和焊接缺陷。（5）渦流探傷。它適用于在廣泛領(lǐng)域中檢測(cè)鋼鐵和有色金屬等導(dǎo)電材料，并應(yīng)使用無(wú)接觸自動(dòng)檢測(cè)。不足之處在于，很難探測(cè)到復(fù)雜的形狀缺陷和更深層次的表面。

二、鐵路鋼軌缺陷傷損檢測(cè)和巡檢

1.超聲波檢測(cè)，導(dǎo)波，電磁超聲，激光超聲。（1）超聲檢測(cè)和相位檢測(cè)技術(shù)。利用超聲波的反射、衍射和透射特性，可以通過(guò)觀察超聲波在波、回聲、聲速、衰減和共振上的傳播變化來(lái)確定所研究的房間內(nèi)是否存在缺陷。傳統(tǒng)的超聲波技術(shù)在檢測(cè)軌道內(nèi)部缺陷方面得到了廣泛的應(yīng)用，具有高滲透率、良好的缺陷定位、對(duì)部件內(nèi)部裂紋檢測(cè)的高度敏感性以及自動(dòng)掃描檢測(cè)的易用性。然而傳統(tǒng)的超聲波需要之間的偶聯(lián)劑來(lái)填補(bǔ)這一缺口探針和測(cè)試部分的表面，很難檢測(cè)復(fù)雜和不規(guī)則形狀的工件，并未能有效地檢測(cè)和評(píng)價(jià)鐵路上表面和近表面疲勞損傷。（2）導(dǎo)波探測(cè)技術(shù)。與傳統(tǒng)的超聲波技術(shù)相比，導(dǎo)波檢測(cè)具有遠(yuǎn)距離檢測(cè)特性，不需要對(duì)檢測(cè)表面進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的掃描。引導(dǎo)波檢測(cè)技術(shù)允許對(duì)特定目標(biāo)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行快速檢測(cè)和訪問(wèn)?；诓▽?dǎo)的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)也得到了迅速的發(fā)展。（3）電磁超聲檢測(cè)技術(shù)。與傳統(tǒng)超聲檢測(cè)技術(shù)相比，電磁耦合方法具有精度高、無(wú)偶聯(lián)劑、非接觸測(cè)量、檢測(cè)速度快等優(yōu)點(diǎn)。金屬導(dǎo)體在交變磁場(chǎng)中產(chǎn)生渦流。磁場(chǎng)中的任何電流都受洛倫茲力的影響，而金屬介質(zhì)在交變應(yīng)力作用下產(chǎn)生超聲波頻率范圍內(nèi)的應(yīng)力波。由于這種作用的可逆性，返回的聲壓使粒子的振動(dòng)改變渦流線圈的兩端電壓在磁場(chǎng)的作用下，和檢測(cè)信號(hào)被接收裝置接收和放大分析缺陷的信息。（4）激光超聲檢測(cè)技術(shù)。一種利用激光激勵(lì)和超聲波檢測(cè)的非接觸式無(wú)損檢測(cè)技術(shù)。激光脈沖產(chǎn)生的聲波波長(zhǎng)只有幾微米，可以探測(cè)到材料內(nèi)部的微小缺陷。激光超聲技術(shù)作為一種非接觸式無(wú)損檢測(cè)方法，可用于惡劣環(huán)境下材料的高精度無(wú)損檢測(cè)。

2.渦流檢測(cè)，脈沖渦流和遠(yuǎn)場(chǎng)渦流。針對(duì)傳統(tǒng)超聲檢測(cè)技術(shù)中存在的表面檢測(cè)盲區(qū)，提出了基于電磁原理的電渦流檢測(cè)方法用于軌道表面和近表面缺陷檢測(cè)。渦流檢測(cè)是利用交變磁場(chǎng)在被測(cè)導(dǎo)電工件上產(chǎn)生渦流誘導(dǎo)的交流電。電導(dǎo)率、滲透率、有無(wú)缺陷以及缺陷的大小和形狀影響渦流的分布和大小。通過(guò)測(cè)量檢測(cè)線圈中渦流引起的磁場(chǎng)變化，可以得到試樣中渦流的分布、大小和相位，進(jìn)而得到試樣的電導(dǎo)率和缺陷特征。渦流檢測(cè)是非接觸測(cè)量，可以進(jìn)行高速檢測(cè)，但蒙皮效應(yīng)只能檢測(cè)導(dǎo)電材料的表面和近表面結(jié)構(gòu)狀態(tài)。

3.漏磁檢測(cè)，交流磁場(chǎng)測(cè)量。鐵磁性材料磁化后，試樣的表面或近表面缺陷會(huì)改變磁導(dǎo)率，導(dǎo)致磁路中的磁通量和磁感應(yīng)線流向發(fā)生變化。部分磁通泄漏到工件表面，繞過(guò)缺陷通過(guò)空氣進(jìn)入材料，形成泄漏磁場(chǎng)。采用磁傳感器檢測(cè)漏磁，檢測(cè)軌道表面和近表面的缺陷。

4.渦流脈沖熱成像。

脈沖渦流熱成像（eddycurrentpulsedthermography ECPT）基于渦流在電磁學(xué)和焦耳熱現(xiàn)象，使用紅外熱像儀進(jìn)行標(biāo)本在脈沖渦流激勵(lì)引起的焦耳熱現(xiàn)象的溫度場(chǎng)分布和傳播，并通過(guò)熱量地圖的分析處理來(lái)檢測(cè)缺陷。該技術(shù)結(jié)合了脈沖渦流技術(shù)和紅外熱成像技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)。與其他紅外熱成像方法相比，ECPT采用脈沖電磁激勵(lì)，具有電、磁、熱等多種物理時(shí)空特性和豐富的瞬態(tài)信息，具有較高的空間分辨率和探測(cè)近地表深度缺陷的靈敏度。ECPT感應(yīng)加熱熱量集中在缺陷區(qū)域，提高了缺陷與非缺陷區(qū)域的溫度對(duì)比，提高了小缺陷的信噪比和檢測(cè)靈敏度。對(duì)金屬表面缺陷進(jìn)行了感應(yīng)熱成像仿真和實(shí)驗(yàn)分析，研究了不同電磁參數(shù)下表面缺陷的溫度分布，討論了渦流穿透深度對(duì)溫升的影響。討論了缺陷長(zhǎng)度、深度和傾角對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響。基于單匝線圈的電磁熱耦合效應(yīng)對(duì)軌道表面及近表面疲勞多裂紋和微缺陷的成像檢測(cè)采用改進(jìn)的亥姆霍茲線圈勵(lì)磁結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了軌道表面相對(duì)均勻的加熱，消除了單匝線圈在缺陷檢測(cè)中加熱不均勻的缺陷。

視覺(jué)檢測(cè)。視覺(jué)檢測(cè)是通過(guò)視覺(jué)輔助工具（如眼睛或工業(yè)攝像機(jī)）對(duì)工件進(jìn)行檢測(cè)，以檢測(cè)裂紋、變形、腐蝕等缺陷。計(jì)算機(jī)視覺(jué)檢測(cè)方法在鐵路軌道表面缺陷檢測(cè)中的應(yīng)用，分析了表面缺陷的尺寸和位置。

三、鐵路鋼軌巡檢和監(jiān)測(cè)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

隨著高速列車(chē)和城市地鐵運(yùn)輸系統(tǒng)的快速發(fā)展，迫切需要將大量的技術(shù)與快速軌道傳感器和移動(dòng)控制設(shè)備相結(jié)合，以快速檢測(cè)軌道和維護(hù)安全。為滿(mǎn)足全面覆蓋各科室執(zhí)法偵查鐵軌，探測(cè)和全面的里程缺陷和缺點(diǎn)的整個(gè)過(guò)程中，以及符合鐵路調(diào)度、維修頻度、勞力節(jié)約方面的要求和高速鐵路挑戰(zhàn)。

鐵路無(wú)損檢測(cè)的研究表明，在服務(wù)實(shí)現(xiàn)完整的有效的和可靠的測(cè)試覆蓋率，必須結(jié)合多種檢測(cè)技術(shù)，并實(shí)現(xiàn)鋼軌缺陷損傷檢測(cè)和監(jiān)測(cè)技術(shù)是應(yīng)用程序的關(guān)鍵方向在這個(gè)領(lǐng)域，這也為未來(lái)實(shí)現(xiàn)更高速度的大型鋼軌探傷車(chē)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

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