（道路与铁道工程专业论文）大小探伤车合理配套使用方案研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文 第f 页 摘要 随着我国现代化铁路和工务管理信息化的快速发展，对钢轨探伤技术 提出了越来越高的要求。在我国，随着列车速度提高和轴重的增加，钢轨伤 损发展速度也相应加快，致使检测周期亦有缩短的趋势，开展钢轨探伤， 是保证铁路畅通运行的重要措施。 我国钢轨的探伤主要采用超声波检测方法，设备主要有大型探伤车和 小型探伤仪。本文在分析比较大小探伤车功能原理的基础i 二，结合我国铁 路线路的具体情况以及钢轨伤损病害类型、尺寸对探伤的影响，对大小探 伤车合理配套使用方案进行了深入地研究，为建立有效、可靠的检测机制 和方案打下坚实的基础。本文所做的主要工作如下： 1 结合国内外的钢轨探伤对现代铁路的巨大影响等多个方面，阐明了 当前形势下大小探伤车合理配套使用的必要性。通过对钢轨伤损的形态特 征、类型、尺寸和探伤精度、探伤周期之间关系特性的研究，不仅确定了 钢轨探伤周期方案，还为制定大小探伤车合理配套使用方案提供依据。 2 对大小探伤车的结构性能及探伤原理进行比较分析，在综合考虑大 小探伤车对钢轨伤损的检测能力的基础上，确定采用大型探伤车为主、小 型探伤车为辅的使用模式，并逐步向完全采用大型探伤车的方式发展。 3 通过试验对大小探伤车检测数据结果进行分析和总结，建立了较为 完善的大小探伤车合理配套使用方案。确定现在应采用探伤车检查取代部 分小型探伤仪检查遍次的使用模式，对于大型探伤车3 5 k m h 的运行速度 为最合理的速度，探伤仪的探测速度为2 5 k m h ，探伤仪超声波发射频率 为5 0 0 次s 。 关键词：合理配套使用：检测周期；探伤车；探伤仪 西南交通大学硕士研究生学位论文 第11 页 a b s t r a c t w i t ht h ef a s td e v e l o p m e n to fm o d e r nr a i l w a ya n dm a n a g e m e n t i n f o r m a t i o n ，t h e r ei sa ni n c r e a s ed e m a n d 0rr a il w a yd e t e c t i n g t e c h n o l o g y i no u rc o u n t r y ，w i t ht h ev e l o c i t ya n da x i sl o a di n c r e a s e m a k i n gt h er a i if a i l u r ea n df a t i g u ed e t e r i o r a t ea c c o r d i n g l y ，s ot h e d e t e c t i n gp e r i o dd i m i n i s h m e n ti so nt r e n d 1 ti so b v i o u st h a tm a k i n g r e s e a r c h0 iu l t r a s o n i cd e t e c t i n gi sg r e a ti m p o r t a n tt og u a r a n t e e t h er a i l w a yi ns o u n do p e r a t i o n i no u fc o u n t r y ，w em a i n l yu s eu l t r a s o n i cd e t e c t i n gm e t h o d ，t h e m a i n l ye q u i p m e n t sa r et h eb i gd e t e c t e rt r a i na n dt h er a ild e t e c t o r i nt h ep a p e r ，o nt h eb a s e m e n to fa n a ly z i n gf u n c t i o np r i n c i p l e0 f t h eb i gd e t e c t o rt r a i na n dt h er a i ld el e c t o r ，t a k i n gi r i t ea c c o u n t 0 fo u rc o u n t r yr a i l w a yc o n c r e t es i t u a t i o na n dr a i f a t i g u et y p e s a sw e l la sr e a s o n s ，d e v e l o p i n gr e s e a r c ho nt h eb i gd e t e c t o rt r a i n a n dt h er a i ld e t e c t o rr e a s o n a b l ec o m p a t i b l ea p p t c a t i o ns c h e m e ，t o 1 a n das o l i df o u n d a t i o nf o re l f i c i e n ta n dr e l i a b l e d e t e c t i n g m e c h a n i s m - a n ds c h e m e a 1 lt h ed e t a i l sj u s ta sf o l l o w s ： 1 c o m b i n a t i o nw i t ht h eg r e a tr a i ld e t e c t i n gi n f l u e n c e0 n m o d e r nr a il w a yb o t hh o m ea n da b r o a d ，a n ds e tf o r t ht h en e c e s s a r y o fr e a s o n a b l ec o m p a t i b l ea p p l i c a t i o no ft h eb i gd e t e c t o rt r a i na n d t h er a i l l a t l g u e c c o r o m p a e t e c d e t e c t o ra tp r e s e n t b yt h er e s e a r c h0 fa l1kin d so fr a i1 a n df a i l u r et of i n d o ult h er e a s o n sa n dm e c h a n i s m g l y ，s oa st op r o v i d ef o u n d a t i o nf o rr e a s o n a b l ea n d l ea p p l i c a t i o ns c h e m e0 ft h eb i gd e t e c t o rt r a i na n ds m a l l gi n s t r u m e n t 2 c o m b i n a t i o nw i t ht h er e a t i o no fd e t e c t i n gr e l i a b i l i t ya n d f a t i g u et y p e ，d i m e n s i o na n ds oo n ，s oo nt h eo v e r a l lc o n s i d e r a t i o n o ft h e b i gd e t e c t o rt r a i na n dt h er a i ld e t e c t o r sd e t e c t i n g 西南交通大学硕士研究生学位论文 第l ll 页 a b il i t i e s a d v a n c i n gt h ed e t e c t in gm o d eo fm a in l yn s i n g t h eb l g d e t e c t o rt r a i n a s s i s t a n tw i t ht h es m a l lr a i ld e t e c t o r ，a n d a b s o l u t e l yu s i n gt h eb i gd e t e c t o rt r a l ni n t h ef u t u r e 3 b yt h ea n a l y s i sa n ds u mu po ft h ed e t e c ti n gd a t af o r t h e1 b i gd e t e c t o rt r a i na n ds m a l lr a i ld e t e c t o rt e s t ，f o u n d i n gam o r e p e r f e c ts c h e m eo fc o m p a t i b l ea p p l i c a t i o n a s c e r t a i nt h a tw en o w s h o u l dr e p l a c ep a r to ft h es m a l ld e t e c t i n gi n sl r u m e n ta p p li c a t i o n m o d eb yt h el a r g e s c a l ed e t e c t i n gc a r a n dt ot h eb i gd el e c t o rt r a i n t h er e a s o n a b l ev e l o c i t yi s3 5 k m h a n dt ot h es m a l lr a i ld e t e c t o r is2 5 k m h a tt h es a m et i m et h et r a n s m i tf r e q u e n c yi s5 0 0 h z k e yw o r d s ：r e a s o n a b l ec o m p a t i b lea p p i i c a t i o n d e t e c t l n gp e r i o d t h eb i gd e t e c t o tt r a i n ，t h er a i1d e t e c t o r 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 页 第1 章绪论 1 1 概述 钢轨是铁路线路的重要设备，钢轨的发展方向是重型化、强韧化和 纯净化，需要对钢轨进行合理的使用。钢轨在使用的过程中，会发生折断、 裂纹及其它影响和限制钢轨使用性能的伤损形式，都称为钢轨伤损。钢轨 伤损的种类很多，常见的有磨耗、剥离及轨头核伤、轨腰螺孔裂纹等。钢 轨伤损是断轨的主要原因，是影响行车安全的重要隐患，列车出轨事故主 要由钢轨断裂产生，为了准确检测出各种可能导致断轨伤损，消除安全隐 患，备种无损检测( n d t ) 技术飞速发展，铁路是最早引入无损检测的行 业之。 常用的无损伤检测方法主要由以下几利，： ( 1 ) 可视化检测( v i s u mi n s p e c t i o n ) 这种方法被广泛采用，但它检测效果是以下介绍无损检测方法中最差 的，其主要优点是快速直观，现被广泛应用于表面裂纹的检测，甚至可用 于肉眼不可见的表面裂纹。 ( 2 ) 超声波检测( u l t r a s o n i ci n s p e c t i o n ) 超声波探伤被铁路行业广泛采用，因其技术成熟，所以被广泛的接受， 被认为是检测裂纹的最好方式，然而很难检测到表面裂纹，但是超声波检 测对材料内部的裂纹检测很准确，因此就产生了涡流探伤。 ( 3 ) 涡流检测( e d d yc u r r e n ti n s p e c t i o n ) 涡流探伤被广泛应用于金属表面裂纹的检测，和超声波探伤的比较见 列表卜l 。 ( 4 ) 磁粒子检测( m a g n e t i cp a r t ic l ei n s p e c t i o n ) 以前在铁路行业也采用过磁粒子检测，但其检测效率低下，检测繁琐， 西南交通大学硕士研究生学位论文 第2 页 结果不准确，现在钢轨探伤中己基本上不采用这种检测方法。 列车在加速和制动过程中以及通过钢轨接缝、弯道和道箍时，对钢轨 造成摩擦、挤压、弯曲和冲击作用。在这些作用力的反复作用下，钢轨极 易产生疲劳裂纹。裂纹一旦产生就易于快速扩展，从而造成钢轨折断等重 大恶性事故。 表1 - 1 涡流、超声波探伤比较 涡流超声波 对表面缺陷检测准确表面裂纹检测效果很差 近表面裂纹检测可靠度差可以检测近表面裂纹 材料内部裂纹检测不可能内部裂纹检测准确度高 探头对缺陷位置灵敏度不高能准确判断裂纹位置 结果稳定结果不稳定 检测速度快检测速度慢 丌展钢轨探伤，是保证铁路畅通运行的重要措施，尤其是在我圈，随着 列车速度的提高和轴重的增加，使钢轨伤损发展速度相应加快，致使检测 周期亦有缩短的趋势。加之行车密度大，利用手推式钢轨探伤仪已经不适 应铁路的发展情况。换言之，速度较慢的手推式探伤小车作业时占道时间 过长，妨碍了列车的正常运行。因此，周大型探伤车代替人工检测钢轨内部 伤损来改变目前钢轨检测的被动局面势在必行。 我国钢轨的探伤主要采用超声波检测方法，设备主要有大型探伤车 和小型探伤仪，为了有效并及时地消除行车安全隐患，保障行车安全，降 低行车安全事故造成的损失，节省检测成本，降低因漏检造成的钢轨断裂 风险，必须做到对钢轨等设备状态的严密j 监控。加拿大及美国各铁路公司 近年来较完整地发展和应用了可靠性较高的钢轨检测方法及科学合理的 西南交通大学硕士研究生学位论文 第3 页 紧急情况应对措施体系，并对不同等级的铁路做出了相应明确的检测周期 规定。我国铁路引进了技术性能很好的大型超声波钢轨探伤车，但应用效 果却并不十分理想，以至于造成了昂贵的大型探伤车在钢轨伤损检测中处 于辅助地位，而让探伤小车唱主角的尴尬局面。 问题的关键在于我们只引进了先进的设备，但缺乏应用经验和相适应 的检测机制，没有与自身的线路与运营条件配套的检测方法。其次，随着 养护维修机械化进程加快、线路运营强度和密度不断提高，剥俐轨进行快 速、可靠、有效的检测要求越来越急迫，探伤小车唱主角的模式是必将淘 汰。 因此研究大型钢轨探伤车钢轨伤损检测可靠性，结合线路和运营特 点，在充分发挥大型钢轨探伤车性能基础上辅以其它探伤方法，建立先 进、有效、可靠的检测机制和方法，确保线路运营安全是非常必要的。因 此，大小探伤车合理配套使用方案研究的完成也将为可靠性较高的钢轨检 测方法及科学台理的紧急情况应对措雕体系的发展打下坚实基础。 1 2 国内钋现状 铁路是较早开展无损检测工作的部门之一，钢轨探伤是无损检测技术 应用的一个重要领域，由于钢轨在使用过程中会因应力作用产生各种疲劳 裂纹，如检测不及时，会造成钢轨断裂，以至于引起列车颠覆，中断交通 等恶性事故，因而各国对钢轨探伤都十分重视，不惜投入大量人力物力对 现役钢轨进行定期检测，以便及早发现疲劳伤损，防止断轨，确保安全。 在探伤设备和手段方面，国内外有较大差别。目前国外钢轨探伤主要 使用大型探伤车，小型设备一般只用来复查大型探伤车的检测结果。 目前探伤车探伤速度大多在2 0 5 0 k m h 。德国拟把电磁声技术运用 到钢轨探伤车上，准备研制探伤速度在7 0 k m h 以上的探伤车，但此项目 目前还没有正式投入使用，探伤车的工作方式多采用停顿式，即探伤线路 西南交通大学硕士研究生学位论文 第4 页 是封闭的，发现伤损马上停下来手工复核，一旦确认立即换轨，目前这点 在我国也很难做到。 美国、德国、法国、澳大利亚、俄罗斯等国都可以设计和生产钢轨探 伤车，有些国家还少量出口。美国p j t 公司生产的s y s 一1 0 0 0 型探伤车是 较有代表性的具有9 0 年代先进水平的探伤车，我国成都铁路局等使用的 是该型进口探伤车，国内生产的g t 3 型大型探伤车，其检测系统就是s y s 一1 0 0 0 ，探伤速度可达4 0 k m h 。 国外钢轨探伤部门一般与铁路运输部门是分离的，也就是说探伤部门 和铁路部门分属不同的公司，铁路部门将探伤工作以合同形式委托给探伤 公司，铁路部门只负责提供必要的探伤条件，探伤公司则要根据铁路部门 要求定期对钢轨进行检验。这种做法的优点在于责任明确，工作上避免人 为的干扰，铁路部门可以不必配备大量的探伤人员和设备，而探伤公司则 可按照探伤工作固有规律开展工作，履行职责。这样打破了探伤技术和设 备的行业所有，有利于发挥探伤人员的积极性，真正做到人尽其刁，物尽 其用，在激烈的市场竞争中，迫使探伤部门不断完善更新自己的探伤技术、 设备和提高探伤人员素质，有利于探伤技术水平的提高。 另外，国外在探伤方面的投资也很大，许多国家都建有钢轨探伤的研 究中心或探伤设备的生产基地。如美国的s p e r y 公司、p j t 公司，康州大 学：德国的明登机械研究所、弗琅霍费研究所；法国的m a t i x 公司等，都 有很强的钢轨探伤研究能力和探伤设备的生产能力。 在我国，铁路是最早开展无损检测工作的部门之，1 9 5 0 年铁道部 引进瑞士生产的共振式超声波探伤仪检查钢轨，是公认的我国超声波探伤 的开端。经过5 0 多年的努力，钢轨探伤已取得长足发展，经国内与国外 合作，已经能够生产大型探伤车，并丌发研制了一系列探伤小车，还先后 制定了钢轨探伤仪和专用探头的技术条件，发布了钢轨探伤管理规则，标 志着我国探伤已经逐步向成熟化、规范化、制度化方向发展。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第5 页 由于我国运输繁忙，车流密度大，探伤作业没有固定时| j j ，大型设备 难以使用，因此钢轨探伤至今仍然以探伤仪为主。为了提高椿伤效率和准 确率，必须充分发挥大型探伤车的作片j ，袱据线路条件制定合理的探伤制 度和探伤周期。 我国钢轨探伤的基本特点是任务重，要求严和条件差，这与我国有缝 线路较多，钢轨质量差，车流密度大，钢轨损伤快有关。长期以来，铁路 运输安全基本上是用提高探伤灵敏度和增加探伤次数的方法来实现的。 西方国家铁路以无缝线路为主，钢轨缺陷主要为核伤，多数国家在核 伤面积超过轨头面积3 0 以上时才要求换轨，法国甚至放宽到5 5 e 1 换轨。 然而我国比国外要严格得多，一般来说，超过中1 0 当量的缺陷则要求马 上换轨，有些线路甚至不允许缺陷存在，只要能确认是核伤。就要求马上 换下，否则就认为有造成事故的危险。这样做极其不科学，也不终济，必 须建立科学的风险管理机制。即建立既能保证运输安全又最大限度节省探 伤和换轨成本的风险制度。 国外钢轨探伤周期长，例如美国一股线路每年只检查两遍，重点线路 包括客运线路也只有三遍。而我国则不然，基本上一个月遍，一些特殊 区段，如石太线差不多1 0 天就要检查一遍，又基本靠手推小车完成，工 作量之大可想而知，每年探伤的线路长度可绕地球3 0 余圈，基本靠探伤 工手推车步行完成。艰苦的环境，恶劣的条件不仅影响探伤人员的工作积 极性。同时还影响探伤设备的正常使用和钢轨探伤效果。 长期以来，我国钢轨探伤完全依靠手推式探伤仪施行人工探伤。全路 现有近8 0 0 0 名专职钢轨探伤人员使用着约3 0 0 0 台手推式钢轨探伤小车， 负担近7 万公里钢轨的内部伤损检查。从1 9 8 9 年开始，铁道部先后从澳大 利亚g e m c o 公司和美国p a n d r o lj a c k s o n 公司进口了1 3 台大型钢轨探 伤车( 其中1 2 台从美国进口) ，但目前这1 3 台大型探伤车使用情况不很理 想。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第6 页 当前我国的钢轨探伤工作仍处于以手推式探伤小车为主，大型探伤 车为辅的局面。在国外发达国家，大型钢轨探伤车得到了成功的应用。这 些国家的钢轨探伤主要由探伤车承担，人工探伤小车仅作为辅助手段，与 我国目前的状况刚好相反。有关其它困家的钢轨探伤车的使用情况参见表 】一2 。 表1 - 2 发达国家探伤车使用情况 国家制造商最高检测速作业方传感器年检测里 度( k m h )a类型 程 美国、加拿 p a n d r o lj a c k s o n ： 4 0 停顿式轮式2 0 0 0 _ 人、墨西哥 s p e r r y 等国 法国、瑞士s p e n o 4 0 停顿式轮式 2 0 0 0 等国 连续式滑靴式 英国英国铁路公司7 0连续式滑靴式3 2 0 0 0 ( b r ) 德国自产 5 0 连续式滑靴式 2 0 0 0 日本 自产和部分进口 3 0 4 0 停顿式滑靴式 5 0 0 0 各国不但在探伤设备上进行开发改进，在探伤风险和可靠度管理上 也有了一定研究，并取得了初步的成果。2 0 0 0 年，铁道部引进两台g t c 一3 型超声波大型探伤车，此型号探伤车是在美国h a r s c o 公司和宝鸡工 程机械厂联合研制的，采用s y s 一1 0 0 0 探伤检测系统。世界各国对钢轨探 伤的研究远不如我国迫切。提高钢轨伤损检测可靠性的问题，是一个复 杂的系统问题，高精度的探伤车是必要的，但仅仅有高精度的探伤车却 是远远不够的。利用大型钢轨探伤车对钢轨伤损进行高可靠性的检测， 涉及到探伤车对各种伤损类型的敏感程度、探伤车对某一伤损各种发展 西南交通大学硕士研究生学位论文 第7 页 阶段及不同部位的敏感程度、探测车对不同钢轨伤损的判识精度、检测 的周期、探伤车工作走行速度以及操作人员的素质等等问题，都必须通 过研究加以解决。 在一定的维修模式与运营条件下，对于既定的钢轨伤损检测机制， 应当通过研究，确定钢轨伤损检查的可靠性，从而计算出可能漏探的伤 损数量，确定采用其它检测方式进行补检的措施。 钢轨伤损是重复受载下钢轨疲劳的结果，未发现的钢轨伤损可能造 成钢轨突然折断，造成行车中断或更加灾难性的后果，最直接的后果是 造成额外的两个焊缝。钢轨风险管理中探伤管理的目的是在保证行车安 全的前提下，不使钢轨过分保守地更换，提高钢轨使用的经济性。 为了取得最大的经济效益，同时将事故隐患减至最小，国外铁路公 司在提高钢轨检测与监控水平、管理以及维护水平方丽下大力气，采用 先进的设备、技术及管理理念，取得了十分突出的效果。 1 3 我国钢轨探伤工作存在的问题 手工式钢轨探伤作业的工艺方法经过近2 0 几年的使用已经比较成熟 伤损的检出率较高，可靠性较好，在保证铁路运输安全方面发挥了重要作 用。但是随着铁路向高速重载的方向发展，以手推式探伤小车为主，大型探 伤车为辅的状况明显地暴露出不足之处： ( 1 ) 手推式人工探伤小车探伤作业效率低。其检测速度一般为2 3 k m h ，每天的作业量为一个区间( 一般为7 l o k m ) 。这种手推式探伤小 车与国外大型探伤车相比，探伤速度太低，明显地不能适应提速后新的运 营要求。 ( 2 ) 手工钢轨探伤作业方式需要投入大量的人力，不符合铁道部减员 增效的政策。如果改用大型钢轨探伤车，所需人员还不到手工探伤人员的 十分之一。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第8 页 ( 3 ) 进口的大型钢轨探伤车最高检测速度为4 0 k m h ；作业方式为停顿 式作业，即发现伤损后，探伤车需停下，用小型探伤仪复核后再继续检测。 占道时间长，运输组织上不易安排。 ( 4 ) 与手推式钢轨探伤小车相比，进口探伤车检测轨头核伤的灵敏度 要低l o d b 左右。 ( 5 ) 大型钢轨探伤车的核伤检出率低，误判率高。然而随着列车速度 的提高，核伤成为影响运输安全的巨大隐患，对核伤的检出变得更为重要。 分析大型钢轨探伤车使用不理想的原因，主要在于以下几个方面： 我国的钢轨线路使用情况和美国不同。美国的行车密度比我国小得 多，运输组织部门可以为钢轨探伤车“开天窗”，因此4 0 k m h 的检测速度 和停顿式作业方式是可行的。在我国，铁路线运输比较繁忙，不能给钢轨 探伤车提供足够的检测时间。 欧美等国钢轨中的核伤主要是由于白点造成的，核伤主要存在于钢 轨轨头中央。而我国钢轨的核伤主要是由于夹杂和表面擦伤等引起的，又 多存在于轨头内侧。因此，适合于美国线路的钢轨探伤工艺不适合于我国 钢轨核伤的检查。 中美两国对核伤的探测标准不同。美国的探伤标准要求较为宽松， 只要求检出轨头面积的1 0 2 0 n j 可，而在我国，铡轨轨头内部不允许存 在大于4 m m 当量平底孔的核伤，比美国标准要严格得多。 美国的探伤车采用轮式探头，超声波经过耦合液、探测轮橡胶等多 层介质后衰减较大，所以检测灵敏度要比手推式探伤小车低。这种检测灵 敏度相对较低的轮式探头在探伤要求较为宽松的美国是适用的，而在我国 则达不到探伤要求。 1 4 本文的研究内容 为了降低断轨风险，降低探伤劳动强度和成本必须使用以大型探伤车 西南交通大学硕士研究生学位论文 第9 页 为主，小型探伤仪配合检测的检测机制，并建立相应的成本风险管理机制。 首先必须确定大型探伤车的合理探伤周期，建立大小探伤车的合理配套检 测方案，再有就是建立科学的探伤成本风险管理机制。要建立大小探伤车 的配套检测方案，必须解决以下几个问题： ( 1 ) 钢轨伤损类型、尺寸及形态特征的研究。钢轨各利- 伤损的形态 特征，记录钢轨伤伤损的萌生和发展过程，关系到大型探伤车和探伤仪检 测的准确性，也为采取合理的探伤周期提供了直接依据。 ( 2 ) 大、小型探伤车探伤原理、功能及存在的缺陷研究。大小探伤 车对各种伤损检测的准确度研究，通过建立实验段统计大小探伤车的漏 减和错判率，以便在现有设备基础上做改进，在新设备开发研制和引进 前发挥最佳探伤性能，将漏减和错判率降到最低。 ( 3 ) 确定经济合理的检测速度和探伤周期，钢轨探伤周期过短，占道 时间长，探伤成本高，检测周期过长会使未超限和漏检的伤损发展到影响 行车安全的程度，造成安全隐患，要既不影响列车安全又节省探伤成本， 就必须建立科学的风险管理机制，对榆测周期内的伤损发展进行科学分 析，确定最科学经济的探伤周期和检测速度。 本文通过对钢轨伤损的形态特征、类型、尺寸和探伤精度、探伤周期 之间关系特性的研究，确定了钢轨探伤周期方案。本文对大小探伤车的结 构性能及探伤原理进行了比较分析，在综合考虑大小探伤车对钢轨伤损的 检测能力的基础上，确定采用大小探伤车的使用模式。通过试验对大小探 伤车检测数据结果进行分析和总结，确定大小探伤车探伤合理速度。研究 得出了较为合理的大小探伤车配套使用方案，为建立健全、合理的钢轨探 伤机制奠定了一定的理论基础。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 0 页 第2 章钢轨伤损与钢轨探伤 钢轨各种伤损的形态特征，汜录了钢轨伤损的萌生和发展过程。研究 钢轨伤损类型、尺寸与钢轨探伤之间的特性关系为钢轨探伤提供了现实和 理论基础，对大、小探伤车采用合理的探伤周期、检测速度提供了最直接 的依据。 2 1 钢轨的主要伤损 钢轨伤损是指钢轨在使用过程中，发，e 折断、裂纹及其它影向和限制 钢轨使用性能的伤损。钢轨伤损种类很多，常见的有磨耗、剥离及轨头核 伤、螺孔裂纹等等。 2 1 1 轨头剥离 剥离出现在瞌线外股钢轨轨头轮轨接触全长部位，呈鱼鳞状。鱼鳞状 剥离裂纹方向和行车方向相对应，随后逐渐发展呈薄片状剥离或局部发展 成剥离掉块，钢轨表层金属沿车轮滚动方向塑性流动变形，剥离裂纹萌生 于塑性变形层表面并呈多裂纹源，裂纹沿变形流线方向向深处发展，变形 深度与塑性变形层的深度相对应，是剥离伤损的主要形态特征，例如小半 径曲线外股钢轨轨头塑性变形层的深度可达2 m m ，剥离裂纹的深度和剥离 掉块的深度也为2 m m 左右。 轨头剥离掉块的主要原因是钢轨材质不纯、淬火工艺不当、轨底坡设 置和涂油工艺不当等引起的。广州、北京等局已采取加楔形胶垫调整轨底 坡、问断涂油让剥离部位磨掉等措施来防止剥离掉块的发生和发展，并取 得了明显的效果。 2 。1 2 钢轨核伤 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 1 页 起源于轨头内部的纵横裂型核伤的裂纹源通常是呈条状形貌并逐渐 发展成为水平方向分布的纵向疲劳裂纹面，横向疲劳裂纹是起源于纵向疲 劳面的某一部分。条状疲劳源一般位于踏面下5 m m l2 m m 部位，主要沿钢 轨轧制方向分布的链状氧化铝夹杂或硅酸盐央杂，内部疲劳裂纹发展到较 大面积或快速扩展阶段时才会出现在轨头表面或发生横向断裂。 起源于轨头内部的横向疲劳裂纹型核伤其疲劳源通常位于踏面1 2 m m 以下，在横向疲劳断口的中部位置并具有核状斑痕。其成因是钢轨的原始 制造缺陷，如白点、低倍夹杂、缩孔残余等。 起源于轨头表面的横向疲劳裂纹型核伤的裂纹源位于轨头表面。踏面 剥离掉块处，擦伤部位，轨头焊补工艺不良和钢轨接续线焊接不良等，都 可能成为横向疲劳裂纹源，甚至导致横向疲劳断裂。 起源于焊接接头的焊补部位的横向疲劳裂纹型核伤由于铝热焊、接触 焊、气压焊焊接工艺不良或铝热焊剂不当等原因，造成央渣、末焊台、结 晶裂缝、晶粒粗大及光斑、灰斑等都有可能成为疲劳源，在继续使用中成 核扩展造成断轨。这种是现场发现最多的伤损，焊缝也是伤损探测的重点。 轨头核伤是最危险的一种伤损形式，钢轨会在列车作用下突然断裂， 严重影响行车安全。在重复动荷载的作用下，在钢轨走行面以下的轨头内 部出现极为复杂的应力组合，使细小裂纹先是成核，然后向轨头四周发展， 直到核伤周围的钢料不足以提供足够的抵抗，钢轨在毫无预兆的情况下猝 然折断。所以钢轨内部材质的缺陷是形成核伤的内凶，而外部荷载的作用 是外因，促使核伤的发展。核伤的发展与运量、轴重及行车速度、线路平 面状态有关。不同线路由于运量不同，核伤形成与发展的周期也不同。为 确保行车的安全，对钢轨要定期探伤。 2 1 3 螺栓孔裂纹和轨底横向疲劳裂纹 普碳轨螺栓孔裂纹的裂纹源，起源于螺栓孔边角处。轨底横向疲劳 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 2 页 裂纹通常起源于轨底表面缺陷和外伤处。裂纹直接向轨头方向扩展导致钢 轨横向裂纹。轨头淬火轨螺栓孔裂纹的裂纹源，起源于轨端轨腰部位或螺 栓孔边角处。当裂纹扩展到轨头下颚时，由于轨头淬硬层的强韧性明显优 于轨腰，所以裂纹易沿轨腰纵向扩展，从而导致整段轨头崩裂，严重危及 行车安全。淬火轨有时在裂纹源观察不到明显外伤或缺陷，而疲劳裂纹临 界尺寸通常都小于普碳轨同类型伤损的疲劳裂纹临界尺寸。 钢轨的螺栓孔裂纹的形成与施工造成的螺孔应力集中、运营中接头 胶挚失效、接头夹板螺栓扭矩不足、钢轨爬行和大轨缝所造成螺孔一侧受 力较大、接头空吊板底扣坍塌加大了接头动力荷载等因素密不可分，也可 以说是这些因素导致螺栓裂纹的形成。 2 1 4 钢轨波浪形磨耗 钢轨波浪形磨耗是指钢轨顶面出现有规律性的高低波浪形起伏，是一 种不均匀的磨耗。钢轨铺入线路以后，经过列车的碾压，在钢轨的表面| 二 会产生不同程度的磨损而波浪形磨耗是其中影响行车质量的一种轨面磨 损。在一般的情况下，波浪形磨耗可以分为短波波磨和长波波磨。短波波 磨的波峰发亮，波谷发暗( 也有波峰和波谷都发亮的情况) ，波幅为o 1 - - 0 4 m m ，波峰之间的间距约3 8 c m 。长波波磨的波峰、波谷都发亮，波 幅在2 m m 以下，波峰间距在数十厘米以上。一般来说，在高速行车和小 半径曲线地段，短波波磨的情况较为多见；而在重载低速的线路上。基本 上都是长波波磨，且波长具有较大的随机性，长的可达4 8 0 m m ，最短的 也有1 1 0 m m ，波幅最小的在l m m 以下，最大可达3 4 m m 。 铁路线路中曲线超高设置的不合理、轨道刚度偏高、轨底坡度殴置不 适应、曲线几何状态不良及机车车辆走行部设置都会导致钢轨波浪形磨耗 的产生和发展。同时针对以上因素采取定的磨耗整治措施是非常必要 的。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 3 页 表2 - 1各种伤损形态特征及表现形式 伤损类型 主要形态特征失效的表现形式 磨耗表层塑性流变和微裂纹萌生 轨头侧面和垂直磨耗超限 于表层，轨头断面逐渐减少 压渍 表层和次表层金属塑性流动 轨头踏面压宽和碾边 变形 剥离 钢轨表层金属沿车轮滚动方轨头全k 剥离和掉块 向塑性流动变形 波形磨耗 同磨耗和压溃轨头全氏呈周期性高低不平的 波状变形 纵横型核伤裂纹源通常是是条状形貌并轨头横向疲劳断裂 逐渐发展成为水平方向分布 的纵向疲劳裂纹面 轨头横向疲劳裂裂纹源位于轨头内部或表面钢轨横向疲劳裂纹 纹 有明显疲劳裂纹扩展区 轨底横向疲劳裂裂纹源位丁轨底内部或表面，同上 纹 有疲劳裂纹扩展区 螺栓孔裂纹裂纹源位于螺孔边角处或轨 钢轨断裂和轨头揭盖 端轨腰处，有疲劳裂纹扩展区 脆性断裂断口无明显疲劳特征，根据放 横向脆性断裂 射状撕裂棱线方向可以确定 断裂其始点位置 踏面擦伤 白层马氏体擦伤层剥离掉块或导致钢轨横 向裂纹 轨头淬硬层纵向针状马氏体 踏面浅层纵向裂纹或浅层掉块 裂纹 焊接接头伤损出现掉块或断裂 钢轨轨腰s 形断裂和横向疲劳 断裂等 列车经过钢轨波浪形磨耗地段时会引起轮对、转向架及车体的上下剧 烈振动，加大了轮轨之间的动力作用给机车车辆的保养以不良影响，加 速了机车车辆及轨道部件的损坏，增加了运输设备养护维修费用，缩短了 钢轨的更换周期。严重时危及行车安全。此外钢轨踏面波浪形磨耗的存在 降低了旅客列车的舒适度，并且是城市噪音的主要来源。 各种伤损形念特征及表现形式见表2 1 所示。钢轨的磨耗、压溃、 剥离、波磨和纵横向裂型核伤，都是与轮轨接触应力有关，所以可以将该 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 4 页 五种伤损归纳为轮轨接触疲劳伤损，其共同的失效机理为接触疲劳。轮轨 接触疲劳是钢轨在接触应力和摩擦力作用下，形成以塑性流动变形、疲劳 磨耗、疲劳裂纹共存，相互影响或制约，发生于轮轨接触面表层和次表层 的伤损现象。钢轨的使用条件、性能和质量的好坏，都将明显影响或控制 上述五种伤损萌生和发展速率，而某一种伤损又会成为控制钢轨寿命和安 全性的主要因素。 2 2 探伤可靠性与伤损尺寸的关系 目前的依据超声波原理进行探伤的方法，其可靠性与钢轨伤损尺寸 有直接的关系，具体见图2 1 所示。一般来讲，当伤损达到轨头面积的 6 0 时，探测到的可靠性约为9 0 ，而当伤损( 裂纹) 仅仅为轨头面积的 1 0 时，探测到的机率仅有4 5 。 伤损尺寸( 轨头面积) 图2 1 轨头伤损尺寸与探测可靠性的关系 2 3 探伤可靠性与伤损类型的关系 探伤可靠性与钢轨伤损的类型和部位也有很大关系。表2 2 给出的 是探伤车最低探伤精度与钢轨伤损类型及伤损部位的关系，由此可见， 西南交通大学硕士研究生学位论文 第l5 页 小同类型的钢轨伤损探测可靠性差异较大。 表2 2 最低探测精度与伤损类型、部位关系 l 伤损类型 尺寸( 长度或占轨一次探测到的 头的面积自分比) 可靠率( ) l 横向裂纹 5 1 0 6 5 1 l 一2 0 8 5 2 1 4 0 9 0 4 08 0 9 8 8 i 一1 0 0 9 9 由剥离发展出来的裂纹 1 0 2 0 6 5 2 1 4 0 8 5 4 l 一8 0 9 5 8 l 一1 0 0 9 8 现场焊( 轨头) 5 一1 0 7 5 1 1 2 0 8 0 2 1 4 0 8 5 4 l 一8 0 9 5 8 l1 0 0 9 9 轨头纵向伤损5 0 一】o o m m8 0 1 0 0 一1 0 0 0 m m9 5 大1 - - 1 0 0 0 m m 9 9 2 。4 探伤周期与钢轨伤损 裂纹扩展的速率很难预测，因此钢轨断裂具有不可预见性尤其是 轨底的伤损以及车轮冲击载荷对裂纹扩展的影响。然而设置合理的探伤 周期必须要大致确定出各种伤损的发展速率以及各种伤损发展至断轨时 的最大尺寸。 国外许多铁路公司都是依据自身铁路的运营条件，通过试验研究， 得到典型钢轨伤损的扩展规律、引发断轨的核伤或裂纹最大尺寸、钢轨 伤损从出现发展到断轨的大致通过总重，结合探伤车的精度和可行性， 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 6 页 由此可以得到合理探伤间隔，及其与钢轨伤损漏探机率的关系。 表2 3 是美国f a s t 试验线上2 0 公里线路钢轨的探伤周期与伤损漏 探率的试验结果。 表2 - 3 探伤间隔与漏探机率的关系( 2 0 公里线路) 探伤间隔( m g t ) 在未探测到之前就发展到6 0 纠l 头面积 的伤损数目 3 6 1 8 9 4 1 1 o 7 0 2 3 4 00 0 4 考虑探伤费、漏探造成的紧急换轨增加的费用，以及漏探可能造成 的脱轨事故费用，可以求得最佳的探伤周期。例如，探出伤轨修理及换 轨按每处2 5 5 0 元计算，未探出钢轨需紧急换轨按每处l 万元计，可能造 成脱轨事故按1 且每次事故平均按4 0 万元计，则可计算出f a s t 上2 0 公里线路的最佳探伤周期为1 0 m g t 。 在设定合理探伤周期后，由于探伤仪器及钢轨伤损的不确定性，所 以应依据钢轨探出的伤损数量和维修数量，对探伤周期进行调整。如北 美重载铁路上规定，下列情况下要求缩短探伤周期： 每年每公里钢轨伤损维修率超过0 t 7 ： 维修处所与探测到的钢轨伤损处所之和超过每公里每百万吨0 0 4 处： 维修处所与探测到伤损的处所之比超过o 2 。 上述情况可能由维修量与轨道状态不相适应引起，也可能因探伤仪器 的精度不够引起，也可能由两者共同引起，但只要分析线路上探测到的伤 损数与进行了维修的伤损数，就能找出问题所在。 由于人力、物力的限制，一味地缩小探伤周期，提高探伤次数未必 是超声波钢轨探伤检出率的有效措施，关键是要抓住影响探伤周期的终 西南交通大学硕士研究生学位论文 第】7 页 点。在制定探伤周期时，首先要抓住运量这一要素，因为钢轨伤损的发生、 发展主要受运量的控制。钢轨伤损的发展过程可分为早期( 大修换轨初 期) 、稳定期( 对5 0 k g m 轨运量3 亿吨以下：对6 0 k g m 轨，运量4 5 亿吨以下) 、发展期( 对5 0 k g m 轨，运量3 4 亿吨：对6 0 k g m 轨，运量 4 ，5 6 亿吨) 、高发期( 5 0 k g m 轨，运量4 亿吨以上：对6 0 k g m 轨。运量 6 亿吨以上) 四个阶段。在早期和稳定期，伤损率较低；随着累积运量的 增加，进入发展期后，伤损就明显上升；随着时间的推移，累积运量不断 增加，到一定程度时，线路钢轨强度也接近疲劳极限就进入高发期，线 路钢轨伤损周趋严重，其总体伤损率可达l 左右。正常情况下，线路钢 轨的探伤周期见表2 4 所示。 表2 - 4 正常情况下的钢轨探伤周期 所处阶段 累积运量( 亿吨)探伤周划 5 0 k g m6 0 k g m 早划 60 1 次月，冬季增加 1 次 冬季应对小半径曲线、长大坡道( 尤其自动地段) 和桥梁、隧道内、 接头区域、道岔等重点部位，适当缩短探伤周期，增加探伤次数。夏季的 探伤周期可在冬季的基础上适当的延长，但对炎热夏季应力峰可能j “生的 终点区域必须强化。无缝线路气压焊接缝处的探测和检测次数可比铝热焊 接次数少二分之一；对于铺设6 0 k g m 轨的区段，可比按比5 0 k g m 轨区段 的探伤次数少3 0 的原则制定，但要保证探测质量。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 5 页 第3 章试验方案 研究大小探伤车的合理配套使用方案首先要深入地研究大小探伤车 的组成和功能原理，在理论分析的基础上建立大小探伤车伤损检测试验方 案。通过试验检测数据的分祈比较，为大小探伤车的配套使用提供依据。 可以说现在我们只引进了先进的设备，但缺乏应用经验和相适应的检测机 制，没有与自身的线路与运营条件相配套的检测方法。因此研究大小探伤 车的合理配套使用在实际线路上进行检测试验是十分必要和必须的。 3 。l 大型探伤车功能原理 3 1 - 1 基本概况 现在我国线路上运行的探伤车型号为s y s 一1 0 0 0 型，是由美国p j 公司 与中国宝鸡工程机械厂联合制造。它具有良好的检测界面，检测最大有效 速度为4 0 k m h ，检测效果在精度、可靠性方面都有其长足之处。早期从 美陶引进的探伤车其检测系统也是s y s 1 0 0 0 ，除车体不同外，其检测系 统数据输入输出信号处理系统竞全一样。本文以中美两国联合制造的 s y s 一1 0 0 0 为例，介绍该种探伤车检测功能、原理和缺陷，提出改进措施。 探伤车全长3 1 7 4 米，由两节车厢组成。其中一节为动力车，长1 4 米，配备有一台6 0 0 马力美国康明斯原装发动机，一台6 6 k w 英国帕金斯 发电机和一台4 4 k w 康明斯备用发电机。动力系统采用与轨道车不同的液 力传动方式。另一节为检测车，无动力，长1 6 米，车下吊挂有探伤小车。 探伤小车采用液压、风动方式落到钢轨上进行工作。探伤车运行速度为 l o o k m h ，检测速度为4 0 k m h 。 s y s 一1 0 0 0 型钢轨探伤车检测系统可分为两个子系统：机械子系统和 计算机及电子子系统。机械子系统包括为探测架，其上装有超声波轮探头、 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 9 页 液压子系统、气动子系统、柴油子系统、水系统。计算机子系统分为：操 作员界面操作系统及嵌入子系统。 3 1 2 轮探头 钢轨探伤车发射的超声波是由共四个轮探头发出的，每股钢轨各两 个。轮探头外包橡胶轮胎，内充专用的耦合液。在检测的时候，由轮探头 前后的喷水喷头向探轮前方喷射耦合水。 每个轮探头轮径为1 6 0 r a m ，由六个品片组成，分别是0 度、4 5 度、外 侧7 0 度、中心7 0 度、内侧7 0 度、侧打晶片。安装轮探头时，每一股钢 轨安装两个轮探头，按相反方向安装。 0 度晶片：o 度晶片发出的超声波垂直于轨面进入钢轨，通过轨腰到 达轨底。0 度晶片得到的回波分为缺陷检测波及钢轨底波消失回波。 7 0 度晶片：7 0 度晶片探测任务共由3 块晶片组成，分别是内侧、中 心、外侧7 0 度，以便能够全面地探测存在于钢轨轨头区域的伤损，同时 亦能更好地区分出各伤损所处的不同位置。他的主要任务是探测轨头核伤 和焊缝缺陷，另外还可探头轨头中的垂直横向取向的伤损。每一股钢轨上 的两轮探头中的7 0 度晶片相向安装，一个向前，一个向后。 4 5 度晶片：4 5 度主要用于探测轨腰部分缺陷，尤其是螺孔