钢轨裂纹及断轨检测方法调研报告材料要点

钢轨裂纹及断轨检测办法调研报告在铁路运输系统中，钢轨起着支撑列车和引导车辆车轮迈进的作用。如果出现钢轨断裂将有可能造成列车出轨、倾覆等重大行车安全事故，造成人员伤亡和巨额财产损失。因此钢轨伤损检测越来越受到人们的重视。表1所示为近些年由于钢轨断裂造成的列车行车事故。表SEQ表\*ARABIC1近些年钢轨断裂造成的列车行车事故时间地点伤损状况3月18日美国爱荷华州钢轨断裂引发列车脱轨，造成1人死亡96人受伤10月17日伦敦钢轨断裂引发列车脱轨，造成4人死亡、70人受伤、4人重伤4月7日河北野三坡钢轨断裂造成6节车厢脱轨同时，随着国家高速铁路和重载铁路的发展，钢轨受到挤压和冲击的程度越来越大，钢轨发生损伤的概率也在提高。因此，为确保高速铁路和重在铁路的运行安全性，钢轨裂纹检测成为铁路运行部门十分重视的事情。现在，钢轨的重要检测方式分为周期性探伤检测和实时断轨监测。周期性钢轨探伤检测涉及人工巡轨检测、大型钢轨探伤车、漏磁信号、涡流探伤、激光超声、图像解决等；实时断轨监测技术涉及轨道电路实时断轨检测技术、牵引回流实时断轨检测技术、光纤实时断轨检测技术和超声波实时断轨监测技术等。1周期性检测技术周期性检测技术就是定时对钢轨进行检测，国内外都针对不同轨道、不同检测设备制订了检测周期和检测作业原则。总体上说，周期性检测设备精确度高，能及时发现钢轨早期裂纹，以避免发生重大交通事故；但是它需要占用较多天窗时间。1.1探伤小车中国铁路广泛使用的是钢轨探伤小车，它将小型超声波钢轨探伤仪装在特制的手推车上，如REF_Ref\h图1所示。通过人工手推动行钢轨损伤的检测，它耗费大量人力物力、检查成果主观性强、检查周期长、效率低下、速度慢，无法做到对钢轨伤损状况实时检测，不能适应于我国日益发展的高速铁路事业[[]史宏章,任远,张友鹏,[]史宏章,任远,张友鹏,等.国内外断轨检测技术发展的现状与研究[J].铁道运行技术,,16(4):1-7[]杨东晓,雷敬文,方振欢,等.钢轨小型自动探伤车及其拓展平台[J].科研探索与知识创新,,6:108-109近年来，随着钢轨裂纹造成脱轨事故的频发，为了加强钢轨安全监测，欧美也开始研发使用这种便携式钢轨探伤仪[[][]ClarkR..RailFlawDetection:Overviewandneedsforfuturedevelopments[J].IndependentNondestructiveTestingandEvaluation,,37:111-118由于超声波探伤技术比较成熟，成本比较低，且随着科技的发展，以前只有大型探伤车才含有的A/B超同屏显示、鱼鳞纹下核伤鉴别、探伤数据储存、探伤作业信息统计、探伤数据计算机管理等五大功效正移植到探伤小车身上，在各钢轨探伤仪器生产商当中，超声探伤小车倍受青睐。图SEQ图\*ARABIC1手推式钢轨探伤车构造示意图1.2大型钢轨探伤车大型钢轨探伤车系统由高速轮探头，超声发生装置，探头自动对中伺服装置，以及伤损信号解决等系统构成。其原理是，装有超声探头组的高速探轮在钢轨上滚动，超声发生接受器组合探头向钢轨发出持续超声脉冲波束，持续波束通过耦合液及探轮橡胶轮壁达成钢轨内，如无损伤存在，波束达成钢轨底面后依原路返回探头，得终究波；如有损伤，则底波前出现一种伤损波，底波减少或消失[[][]祝连庆,孙军华,董明利,等.钢轨高速探伤系统的研究[J].仪器仪表报,,23(3):119-121我国铁道部门为了提高钢轨伤损的检出率，推动钢轨维护设备的进步，从1989年开始从美国引进大型钢轨探伤车，并由宝鸡工程机械厂实现国产化制造。通过20余年的集成创新研究，发展了GJ-3，GJ-4，GJ-5三种类型；其中，GJ-4、GJ-5型检测设备已成为我国现有线路轨道状态监控的重要手段，最高检测速度达成200km/h，其自动分辨为：钢轨头部横向疲劳裂纹(核伤)，不不大于直径5mm平底孔当量；螺栓孔裂纹及腰部斜裂纹，长度不不大于10mm；钢轨纵向水平裂纹，长度不不大于10mm；探轮自动对中精度不大于1mm[2,[][]陈东生,田新宇.中国高速铁路轨道检测技术发展[J].铁道建筑,,12:82-86图SEQ图\*ARABIC2大型钢轨探伤车该技术对检测钢轨疲劳裂纹和其它内部缺点含有敏捷度高、检测速度快、定位精确等优点[[]彭良武,黄信基.高速铁路基础设施的检测（一）[J].铁道勘测与设计,,6:22-2[]彭良武,黄信基.高速铁路基础设施的检测（一）[J].铁道勘测与设计,,6:22-2[]宋文伟译.美国联邦铁路局研究成果.钢轨缺点在线高速检测[J].西铁科技,,8上海铁路局龚佩毅等人在专利（CNA）“双轨白动探伤系统”中提出了一种基础超声波的成本比较低的双轨自动探伤系统[[]龚佩毅,杜新光,匡俊,等.双轨白动探伤系统[P].中国专利:10297408.6,-05-09[]龚佩毅,杜新光,匡俊,等.双轨白动探伤系统[P].中国专利:10297408.6,-05-09南车洛阳机车有限公司的袁其刚等人在专利（CN82114U）“用于检测都市轻轨钢轨的探伤车”中设计了一种用于检测都市轻轨钢轨的探伤车[[]袁其,刚顾青,常卫军,等.用于检测都市轻轨钢轨的探伤车[P].中国专利:20636317.1,-06-29[]袁其,刚顾青,常卫军,等.用于检测都市轻轨钢轨的探伤车[P].中国专利:20636317.1,-06-291.3基于漏磁信号的钢轨检测技术该技术是通过励磁装置给钢轨施加一种磁场，当钢轨完好时，磁场能顺利的通过钢轨，基本不产生漏磁；当钢轨出现裂纹时，裂纹会妨碍磁场的顺利通过，产生漏磁。由于裂纹大的大小形状不同，其产生漏磁的强度也不同，根据漏磁信号的变化来判断裂纹信息，如REF_Ref\h图3所示。该技术的缺点是检测范畴有限，仅能检测钢轨轨头表面和近表面的横向裂纹缺点，而对于夹杂、剥离以及轨头内部深处的缺点无法进行有效的检测。(a)无裂纹(b)有裂纹图SEQ图\*ARABIC3基于漏磁信号的钢轨检测原理南京航空航天大学陈智军等人[[]陈智军,宣建青,王平,等.基于漏磁信号的钢轨斜裂纹识别[J].无损检测,,32(11):842-846,[[]陈智军,宣建青,王平,等.基于漏磁信号的钢轨斜裂纹识别[J].无损检测,,32(11):842-846[]ZhijunChen,JianqingXuan,PingWang,etal.Simulationonhighspeedrailmagneticfluxleakageinspection[C].InstrumentationandMeasurementTechnologyConference(I2MTC),1.4涡流探伤技术该技术的传感器由一种U形激励线圈和一种I型检测线圈构成，如REF_Ref\h图4所示。两线圈的相对位置为正交取向，检测线圈放置在U型激励线圈的开口中点处。工作时，在激励线圈上通以一定频率的正弦波，当传感器沿着试件表面移动时，试件表面在交变磁场作用下会产生一定分布和大小的涡流，此涡流产生一种反磁场。当无裂纹时，没有反磁场磁力线通过检测线圈，没有电信号输出；有裂纹时，反磁场发生变化，磁力线通过检测线圈，输出电信号，从而反映缺点的状况。该办法构造简朴、操作方便、含有非接触的优点，但其检测范畴也仅局限于钢轨表面的缺点。1．激励2．激励线圈3．U型磁心4.测量线圈5．磁心图SEQ图\*ARABIC4传感器构造示意图长安大学马旺宇等人在专利（CNA）“一种用于钢轨检测的便携式涡流探伤仪”中提出一种便携式探伤仪[[]马旺宇,刘栋,王迪,等.一种用于钢轨检测的便携式涡流探伤仪[P].中国专利:10022991.2,-11-11]，如REF_Ref\h图6所示，该探伤仪所使用了专利（CN29587Y）“一种用于钢轨检测的新型传感器”中所设计的传感器[[]马旺宇,刘栋,赵文博.一种用于钢轨检测的新型传感器[P].中国专利:3614.4,-03-24]，其测量线圈的线圈匣数、直径以及激励线圈和测量线圈间的问距H为通过正交实验设计法拟定的最佳参数组合。所述激励线圈和一种测量线圈安装在一能倒扣在钢轨上的外部壳体内，所述外部壳体下部设立有与钢轨的上部构造相对应的凹槽。采集到的信号再由后台放大器放大，并在显示屏上同时显示裂纹缺点的相对大小，且对应驱动蜂鸣器报警，实现了防患于未然的目的。其构造简朴紧凑、体积小、重量轻、便于携带，并配备有独立电源。通过测试，其测量精度能达成0.2mm[[][]马旺宇,刘栋,王迪,等.一种用于钢轨检测的便携式涡流探伤仪[P].中国专利:10022991.2,-11-11[]马旺宇,刘栋,赵文博.一种用于钢轨检测的新型传感器[P].中国专利:3614.4,-03-24[]马旺宇,刘栋,赵文博.应用于钢轨检测的便携式涡流探伤仪的研制[J].机械设计与制造,,2:88-90图SEQ图\*ARABIC5一种用于钢轨检测的便携式涡流探伤仪庄鑫等人申请的专利（CN65116U）“钢轨裂纹检测仪”如REF_Ref\h图5所示[[]庄鑫,张慧坤,徐秀华,等.钢轨裂纹检测仪[P].中国专利:[]庄鑫,张慧坤,徐秀华,等.钢轨裂纹检测仪[P].中国专利:3237.2,-09-07图SEQ图\*ARABIC6钢轨裂纹检测仪专利（US6,768,298B2）“Transversecrackdetectioninrailheadusinglowfrequencyeddycurrents”设计了一种低频涡流探测轨头横向裂纹的装置[[]KatragaddaG,AntonioS,EarnestD,etal.Transversecrackdetectioninrailheadusinglowfrequencyeddycurrents[P].US:US6,768,298B2,-07-27]，如REF_Ref\h图7所示。其特点是该专利采用环形的直流饱和磁体，通过钢轨上方的低频涡流探针探测钢轨轨头横向裂纹。并且探针上装有防护材料，以避免探针受损。[]KatragaddaG,AntonioS,EarnestD,etal.Transversecrackdetectioninrailheadusinglowfrequencyeddycurrents[P].US:US6,768,298B2,-07-27图SEQ图\*ARABIC7低频涡流探测轨头横向裂纹装置示意图1.5图像解决探伤技术该技术通过安装在机车下方随机车型走的摄像机拍摄钢轨照片，当钢轨有缺点时，这些缺点便被摄相机拍了下来，在通过对图片的解决和分析，能够将其中的缺点提取出来，进行模式识别，完毕钢轨损伤检测。其缺点是无法实现轨头内部缺点的检测[[][]MarinoF,StellaE.ViSyR:avisionsystemforreal-timeinfrastructureinspection.visionsystems:Applications,Vienna,Austria,西南交通大学的官鑫等人[[]官鑫,赵智雅,高晓蓉.图像解决技术在钢轨表面缺点检测和分类中的应用[J].铁路计算机应用,,18(6):27-30]对这一技术做了理论分析，他采用图像解决、模式识别及机器视觉等理论，对现役钢轨缺点进行检测和分类。完毕自动提取缺点图像和最小化缺点图像，以减少解决量并减少存储空间需求，自动判断缺点类别。文章对采集到的缺点图像进行解决，实验成果证明该办法能够对的实现检测轨道表面缺点检测，并含有一定的合用性。此办法能够克服人工检测办法的许多弊端，提高检测速度和精度。LiuZe等人[[]ZeLiu,WeiWang,XiaofeiZhang,[]官鑫,赵智雅,高晓蓉.图像解决技术在钢轨表面缺点检测和分类中的应用[J].铁路计算机应用,,18(6):27-30[]ZeLiu,WeiWang,XiaofeiZhang,etal.Inspectionofrailsurfacedefectsbasedonimageprocessing[C].InformaticsinControl,AutomationandRobotics(CAR),InternationalAsiaConference,2nd:472-475[]LiminChen,YinLiang,KaiminWang.Inspectionofrailsurfacedefectbasedonmachinevisionsystem[C].InformationScienceandEngineering(ICISE),2ndInternationalConferenceon:3793-3796北京交通大学李清勇等人在专利（CNA）“基于数字图像的钢轨表面缺点检测办法”中提出了一种基于数字图像的钢轨表面缺点检测办法[[]李清勇,罗四维,林杰,等.基于数字图像的钢轨表面缺点检测办法[P].中国专利:10203102.5,-11-24[]李清勇,罗四维,林杰,等.基于数字图像的钢轨表面缺点检测办法[P].中国专利:10203102.5,-11-24北京交通大学刘泽等人在专利（CNA）“一种在线钢轨探伤的图像解决辅助检测装置及办法”中运用工业CCD线阵摄像机采集钢轨表面的图像信息。其过程是在列车在线运行过程中，嵌入式控制系统控制光源激励控制器使两个辅助光源照射钢轨表面，工业CCD线阵摄像机通过数字线阵图像采集接口的控制采集钢轨表面的图像信息，将信息传输到嵌入式系统，嵌入式系统使用图像解决技术对采集到的钢轨图像进行解决；从解决后的钢轨图像中统计钢轨表面的损伤信息及固有构造信息；再将所获得的钢轨表面损伤信息进行分类和损伤程度计算。最后将成果融合到钢轨损伤探测装置，以减少表面损伤对探测钢轨内部伤损的干扰[[]刘泽,王嵬,张广伟.一种在线钢轨探伤的图像解决辅助检测装置及办法[P].中国专利:10236940.X,-04-28]，其总体构造图如REF_Ref\h图8所示。[]刘泽,王嵬,张广伟.一种在线钢轨探伤的图像解决辅助检测装置及办法[P].中国专利:10236940.X,-04-28106．钢轨107．控制机箱206．工业CCD线阵摄像机207，208．辅助光源图SEQ图\*ARABIC8在线钢轨探伤的图像解决辅助检测装置的总体构造图1.6激光超声探伤技术该技术用脉冲激光器发出的高能脉冲激光轰击钢轨表面，钢轨表面被照射区域吸取其能量并将之转化为热能，引发钢轨表面快速升温膨胀，从而构成超声声源。超声波在钢轨内部碰到缺点，将被反射回钢轨表面，通过分析反射波的信息来判断钢轨伤损，其原理如REF_Ref\h图9所示。图SEQ图\*ARABIC9激光超声检测钢轨原理示意图浙江大学刘洋等人[[]刘洋,项占琴,唐志峰.激光超声技术在钢轨探伤中的应用研究[J].[]刘洋,项占琴,唐志峰.激光超声技术在钢轨探伤中的应用研究[J].机械设计与制造,,10:60-61Nielsen等人在专利（US7,516,662B2）“DETECTINGRAILDEFECTS”中介绍了一种激光超声钢轨探伤技术[[]NielsenSA,BardenshteinA,LaursenNK.Detectingraildefects[P].US:US7,516,662B2,-04-14]。该专利的原理是用脉冲激光（PL）激发钢轨产生超声波，用持续激光（CW）作为探测光，通过法珀干涉仪（CFPI）接受反射光。由于超声波和钢轨缺点的互相作用造成反射光发生变化，因此能够从反射光中解调出钢轨的损伤信息。其原理示意图如REF_Ref\h图10所示。[]NielsenSA,BardenshteinA,LaursenNK.Detectingraildefects[P].US:US7,516,662B2,-04-14图SEQ图\*ARABIC10激光超声探伤原理示意图2、实时断轨监测技术实时断轨检测技术能对钢轨进行实时监测，能第一时间发现断轨的存在，从而能及时对列车发出警告，以避免灾难的发生，因此，该技术越来越受到人们重视。但是该类技术还不能发现早期钢轨裂纹，检测分辨率有待进一步提高。实时断轨监测技术重要有下列几个。2.1牵引回流实时断轨监测技术在电气化线路中，钢轨是牵引回流电路的一部分，如果任何一种钢轨发生断裂，电流会绕过断轨，从另一种阻抗较小钢轨流走，另一种钢轨的电流就会增大。如REF_Ref\h图11所示，该技术通过检测两只钢轨电流的不平衡来判断断轨的存在。该办法依靠于钢轨，成本低，可实现远距离实时监测。但是它依赖牵引回流的存在，只能检测列车与变电所之间的断轨，并且在道岔、护轨等轨道电路复杂的地方难以实现[2,[]SemihK,RichardM,RichardPR.Brokenraildetection[R].TransitCooperativeResearchProgram,Report71,,[][]SemihK,RichardM,RichardPR.Brokenraildetection[R].TransitCooperativeResearchProgram,Report71,[]田铭兴,陈云峰,赵斌,等.实时断轨检测办法综述[J].兰州交通大学报,,30(1):122-126图SEQ图\*ARABIC11牵引回流不平衡示意图2.2准轨道电路实时断轨监测技术轨道电路是我国铁路信号系统中的基础设备，含有列车占用检测、向列车传送控制信息及断轨检测等功效。现在在我国广泛使用的轨道电路类型有相敏轨道电路、ZPW-A无绝缘轨道电路等。断轨检测原理如REF_Ref\h图12所示。图SEQ图\*ARABIC12准轨道电路实时断轨检测办法示意图当检测区段内无列车通过且钢轨完整时，由两根钢轨和轨道继电器构成电流回路，使轨道电路继电器衔铁吸起，前接点闭合，信号开放。而当轨道电路区段内有钢轨断裂状况发生时，接受器处的轨道继电器由于信号电流消失而释放，区间轨道电路显示红光带，发出列车停止信号，提示断轨。轨道电路设备断轨检测功效的最大特点是，当有断轨发生时能立刻向列控中心发送报警信号，满足实时动态轨况监测规定。但是，轨道电路本身受道床参数状况影响较大[[]杜求茂,张友鹏,团铭兴,等.实时在线断轨检测办法研究[J].兰州交通大学学报,,28(3):123-126]，在道床泄漏阻抗小和南方某些雨水充沛的地区经常会发生轨间短路、红光带误报等故障状况。同时，存在增加电气化区段回流系统复杂程度、电气绝缘轨道电路构造复杂、造价昂贵、维修困难等缺点。现在，准轨道电路断轨检测技术作为轨道电路的附属功效，仍是我国最广泛使用的在线式断轨检测办法[2,26]。[]杜求茂,张友鹏,团铭兴,等.实时在线断轨检测办法研究[J].兰州交通大学学报,,28(3):123-126Holgate等人在专利（US6,779,761B2）和专利（EP）“BROKENRAILDETECTION”中设计了一套轨道电路监测断轨系统[[]HolgateDJ.Brokenraildetection[P].US:US6,779,761B2,-08-24-[]HolgateDJ.Brokenraildetection[P].EP:EP,200-07-06]，如REF_Ref\h[]HolgateDJ.Brokenraildetection[P].US:US6,779,761B2,-08-24[]HolgateDJ.Brokenraildetection[P].EP:EP,200-07-06图SEQ图\*ARABIC13轨道电路监测断轨示意图2.3光纤实时断轨监测技术光纤实时断轨检测技术是使用贴于轨道上的原则单模光纤进行检测的技术办法。该技术通过在光纤的一端接入波长为1550nm的光源，另一端连接接受器。当钢轨发生折断时，光纤将随之发生破裂，光束将不能达成接受器，由此判断发生断轨[[]Topalov,IP,Georgieva,M[]Topalov,IP,Georgieva,MS.Investigationthepossibilitiesforimplementationoffiberopticdetectionofdamagedrails[C].ElectronicsTechnology,ISSE,图SEQ图\*ARABIC14光纤实时断轨检测办法示意图光纤既是传输介质，又是传感元件，且因光纤传输损耗小，因此可实现几十甚至上百公里的测量[[]J.Laferriere,G.Lietaert..[]J.Laferriere,G.Lietaert..Referenceguidetofiberoptictestingvolume1[M].其缺点是不易安装维护，如果碰到过大的外力或弯曲容易折断；碰到障碍物（例如钢轨接头、平交道口、道岔等）时，需要将光纤剪断，并采用短的桥接器绕过复杂的部分[2,25-26]。2.4超声波实时断轨监测技术声波实时断