铁路钢轨缺陷伤损巡检与监测技术综述

铁路钢轨缺陷伤损巡检与监测技术综述

刘迎占,王红涛,张敏

内蒙古集通铁路集团公司锡林浩特综合维修段  内蒙古自治区锡林浩特市026000

摘要：钢轨是铁路线路最重要设备之一，而由于列车荷载和各种不利的自然条件，铁路钢轨在使用中会受到各种伤损，钢轨伤损将严重影响行车安全及乘客舒适性。因此，研究分析铁路钢轨缺陷伤损巡检及其监测意义重大。

关键词：铁路钢轨；缺陷伤损；无损检测；监测

钢轨是铁路轨道的主要部件，直接承受轮对压力。材料在长期使用中的缺陷及退化会影响其性能并威胁行车安全。应力、疲劳、缺陷导致的钢轨断裂会造成列车脱轨、倾覆等重大事故，造成人员伤亡及巨大财产损失。基于此，本文详细论述了铁路钢轨缺陷伤损巡检与监测技术。

一、钢轨常见伤损

钢轨最常见损伤是：①轨头横向裂缝，这是由于轨道材料缺陷或接触疲劳，以及严重磨损，大多在5～10mm之间。②轨道接头损伤，大多数伤害是由保护及较低的圆圈造成，较小弧形线束造成的损伤通常显示在接缝夹板上，这表现为垫圈磨损及轨道顶部减压。③轨道水平与垂直纵向裂缝，这是由轧制过程中的缺陷或通常出现在钢轨表面的外部载荷引起的。④铁路底部裂缝，这是一种横向裂缝或从轨道底部坠落的现象，主要由弯曲缺陷、生锈的洞、轨道表面划痕造成。⑤焊接损伤，如冷凝孔隙、气孔、烧伤、光斑、裂缝、焊缝等，危害极大。

二、铁路钢轨缺陷伤损检测和巡检

1、超声检测、导波、电磁超声、激光超声技术

①超声与相控阵检测技术。超声检测利用超声波反射、衍射、透射等特性，通过观察超声波在被测工件中的波形、回波、声速、衰减、共振等传播变化，判定被测工件是否存在缺陷。常规超声波技术已广泛应用于钢轨内部缺陷检测，具有穿透性强、缺陷定位准确、检测工件平面裂纹的灵敏度高、易于实现自动扫描巡检等优点。然而，常规超声需耦合剂来填充探头和被测件表面间空隙，难以检测形状复杂和外形不规则工件，无法有效检出及评定钢轨顶面表面和近表面疲劳损伤(如轨头龟裂、斜裂纹、压溃)。尤其在水平方向上靠近轨距角纵向延伸的缺陷将反射超声波，阻碍声束入射，从而无法探测到埋在下方的危险裂纹，存在明显的检测盲区，并且在距被测件表面深度小于4mm的缺陷会出现漏检。此外，超声相控阵全聚焦成像技术基于全矩阵数据进行虚拟聚焦，具有精度高、算法灵活的特点，对形状复杂的缺陷检测较有效。

②导波检测技术。与传统超声技术相比，导波检测具有远距离检测、无需在检测面逐点扫描等特点，导波检测技术能实现对特定对象的快速检测及结构可达性，基于导波的结构健康监测技术也得到了快速发展。

③电磁超声检测技术。与传统超声检测技术相比，电磁耦合法具有精度高、无需耦合剂、非接触测量、检测速度快等优点。在交变磁场中，金属导体内部产生电涡流，由于任何电流都受到磁场中洛伦兹力的影响，金属介质在交变应力作用下产生频率在超声波范围内的应力波。由于这种效应是可逆性的，返回的声压使质点振动在磁场作用下改变涡流线圈两端电压，检测信号被接收装置接收并放大以分析缺陷信息。

④激光超声检测技术。一种利用激光激发与检测超声波的非接触式无损检测技术。激光脉冲产生的声波波长只有几μm，能检测材料中微小缺陷。作为一种非接触式无损检测方法，激光超声技术能在恶劣环境中对材料进行高精度无损检测。

2、涡流检测、脉冲涡流。由于传统超声技术中表面检测的盲区，基于电磁原理的涡流检测方法被提出用于钢轨表面及近表面缺陷检测。涡流检测使用交变磁场在被测导电工件中产生旋涡状感应交变电流，被测件电导率、磁导率、有无缺陷、缺陷尺寸形状影响电涡流的分布及大小。通过探测线圈测量电涡流引起的磁场变化，获得被测件涡流分布、大小、相位，然后获得被测件电导率及缺陷特征。电涡流检测是非接触式测量，可用于高速巡检，但具有集肤效应，只能检测导电材料的表面及近表面结构。此外，涡流检测受提离变化影响大，检测探头与被测轨面距离应尽可能固定(一般在2mm以内)。

脉冲涡流检测是利用脉冲激励信号在被测件感应瞬态涡流。检测单元将感应随时间变化的电压，通过分析瞬态涡流频率变化，实现试件不同深度缺陷的检测、属性表征、状态评估。该技术具有频谱内容丰富、检测速度快、非接触检测和识别不同深度缺陷等优势。

3、漏磁检测、交变磁场测量。铁磁材料被磁化后，试件表面或近表面缺陷会改变磁导率，导致磁路中磁通及磁感应线流向发生变化，部分磁通泄漏到工件表面，通过空气绕过缺陷，然后进入材料形成漏磁场。漏磁检测使用磁传感器来获得漏磁场信息，以检测轨道表面与近表面缺陷。交变磁场测量(ACFM)是通过测量工件表面感应磁场变化来检测材料缺陷，能实现缺陷的精确定位及测量，具有非接触检测优点。

4、涡流脉冲热成像。涡流脉冲热成像(ECPT)是基于电磁学中的电涡流及焦耳热现象，红外热像仪用于获得由于焦耳热现象引起的脉冲电涡流激励下导电试件的温度场分布与传导，并通过多热图分析处理来检测缺陷。该技术结合了脉冲电涡流及红外热成像的技术优势，与其他红外热成像方法相比，ECPT使用脉冲电磁激励，具有电、磁和热的多物理时空特性及丰富的瞬态信息，空间分辨率及对近表面深度缺陷检测灵敏度高。ECPT感应加热热量集中在缺陷处，增加了缺陷与非缺陷区域间温度对比，提高了信噪比及微小缺陷的检测灵敏度。

三、铁路钢轨巡检和监测技术的发展趋势

1、检测速度更高。80km/h以上的巡检速度能满足铁路对轨检及探伤车的调度与人力要求。更高的巡检速度将使铁路调度安排更容易，检测频度提高。国家自然科学基金委国家重大科研仪器研制项目“钢轨接触疲劳裂纹多物理高速巡检监测技术攻关与仪器研发(61527803)”以电子科技大学为依托单位，联合南京航空航天大学与中国铁道科学研究院，三方合作研究了电磁、热红外等方式在不同速度下的响应，以及不同检测深度覆盖。开发新型钢轨探伤快速巡检车及仪器系统，实现铁路钢轨的全面快速巡检及准确复检。

2、多模态、多物理集成传感钢轨巡检与监测：不同的钢轨巡检与监测技术有其优势及局限性，很难用单一原理检测技术获得钢轨状态的所有信息。集成多种传感技术，以获取不同模态的钢轨巡检监测数据，实现钢轨断面的全覆盖，从轮轨接触面到内部、轨腰甚至轨底的检测覆盖，不留检测盲区，这有助于准确判定钢轨结构的完整性及使用状态。同时，利用电磁、声、光、热等多种物理传感集成融合进行可视化成像检测，实现钢轨断面、焊接缝、道岔尖轨等复杂因素下的状态检测，以及铁路网全里程覆盖巡检，这有助于对钢轨缺陷伤损进行量化评估，并为钢轨状态维护提供指导。

3、检测钢轨微观结构变化及应力分布，包括获取温度、载荷应力。理解钢轨结构失效模式和剩余寿命评估；全类型缺陷，包括裂纹发展整个阶段的状态检测；材料微观与宏观缺陷的检测描述；通过在轨底、焊接缝、道岔尖轨等钢轨薄弱环节及关键区段安装多模态永久传感器，实现多位置分布式钢轨结构状态的实时监测，有助于分析缺陷伤损的初始萌生、扩展和断裂等全阶段状态信息。结合材料微观组织演化及宏观缺陷扩展，深入理解基于不同类型缺陷伤损钢轨故障失效模式，再评估钢轨使用状态及剩余寿命。

4、基于大数据管理的钢轨状态维护与安全保障：无损检测技术与结构健康监控技术相结合，巡检与监测模式相结合。以高速、全役、全里程巡检与重点区域定点全时域监控相结合。以不同数据汇入方式从多来源提供钢轨状态信息的综合信息数据，基于大数据与云计算管理平台，实现钢轨扫描巡检、在线状态监测和历史数据等不同模态信息的融合分析与信息挖掘，准确评估钢轨结构完整性，预测钢轨剩余使用寿命，提高钢轨安全运行的可靠性。

参考文献：

[1]刘启跃.铁路钢轨损伤机理研究[J].中国机械工程，2016，13(18):1596-1599.