钢轨伤损检测方法的探究

钢轨伤损检测方法的探究

【摘要】钢轨损伤的检测结果直接关系到铁路运营的安全，本文着重介绍了钢轨无损检测的方法，并针对目前国际上应用较多的漏磁检测方法，做了重点的介绍。希望能够抛砖引玉，共同研究，推动我国钢轨无损检测的更快发展。

【关键词】无损检测漏磁场有限元

我国铁路运营正在向高速、重载的方向发展。超期服役的钢轨数量很大，线路上的钢轨在承担繁重的运输任务过程中，不免要产生各种损伤，如侧磨、轨头压溃、剥离掉块、锈蚀等，还有很多损伤在钢轨内部，是我们肉眼看不见的，如钢轨头部存在冶炼中残留的夹杂和白点而引起的核伤，它可以造成钢轨横向裂纹及轨头断裂；由残留的带状组织而造成的轨头或轨腰的水平裂纹或分层，有时会使轨头或轨底劈裂即垂直裂纹；还有螺栓孔周边裂纹等。在现有提速重载的运输条件下，钢轨的损伤情况已越来越严重。若在故障发生之前就能找出并消除隐患，很多事故是可以提前避免的，铁路出现事故的几率就会大大地降低。因此，提前进行钢轨的探伤对于保证铁路的正常运行具有重大意义。

以前，钢轨生产厂商对钢轨的检测一直沿用的是利用抽样切片、打点的方式进行，它的缺陷十分明显。测量属于破坏性测量，造成大量的浪费。由于抽样检测的方法，会漏掉很多缺陷信息，致

使不合格产品出厂，对铁路的运行造成很大的隐患。

我国目前钢轨的检测方法主要包括磁粉检测法、超声检测法和漏磁检测法等。磁粉检测法需要打磨，费时费力，且只能够定性判断。超声波测厚仪需要清洗和耦合剂，是通过在罐底板上表面抽样检测，计算平均板厚，以判断腐蚀情况漏磁无损检测方法是建立在钢轨等铁磁性材料的高磁导率这一特性上的，它通过拾取被磁化钢轨缺陷处引起的泄漏到外部的磁场信号，再经信号处理装置得到与缺陷的形状有关的电信号的一种方法。这种方法能检测钢轨表面及内部缺陷且满足实际应用中的连续性、快速性的要求，所以，漏磁检测是目前新兴的钢轨检测方法。

无损检测技术以不损害被检测的对象的使用性能为前提，应用材料的多种物理和化学性能，对各种工程材料、零部件和结构件进行有效的检验和测试，借以评价它们的完整性、连续性、安全可靠性及某些物理性能。由于缺陷的位置不同，有内部的，表面的和近表面的；缺陷的形状和性质也不相同，有体积型的，也有平面状的；从被检测的状态来说，又可分为静态检测和运行中设备的在线实时检测等等。任何一种无损检测方法都不可能给出所需要的全部信息，因此需

要研究一种原理简单，且能适应钢轨内部情况的检测技术。

漏磁检测的理论依据是铁磁性材料在外磁场感应作用下被磁化，在其缺陷处形成漏磁场。漏磁检测技术是利用磁场和缺陷的相互作用来进行工作的。漏磁检测信号可以提供直观和大量的信息，准确检测出物体中的缺陷，并确定其位置、大小和性质。

为了满足钢轨日益繁重的检测任务和实现检测时缺陷直观的需求，研究全数字式检测系统、高精度定位系统、高智能化评价系统的要求更加迫切。目前在信号的分析处理、信号特征量的提取、重构缺陷外形等技术还没有形成系统的方法，国内还没有成熟的体系。在国外，如美国、英国、加拿大、日本、德国等研究较早，在深入理论研究的同时，将该技术应用到生产实际中并取得良好的效果，应用有限元等数值分析方法对缺陷漏磁场进行模拟，通过实验对表面裂纹、轨头核伤等缺陷漏磁场和漏磁信号进行定量分析研究并得出一些结论，应用计算机和人工智能技术实现了典型规则缺陷的三维图形构建，达到缺陷可视化。在国内，理论和实验研究较多，漏磁场的研究、缺陷的定性和定量分析以及应用新的方法研究漏磁检测都还未取得实用效果，一些结论还处于探索阶段，漏磁检测技术的成果与国外还有存在较大的差距。

随着漏磁检测技术的发展，特别是有限元技术在漏磁检测方法中的应用，推动漏磁检测技术由定性检测发展到定量检测阶段。定量检测对被测的损伤缺陷进行度量，不但给出缺陷的有无，还在一定的精度下给出量值。例如，对于腐蚀坑，不但要指出它的位置，而且对它的尺寸（如等效深度、等效宽度等）给出大小。

漏磁检测缺陷的反演是目前漏磁检测研究的一个前沿。最早的漏磁检测缺陷反演方法是标样法。标样法根据一系列的缺陷参数，通过实验或者数值方法获得相应的信号。画出信号特征量（如峰峰值）和缺陷特征参数（如缺陷深度）之间的关系曲线，从而得到关系曲线族。这些曲线族就作为以后测量的信号估计缺陷参数的标准。另外一

种方法称为基于模型法。这类方法采用某种模型求解正问题，采用各

种优化算法求解反问题。正问题的求解模型有磁偶极子模型和有限元数值模型等。这种方法首先要知道是哪种类型缺陷后才能进行有效的

重构，而实际检测中，缺陷的形状是不可知的。基于磁偶极子的漏磁

检测技术不能描述复杂的缺陷形状，没有考虑材料的非线性等而存在

相当的局限性。在实际工程应用中，提出准确和完善的正问题，并找

出快速的算法，是漏磁检测缺陷重构的基础。采用数值模拟求解正问

题能够比较精确的由缺陷参数得到信号特征，是目前研究漏磁缺陷反

演的主要方法。

不同种类的缺陷和获得特征信息进行定性分析，以及对缺陷外形

进行描述和获得缺陷准确轮廓的定量分析，都可归结为模式识别

问题。基于神经网络 ( Neural Network Method ) 的模式

识别方法是近年来发展起来的新的方法。我国学者于2002 年研制出管道和钢板腐蚀漏磁检测仪，其总体技术水平落后于欧美

等发达国家。近年来，在国内无损检测工作者的共同努力下，目

前已有许多的高校和研究单位在这方面取得了可喜的成果。

华中科技大学的杨叔子等人，在钢丝绳、储罐底板和管道等漏磁无损检测传感器的研制方面进行了大量的实验研究工作，利用ANSYS 软件分析了传感器励磁装置的参数对钢板局部磁化的影响，设计了相

应的漏磁检测设备等；清华大学的李路明、黄松龄等，采用有限元分

析法研究永磁体几何参数对管道磁化效果的影响，分析漏磁探伤中各种量之间的数值关系，如表面裂纹宽度对漏磁场Y 分量影响的问

题；交直流磁化问题，针对漏磁检测交流磁化的磁化电流频率选择问题，分析了磁化频率的选取原则等等；军械工程学院研制的智能漏磁