钢轨裂纹及断轨检测方法调研报告

钢轨裂纹及断轨检测方法调研报告

在铁路运输系统中，钢轨起着支撑列车和引导车辆车轮前进的作用。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。

表近些年钢轨断裂造成的列车行车事故

时间地点伤损情况

美国爱荷钢轨断裂引起列车脱轨，造

2001年3月

路事业[1-2]。

近年来，随着钢轨裂纹导致脱轨事故的频发，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[3]。

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具备的A/B超同屏显示、鱼鳞纹下核伤判别、探伤数据储存、探伤作业信息记录、探伤数据计算机管理等五大功能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。

图手推式钢轨探伤车结构示意图

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，以及伤损信号处理等系统组成。其原理是，装有超声探头组的高速探轮在钢轨上滚动，超声发生接收器组合探头向钢轨发出连续超声脉冲波束，连续波束通过耦合液及探轮橡胶轮壁到达钢轨内，如无损伤存在，波束到达钢轨底面后依原路返回探头，得到底波；如有损伤，则底波前出现一个伤损波，底

[4]。

波降低或消失

了

)，不小于直径

[6]。

用以保证车辆有较高的运行性能，并在其中一台转向架上设置有用于对钢轨进行检测的探伤系统，探伤轮通过下降和上升的液压系统控制，提高了钢轨探伤的效率，增加了轻轨车辆运行的安全性。

1.3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个磁场，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，裂纹会阻碍磁场的顺利通过，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，如所示。该技术的缺点是检测范围有限，仅能检测钢轨轨头表面和近表面的横向裂纹缺陷，而对于夹杂、剥离以及轨

头内部深处的缺陷无法进行有效的检测。

(a)无裂纹(b)有裂纹

图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[10,11]通过有限元软件Ansoft仿真研究了钢轨斜裂纹的识别原理及方法，包括理论分析、模型建立、斜裂纹与矩形裂纹的漏磁信号差异、斜裂纹深度与宽度的识别以及连续多个斜裂纹的识别等。它可以识别斜裂纹的方向及宽度，但是不能识别小间隔多裂纹

的数量。

1.4涡流探伤技术

探伤仪

感器

主机，检测头与检测主机电连接。该仪器采用手推车式，可实现双规同时检测，每条钢轨前后设

有两个检测头，检测速率相对较高，漏检率低。

图钢轨裂纹检测仪

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[16]，如所示。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，以防止

探针受损。

图低频涡流探测轨头横向裂纹装置示意图

1.5图像处理探伤技术

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，当钢轨有缺陷时，这些缺陷便被摄相机拍了下来，在通过对图片的处理和分析，可以将其中的缺陷提取出来，进行模式识别，完成钢轨损伤检测。其缺点是无法实现轨头内部缺陷的检测[17]。

西南交通大学的官鑫等人[18]对这一技术做了理论分析，他采用图像处理、模式识别及机器视觉等理论，对现役钢轨缺陷进行检测和分类。完成自动提取缺陷图像和最小化缺陷图像，以减少处理量并降低存储空间需求，自动判断缺陷类别。文章对采集到的缺陷图像进行处理，实验结果

嵌入式

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，其原理如所示。

图激光超声检测钢轨原理示意图

浙江大学刘洋等人[23]基于先进的激光超声探伤理论，提出了将激光超声技术应用到钢轨探伤，详细论述了其探伤机理，对激光超声探伤系统进行了设计。分析结果表明，激光超声探伤技术在钢轨探伤领域有较大的可行性和发展潜力。

Nielsen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[24]。该专利的原理是用脉冲激光（PL）激发钢轨产生超声波，用连续激光（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陷的相互作用导致反射

光发生变化，因此可以从反射光中解调出钢轨的损伤信息。其原理示意图如所示。

图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。实时断轨监测技术主要有以下几种。

2.1牵引回流实时断轨监测技术

小和南方一些雨水充沛的地区经常会发生轨间短路、红光带误报等故障情况。同时，存在增加电气化区段回流系统复杂程度、电气绝缘轨道电路结构复杂、造价昂贵、维修困难等缺陷。目前，准轨道电路断轨检测技术作为轨道电路的附属功能，仍是我国最广泛使用的在线式断轨检测方法

[2,26]。

Holgate等人在专利（US6,779,761B2）和专利（）“BROKENRAILDETECTION”中设计了一套轨道电路监测断轨系统[28-29]，如所示，12、13为钢轨，16、18、20为电路连接线，22为直流或低频交流电源，24为电流计，26为控制主机。该技术通过电源给电路施加一个低电压，形成回