鋼軌裂紋及斷軌檢測方法調研報告

1、鋼軌裂紋及斷軌檢測方法調研報告在鐵路運輸系統(tǒng)中，鋼軌起著支撐列車和引導車輛車輪前進的作用。如果出現(xiàn)鋼軌斷裂將有可能造成列車出軌、傾覆等重大行車安全事故，造成人員傷亡和巨額財產損失。因此鋼軌傷損檢測越來越受到人們的重視。表1所示為近些年由于鋼軌斷裂造成的列車行車事故。表1 近些年鋼軌斷裂造成的列車行車事故時間地點傷損情況2001年3月18日美國愛荷華州鋼軌斷裂引起列車脫軌，造成1人死亡96人受傷2007年10月17日倫敦鋼軌斷裂引發(fā)列車脫軌，造成4人死亡、70人受傷、4人重傷2009年4月7日河北野三坡鋼軌斷裂導致6節(jié)車廂脫軌同時，隨著國家高速鐵路和重載鐵路的發(fā)展，鋼軌受到擠壓和沖擊的程度越來越

2、大，鋼軌發(fā)生損傷的概率也在提高。因此，為保證高速鐵路和重在鐵路的運營安全性，鋼軌裂紋檢測成為鐵路運營部門十分重視的事情。目前，鋼軌的主要檢測方式分為周期性探傷檢測和實時斷軌監(jiān)測。周期性鋼軌探傷檢測包括人工巡軌檢測、大型鋼軌探傷車、漏磁信號、渦流探傷、激光超聲、圖像處理等；實時斷軌監(jiān)測技術包括軌道電路實時斷軌檢測技術、牽引回流實時斷軌檢測技術、光纖實時斷軌檢測技術和超聲波實時斷軌監(jiān)測技術等。1 周期性檢測技術周期性檢測技術就是定期對鋼軌進行檢測，國內外都針對不同軌道、不同檢測設備制定了檢測周期和檢測作業(yè)標準。總體上說，周期性檢測設備精確度高，能及時發(fā)現(xiàn)鋼軌早期裂紋，以避免發(fā)生重大交通事故；但是它

3、需要占用較多天窗時間。1.1 探傷小車中國鐵路廣泛使用的是鋼軌探傷小車，它將小型超聲波鋼軌探傷儀裝在特制的手推車上，如圖1所示。通過人工手推進行鋼軌損傷的檢測，它耗費大量人力物力、檢查結果主觀性強、檢查周期長、效率低下、速度慢，無法做到對鋼軌傷損情況實時檢測，不能適應于我國日益發(fā)展的高速鐵路事業(yè) 史宏章, 任遠, 張友鵬, 等. 國內外斷軌檢測技術發(fā)展的現(xiàn)狀與研究J. 鐵道運營技術, 2010, 16(4): 1-7- 楊東曉, 雷敬文, 方振歡, 等. 鋼軌小型自動探傷車及其拓展平臺J. 科研探索與知識創(chuàng)新, 2011, 6: 108-109。近年來，隨著鋼軌裂紋導致脫軌事故的頻發(fā)，為了加強

4、鋼軌安全監(jiān)測，歐美也開始研發(fā)使用這種便攜式鋼軌探傷儀 Clark R. Rail Flaw Detection: Overview and needs for future developments J. Independent Nondestructive Testing and Evaluation, 2004, 37: 111-118。由于超聲波探傷技術比較成熟，成本比較低，且隨著科技的發(fā)展，以前只有大型探傷車才具備的A/B超同屏顯示、魚鱗紋下核傷判別、探傷數(shù)據(jù)儲存、探傷作業(yè)信息記錄、探傷數(shù)據(jù)計算機管理等五大功能正移植到探傷小車身上，在各鋼軌探傷儀器生產商當中，超聲探傷小車倍受青睞。圖1

5、 手推式鋼軌探傷車結構示意圖1.2 大型鋼軌探傷車大型鋼軌探傷車系統(tǒng)由高速輪探頭，超聲發(fā)生裝置，探頭自動對中伺服裝置，以及傷損信號處理等系統(tǒng)組成。其原理是，裝有超聲探頭組的高速探輪在鋼軌上滾動，超聲發(fā)生接收器組合探頭向鋼軌發(fā)出連續(xù)超聲脈沖波束，連續(xù)波束通過耦合液及探輪橡膠輪壁到達鋼軌內，如無損傷存在，波束到達鋼軌底面后依原路返回探頭，得到底波；如有損傷，則底波前出現(xiàn)一個傷損波，底波降低或消失 祝連慶, 孫軍華, 董明利, 等. 鋼軌高速探傷系統(tǒng)的研究J. 儀器儀表報, 2002, 23(3): 119-121。我國鐵道部門為了提高鋼軌傷損的檢出率，推動鋼軌維護設備的進步，從1989年開始從美國

6、引進大型鋼軌探傷車，并由寶雞工程機械廠實現(xiàn)國產化制造。經過20余年的集成創(chuàng)新研究，發(fā)展了GJ-3，GJ-4，GJ-5三種類型；其中，GJ-4、GJ-5型檢測設備已成為我國既有線路軌道狀態(tài)監(jiān)控的主要手段，最高檢測速度達到200 km/h，其自動分辨為：鋼軌頭部橫向疲勞裂紋(核傷)，不小于直徑5 mm平底孔當量；螺栓孔裂紋及腰部斜裂紋，長度不小于10 mm；鋼軌縱向水平裂紋，長度不小于10 mm；探輪自動對中精度小于1 mm2, 陳東生, 田新宇. 中國高速鐵路軌道檢測技術發(fā)展J. 鐵道建筑, 2008, 12: 82-86。圖2 大型鋼軌探傷車該技術對檢測鋼軌疲勞裂紋和其它內部缺陷具有靈敏度高、

7、檢測速度快、定位準確等優(yōu)點 彭良武, 黃信基. 高速鐵路基礎設施的檢測（一）J. 鐵道勘測與設計, 2008, 6: 22-2。但是常規(guī)的超聲波鋼軌檢測使用的是壓電傳感器。壓電傳感器與軌頂連接，同時將超聲輪或滑板注滿水或其他耦合液。此種方法的最大缺點是，淺表面裂縫（剝落）可能會遮掩鋼軌內部存在的橫向缺陷 宋文偉譯. 美國聯(lián)邦鐵路局研究結果. 鋼軌缺陷在線高速檢測J. 西鐵科技, 2008, 8。而且造價過高、維護要求較高，數(shù)量有限，檢測時受軌面平整度和清潔度影響較大，其為離線式軌道檢測設備。上海鐵路局龔佩毅等人在專利（CN 102445495A）“雙軌白動探傷系統(tǒng)”中提出了一種基礎超聲波的成本

8、比較低的雙軌自動探傷系統(tǒng) 龔佩毅, 杜新光, 匡俊, 等. 雙軌白動探傷系統(tǒng)P. 中國專利: 201110297408.6, 2012-05-09。其特點是超聲波探輪可三維運動，可實現(xiàn)鋼軌的超聲波自動探傷和定位，特別適用于檢測鋼軌頭部橫向疲勞裂紋（核傷）、螺栓孔裂紋、腰部斜裂紋和鋼軌縱向水平裂紋等損傷。南車洛陽機車有限公司的袁其剛等人在專利（CN 201882114U）“用于檢測城市輕軌鋼軌的探傷車”中設計了一種用于檢測城市輕軌鋼軌的探傷車 袁其, 剛顧青, 常衛(wèi)軍, 等. 用于檢測城市輕軌鋼軌的探傷車P. 中國專利: 201020636317.1, 2011-06-29。其特點是車體通過二系

9、懸掛落座于前后轉向架上，用以保證車輛有較高的運行性能，并在其中一臺轉向架上設置有用于對鋼軌進行檢測的探傷系統(tǒng)，探傷輪通過下降和上升的液壓系統(tǒng)控制，提高了鋼軌探傷的效率，增加了輕軌車輛運行的安全性。1.3 基于漏磁信號的鋼軌檢測技術該技術是通過勵磁裝置給鋼軌施加一個磁場，當鋼軌完好時，磁場能順利的通過鋼軌，基本不產生漏磁；當鋼軌出現(xiàn)裂紋時，裂紋會阻礙磁場的順利通過，產生漏磁。由于裂紋大的大小形狀不同，其產生漏磁的強度也不同，根據(jù)漏磁信號的變化來判斷裂紋信息，如圖3所示。該技術的缺點是檢測范圍有限，僅能檢測鋼軌軌頭表面和近表面的橫向裂紋缺陷，而對于夾雜、剝離以及軌頭內部深處的缺陷無法進行有效的檢測

10、。 (a)無裂紋(b)有裂紋圖3 基于漏磁信號的鋼軌檢測原理南京航空航天大學陳智軍等人 陳智軍, 宣建青, 王平, 等. 基于漏磁信號的鋼軌斜裂紋識別J. 無損檢測, 2010, 32(11): 842-846, Zhijun Chen, Jianqing Xuan, Ping Wang, etal. Simulation on high speed rail magnetic flux leakage inspection C. Instrumentation and Measurement Technology Conference (I2MTC), 2011通過有限元軟件Ansoft仿真

11、研究了鋼軌斜裂紋的識別原理及方法，包括理論分析、模型建立、斜裂紋與矩形裂紋的漏磁信號差異、斜裂紋深度與寬度的識別以及連續(xù)多個斜裂紋的識別等。它可以識別斜裂紋的方向及寬度，但是不能識別小間隔多裂紋的數(shù)量。1.4 渦流探傷技術該技術的傳感器由一個U形激勵線圈和一個I型檢測線圈組成，如圖4所示。兩線圈的相對位置為正交取向，檢測線圈放置在U型激勵線圈的開口中點處。工作時，在激勵線圈上通以一定頻率的正弦波，當傳感器沿著試件表面移動時，試件表面在交變磁場作用下會產生一定分布和大小的渦流，此渦流產生一個反磁場。當無裂紋時，沒有反磁場磁力線通過檢測線圈，沒有電信號輸出；有裂紋時，反磁場發(fā)生變化，磁力線通過檢測

12、線圈，輸出電信號，從而反映缺陷的情況。該方法結構簡單、操作方便、具有非接觸的優(yōu)點，但其檢測范圍也僅局限于鋼軌表面的缺陷。1激勵 2激勵線圈 3U型磁心 4.測量線圈 5磁心圖4 傳感器結構示意圖長安大學馬旺宇等人在專利（CN 101576533A）“一種用于鋼軌檢測的便攜式渦流探傷儀”中提出一種便攜式探傷儀 馬旺宇, 劉棟, 王迪, 等. 一種用于鋼軌檢測的便攜式渦流探傷儀P. 中國專利: 200910022991.2, 2009-11-11，如圖5所示，該探傷儀所使用了專利（CN 201429587Y）“一種用于鋼軌檢測的新型傳感器”中所設計的傳感器 馬旺宇, 劉棟, 趙文博. 一種用于鋼軌

13、檢測的新型傳感器P. 中國專利: 200920033614.4, 2010-03-24，其測量線圈的線圈匣數(shù)、直徑以及激勵線圈和測量線圈間的問距H為通過正交試驗設計法確定的最佳參數(shù)組合。所述激勵線圈和一個測量線圈安裝在一能倒扣在鋼軌上的外部殼體內，所述外部殼體下部設置有與鋼軌的上部結構相對應的凹槽。采集到的信號再由后臺放大器放大，并在顯示器上同步顯示裂紋缺陷的相對大小，且相應驅動蜂鳴器報警，實現(xiàn)了防患于未然的目的。其結構簡單緊湊、體積小、重量輕、便于攜帶，并配備有獨立電源。經過測試，其測量精度能達到0.2 mm 馬旺宇, 劉棟, 趙文博. 應用于鋼軌檢測的便攜式渦流探傷儀的研制J. 機械設計與

14、制造, 2010, 2: 88-90。圖5 一種用于鋼軌檢測的便攜式渦流探傷儀莊鑫等人申請的專利（CN 201965116U）“鋼軌裂紋檢測儀”如圖6所示 莊鑫, 張慧坤, 徐秀華, 等. 鋼軌裂紋檢測儀P. 中國專利: 201120083237.2, 2011-09-07，由檢測頭、檢測主機、推拉支架、滾輪、連接管、固定環(huán)組成，其特征在于推拉支架下端兩側分別通過連接管前后固定連接兩個檢測頭，每個檢測頭兩側部分別固定有滾輪，推拉支架中間的上連管上通過兩個固定環(huán)連接有檢測主機，檢測頭與檢測主機電連接。該儀器采用手推車式，可實現(xiàn)雙規(guī)同時檢測，每條鋼軌前后設有兩個檢測頭，檢測速率相對較高，漏檢率低。

15、圖6 鋼軌裂紋檢測儀專利（US 6,768,298B2）“Transverse crack detection in rail head using low frequency eddy currents”設計了一種低頻渦流探測軌頭橫向裂紋的裝置 Katragadda G, Antonio S, Earnest D, etal. Transverse crack detection in rail head using low frequency eddy currents P. US: US 6,768,298B2, 2004-07-27，如圖7所示。其特點是該專利采用環(huán)形的直流飽和磁體，通

16、過鋼軌上方的低頻渦流探針探測鋼軌軌頭橫向裂紋。并且探針上裝有防護材料，以防止探針受損。圖7 低頻渦流探測軌頭橫向裂紋裝置示意圖1.5 圖像處理探傷技術該技術通過安裝在機車下方隨機車型走的攝像機拍攝鋼軌照片，當鋼軌有缺陷時，這些缺陷便被攝相機拍了下來，在通過對圖片的處理和分析，可以將其中的缺陷提取出來，進行模式識別，完成鋼軌損傷檢測。其缺點是無法實現(xiàn)軌頭內部缺陷的檢測 Marino F, Stella E. ViSyR: a vision system for real-time infrastructure inspection. vision systems: Applications, V

17、ienna, Austria, 2007。西南交通大學的官鑫等人 官鑫, 趙智雅, 高曉蓉. 圖像處理技術在鋼軌表面缺陷檢測和分類中的應用J. 鐵路計算機應用, 2009, 18(6): 27-30對這一技術做了理論分析，他采用圖像處理、模式識別及機器視覺等理論，對現(xiàn)役鋼軌缺陷進行檢測和分類。完成自動提取缺陷圖像和最小化缺陷圖像，以減少處理量并降低存儲空間需求，自動判斷缺陷類別。文章對采集到的缺陷圖像進行處理，實驗結果證明該方法能夠正確實現(xiàn)檢測軌道表面缺陷檢測，并具有一定的適用性。此方法可以克服人工檢測方法的許多弊端，提高檢測速度和精度。Liu Ze等人 Ze Liu, Wei Wang, X

18、iaofei Zhang, etal. Inspection of rail surface defects based on image processing C. Informatics in Control, Automation and Robotics (CAR), International Asia Conference, 2010 2nd: 472-475用此技術分析了軌頭剝離和鋼軌表面裂紋的圖片，并得到了鋼軌的磨損程度和裂紋寬度。Chen Limin等人 Limin Chen, Yin Liang, Kaimin Wang. Inspection of rail surfac

19、e defect based on machine vision system C. Information Science and Engineering (ICISE), 2010 2nd International Conference on: 3793-3796也做了這方面的理論研究。他研究了圖像采集，圖像處理，提取特征，缺陷識別的鋼軌表面缺陷識別過程，并基于裂紋形態(tài)學，通過動態(tài)模版去檢測連續(xù)裂紋邊界，以此來估算裂紋長度。北京交通大學李清勇等人在專利（CN 101893580A）“基于數(shù)字圖像的鋼軌表面缺陷檢測方法”中提出了一種基于數(shù)字圖像的鋼軌表面缺陷檢測方法 李清勇, 羅四維, 林

20、杰, 等. 基于數(shù)字圖像的鋼軌表面缺陷檢測方法P. 中國專利: 201010203102.5, 2010-11-24。該方法從對鋼軌拍攝的圖像中提取鋼軌區(qū)域，并模擬人類視覺機制，將灰度圖轉換為對比度圖，從而對可疑缺陷區(qū)域進行定位及判定。北京交通大學劉澤等人在專利（CN 101699273A）“一種在線鋼軌探傷的圖像處理輔助檢測裝置及方法”中利用工業(yè)CCD線陣攝像機采集鋼軌表面的圖像信息。其過程是在列車在線運行過程中，嵌入式控制系統(tǒng)控制光源激勵控制器使兩個輔助光源照射鋼軌表面，工業(yè)CCD線陣攝像機通過數(shù)字線陣圖像采集接口的控制采集鋼軌表面的圖像信息，將信息傳輸?shù)角度胧较到y(tǒng)，嵌入式系統(tǒng)使用圖像處理

21、技術對采集到的鋼軌圖像進行處理；從處理后的鋼軌圖像中統(tǒng)計鋼軌表面的損傷信息及固有結構信息；再將所獲得的鋼軌表面損傷信息進行分類和損傷程度計算。最后將結果融合到鋼軌損傷探測裝置，以減少表面損傷對探測鋼軌內部傷損的干擾 劉澤, 王嵬, 張廣偉. 一種在線鋼軌探傷的圖像處理輔助檢測裝置及方法P. 中國專利: 200910236940.X, 2010-04-28，其總體結構圖如圖8所示。106鋼軌 107控制機箱 206工業(yè)CCD 線陣攝像機 207，208輔助光源圖8 在線鋼軌探傷的圖像處理輔助檢測裝置的總體結構圖1.6 激光超聲探傷技術該技術用脈沖激光器發(fā)出的高能脈沖激光轟擊鋼軌表面，鋼軌表面被照

22、射區(qū)域吸收其能量并將之轉化為熱能，引起鋼軌表面迅速升溫膨脹，從而構成超聲聲源。超聲波在鋼軌內部遇到缺陷，將被反射回鋼軌表面，通過分析反射波的信息來判斷鋼軌傷損，其原理如圖9所示。圖9 激光超聲檢測鋼軌原理示意圖浙江大學劉洋等人 劉洋, 項占琴, 唐志峰. 激光超聲技術在鋼軌探傷中的應用研究J. 機械設計與制造, 2009, 10: 60-61基于先進的激光超聲探傷理論，提出了將激光超聲技術應用到鋼軌探傷，詳細論述了其探傷機理，對激光超聲探傷系統(tǒng)進行了設計。分析結果表明，激光超聲探傷技術在鋼軌探傷領域有較大的可行性和發(fā)展?jié)摿?。Nielsen等人在專利（US 7,516,662B2）“DETECT

23、ING RAIL DEFECTS”中介紹了一種激光超聲鋼軌探傷技術 Nielsen S A, Bardenshtein A, Laursen N K. Detecting rail defects P. US: US 7,516,662B2, 2009-04-14。該專利的原理是用脈沖激光（PL）激發(fā)鋼軌產生超聲波，用連續(xù)激光（CW）作為探測光，通過法珀干涉儀（CFPI）接受反射光。由于超聲波和鋼軌缺陷的相互作用導致反射光發(fā)生變化，因此可以從反射光中解調出鋼軌的損傷信息。其原理示意圖如圖10所示。圖10 激光超聲探傷原理示意圖2、實時斷軌監(jiān)測技術實時斷軌檢測技術能對鋼軌進行實時監(jiān)測，能第一時間

24、發(fā)現(xiàn)斷軌的存在，從而能及時對列車發(fā)出警告，以避免災難的發(fā)生，因此，該技術越來越受到人們重視。但是該類技術還不能發(fā)現(xiàn)早期鋼軌裂紋，檢測分辨率有待進一步提高。實時斷軌監(jiān)測技術主要有以下幾種。2.1 牽引回流實時斷軌監(jiān)測技術在電氣化線路中，鋼軌是牽引回流電路的一部分，如果任何一個鋼軌發(fā)生斷裂，電流會繞過斷軌，從另一個阻抗較小鋼軌流走，另一個鋼軌的電流就會增大。如圖11所示，該技術通過檢測兩只鋼軌電流的不平衡來判斷斷軌的存在。該方法依托于鋼軌，成本低，可實現(xiàn)遠距離實時監(jiān)測。但是它依賴牽引回流的存在，只能檢測列車與變電所之間的斷軌，而且在道岔、護軌等軌道電路復雜的地方難以實現(xiàn)2, Semih K, Ri

25、chard M, Richard P R. Broken rail detectionR. Transit Cooperative Research Program, Report 71, 2001, 田銘興, 陳云峰, 趙斌, 等. 實時斷軌檢測方法綜述J. 蘭州交通大學報, 2011, 30(1): 122-126。圖11 牽引回流不平衡示意圖2.2 準軌道電路實時斷軌監(jiān)測技術軌道電路是我國鐵路信號系統(tǒng)中的基礎設備，具有列車占用檢測、向列車傳送控制信息及斷軌檢測等功能。目前在我國廣泛使用的軌道電路類型有相敏軌道電路、ZPW-2000A無絕緣軌道電路等。斷軌檢測原理如圖12所示。圖12 準軌

26、道電路實時斷軌檢測方法示意圖當檢測區(qū)段內無列車通過且鋼軌完整時，由兩根鋼軌和軌道繼電器構成電流回路，使軌道電路繼電器銜鐵吸起，前接點閉合，信號開放。而當軌道電路區(qū)段內有鋼軌斷裂情況發(fā)生時，接收器處的軌道繼電器由于信號電流消失而釋放，區(qū)間軌道電路顯示紅光帶，發(fā)出列車停止信號，提示斷軌。軌道電路設備斷軌檢測功能的最大特點是，當有斷軌發(fā)生時能立即向列控中心發(fā)送報警信號，滿足實時動態(tài)軌況監(jiān)測要求。但是，軌道電路本身受道床參數(shù)情況影響較大 杜求茂, 張友鵬, 團銘興, 等. 實時在線斷軌檢測方法研究J. 蘭州交通大學學報, 2009, 28(3): 123-126，在道床泄漏阻抗小和南方一些雨水充沛的地

27、區(qū)經常會發(fā)生軌間短路、紅光帶誤報等故障情況。同時，存在增加電氣化區(qū)段回流系統(tǒng)復雜程度、電氣絕緣軌道電路結構復雜、造價昂貴、維修困難等缺陷。目前，準軌道電路斷軌檢測技術作為軌道電路的附屬功能，仍是我國最廣泛使用的在線式斷軌檢測方法2,26。Holgate等人在專利（US 6,779,761B2）和專利（EP 126825281）“BROKEN RAIL DETECTION”中設計了一套軌道電路監(jiān)測斷軌系統(tǒng) Holgate D J. Broken rail detection P. US: US 6,779,761B2, 2004-08-24- Holgate D J. Broken rail d

28、etection P. EP: EP 126825281, 200-07-06，如圖13所示，12、13為鋼軌，16、18、20為電路連接線，22為直流或低頻交流電源，24為電流計，26為控制主機。該技術通過電源給電路施加一個低電壓，形成回路。如果電路完好，電流計器正常顯示；若兩個電流計的示數(shù)同時降低或消失，則說明電線20出現(xiàn)損傷；若其中一只電流計的示數(shù)降低或消失，則說明與之相串聯(lián)的鋼軌出現(xiàn)傷損或斷裂，控制主機通過感知電流計電流的大小來發(fā)出警報。圖13 軌道電路監(jiān)測斷軌示意圖2.3 光纖實時斷軌監(jiān)測技術光纖實時斷軌檢測技術是使用貼于軌道上的標準單模光纖進行檢測的技術方法。該技術通過在光纖的一端

29、接入波長為1550 nm的光源，另一端連接接收器。當鋼軌發(fā)生折斷時，光纖將隨之發(fā)生破裂，光束將不能到達接收器，由此判斷發(fā)生斷軌 Topalov, I P, Georgieva, M S. Investigation the possibilities for implementation of fiber optic detection of damaged rails C. Electronics Technology, ISSE,2008，如圖14所示。圖14 光纖實時斷軌檢測方法示意圖光纖既是傳輸介質，又是傳感元件，且因光纖傳輸損耗小，因此可實現(xiàn)幾十甚至上百公里的測量 J. Laferr

30、iere, G. Lietaert. Reference guide to fiber optic testing volume 1 M. 2007。由于采用光信號為載體，不受電磁干擾，本質安全，使用壽命長，適于惡劣環(huán)境下工作。其缺點是不易安裝維護，如果遇到過大的外力或彎曲容易折斷；遇到障礙物（例如鋼軌接頭、平交道口、道岔等）時，需要將光纖剪斷，并采用短的橋接器繞過復雜的部分2,25-26。2.4 超聲波實時斷軌監(jiān)測技術聲波實時斷軌檢測方法如圖15所示 Richar d P R. Acoustic rail-break detection demonstrationat MTA New York city transit R. Transit Cooperative Research Progr