钢轨裂纹及断轨检测方法调研报告要点

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。假设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成的列车行车事故。时间地点伤损状况2001时间地点伤损状况2001318日美国爱荷华州钢轨断裂引起列车脱轨，造成196人受伤20071017伦敦日4人死亡、70人受伤、4人重伤200947日河北野三坡6节车厢脱轨同时，随着国家高速铁路和重载铁路的进展，钢轨受到挤压和冲击的程度越来性，钢轨裂纹检测成为铁路运营部门格外重视的事情。目前，钢轨的主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包括人工巡轨检测、大型钢轨探伤车、漏磁信号、涡流探伤、激光超声、图像处理等；实时断轨监测技术包括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。周期性检测技术周期性检测技术就是定期对钢轨进展检测，国内外都针对不同轨道、不同检测设备制定了检测周期和检测作业标准。总体上说，周期性检测设备准确度高，能准时觉察钢轨早期裂纹，以避开发生重大交通事故；但是它需要占用较多天窗时间。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，如所示。通过人工手推动行钢轨损伤的检测，它消耗大量人力物力、检查结果主观性强、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进展的高速铁路事业[1-2]0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，欧美也开头研发使用这种便携式钢轨探伤仪[3]0由于超声波探伤技术比较成熟，本钱比较低，且随着科技的进展，以前只有大型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、探伤数据计算机治理等五大功能正移植到探伤小车身上，轨探伤仪器生产商当中，超声探伤小车倍受青睐。

在各钢大型钢轨探伤车

图1手推式钢轨探伤车构造示意图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波；如有损伤，则底波前消灭一个伤损波，底波降低或消逝[4]。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年开头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。经过20余年的集成创争论，进展了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既有线路轨道状态监控的主要手段， 最高检测速度达200km/h,其自动区分为：钢轨头部横向疲乏裂纹〔核伤〕5mm孔当量；螺栓孔裂纹及腰部斜裂纹，长度不小于10mm；钢轨纵向水平裂纹，长度不10mm1mm[2,5]。图2大型钢轨探伤车该技术对检测钢轨疲乏裂纹和其它内部缺陷具有灵敏度高、检测速度快、定位准确等优点[6]。但是常规的超声波钢轨检测使用的是压电传感器。压电传感器与轨顶连接，同时将超声轮或滑板注满水或其他耦合液。此种方法的最大缺点是，浅外表裂缝〔剥落〕可能会遮掩钢轨内部存在的横向缺陷[7]量有限，检测时受轨面平坦度和清洁度影响较大，其为离线式轨道检测设备。上海铁路局龚佩毅等人在专利〔〕波的本钱比较低的双轨自动探伤系统[8]。其特点是超声波探轮可三维运动，可实现钢轨的超声波自动探伤和定位，特别适用于检测钢轨头部横向疲乏裂纹〔核伤〕、螺栓孔裂纹、腰部斜裂纹和钢轨纵向水平裂纹等损伤。〔〕“车”中设计了一种用于检测城市轻轨钢轨的探伤车[9]。其特点是车体通过二系悬挂落用于对钢轨进展检测的探伤系统，探伤轮通过下降和上升的液压系统掌握，提高了钢轨探伤的效率，增加了轻轨车辆运行的安全性。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，磁场能顺当的通裂纹信息，如所示。该技术的缺点是检测范围有限，仅能检测钢轨轨头外表和近外表〔a〕无裂纹〔b〕有裂纹图3基于漏磁信号的钢轨检测原理南京航空航天大[10,11]Ansoft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。涡流探伤技术UI4所示。两线圈的相对位置为正交取向，检测线圈放置在U型鼓励线圈的开口中点处。工作时，有非接触的优点，但其检测范围也仅局限于钢轨表面的缺陷。鼓励2．鼓励线圈3．U型磁心4.测量线圈5．磁心图4传感器构造示意图长安大学马旺宇等人在专利〔〕出一种便携式探伤仪[12]，如所示，该探伤仪所使用了专利〔〕“一种用于钢轨检测的型传感器”中所设计的传感器[13]，其测量线圈的线圈匣数、直径以及鼓励线圈和测量线圈间的问距H为通过正交试验设计法确定的最正确参数组合。所述鼓励线圈和一个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置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，并在显示器上同步显简洁紧凑、体积小、重量轻、便于携带，并配备有独立电源。经过测试，其测量精度能到达0.2mm[14]。轨裂纹检测仪”如所示[15]，由检测头、检测主机、推拉支架、滚轮、连接收、固定环组成，其特征在于推拉支架下端两侧分别通过连接收前后固定连接两个检测头，每个检测头两侧局部别固定有滚轮，推拉支架中间的上连管上通过两个固定环连接有检测主机，检测头与检测主机电连接。该仪器承受手推车式，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6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。其特点是该专利承受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7低频涡流探测轨头横向裂纹装置示意图图像处理探伤技术［17］。西南交通大学的官鑫等人［18］对这一技术做了理论分析，他承受图像处理、模式并具有肯定的适用性。此方法可以抑制人工检测方法的很多弊端，提高检测速度和精度。LiuZe等人［19］用此技术分析了轨头剥离和钢轨外表裂纹的图片，并得到了钢轨的磨损程度和裂纹宽度。ChenLimin等人［20］也做了这方面的理论争论。他争论了图像采集，图像处理，提取特征，缺陷识别的钢轨外表缺陷识别过程，并基于裂纹形态〔〕“中提出了一种基于数字图像的钢轨外表缺陷检测方法［21］。该方法从对钢轨拍摄的图区域进展定位及判定。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处理辅助检测CCD在线运行过程中，嵌入式掌握系统掌握光源鼓励掌握器使两个关心光源照耀钢轨外表CCD信息传输到嵌入式系统，嵌入式系统使用图像处理技术对采集到的钢轨图像进展处理；从处理后的钢轨图像中统计钢轨外表的损伤信息及固有构造信息；再将所获得的钢轨外表损伤信息进展分类和损伤程度计算。［22］，其总体构造图如所示。106107206．工业CCD线阵摄像机2072088在线钢轨探伤的图像处理关心检测装置的总体构造图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外表，钢轨信息来推断钢轨伤损，其原理如所示。9［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，具体论述了其探伤机理，对激光超声探伤系统进展了设计。分析结果说明，激光超声探伤技术在钢轨探伤领域有较大的可行性和进展潜力。Nielsen等人在专利〔US7,516,662B2〕“DETECTINGRAILDEFECTS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，通过法珀干预仪〔CFPI〕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10激光超声探伤原理示意图2实时断轨检测技术能对钢轨进展实时监测，能第一时间觉察越受到人们重视。但是该类技术还不能觉察早期钢轨裂纹，检测区分率有待进一步提高。实时断轨监测技术主要有以下几种。牵引回流实时断轨监测技术。该技术通过检测两只钢轨电流的不平衡来推断断轨的存在。该方法依托于钢轨，本钱低，可实现远距离实时监测。但是它依靠牵引回流的存在，只能检测列车与变电所之间［2,25,26］。图11牵引回流不平衡示意图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根底设备，具有轨道电路类型有相敏轨道电路、ZPW-2000A无绝缘轨道电路等。断轨检测原理如所示。图12准轨道电路实时断轨检测方法示意图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光带，发出列车停顿信号，提示断轨。[27]误报等故障状况。同时，存在增加电气化区段回流系统简单程度、电气绝缘轨道电路构造简单、造价昂贵、修理困难等缺陷。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[2,26]法 。Holgate〔US6,779,761B2〕〔〕“BROKENRAILDETECTION”中设计了一套轨道电路监测断轨系统

[28-29]12、1316、18、20为电路连接线，22为直流或低频沟通电源，24为电流计，26为掌握主机。该技术通过电源给电路施加一个低电压，形成回路。假设电路完好，电流计器20只电流计的示数降低或消逝，则说明与之相串联的钢轨消灭伤损或断裂，掌握主机通过感知电流计电流的大小来发出警报。图13轨道电路监测断轨示意图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标准单模光纤进展检测的技术1550nm的光源，另一端连接接收器。当钢轨发生折断时，光纤将随之发生裂开，光束将不能到达接收器，由此推断发生断轨[30]，如所示。图14光纤实时断轨检测方法示意图[31]长，适于恶劣环境下工作。〔例如钢轨接头、平交道口、道岔等〕时，需要将光纤剪断，并承受短的桥接器绕过简单的局部[2,25-26]。超声波实时断轨监测技术[32]据此可以判定钢轨是否折断或者破损。相邻的声波发生装置共用一个接收装置，以声率放射一样频率的声波，它们之间存在干扰和冲突[33]。图15超声波断轨检测系统原理图兰州交通大学的任远等人[34,35]设计了一种实时超声导波断轨检测系统，并针对出了超声波探伤技术计算钢轨断裂位置及裂纹大小的仿真计算方法。为南非rails。nic公司生产的超声波实时断轨检测用传感器。它依据超声脉冲的频[36]。3总结

图16超声波传感器10趋势越来越明显，铁路的负荷日益加重，轨道线路状态恶化加剧；同时由于行车密发的检测技术和方法。参考文献史宏章,任远,张友鹏,等.国内外断轨检测技术进展的现状与争论[J].铁道运营技术,2010,16(4):1-7,等.[J].,2011,6:108-109ClarkR..RailFlawDetection:Overviewandneedsforfuturedevelopments[J].NondestructiveTestingandEvaluation,2004,37:111-118

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