铁路钢轨缺陷伤损巡检与监测技术综述

段国华

摘 要：随着我国高速铁路的快速发展，对钢轨基础的设施维护和安全防护提出了挑战。

关键词：铁路钢轨;缺陷伤损;监测技术

钢轨服役缺陷损伤类型较为复杂，铁路运输通过轮轨相互作用实现列车运行，铁路损伤是铁路运输中最昂贵的问题

一、钢轨常见的伤损及检测分析

1.最常见的伤损是：（1）铁路轨头的横向裂缝。这是由于轨道材料的缺陷或接触疲劳，严重的磨损和磨损，大部分在5毫米到10毫米之间（2）轨道接头损伤。大部分的伤害都是由于保护和一个较低的圆圈造成的。由较小的弧线束产生的损伤，通常在接缝的夹板上表现出来，表现为垫圈磨损和轨道顶部的减压现象。（3）轨道的水平和垂直纵向裂缝。这是由于轧制过程的缺陷或通常发生在钢轨表面的外部载荷造成的。（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，主要是由弯曲缺陷、生锈的洞和轨道表面的划痕造成的。（5）焊接损伤。这些缺陷，如冷凝孔隙、气孔、烧伤、光斑、裂缝、焊缝、焊缝、焊缝、焊缝、焊缝等，都是极其有害的。

2.目前，无损检测技术主要用于钢轨的探伤，它不会对试件的材料和结构造成损伤，可以通过声、光、电、磁等物理手段检测被测零件的缺陷位置、尺寸、性质和数量。具体包括以下检测方法：（1）超声探伤检测。对于铸件、钻孔、焊接和金属、非金属和复合材料板，可以检测出内部缺陷的大小、位置、性质、掩埋等。然而，很难准确地量化缺陷，也需要对试件的形状进行一些限制。（2）射线探伤。适用于铸件和焊缝等部件的内部容积型缺陷可以显示和保存检测结果，但检测成本很高，很难检测出裂纹类型的缺陷。（3）碳粉探伤。铸件、锻件、焊接件和机械件的内部缺陷具有灵敏度高、检测速度快、操作简单等优点;然而，缺陷只能检测表面和附近表面的内部缺陷的位置和长度，而不能检测内部缺陷的深度。（4）渗透探伤。它适用于有色金属的铸造、锻造和焊接缺陷。（5）涡流探伤。它适用于在广泛领域中检测钢铁和有色金属等导电材料，并应使用无接触自动检测。不足之处在于，很难探测到复杂的形状缺陷和更深层次的表面。

二、铁路钢轨缺陷伤损检测和巡检

1.超声波检测，导波，电磁超声，激光超声。（1）超声检测和相位检测技术。利用超声波的反射、衍射和透射特性，可以通过观察超声波在波、回声、声速、衰减和共振上的传播变化来确定所研究的房间内是否存在缺陷。传统的超声波技术在检测轨道内部缺陷方面得到了广泛的应用，具有高渗透率、良好的缺陷定位、对部件内部裂纹检测的高度敏感性以及自动扫描检测的易用性。然而传统的超声波需要之间的偶联剂来填补这一缺口探针和测试部分的表面，很难检测复杂和不规则形状的工件，并未能有效地检测和评价铁路上表面和近表面疲劳损伤。（2）导波探测技术。与传统的超声波技术相比，导波检测具有远距离检测特性，不需要对检测表面进行点对点的扫描。引导波检测技术允许对特定目标的结构进行快速检测和访问。基于波导的结构健康监测技术也得到了迅速的发展。（3）电磁超声检测技术。与传统超声检测技术相比，电磁耦合方法具有精度高、无偶联剂、非接触测量、检测速度快等优点。金属导体在交变磁场中产生涡流。磁场中的任何电流都受洛伦兹力的影响，而金属介质在交变应力作用下产生超声波频率范围内的应力波。由于这种作用的可逆性，返回的声压使粒子的振动改变涡流线圈的两端电压在磁场的作用下，和检测信号被接收装置接收和放大分析缺陷的信息。（4）激光超声检测技术。一种利用激光激励和超声波检测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微米，可以探测到材料内部的微小缺陷。激光超声技术作为一种非接触式无损检测方法，可用于恶劣环境下材料的高精度无损检测。

2.涡流检测，脉冲涡流和远场涡流。针对传统超声检测技术中存在的表面检测盲区，提出了基于电磁原理的电涡流检测方法用于轨道表面和近表面缺陷检测。涡流检测是利用交变磁场在被测导电工件上产生涡流诱导的交流电。电导率、渗透率、有无缺陷以及缺陷的大小和形状影响涡流的分布和大小。通过测量检测线圈中涡流引起的磁场变化，可以得到试样中涡流的分布、大小和相位，进而得到试样的电导率和缺陷特征。涡流检测是非接触测量，可以进行高速检测，但蒙皮效应只能检测导电材料的表面和近表面结构状态。

3.漏磁检测，交流磁场测量。铁磁性材料磁化后，试样的表面或近表面缺陷会改变磁导率，导致磁路中的磁通量和磁感应线流向发生变化。部分磁通泄漏到工件表面，绕过缺陷通过空气进入材料，形成泄漏磁场。采用磁传感器检测漏磁，检测轨道表面和近表面的缺陷。

4.涡流脉冲热成像。

脉冲涡流热成像（eddycurrentpulsedthermography ECPT）基于涡流在电磁学和焦耳热现象，使用红外热像仪进行标本在脉冲涡流激励引起的焦耳热现象的温度场分布和传播，并通过热量地图的分析处理来检测缺陷。该技术结合了脉冲涡流技术和红外热成像技术的优点。与其他红外热成像方法相比，ECPT采用脉冲电磁激励，具有电、磁、热等多种物理时空特性和丰富的瞬态信息，具有较高的空间分辨率和探测近地表深度缺陷的灵敏度。ECPT感应加热热量集中在缺陷区域，提高了缺陷与非缺陷区域的溫度对比，提高了小缺陷的信噪比和检测灵敏度。对金属表面缺陷进行了感应热成像仿真和实验分析，研究了不同电磁参数下表面缺陷的温度分布，讨论了涡流穿透深度对温升的影响。讨论了缺陷长度、深度和倾角对试验结果的影响。基于单匝线圈的电磁热耦合效应对轨道表面及近表面疲劳多裂纹和微缺陷的成像检测采用改进的亥姆霍兹线圈励磁结构，实现了轨道表面相对均匀的加热，消除了单匝线圈在缺陷检测中加热不均匀的缺陷。

视觉检测。视觉检测是通过视觉辅助工具（如眼睛或工业摄像机）对工件进行检测，以检测裂纹、变形、腐蚀等缺陷。计算机视觉检测方法在铁路轨道表面缺陷检测中的应用，分析了表面缺陷的尺寸和位置。

三、铁路钢轨巡检和监测技术的发展趋势

随着高速列车和城市地铁运输系统的快速发展，迫切需要将大量的技术与快速轨道传感器和移动控制设备相结合，以快速检测轨道和维护安全。为满足全面覆盖各科室执法侦查铁轨，探测和全面的里程缺陷和缺点的整个过程中，以及符合铁路调度、维修频度、劳力节约方面的要求和高速铁路挑战。

铁路无损检测的研究表明，在服务实现完整的有效的和可靠的测试覆盖率，必须结合多种检测技术，并实现钢轨缺陷损伤检测和监测技术是应用程序的关键方向在这个领域，这也为未来实现更高速度的大型钢轨探伤车奠定了坚实的基础。

参考文献

[1]李建.钢轨滚动接触疲劳的进一步研究[J].北京：中国铁道科学，2016，23（3）：6-10.

[2]吴雨.钢轨接触疲劳裂纹的产生与防治[J].上海铁道科技，2016（4）：41-43.