钢轨探伤车技术发展与应用

林香名

深圳地铁运营集团有限公司  广东省深圳市  518000

摘要：近年来，随着我国在世界范围内的地位日益提升，轨道交通建设也取得了一定的成绩。随着我国铁路运输量的不断增长，轨道的安全与维护问题越来越突出，目前，在国内使用的钢轨探伤车技术已经被普遍采用。本文将对钢轨探伤车技术发展与应用进行分析。

关键词：无损检测；探伤；钢轨

引言

从本世纪初，我国的钢轨探伤车技术实现了技术上的突破。1954年，我国相关部门首次向瑞士MATISA公司购买了一套用于声光指示谐波的仪器，此后，国内的科研机构对其进行深入的研究。

1.钢轨探伤车技术发展现状分析

1.1机械涨轮式

试验运行前，试验车辆应落在轨道上，四个加压缸应垂直加压，以确保在试验车辆正常工作时，四只钢轮不会跳离轨道，对四轨距跟踪的汽缸产生侧向压强，使钢轮夹紧在轨道内侧，由操作者自动调整轮探头的水平方位并与轨道中心线对中。在检测作业过程中，由于钢轮一直与轨道内侧夹紧，因此轮探头对中的效果好，而不需要人工干预。

机械涨有轮可固定维持在轮探头的正中部位，对探伤测试效果较好，但缺陷则是车辆的机械结构复杂化，钢车轮边缘容易损坏，且通过的道岔稳定性也较差。

1.2电磁感应式

中国进口的80km/h型钢轨探伤机车使用回转架模式的轮探头支撑机构，轮探头随回转架一同在轨道上运动。在行驶过程中，因为轨道出现了许多不平顺，设置在回转架结构上的轮探头支承机构就会跟着转向架，发生错综复杂的震动。

80km/h型探伤机车的轮探头内部还装有电磁感应器件，可以检测轨道和轮探头之间的偏离率变化。电磁感应装置的信噪比不好，在静止时导致伺服机构产生了不受抑制的晃动。传感器表面易粘附于钢锈，产生电磁干扰现象，当钢路轨头的侧磨严重时就会信息丢失。此外，E-Core电磁感应仪的操作和校正方法也略复杂，并不适于在测量作业周期内的正常操作。

1.3激光摄像式

通过将一束或多束线构成光源投射出轨道的垂直截面轮廓后，用数字相机拍摄轨道截面图形，再进行图像处理、坐标系变换、抖动补偿、与轨道轮廓形状匹配等后处理，即可准确得到轨道的轮廓形状位置。钢轨车轮截面测量技术，目前应用于钢轨的几何测量项目中。由摄影机、光源、手工控机等构成的断面测量控制系统能精测钢轨轮廓参数，很适用于钢轨测量控制系统，但因系统结构、参数标定、数据后处理等较为繁琐，所以并不适宜集成于轮探头对中控制系统。

1.4钢轨探伤车检测现状

随着线路钢轨通过总重增加，产生疲劳伤损明显增多。为保证运输安全、防止断轨事故发生，目前国内主要采用SYS1900超声波探伤系统钢轨探伤车。国内探伤车检测速度80km/h的SYS1900钢轨探伤系统，首次用于75kg/m重载线路。目前钢轨探伤模式为探伤车与地面探伤仪交叉作业，优势互补，探伤车运用模式采用探伤仪和探伤车混合检测的二级探伤网络，对焊缝和道岔再专门补充焊缝和道岔探伤检测，探伤车的作业模式采用连续式作业模式。这样能够尽可能地提高探伤车的检测效率和检测覆盖区段。但随着探伤车技术的发展，探伤车的检测速度从40 km／h分阶段提高到60 km／h和80 km／h，对道岔区域从不能采集到有效数据发展到现在能部分采集到有效数据，每股钢轨从原来的12个检测通道发展到现在的15个检测通道，现已有的二级探伤网络已经不能适用高速铁路、高原铁路的探伤检测需求，探伤车的最大单车年检测里程达到了27 000 km，种种现象表明原来的检测模式和伤损分析模式已经不能适应新形势的发展需求，探伤车的检测运用模式需要进行创新。

2.目前钢轨超声波探伤技术的应用情况

2.1 钢轨常见伤损及其成因

随着经济的快速发展，使得钢轨探伤技术的应用也逐渐得到了优化发展和提升。但目前的钢轨还存在气泡、白点、缩孔、非金属夹杂物等问题。此外，由于轨道存在裂纹、断裂等问题，导致轨道无法正常工作或工作性能受限。钢轨在使用过程中出现三个问题：一是在钢轨上出现纵向裂纹，造成这种现象的原因很有可能是因为生产过程中的轨道技术问题，而原料中的杂质也会导致轨道上出现裂纹现象。二是核辐射，在制造技术和材质的影响下也将会导致其整体使用的难度加大。一般情况下，核辐射会发生在轨道的顶端，但是随着时间的流逝，它的耐久度就会降低，从而导致事故的发生。三是由于轮子在联轴处的惯性作用比它的位置大，从而引起轨道的断裂。

2.2 超声回波对各种缺陷的不同表现

超声波无损检测的基本原理是通过对各种损伤和损伤的超声回波的不同表现而进行的，下面是一些典型案例：

2.2.1 平面状缺陷

在平面型损伤中，随着前方的方向不同，回声波幅也会发生不同程度的改变。在与损伤方向相平行的情况下，回声表现为低态或无回声；在探测过程中，如果出现裂纹等缺陷，往往会出现大幅度、多峰现象。

2.2.2 点状缺陷

点状缺陷以点状残渣为主，多个空穴。点状缺陷的声学形状与其方向无关，表现为异常光滑。但在不同条件下，由于夹渣和气孔效应的差异，导致不同的孔隙大小，夹渣的回波一般较小，波形也较大。

2.2.3 裂纹缺陷

在对损伤点进行超声回波的探测时，会出现连续的高、宽波形。因为大多数裂纹在热影响区与焊缝垂直，所以需要沿焊缝平行的方向进行筛检，从而造成运输线路裂纹的增多。

3.钢轨探伤车技术在高速钢轨检测中的应用

3.1 脉冲反射法

在超声波检测中，脉冲反射法是使用频率相对较高的检测手段，其通过耦合的方式使传感器与被测量的轨道保持直接的接触，由此将使其具有较高的可操作性和较高的灵敏度。对于近表面和薄壁也存在着探测死角，如果与超声波的传播方向平行，则会影响到探测的灵敏度。利用超声波短脉冲，其进入轨道时，对于不同的声阻抗介质，声波可以在这里形成一个介电面，光波会发生反射。在此基础上，入射波的声压相位与反射声压相对。在声波和入射波的组合中，由于声波的幅值会发生波动，所以可以用探测器实时地接收到反射波，并用探测器进行精确的显示，根据波形的大小，可以确定轨道的深度、性质和尺寸。在检测过程中，对于被测的轨道显示波形，仅包括发射波脉冲、底面反射波；对于微细缺陷，既有以上两种波形，又有缺陷回声；对于大缺陷问题，缺陷问题可以反射所有的发射脉冲。根据声程和传播时间的关系，可以精确地计算出缺陷的具体位置。同时，根据缺陷波及底波高度，进行对比，也将能够更好地确定缺陷的具体大小。通过改变入射波的方向、耦合的方式，实现对各种材料的科学探测。

3.2 超声穿透法

通过探测器将可以发出超声波，再由另一个探测器进行有效的接收。当超声波脉冲和连续波穿过钢轨时，会产生能量的波动，从而准确地检测出钢轨存在的问题。在使用的钢轨检验中，正确使用这种方法可以很好地发现缺陷。在超声波穿透方法中，通过两个探测器，可以同时接收信号，并且不会出现对应的盲区，由此将能够更大程度上进行薄壁探测。同时，该检测装置操作简单，可以实现连续的自动检测，并且还可以有效确保检测的速度。穿透法是一种单声程的声波传播，对于具有高衰减率的物质，可以采用这种方法进行探测。但是，对于常规的穿透方法，当超声波压力达到20%以上时，可以用探针来探测对应的缺陷，其敏感性比较低。在接收波形的基础上，可以根据波形的变化来判定缺陷的大小和范围，但由于波形不能直接反映缺陷的声程，也不能直接地反映出缺陷的位置。当缺陷比较小时，当声波产生绕射时，会影响到探测的灵敏度，因此需要再次进行反向探测。

3.3 超声衍射时差检测法

用T0FD测量的超声波衍射时差。利用超声绕射时差方法，在轨道的端角位置，利用超声波可以生成绕射回波，从而实现对缺陷的精确、高效的探测。一道射线射入障碍物的边缘，就会产生衍射，这是一种符合衍射规律的方法，因此，在入射射线和衍射射线的时候，它是对称的，在入射点的法平面上。同时，低能量、全方位是绕射波的重要基础特性。在T0FD探测技术中，在实际使用中，在被测点的两端，放置一对垂直方向的探头，其倾角、大小与频率等基本参数完全相同，从而可用于发射和接收探头。采用一种发射探测器将能够产生一种探测信号，该探测信号经过轨道的上部，最后传输到接收探测器，从而得到一种直接的波形；它是从轨道的下表面反射的，从而得到下表面的回波。如果轨道内部没有问题，则相关的接受探测器将会获得直接的、地面的回波。如果有缺陷，则由于缺陷尖端会引起超声的衍射，因此，接收探针也可以获得相应的上、下尖端的衍射波。

结语

总而言之，在主干线上，将形成以各类综合安全检测车辆、轨道检测车辆、人工轨道检测车辆为辅助性的轨道检测系统。与此同时，各部门也将陆续推出手推式轨道检测设备，并逐步向全数字方向发展，进而将能够有效确保整个轨道运行的安全性。

参考文献

[1]邵辉.大准铁路快速相控阵钢轨探伤技术研究[J].铁道建筑，2020，60（01）：112-115.

[2]李从祥，周利文.钢轨探伤车对中装置的优化设计[J].科技视界，2020（08）：82-83.