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1 近些年钢轨断裂造成的列车行车事故
时间 2001年3月18日 2007年10月17日 2009年4月7日
地点 美国爱荷华州
伦敦 河北野三坡
伤损情况
钢轨断裂引起列车脱轨，造成1人死亡96人受伤 钢轨断裂引发列车脱轨，造成4人死亡、70人受伤、
4人重伤
钢轨断裂导致6节车厢脱轨
同时，随着国家高速铁路和重载铁路的发展，钢轨受到挤压和冲击的程度越来越大，钢轨发生损伤的概率也在提高。因此，为保证高速铁路和重在铁路的运营安全性，钢轨裂纹检测成为铁路运营部门十分重视的事情。
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。
1 周期性检测技术
周期性检测技术就是定期对钢轨进行检测，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，周期性检测设备精确度高，能及时发现钢轨早期裂纹，以避免发生重大交通事故；但是它需要占用较多天窗时间。 1.1 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，如图1所示。通过人工手推进行钢轨损伤的检测，它耗费大量人力物力、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情况实时检测，不能适应于我国日益发展的高速铁路事业[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1 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，底波降低或消失[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年开始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余年的集成创新研究，发展了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，最高检测速度达到200 km/h，其自动分辨为：钢轨头部横向疲劳裂纹(核伤)，不小于直径5 mm平底孔当量；螺栓孔裂纹及腰部斜裂纹，长度不小于10 mm；钢轨纵向水平裂纹，长度不小于10 mm；探轮自动对中精度小于1 mm[2,5]。
图2 大型钢轨探伤车
该技术对检测钢轨疲劳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，浅表面裂缝（剥落）可能会遮掩钢轨内部存在的横向缺陷[7]。而且造价过高、维护要求较高，数量有限，检测时受轨面平整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（CN 102445495A）“双轨白动探伤系统”中提出了一种基础超声波的成本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劳裂纹（核伤）、螺栓孔裂纹、腰部斜裂纹和钢轨纵向水平裂纹等损伤。
南车洛阳机车有限公司的袁其刚等人在专利（CN 201882114U）“用于检测城市轻轨钢轨的探伤车”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座于前后转向架上，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，如图3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3 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。