内蒙古集通铁路（集团）有限责任公司锡林浩特综合维修段 内蒙古自治区锡林浩特市 026000
摘要：钢轨作为铁路轨道的主要组成部分，直接与列车相接触且负载着列车的重量载荷，难免会因外界因素的影响受到伤损。当钢轨伤损达到一定严重程度时便有可能导致列车出现运行安全问题，关乎到旅客的生命安全，基于此，本文对铁路钢轨缺陷伤损巡检与监测技术进行了详细论述。
关键词：铁路钢轨；缺陷伤损；巡检；监测
随着我国铁路的迅速发展，铁路运输成为了我国运输行业中使用最为广泛的交通工具。而钢轨作为轨道的主要部件之一，直接承受车轮荷载并将其传于轨枕。由于钢轨本身的材质和结构的原因，以及在动载荷的作用下钢轨产生的疲劳，钢轨将发生各种伤损，这些伤损的存在，不仅会影响列车的高速平稳运行，且当伤损积累到一定程度时，将大幅降低和削弱行车安全性。因此，对铁路钢轨缺陷伤损进行巡检、监测具有重要意义。
一、钢轨概述
钢轨是铁路轨道的主要组成部件，其功用在于引导机车车辆的车轮前进，承受车轮的巨大压力，并传递到轨枕上。钢轨必须为车轮提供连续、平顺和阻力最小的滚动表面。在电气化铁道或自动闭塞区段，钢轨还可兼做轨道电路之用。
二、铁路钢轨缺陷伤损检测和巡检
1、超声及相控阵检测技术。超声检测利用超声波的反射、衍射、透射等特性，通过观察超声波在被测工件中的波形、回波、声速、衰减及共振等传播变化来判定被测工件的内部是否存在缺陷等。常规超声技术已广泛用于钢轨内部缺陷检测，其穿透能力强、缺陷定位准确、对工件内部平面型裂纹检测灵敏度高，易于实现自动化扫描巡检。但常规超声需耦合剂充填满探头与被测件表面间的空隙，对复杂形状和不规则外形工件检测困难，对钢轨顶面表面及近表面疲劳伤损不能有效检出和评定。特别是靠近轨距角的水平方向纵向延伸的缺陷会对超声波产生反射作用，阻碍声束入射，致使不能探测到埋藏在其下面的危险性裂纹，存在明显的检测盲区，对距离被测件表面深度小于4mm的缺陷会出现漏检。此外，超声相控阵全聚焦成像技术基于全矩阵数据进行虚拟聚焦，具有精度高及算法灵活的特点，对形状复杂的缺陷检测较有效。目前，多探头超声检测系统逐渐被超声相控阵系统所替代，新的自动超声检测系统由一对相控阵探头能完成大量的常规探头承担的任务。
2、电磁超声检测技术。利用电磁耦合方法激励和接收超声波，与传统超声检测技术相比，具有精度高、无需耦合剂、非接触式测量、检测速度快等优点。处于交变磁场中的金属导体内部产生电涡流，由于任何电流在磁场中受到洛伦兹力的作用，而金属介质在交变应力作用下产生频率在超声波范围内的应力波。由于此效应呈现可逆性，返回声压使质点的振动在磁场作用下使涡流线圈两端电压发生变化，通过接收装置接收并放大该检测信号来分析缺陷的信息。
3、激光超声检测技术。利用激光激发和检测超声波的一种非接触式无损检测技术。激光脉冲产生的声波波长只有几μｍ，可检测材料内部微小缺陷。激光超声技术作为一种非接触无损检测方法，能在恶劣环境下对材料进行高精度无损检测。对形状复杂的工件而言，激光超声技术能在一次激发中产生多种模式的超声波信号，可应用于对钢轨等部件的微裂纹实时检测。
4、涡流检测、脉冲涡流与远场涡流。由于常规超声技术存在表面检测盲区，基于电磁原理的涡流检测方法被提出用于钢轨表面和近表面缺陷检测。涡流检测利用交变磁场在被测导电工件中产生旋涡状的感应交变电流，被测件电导率、磁导率、有无缺陷及缺陷尺寸形状等影响电涡流的分布和大小。通过探测线圈测量电涡流引起的磁场变化获取被测件中涡流的分布、大小和相位等信息，进而获得被测件的电导率和缺陷特征。
电涡流检测为非接触测量，可进行高速巡检，但具有集肤效应仅能检测导电材料的表面和近表面结构状态。另外，涡流检测受提离变化影响大，检测探头与被测钢轨表面的距离需尽量保持固定。
脉冲涡流检测是利用脉冲激励信号在被测件中感应出瞬态涡流。检测单元会感应出随时间变化的电压，通过分析该瞬态涡流频率变化，来实现试件的不同深度缺陷检测、属性表征和状态评估。该技术具有丰富的频谱内容，能实现不同深度缺陷的检测与识别，检测速度快，非接触式检测等优势。
远场涡流对实现钢轨深处缺陷的非接触快速巡检提供了一种潜在的方法。随着脉冲涡流、远场涡流等新型检测方式的发展，涡流在铁轨检测中已被重视。
5、漏磁检测、交变磁场测量。铁磁材料被磁化后，试件表面或近表面缺陷会使磁导率发生变化，导致磁路中的磁通和磁感应线流向改变，部分磁通泄漏到工件表面通过空气绕过缺陷再进入材料形成漏磁场。漏磁检测通过磁传感器获取漏磁场信息，实现钢轨表面及近表面缺陷检测。交变磁场测量法（ACFM）通过测量工件表面感应磁场的变化进行材料缺陷检测，可实现缺陷的准确定位和测量，具有非接触式检测优点。此外，将集成传感和智能机器人技术结合ACFM技术也开始出现在钢轨缺陷检测与量化评估中。
6、涡流脉冲热成像。涡流脉冲热成像（ECPT）基于电磁学中的电涡流和焦耳热现象，运用红外热像仪获取导电试件在脉冲电涡流激励下因焦耳热现象引起的温度场分布和传导，并通过多热图的分析处理来检测缺陷。该技术融合了脉冲电涡流和红外热成像的技术优势，相较于其他红外热像法，ECPT使用脉冲电磁激励具有电、磁、热多物理时空特性和丰富的瞬态信息，空间分辨率和对近表面深度缺陷的检测灵敏度高。ECPT感应加热热量集中在缺陷处，增加了缺陷和非缺陷区域的温度对比，提高了信噪比和微小缺陷的检测灵敏度。
采用ECPT技术对钢轨表面及近表面疲劳多裂纹和微缺陷损伤进行检测实验，实验数据能有效呈现多裂纹疲劳损伤的分布、尺寸、数量等信息。针对疲劳多裂纹缺陷损伤，将缺陷漏磁场成像与基于ECPT技术的的热成像结果对比研究，结果表明基于多物理效应的ECPT技术对典型的钢轨疲劳多裂纹成像检测分辨率更高，缺陷的几何和分布信息更丰富。将漏磁或ACFM检测的磁轭激励结构与ECPT技术进行融合，提出基于磁轭激励结构的均匀感应加热和开放式成像方法，能实现铁磁性材料表面多方位裂纹损伤的可视化，且消除了原来ECPT方法激励线圈对成像的遮挡作用。相比于ACFM和漏磁技术，基于多物理效应的ECPT感应热成像方法在多裂纹微小缺陷可视化检测方面分辨率更高，对复杂缺陷的定性及量化识别具有较大的优势。
7、MBN检测。MBN检测技术在铁磁材料残余应力、材料疲劳老化状况评估方面得到较多研究和应用。其原理是通过研究铁磁性材料磁化中磁畴翻转造成的磁或声发射的信号特征，反应材料微观结构和应力分布等特性。MBN检测技术可检测铁磁材料的应力及疲劳，剥离和细小裂纹等微观组织结构。其优势在于：①MBN检测是铁磁材料微观结构的一种本质反映，能描述钢轨形变等受限条件下铁磁材料内部应力情况；②MBN检测是一种电磁无损检测技术，可用于应力的非接触检测；③根据MBN产生机理，MBN检测技术不仅能检测应力大小，还能检测铁磁材料疲劳寿命和细小裂纹等微观组织结构。
总之，列车在钢轨上行驶时，日积月累，便会使钢轨表面产生缺陷，表现为轨面磨损、剥离、波浪磨损、纵横裂型核伤等现象。因此，为了铁路更加安全、快速地行驶，同时增加乘客的安全感与舒适度，对钢轨缺陷进行检测显得极为重要。
参考文献：
[1]刘启跃.铁路钢轨损伤机理研究[J].中国机械工程，2015（18）．
[2]田贵云.铁路钢轨缺陷伤损巡检与监测技术综述[J].仪器仪表学报，2016（08）.