张利丽
北京铁路局集团公司天津工务段 天津市 300000
摘要：钢轨内部伤损的实时检测能有效地降低事故发生的风险。近年来国内各铁路企业逐渐引进国外大型钢轨探伤车，超声检测技术能够实时地探查钢轨的内部状态，但受对中不良等因素制约，核伤漏检率高，无法适应国内重载铁路钢轨探伤需求。本文基于探讨了探伤车探测技术的应用和发展，如超声波探测技术的发展，包括导波检测基本原理，超声波波形分类及检测方法；提出相控阵钢轨探伤技术和综合智能检测系统的应用和推广，可较好兼容不同轨型或不同打磨量钢轨，提升了钢轨缺陷尤其是轨头核伤的检出率，节省了探伤成本。
关键词：钢轨探伤车；探测技术；应用
引言
铁路行业的快速发展具有重大的带动作用，对促进国家社会经济发展意义重大。截至2020年，我国高速铁路营业里程就超过2.9万公里，我国高铁和重载铁路的迅猛发展将对铁路基础设施提出了更高的要求。为顺应发展需求，2014年中国推出的“一带一路”倡导中，铁路是该倡导的重要内容，其中铁路计划长度为8.1万公里，新建铁路1.7万公里。在这一背景下，安全检测技术和设备的研制，对于我国铁路事业发展就具有现实而迫切的意义[1]。
铁路运输系统中，钢轨断裂可能引发列车脱轨或者倾覆。随着高速铁路的增加，钢轨负荷直线上升，导致钢轨损坏的可能性大增，传统的钢轨检测已经不能满足形势发展的需要。轨头、轨腰以及轨底角等部位的损伤具有一定的隐蔽性。此外，因热胀冷缩会导致钢轨表面或内部受损，最终可能造成重大安全事故[2]。
钢轨伤损一般采用无损检测的方法来进行检测。但目前的钢轨缺陷类型越来越复杂，如位于夹板内的螺孔裂纹或者轨头内部的核伤以及轨底角里口的轨底伤等，肉眼完全看不到，还有人为因素、环境影响、设备状态等原因导致无损检测时准确性不够，伤损复杂的结构和伤损角度各异都会导致难以准确对钢轨进行检测。
近年来随着铁路运营里程、速度、密度的不断增加，对钢轨的检测要求也进一步提高。钢轨在长期循环列车荷载作用及外部环境影响下，导致钢轨磨耗严重，产生疲劳伤损，甚至出现折断等现象，极易导致列车脱轨等重大安全事故，因此做好钢轨检测，实现实时、高效的维护管理具有重大意义[3]。
一、国内外探伤车对比
钢轨探伤车按作用原理划分包括超声波型和电磁型。但电磁钢轨探伤车由于精度差，已渐渐退出了市场，目前主要应用的是超声波钢轨探伤车。
（一）国内探伤车
现阶段全国铁路快速发展，为提高检测效率，铁路线路已大量使用从西方进口的先进钢轨探车，使用效果显著。经过统计各铁路公司使用情况和数据发现，大型钢轨探伤车在现场实际运用中对普通类型伤损检出率基本能够保持70%?80%之间，但对于重载线路钢轨轨头核伤误差较大，因此，很多路局还是采用传统的人工探伤方法，探伤车只是作为辅助方式，主要存在的问题有：
1.对中效果不佳
在探伤时，探轮会由于跳动和晃动，引发对中不良现象。根据探伤车的作用原理，探头一般是利用二次波进行核伤。如果声束因扭曲发生变化，导致无法覆盖到钢轨各个区域，很容易造成核伤漏检情况的发生。
2.兼容性差
重载铁路这种钢轨轨颚倾角保持在18.4°左右，为确保探测的准确性，探头要配合不同角度，以适应不同的情况。但有的探伤车探头属于固定装置，无法灵活调整，导致探测能力不佳。而检测75 kg/m钢轨时，二次波不能有效覆盖全部区域，造成失误[4]。
3.检测速度受限
我国大多数探伤车都采用轮式探头，超声波声程有其规律性，一般由一次波或二次波组成。根据公式计算得出37°通道的最大声程。为防止2次超声波的邻近影响，减少误报和漏报，超声波发射间隔要不小于 250毫秒，并且扫查间距不大于6mm。所以，轮式探头最大检测速度为86. 4 km/h，无法满足探伤车作业的标准检测速度的要求。
4.信号易串扰
探轮内部构造复杂。耦合液会因为强烈摩擦并出现发热，当耦合良好时，声束较少信号稳定。当耦合不佳时，声束增多从而形成干扰；当探伤速度发生突变时，声束没有足够衰减时间，导致幻影波形成干扰[5]。
（二）国外探伤车
目前钢轨探伤车虽然品种较多，但一般可分为滑靴式、轮式和皮带轮式3种。
滑靴式钢轨探伤车不适用于普通线路。轮式钢轨探伤车虽然包裹性较好，但存在对中不良的弊端。瑞士 Speno公司对于滑靴式探伤车研发颇有心得；且最新推出了轮式钢轨探伤车，该探伤车对中良好，实现探伤效果较好。
目前，世界主流的钢轨探伤车大多采用传统的超声波方式，但由于检出率不高，漏检率较高。因此，难以符合我国重载铁路发展的需求。
二、探伤车探测技术的应用和发展
在钢轨内部伤损检测方面，传统的人工物探方法正逐渐被其它检测方法所取代。目前国内外常见的钢轨无损探伤技术主要为超声波无损检测，它被普遍应用于我国多条复杂铁路线路的日常巡检，该技术能够在不破坏被检设施的前提下对钢轨内部进行探查，具备操作安全、测量精度高等优点，便于钢轨内部伤损信息的高效和实时获取。
对于探伤车探测技术国内外科学家展开了大量的研究。Sun建立了用于钢轨检测的实时光声成像系统。Di和Rizzo等使用超声波技术，进行高速伤损识别检测。李骏使用支持向量机提高超声波检测效率。Vipparthy为了确定超声波信号的正确可靠性，研究了一种适用于缺陷检测的信号处理方法，验证了钢轨表面裂纹和螺孔伤损情况的预测结果的准确性。
下面重点探讨了超声波探测技术、相控阵沉没技术以及人工智能分析技术的应用和发展。
（一）超声波探测技术
1.导波检测基本原理
超声波导波是一种弹性波，该波可以沿着材料表面某些方向或结构传播，具有受不连续界面多次往复反射的特点，最终形成超声导波。
体波以相应的特征速度在媒介中传播，超声波导波则是一种具有不同传播状态的机械弹性波。典型的波导包括各种复杂形态和结构。
当检测钢轨时，通过捕获分析信号来确定钢轨中是否存在缺陷。超声波导波的频率一般不超过500kHz，所以它引发的传播衰减比较低，检测效率高。在铁路探伤检测领域中主要以超声波原理为基础，所以针对钢轨超声检测的基本理论就需要进行深入研究。
2.超声波波形分类及检测方法
超声波是波的一种，根据超声波的传播特征来分主要分为横波、纵波两种，传播方向与介质的振动方向垂直时，称其为横波，传播方向与介质振动方向平行时将其称为纵波。
超声波在进行检测时，在伤损表面会形成两种不同的介质面，进而可以判断出伤损的位置。超声波的探伤原理主要包括脉冲反射法、共振法以及穿透法三种。
（1）脉冲反射法
脉冲反射法是通过各角度超声探头发射超声波并进入到被检测物体，由超声探头接收反射回来的类尖脉冲波形的检测方法。脉冲反射法能精确判断伤损出现的位置和伤损的大小。
（2）共振法
在对被测物体检测时，共振法通过不断调节超声波的频率使得超声波的频率能与被检测物体的固有振动频率相等进而进行检测。可以计算出被检测物体的厚度。该方法的检测精度比较高，但是对被检测物体表面的粗糙程度有比较高的要求[6]。
（3）穿透法
穿透法的工作原理为在被检测物体两侧放置两个超声波探头，一端的超声波探头发射出的超声波进入物体内部后，另一端超声探头接收超声波，根据接收到的超声波强度来进行定性分析。如果接收到的超声波信号强度高，则被检测物体没有伤损时；而当被检测物体存在伤损时，则会导致接收到的超声波信号强度较低甚至完全接收不到信号。但该方法不能对伤损的位置信息作出描述。只能用于薄片的伤损检测。
因为超声波具有传播稳定、覆盖范围广的优势，目前，大量的钢轨探伤车使用其作为钢轨常规检测的技术，超声波采用脉冲反射的方式，检测钢轨的内部损伤，但有些地方不可避免存在盲区，或者信号受到外界干扰严重扭曲，影响检测结果。目前，只能借助于手推式小型探伤仪进行人工探伤，但手推式小型探伤仪扫查效率较低，难以得到钢轨的全面损伤信息，且超声检测的方法对轨腰、轨底等地方的损伤不敏感，用以实现全里程检测，它的准确性不够，如应力、微裂纹、核伤的分析与判断等无法进行科学的维护和管理。所以，新型的钢轨结构状态监测仪器设备对于列车安全运行意义重大，具有重要实用价值，有助于我国铁路轨道健康监测技术的可持续发展。
（二）相控阵钢轨探伤技术
相控阵超声波探伤技术快速发展，该技术适用性好，灵活性更好，准确率高，广泛运用于铁路车轮等探伤领域。
2015年，大型钢轨探伤车在瑞士Speno公司研发成功，但因为和我国在线路主要检测缺陷类型等方面不同，该探伤车没有引进我国。其后，我国自行研发了新型相控阵钢轨探伤车，可同时满足不同型号的有缝、无缝钢轨探伤需求，解决现有钢轨探伤因对中不良等问题[7]。
经理论和试验验证，为保证检测效果最佳，检测75 kg/m钢轨时最佳偏转角为 11.2°，使用相控阵超声波探伤技术可满足现实中的检测需求。
目前普通相控阵技术可以通过生成多个声束，以实现钢轨轨头全覆盖检测，但探伤速度比较慢，但快速相控阵技术可以产生多个不同角度声束，具有检出率高、兼容性好、探伤效率显著等优势。快速相控阵技术探伤车检测速度可达80 km/h及以上。按检测速度80 km/h计算，预计年节省成本600万元以上。此外，一套相控阵系统即可满足不同需求，附加价值巨大，此系统还可辅助人工探伤，进一步缩短探伤时间。
（三）综合智能检测系统
1采集装置
采用GCT-8C钢轨探伤仪进行数据采集，执行TB/T 2340*2012《钢轨超声波探伤仪》，该仪器共有9个探测通道：其中70°探头通道用于检测钢轨轨头的核伤，37°探头通道用于检测螺孔裂纹、轨底横向裂缝以及特殊位置的水平裂纹，0°通道用于检测钢轨中的水平裂纹。该仪器采用的检测方式为A型检测和B型检测，各个通道的A型脉冲和B显图像用不同颜色分开。其中，B图像每个像素点代表物理尺寸的水平3 mm和垂直1 mm，具有较高的垂直分辨率。由于70°通道在螺栓接头位置处，故将6个通道的图像拉开一定的距离以便观察。
2.B显图像
目前钢轨探伤工作在传统A型探伤基础上越来越倚重于B 型探伤。原因是：①B显图像方便技术人员客观地识别和判断伤损信息；②B型探伤具有一定的显示延迟性，2 m以内的B显图像不会消失，极大地提高了处理效率；③B显图像便于储存，与普通图像相比，采用基于B型探伤采集到的B显数据进行伤损识别。
B显其中纵坐标代表声波传播的时间，从而更好地了解钢轨横截面的伤损状况，方便获取断面图。
将B显图像划分为五个区域，超声探头在各区域的分布角度和通道颜色（单色成像和组合色成像）也表现出明显的不同。ABCD区域的伤损均通过组合色成像显示，其中AB区域由70°通道的 6 个探头颜色组成；E 区域由 37°通道 的H探头的颜色显示。结合分布规律，规定落在AB区的伤损判定为轨头核伤，落在E区域的伤损判定为轨底裂缝，完整的空白区域为无伤损的正常轨道状态。
3.数据标定
采用钢轨探伤仪实地采集了三段钢轨的B显图像数据，基于TB/T 1778—2010 《钢轨伤损分类》中规定的铁路钢轨各种伤损的分类等，根据获得的 B 显图像中伤损的颜色特征及分布规律，可获得轨头核伤、轨底裂缝、和正常等标签，见表1-1。
表1-1钢轨伤损分类与对应B显图像
伤损类型 特点 B显图像
轨头核伤 细小裂缝横向扩展成核伤，使钢轨发生突然脆 断，是对行车威胁最大 的一种钢伤损。
轨腰裂缝 包括轨腰的水平、垂直 （纵向）或鼓包等裂缝， 以及轨腰螺栓孔裂缝。（与列车冲击荷载及制造工艺有关）
轨底裂缝 包括轨底坑洼（或划痕） 发展形成的轨底横向裂 缝;轨腰纵向裂缝向下发展形成的轨底裂缝;焊接工艺不良造成的轨底横向裂缝。
钢轨连接处 钢轨间连接时（螺栓连接和焊接）产生的人为伤损。
正常 无伤损
结语
本文针对国内外探伤车对比，探讨了探伤车探测技术的应用和发展，如超声波探测技术的发展，包括导波检测基本原理，超声波波形分类及检测方法；相控阵钢轨探伤技术和综合智能检测系统，提出了相控阵钢轨探伤技术和综合智能检测系统形成优势互补，实现了对钢轨表面和钢轨内部各个角度的检测，解决了即时大容量数据拥塞的问题，解决准确性低等问题，提高检测效率，大大减少人工作业量，对促进我国高速铁路健康发展意义重大。
参考文献
[1]贺晓玲, 郭芳. 5G技术在铁路工程智慧工地的应用研究[J]. 铁路计算机应用, 2021, 30(5):19-22.
[2]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, 060(001):112-115.
[3]刘增旭, 邓国兵, 敬国民. 浅谈锚杆无损检测技术在铁路工程中的应用[J]. 建材与装饰, 2020(3):239-240.
[4]赵国堂. 中国高速铁路通用建造技术研究及应用[J]. 铁道学报, 2019, 41(01):93-106.
[5]许军, 董晔. GTC-80型探伤车对轨头伤损的检测能力分析[C]// 中国铁道学会材料工艺委员会、工务委员会2018年钢轨使用技术学术交流会论文集. 2018.
[6]任松斌. 大型钢轨探伤车在朔黄铁路的运用[D]. 石家庄铁道大学, 2017.
[7]许军, 董晔. GTC-80型探伤车对轨头伤损的检测能力分析[C]// 中国铁道学会材料工艺委员会、工务委员会2018年钢轨使用技术学术交流会论文集. 2018.