嵌入式轨道钢轨伤损检测方法

嵌入式轨道钢轨伤损检测方法目录1、钢轨伤损..................................................................................................................31.1常见钢轨伤损..................................................................................................31.2钢轨伤损的处理.............................................................................................61.3钢轨伤损及大修周期预测..............................................................................62、钢轨伤损检测..........................................................................................................62.1钢轨伤损检测手段..........................................................................................72.2我国目前钢轨伤损检测现状..........................................................................73、嵌入式轨道钢轨伤损检测......................................................................................83.1嵌入式轨道钢轨特征......................................................................................83.2将现有技术应用于嵌入式轨道钢轨伤损检测的可行性..............................83.3对嵌入式轨道钢轨探伤的注意事项............................................................101、钢轨伤损钢轨是作为一根支撑在连续弹性基础或点支撑的无限长梁进行工作的。它主要承受轮载作用下的弯曲应力，同时还要承担轮轨接触点上的接触应力，以及轨腰与轨头或轨底连接处可能产生的局部应力和温度变化作用下的温度应力。在轮载和温度力的作用下，钢轨产生复杂的变形，如压缩、伸长、弯曲、扭转、压溃、磨耗等。正是在这些复杂作用下钢轨会发生伤损。钢轨伤损又称钢轨失效是指钢轨发生折断、裂纹或其他影响和限制钢轨使性能、危及行车安全的情况。1.1常见钢轨伤损在役钢轨在运用中发生的伤损主要可分为：钢轨冶金质量和表面缺陷引起的伤损；无缝线路焊接接头的伤损；有缝线路钢轨接头和螺栓孔裂纹伤损；曲线线路钢轨的伤损；淬火钢轨的伤损；接触疲劳伤损；其他情况伤损。伤损的原因不同，相应的伤损状态也不尽相同。分析伤损的目的是为了防止伤损的再次发生。钢轨伤损情况较多，下面对一些常见的情况进行举例。轨头磨耗是钢轨与车轮接触式轨头表层金属发生磨损和塑性变形，使轨头断面的几何形状发生变化。轨头磨耗伤损主要有曲线钢轨轨头磨耗以及直线钢轨的交替不均匀侧面磨耗。图1轨头严重磨耗轨头压溃是指钢轨全长轨头踏面表面金属发生塑形变形，踏面被碾平，轨头两侧出现不同程度的辗边。同时，轨头压溃还会伴随出现明显的剥离裂纹和浅层状的剥离掉块等接触疲劳伤损。图2钢轨压溃断面波浪磨耗是指钢轨轨头踏面沿长度方向出现周期性的不均匀塑性变形和磨耗，使钢轨全长呈现波浪形状的不平顺。波浪磨耗的波谷有明显的塑性变形，使踏面辗宽或出现辗边，轮轨接触光带变宽。波峰处的踏面塑性变形小于波谷，光带较窄。图3波浪磨耗示意图轨头踏面在轮轨接触应力作用下形成沿钢轨全长密集分布的表面裂纹称为轮轨接触疲劳裂纹，又称剥离裂纹。剥离裂纹在疲劳扩展过程中发生的掉块成为剥离掉块。剥离裂纹发展为轨头横向疲劳裂纹或导致钢轨横向疲劳断裂时，称为核伤。图4鱼鳞状剥离裂纹和掉块图5由剥离掉块引起横向疲劳断裂钢轨内部裂纹是指钢轨内部的制造缺陷在运行载荷的作用下形成和扩展的疲劳裂纹或脆性裂纹。图6热处理缺陷引起的纵横裂核伤闪光焊接头踏面伤损主要表现为接头区域踏面局部压陷、表面裂纹和碎裂掉块。其伤损主要与焊后热处理质量有关。轨头硬度偏低时将在踏面形成表面裂纹、局部碎裂和掉块。图7焊缝处踏面压陷和辗边焊接接头内部存在灰斑夹杂、疏松、和马氏体组织等缺陷都有可能形成裂纹并发生横向断裂。图8疏松引起的钢轨断裂1.2钢轨伤损的处理根据伤损的宏观形貌特征，伤损起始位置、伤损发展过程以及发展规律，结合伤损原因对伤损进行分类。具体钢轨伤损分类可以详见《TB1778-2010钢轨伤损分类》。钢轨伤损程度不同所采取对应的处理措施也不同。《铁路线路修理规则》对出现不同钢轨病害时的处理措施已经作出明确规定。图9钢轨生命周期图1.3钢轨伤损及大修周期预测钢轨伤损是一个随着列车通过逐渐积累的一个过程，因此钢轨的伤损状态可以通过运量进行预测，从而确定合理的换轨周期。北方交通大学在上世纪80年代就利用威布尔概率分析，建立了钢轨疲劳失效概率和运量之间的关系，为钢轨疲劳寿命和伤损趋势的预测提供依据。基于威布尔模型，他还分别对钢轨平均寿命、可靠度寿命及伤损趋势和线路大修周期钢轨剩余寿命及其可靠度进行了预测。合理的预测钢轨伤损发展状态和换轨大修周期可以有效降低维护成本2、钢轨伤损检测由于钢轨伤损的存在将影响旅客乘车的舒适性，严重还将会影响列车运行安全，因此有必要掌握钢轨伤损状况，及时对伤损进行处理避免危机行车安全。钢轨的伤损在钢轨表面和内部都有分布，有些仅从视觉上是无法判断，并且人工判断起来效率低下，不能满足铁路需求，所以应当发展相应的机械，对钢轨进行快速伤损检测。2.1钢轨伤损检测手段传统钢轨检测方法采用人工查看和敲打听音等方法，不仅检测效率低，还需大量的实践经验。随着无损检测技术的发展，人们开始把多种无损检测(NDT,Non-DestructiveTesting)方法应用于钢轨检测，取得了很好的效果并已广泛应用于实际检测中。目前，钢轨无损检测的主要方法有射线检测、超声检测、电磁检测等。（1）射线检测(RT,RadiographicTesting)是利用射线对不同密度的物体有着不同透过能力的原理来实现的。由于透过有缺陷部位的射线强度高于无缺陷部位，因此可以通过分析透过试件后射线的差异来判断被检测材料中是否存在裂纹等缺陷。目前主要采用的是射线照相法，它用感光胶片检测射线强度来实现缺陷的判断。由于设备复杂、不易实现在线检测等原因，该方法不适于轨道在线检测，而主要应用于钢轨生产加工时的前期缺陷检测。（2）超声检测(UT,UltrasonicTesting)是目前广泛应用的钢轨无损检测方法，主要原理是利用超声波在试件中的传播和反射特性来实现缺陷的检测。超声检测精度较高，但对环境要求很高而且检测过程复杂；与此同时，由于超声波在空气中衰减很快，为使返回信号有足够大的信噪比，需在探头与试件间加入耦合剂，如纯水等。由于耦合需要一个过程，这极大限制了超声检测速度的进一步提升，从而限制了压电超声法在高速钢轨检测上的应用。（3）电磁检测(ElectromagneticTesting)主要有涡流和漏磁检测两种。其中涡流检测(ET,EddyCurrentTesting)是根据法拉第电磁感应原理，利用变化的磁场或做切割磁感线运动的金属导体中感应出的电流来实现检测。由于涡流形成的条件，涡流检测具有趋肤效应，即涡流密度的分布随离开导体表面的距离呈指数衰减。因此，涡流检测只能探测表面和近表面的缺陷，且很难实现缺陷的定量分析，从而限制了它的应用范围。（4）漏磁检测(MFL,MagneticFluxLeakage)利用铁磁性材料的高导磁率特性，缺陷处会产生泄漏磁场，通过检测泄漏磁场来实现对缺陷的判断。由于漏磁检测无需耦合剂、检测方法简单、灵敏度高、可实现缺陷的初步量化、易实现在线检测等优点，目前已广泛应用于钢管、钢板、钢丝绳等铁磁性材料的缺陷检测中，为实现高速钢轨检测提供了一种有效的途径。2.2我国目前钢轨伤损检测现状目前我国钢轨仍以人工检测为主、大型钢轨检测车为辅的综合检测方法。人工检测法主要采用基于压电超声（PU,PiezoelectricUltrasonic）原理的手推式检测小车来实现。探伤小车成本较低，使用灵活，但检测速度仅为2~5m/s，且需要多个探伤人员协同工作，效率低下，已越来越不适应目前高速铁路发展的要求；与之相比，大型钢轨检测车可实现高速、自动化操作，能极大提高钢轨的检测效率。目前的大型钢轨检测车主要还是利用传统的压电超声原理，需要在检测仪器和钢轨间加入耦合剂后才能实现有效检测，极大限制了压电超声方法在高速自动化检测中的应用。目前一些新的超声波检测技术得到了快速发展，比如激光超声技术、相控阵列超声技术、电磁超声技术、超声导波技术等。3、嵌入式轨道钢轨伤损检测3.1嵌入式轨道钢轨特征嵌入式轨道作为一种新型轨道结构形式，相应的它的钢轨与传统所见到的钢轨存在着一定的差异。这种差异主要体现在两个方面，一是钢轨受力特征发生了变化，另外一点是钢轨周围介质发生了变化。嵌入式轨道采用无扣件系统连续支承方案，钢轨通过楔形块和降噪块方案进行固定，整体灌注高分子材料以达到减振降噪目的，结构布置图如图10所示。传统有扣件轨道结构中钢轨的受力为点支撑模型，这样钢轨的受力形式就会发生变化，随之钢轨的伤损状况也会发生变化。另外，传统的钢轨的轨腰和轨底都是暴露在空气中的，而嵌入式轨道结构钢轨的轨腰、轨底都被高分子材料填充，这使得钢轨周围介质发生了变化。（a）楔形块方案（b）降噪块方案图10无扣件系统钢轨连续支承方案3.2将现有技术应用于嵌入式轨道钢轨伤损检测的可行性钢轨探伤根据钢轨是否安装可以分为新钢轨探伤和在役钢轨探伤两种情况。嵌入式轨道结构所使用的钢轨与普通钢轨完全相同，所以在新轨探伤方面，嵌入式轨道结构所使用的钢轨与传统钢轨完全一致，现有的钢轨探伤技术也是适用的。图11新钢轨超声波探伤方法在役钢轨探伤又可分为母材探伤和焊缝探伤。母材探伤主要检查各种疲劳缺陷，其中最主要的轨头核伤和其他方向的裂纹，另外还包括一些漏检的材质缺陷。在役钢轨处于铺设状态超声波探伤只能从踏面进行。由于缺陷类型、位置、取向等有很大区别，因而需要多只探头或多种方向的声束进行扫查。常规做法是用70°探头探测轨头核伤，用37°(37°-45°间其他角度)探头探测螺孔裂纹和其他部位的斜裂纹，而用0°探头探测水平裂纹和某些材质缺陷。图12核伤探测图13螺孔裂纹及其他斜裂纹检测图14钢轨探伤小车探伤方式钢轨焊缝或焊接接头是线路最薄弱环节，加强对焊缝区域探伤是减少断轨、确保运输安全最简单最直接最有效的技术措施。在役焊缝探伤以探测疲劳缺陷为主，同时也要探测新轨焊缝探伤时遗漏的缺陷。为对钢轨焊缝进行全面探查，一般将焊缝划分为4个区域，以采用不同方式进行扫查。1区轨头及其延伸部分，一般采用串列式进行扫查，2区轨底部分一般采用K型扫查，3区轨底角部分一般用单探头进行扫查，用一次波扫查轨底角下部，用二次波扫查轨底角上部，4区轨头部分可以从轨头两侧用K型方式进行扫查，也可用70°按探测核伤的方式进行单探头法进行扫查。图15钢轨焊缝分区扫查3.3对嵌入式轨道钢轨探伤的注意事项嵌入式轨道结构的钢轨的轨头外侧、轨腰、轨底被高分子材料包覆。由于高分子材料与钢轨声传播速度存在差异，在超声波探伤时，钢轨的反射界面依然明显。但钢轨与高分子材料都为固体，声传播速度