在役鋼軌淺表層傷損快速檢測技術

熊龍輝, 劉秀波, 劉慶偉, 張玉華, 石永生

（1.中國鐵道科學研究院 研究生院, 北京 100081；2.中國鐵道科學研究院集團有限公司 基礎設施檢測研究所, 北京 100081；3.漯阜鐵路有限責任公司, 河南 周口 466000；4.中國國家鐵路集團有限公司 鐵路基礎設施檢測中心, 北京 100081；5.南京航空航天大學 自動化學院, 江蘇 南京 211100）

0 引言

鐵路在國民經濟發展中扮演著重要角色, 在社會發展中具有特殊意義[1］。鋼軌是鐵路基礎設施關鍵部件之一, 鋼軌在服役過程中, 長期受到列車輪對擠壓、摩擦和碰撞, 容易產生傷損。鋼軌傷損主要包括內部及淺表層傷損2類, 淺表層傷損是誘發內部傷損的主要因素之一。通過在役鋼軌淺表層傷損快速檢測技術可以準確評估其損傷程度, 適時進行鋼軌維護修理, 將有效降低鐵路鋼軌維護成本, 并減少因鋼軌淺表層傷損發展而形成的鋼軌斷軌事故, 保障鐵路行車安全。

鋼軌淺表層傷損檢測技術已經發展了百年, 其中車載快速檢測技術主要包括視覺和渦流檢測2類, 國內外都有相應研究和應用。我國鋼軌淺表層傷損快速檢測技術與國外先進技術相比仍存在一些差距, 通過鋼軌淺表層傷損類型、相關檢測技術和應用情況等幾個方面進行分析, 提出鋼軌淺表層傷損檢測技術的發展方向。

1 傷損類型

鋼軌淺表層傷損根據形成原因可分為鋼軌外傷、輪軌接觸疲勞、鋼軌磨耗和銹蝕等[2］。鋼軌外傷常見傷損有擦傷、硌傷、碰傷和劃痕等。輪軌接觸疲勞導致的常見傷損有魚鱗紋、隱傷、掉塊等。鋼軌磨耗常見傷損有鋼軌垂磨、側磨、波磨等。

1.1 擦傷

鋼軌擦傷為鋼軌常見病害形式之一（見圖1）, 高速鐵路鋼軌擦傷影響軌道的平順性, 使得輪軌沖擊力急劇增大, 從而可能使鋼軌結構破壞。擦傷嚴重時在車輪反復作用下可能形成鋼軌橫向裂紋[3］?！陡咚勹F路鋼軌打磨管理辦法》規定：鋼軌頂面連續或多處擦傷深度不大于0.5 mm時使用打磨車打磨, 深度大于0.5 mm時使用打磨車打磨或銑磨車銑磨[4］。

圖1 鋼軌擦傷

1.2 硌傷

鋼軌表面硌傷在輪軌反復作用下, 會發生疲勞破壞, 進而可能發展成鋼軌核傷。因此, 需要對鋼軌硌傷及時識別和處置, 防止硌傷發展形成裂紋、掉塊和核傷（見圖2）。

圖2 鋼軌表面硌傷

1.3 魚鱗紋

輪軌接觸疲勞在鋼軌軌距角處容易形成魚鱗狀裂紋, 通常稱為魚鱗紋（見圖3）。魚鱗紋嚴重時會影響超聲波內部傷損檢測, 需要及時現場確認。在速度等級大于160 km/h的線路, 剝離掉塊的長度超過25 mm且深度超過3 mm即判為重傷。

圖3 魚鱗紋

1.4 隱傷

輪軌接觸疲勞在鋼軌踏面容易形成斜線狀剝離裂紋, 該裂紋在輪軌力作用下會產生踏面橢圓形凹陷, 同時伴有V形裂紋, 且裂紋隨著輪軌作用力的疊加不斷擴展, 通常稱為隱傷（見圖4）。鋼軌踏面隱傷一旦形成, 會對軌道平順性、高速列車運行平穩性造成不利影響, 嚴重時導致鋼軌斷裂, 從而危及行車安全。

圖4 隱傷

1.5 鋼軌磨耗

鋼軌磨耗是輪軌接觸時鋼軌接觸部位表面金屬發生磨損和塑性變形, 從而導致鋼軌斷面發生變形。在速度等級大于160 km/h的線路, 鋼軌垂磨大于10 mm或側磨大于12 mm即判為重傷, 鋼軌磨耗不僅影響超聲波聲束的入射及檢測時的探輪對中, 還會影響輪軌關系。

2 檢測技術

在鋼軌無損檢測領域, 國內外大量學者研究了超聲波、電磁、光學、熱成像、射線、滲透等不同物理原理檢測技術, 此處主要對在役鋼軌淺表層傷損常用檢測技術進行分析。

2.1 超聲波檢測

鋼軌超聲波檢測技術主要包括傳統超聲波檢測技術和超聲波相控陣檢測技術2類。

（1）傳統超聲波檢測技術。超聲檢測基于超聲波進入被測物體后, 通過接收器觀察超聲波在被測件中的反射信號, 從而判定被測件內部的缺陷位置和大小等。超聲技術的穿透能力較強, 對鋼軌內部的平面型裂紋缺陷定位準確且檢測靈敏度高。但超聲技術存在表面檢測盲區, 難以檢測淺表層疲勞裂紋。另外, 鋼軌淺表層疲勞裂紋可能阻礙超聲波入射到被測件內部, 會對疲勞裂紋下的內部缺陷檢測帶來不利影響。

（2）超聲相控陣檢測技術。超聲相控陣檢測技術通過控制晶片陣列的激勵延時, 控制發射聲束的偏轉、聚焦等聲場特征, 形成3D檢測數據體, 實現多方式、多角度的圖像顯示[5-6］。張俊嶺等[7］研制了橫裝楔塊的相控陣投影扇掃技術, 實現了鋼軌母材和焊縫軌頭部位的檢測。西南交通大學物理科學與技術學院無損檢測研究中心研究了快速相控陣技術, 利用相控陣探頭在一個脈沖觸發周期內產生多個角度的聲束, 將數據處理速度提高到普通相控陣的5倍以上, 從而實現探傷系統快速檢測[8-9］。

超聲波可以實現快速檢測, 目前主要用于檢測軌頭橫向裂紋、軌頭軌腰縱向水平裂紋、螺孔裂紋、焊縫軌頭軌腰疲勞傷損和軌底的軌腰投影區處橫向裂紋等內部傷損, 當淺表層傷損缺陷發展到一定程度時, 超聲波B顯信號存在一定反射回波、可以用于辨別淺表層缺陷（見圖5）。對于鋼軌淺表層傷損, 超聲波技術僅可判斷有無, 無法對傷損程度進行評估, 也難以對擦傷、硌傷、隱傷等不同類型的淺表層傷損進行區分。

圖5 軌面擦傷的B顯回波信號

2.2 電磁檢測

目前鋼軌淺表層傷損電磁檢測技術中, 常用的檢測方法有漏磁檢測和渦流檢測技術, 這2種電磁檢測技術應用相對成熟, 也容易實現快速檢測。

（1）漏磁檢測技術。漏磁檢測技術基于被磁化工件缺陷處的磁導率變化, 使用磁傳感器獲取漏磁場信息的方法檢測鐵磁性材料的淺表層缺陷。南京航空航天大學王平研究團隊[10-12］開展了大量鋼軌傷損漏磁檢測相關研究, 研究了鐵磁性材料動態磁化過程機理, 完善了已有的快速電磁技術的檢測理論。徐其瑞等[13］在車載式漏磁檢測方面開展了車載檢測環境適應性以及可行性論證。漏磁檢測技術檢測深度較渦流檢測技術深, 不存在趨膚效應的影響, 同時具有原理簡單、信號易處理等特點, 在鋼軌淺表層傷損檢測應用中具有較好的推廣意義。

（2）渦流檢測技術。渦流檢測技術基于缺陷導致的材料電導率變化, 通過檢測線圈測量感應電渦流引起的磁場變化, 獲取被測件中缺陷信息。渦流檢測技術在我國鐵路鋼軌傷損檢測中主要用于低速檢測, 中國鐵道科學研究院集團有限公司（簡稱鐵科院集團公司）針對鋼軌淺表層傷損程度評估開展了相關研究, 提出了指數函數擬合、神經網絡模型等渦流檢測技術評估方法[14-15］。瑞士Speno公司開發的車載HC-Grinding Scanner系統能在鋼軌打磨過程中實時提供鋼軌魚鱗紋的尺寸和位置信息[16-17］。由于趨膚效應的影響, 渦流檢測技術對于發展程度較深的淺表層傷損難以評估, 但對一定深度以內的傷損檢測精度較高；同時, 由于渦流檢測原理對電渦流進行檢測, 快速檢測傳感器的封裝材料材質需要考慮材料的導電性, 選擇受到一定局限。所以在對一定深度以內的淺表層傷損進行快速檢測時, 解決了傳感器快速檢測情況下封裝材料和振動的問題后, 渦流檢測技術可有效應用于鋼軌淺表層傷損快速檢測。

漏磁和渦流檢測技術分別運用了淺表層傷損對鋼軌材料磁導率和電導率不連續的影響, 可實現對傷損的檢測；同時, 依據不同傷損大小對鋼軌材料磁導率和電導率不同程度的影響, 可以對傷損發展深度進行評估。漏磁和渦流檢測技術對淺表層傷損檢測時信號特征值隨傷損深度變化趨勢見圖6。然而, 提離變化對電磁快速檢測技術傷損評估的影響將成為主要影響因素, 是該技術工程化需解決的重點問題。

圖6 漏磁和渦流檢測技術信號特征值隨傷損深度變化

2.3 視覺檢測

鋼軌視覺檢測技術通常為采用非接觸式光學器件自動采集并處理鋼軌圖像, 從而獲得鋼軌淺表層傷損信息。國內大量學者對視覺檢測技術在鋼軌傷損檢測中的應用開展了相關研究。鐵科院集團公司利用高清成像、機器視覺和控制工程等技術, 于2011年研制了搭載于鋼軌探傷車上的鋼軌擦傷檢測系統[18-19］, 表面傷損的檢出率高于90%, 目前已在全路范圍應用。

隨著視覺檢測相關技術的快速發展, 鋼軌視覺檢測技術將從檢測項目更多、提供信息更全、分類識別更準3個方面得到進一步研究。很多學者已經研究了視覺檢測技術對鋼軌磨耗、光帶異常、魚鱗紋等不同類型的淺表層傷損檢測。譚松等[20］研制了車載式鋼軌光帶異常視覺檢測系統, 可實現光帶寬度和中心位置等光帶狀態檢測。張博等[21］根據鋼軌魚鱗紋具有方向性的特征, 采用縱向灰度值積分的方法提取鋼軌表面區域, 提出了梯度方向直方圖的方法判斷魚鱗紋是否存在, 檢測準確率達到97.33%。石甜[22］研究了基于二維和三維的復合鋼軌視覺檢測技術, 提出了一種可以提供傷損深度信息的動態特征提取方法。王勝春等[23］將粗糙集理論應用于鋼軌淺表層傷損分類中, 不同淺表層傷損的灰度值分布見圖7。

圖7 不同淺表層傷損的灰度值分布

視覺檢測技術已成熟應用于鋼軌淺表層傷損檢測, 但依然存在軌面油污、光線干擾等影響, 難以檢出微小傷損, 不能對傷損深度進行評估等問題。為實現鋼軌淺表層傷損快速、準確識別, 后續視覺檢測技術需根據現場不同類型淺表層傷損檢測需求, 結合超聲波、電磁等其他檢測技術, 提高傳感器分辨率, 在二維三維技術融合分析、深度神經網絡等方面持續技術創新。

2.4 熱成像檢測

熱成像檢測技術是指利用紅外探測器和光學成像物鏡接受被測目標的紅外輻射能量, 從而獲得紅外熱像圖, 熱成像無損檢測技術需要紅外激勵熱源對被測試件進行激勵。彭建平[24］分析了表面裂紋的熱傳導模型；白潔等[25］提取了裂紋的溫度瞬態特征、空間溫度分布特征, 實現了裂紋檢測；高運來[26］提出了采用鐵氧體磁軛式激勵結構的多物理電磁脈沖熱成像裂紋檢測方法；苗玲等[27］實現了鋼軌踏面復雜滾動接觸疲勞裂紋的有效性檢測；陸小龍等[28］研究了氣流熱成像鋼軌淺表層傷損快速檢測技術, 通過優化激勵源、熱像儀和試件的空間位置, 結合熱像處理算法消除了速度效應和試件表面發射率不均的影響, 在高達81.6 km/h的檢測速度下, 氣流熱成像無損檢測技術可以準確地檢測出快速轉盤邊緣圓柱面上傾斜角度的人工裂紋（見圖8）。

圖8 速度為81.6 km/h時氣流熱成像檢測結果

與傳統無損檢測技術相比, 主動紅外熱成像無損檢測受提離效應影響小, 具有多物理時空特性和豐富的瞬態信息, 空間分辨率和對近表面深度缺陷的檢測靈敏度高。然而, 該技術在快速檢測時熱源激勵影響因素較多, 且成本較高, 在解決熱源激勵工程化問題后, 且隨著技術進步推動成本降低, 熱成像無損檢測技術將在鋼軌淺表層傷損檢測評估中發揮重要作用。

3 檢測技術應用

鋼軌淺表層傷損快速檢測技術應用主要依托于鋼軌探傷車, 一般檢測速度為40~80 km/h。

3.1 國外應用現狀

美國Sperry公司研制的鋼軌探傷車主要以超聲波檢測技術為主, 部分探傷車結合電磁感應檢測技術和渦流檢測技術。采用渦流檢測技術對鋼軌踏面的滾動接觸疲勞裂紋進行檢測, 渦流探頭采用4通道, 檢測不超過5 mm深度的開口裂紋, 檢測結果可以幫助提高鋼軌打磨效率。另外, 采用電磁感應檢測技術對軌頭橫向缺陷及垂直劈裂等缺陷進行檢測[29-30］。

俄羅斯Tvema公司探傷車集成了超聲波檢測技術和弱磁檢測技術。通過弱磁傳感器檢測到的地磁場大小可以有效檢測出鋼軌接頭的位置, 從而在B顯界面準確地顯示出鋼軌接頭位置, 用于其他傷損的定位。另一方面, 該弱磁檢測技術可以輔助超聲波檢測系統判定鋼軌淺表層傷損。

德國鐵路公司運營的檢測列車SPZ1安裝了德國PLR研制的超聲波和渦流檢測系統, 檢測速度可達80 km/h, 每根鋼軌使用10個超聲波探頭和4個渦流探頭, 其中4個渦流探頭可以覆蓋鋼軌軌距角表面 約25 mm的 范圍[31］。歐洲Eurailscout Inspection公司在EURAILSCOT UST02鋼軌探傷車上搭載了超聲波、渦流和視覺檢測系統（見圖9）, 研究了基于機器學習的3種檢測數據對鋼軌隱傷識別的綜合分析方法, 提取超聲波不同類型通道像素深度值、渦流信號的峰值和經過處理的圖像Blob參數、平均強度峰值變化等作為特征值, 建立了分類模型, 實現了隱傷識別準確率為97%, 比單獨一種技術的準確率有顯著提高[32-33］。

圖9 超聲波、渦流和視覺檢測數據綜合分析

3.2 我國應用現狀

我國自1993年開始從國外引進超聲波探傷系統, 檢測速度從40 km/h提高到80 km/h[34］。目前我國鐵路大部分鋼軌探傷車為SYS1900型超聲波探傷系統, 車體為寶雞中車生產的GTC-80型鋼軌探傷車[35］, 同時搭載軌道狀態巡檢系統、鋼軌輪廓檢測系統, 各檢測系統分別對鋼軌內部傷損、表面擦傷、鋼軌磨耗等傷損進行檢測[36］。

朔黃鐵路重載綜合探傷車包括軌道檢測、軌道巡檢、鋼軌波磨、斷面磨耗、路基道床檢測及鋼軌探傷等功能, 可同步提供工務各專業數據。對鋼軌可疑傷損分析評定時, 結合線路技術狀況, 綜合應用鋼軌波磨、斷面磨耗、軌道巡檢、軌道幾何、路基道床檢測等數據, 多專業、全方位綜合分析傷損的嚴重程度和危害性[37］。

國家能源集團新朔鐵路GTC-80型鋼軌探傷車搭載了融合傳統超聲和相控陣超聲波探傷系統、鋼軌輪廓檢測系統和軌道狀態巡檢系統。其中, 相控陣超聲技術為快速相控陣技術, 可實現不更換探輪的情況下調整探頭角度, 較好兼容不同軌型或不同打磨量的鋼軌探傷[38-39］。

從2012年至2017年, 鐵科院集團公司研制了第一代自主化鋼軌探傷系統, 并聯合金鷹重工研制出GTC-80X型鋼軌探傷車, 已在國家鐵路、地方鐵路和地鐵投入使用[40-41］。在第一代自主化鋼軌探傷車研究基礎上, 又進一步研制出了搭載超聲波探傷系統和電磁檢測系統的GTC-80ⅡX型鋼軌探傷車, 同時搭載了軌面高清檢測系統和鋼軌輪廓檢測系統, 可實現鋼軌綜合檢測, 該型號探傷車已在我國2家鐵路局集團公司開展試用（見圖10）。

圖10 自主化鋼軌探傷車

4 檢測技術發展趨勢

由于鋼軌探傷車超聲波檢測技術存在檢測盲區, 淺表層傷損超聲波回波信號成像形式見圖11。從圖中可以看出探傷車超聲波技術存在以下問題：（1）超聲波檢測技術對擦傷和隱傷有一定的反射回波, 但是難以對淺表層傷損程度進行評估, 同時, 淺表層缺陷也存在一定的漏檢情況。（2）在實際現場鋼軌維護中, 隱傷較擦傷的危害大, 可以直接判為重傷；同時, 軌頭表面裂紋的存在可能阻礙聲波進入鋼軌內部, 從而影響內部缺陷的有效檢測。超聲波檢測在狀態調整較好時, 對擦傷和隱傷都存在一定的發射回波, 但對擦傷和隱傷的反射回波無法進行區分。

圖11 淺表層缺陷超聲波回波信號

所以, 未來淺表層傷損檢測技術的發展趨勢為：（1）綜合不同物理原理的多種檢測技術手段, 根據各技術手段特點實現鋼軌融合分析, 如利用超聲波對一定深度的淺表層傷損有反射回波, 為傷損判斷提供更多信息；電磁檢測技術對不同深度的淺表層傷損可實現分級評估；視覺和熱成像檢測對傷損表面尺寸敏感的優勢等, 從而實現數據特征級或決策級融合分析, 提高淺表層傷損類型識別及定量評估的準確率。（2）對于電磁檢測和熱成像檢測技術, 進一步研究其工程化過程中需要解決的提離變化、高成本等問題, 為淺表層傷損定量評估提供更準確的評價依據。（3）研究不同技術手段間的數據精確對齊, 可分為數據最小顆粒初步對齊和數據固有特征精確對齊, 為數據融合分析提供支撐。

5 結束語

在役鋼軌淺表層傷損包括擦傷及掉塊、魚鱗紋及掉塊、硌傷、隱傷、磨耗等不同類型, 不同類型傷損危害程度不同, 實現在役鋼軌淺表層傷損的類型識別和定量評估, 對鐵路鋼軌養護維修具有重要意義。

綜述了鋼軌傷損常用檢測技術中超聲波、電磁、視覺和熱成像檢測的特點。超聲波技術僅可對淺表層傷損判斷有無, 無法對傷損程度進行評估, 也難以對擦傷、硌傷、隱傷等不同類型的淺表層傷損進行區分。漏磁和渦流檢測技術可實現對鋼軌傷損的檢測, 同時, 依據不同傷損大小對鋼軌材料磁導率和電導率不同程度的影響, 可以對傷損發展深度進行評估。然而, 在實際應用中需要進一步解決快速檢測情況下提離變化對定量評估的影響。鋼軌視覺檢測技術將逐漸向檢測項目更多、提供信息更全、分類識別更準方向發展。主動紅外熱成像無損檢測技術具有多物理時空特性和豐富的瞬態信息, 空間分辨率和對淺表層缺陷的檢測靈敏度高。但該技術在快速檢測時需要解決熱源激勵影響因素較多的問題并控制成本。

未來淺表層傷損檢測技術的發展趨勢為多技術手段融合分析、數據同步精確對齊和對于尚未成熟應用技術的工程化。