钢轨裂纹及断轨检测方法调研报告.docx

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1所示为近些年因为钢轨断裂造成的列车行车事故。表近些年钢轨断裂造成的列车行车事故时间地址伤损状况2001年3月美国爱荷钢轨断裂惹起列车脱轨,造18日华州成1人死亡96人受伤2007年10钢轨断裂引起列车脱轨,造伦敦成4人死亡、70人受伤、4人月17日重伤2009年4月河北野三钢轨断裂致使6节车厢脱轨7日坡同时,跟着国家高速铁路和重载铁路的发展,钢轨遇到挤压和冲击的程度愈来愈大,钢轨发生损害的概率也在提升。所以,为保证高速铁路和重在铁路的营运安全性,钢轨裂纹检测成为铁路营运部门十分重视的事情。当前,钢轨的主要检测方式分为周期性探伤检测和及时断轨监测。周期性钢轨探伤检测包含人工巡轨检测、大型钢轨探伤车、漏磁信号、涡流探伤、激光超声、图像办理等;及时断轨监测技术包含轨道电路及时断轨检测技术、牵引回流及时断轨检测技术、光纤及时断轨检测技术和超声波及时断轨监测技术等。周期性检测技术周期性检测技术就是按期对钢轨进行检测,国内外都针对不一样轨道、不一样检测设备拟订了检测周期和检测作业标准。整体上说,周期性检测设备精准度高,能及时发现钢轨初期裂纹,以避免发生重要交通事故;可是它需要占用许多天窗时间。,它将小型超声波钢轨探伤仪装在特制的手推车上,如所示。经过人工手推动行钢轨损害的检测,它耗资大批人力物力、检查结果主观性强、检查周期长、效率低下、速度慢,没法做到对钢轨伤损状况及时检测,不可以适应于我国日趋发展的高速铁路事业[1-2]。最近几年来,跟着钢轨裂纹致使脱轨事故的频发,为了增强钢轨安全监测,欧美也开始研发使用这类便携式钢轨探伤仪[3]。因为超声波探伤技术比较成熟,成本比较低,且跟着科技的发展, 从前只有大型探伤车才具备的A/B超同屏显示、鱼鳞纹下核伤鉴别、探伤数据储藏、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中间,超声探伤小车倍受喜爱。钢轨裂纹及断轨检测方法调研报告钢轨裂纹及断轨检测方法调研报告钢轨裂纹及断轨检测方法调研报告根源网络,,超声发生装置,探头自动对中伺服饰置,以及伤损信号办理等系统构成。其原理是,装有超声探头组的高速探轮在钢轨上转动,超声发生接收器组合探头向钢轨发出连续超声脉冲波束,连续波束经过耦合液及探轮橡胶轮壁抵达钢轨内,如无损害存在,波束抵达钢轨底面后依原路返回探头,获取底波;若有损害,则底波前出现一个伤损波,底波降低或消逝[4]。我国铁道部门为了提升钢轨伤损的检出率,推动钢轨保护设备的进步,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-5三种种类;此中,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200km/h,其自动分辨为:钢轨头部横向疲惫裂纹(核伤),不小于直径5mm平底孔当量;螺栓孔裂纹及腰部斜裂纹,长度不小于10mm;钢轨纵向水平裂纹,长度不小于10mm;探轮自动对中精度小于1mm[2,5]。图大型钢轨探伤车该技术对检测钢轨疲惫裂纹和其余内部缺点拥有敏捷度高、检测速度快、定位正确等长处[6]。可是惯例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结,同时将超声轮或滑板注满水或其余耦合液。此种方法的最大弊端是,浅表面裂痕(剥落)可能会遮盖钢轨内部存在的横向缺点[7]。并且造价过高、保护要求较高,数目有限,检测时受轨面平坦度和洁净度影响较大,其为离线式轨道检测设备。上海铁路局龚佩毅等人在专利()“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]。其特色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,特别合用于检测钢轨头部横向疲惫裂纹(核伤)、螺栓孔裂纹、腰部斜裂纹和钢轨纵向水平裂纹等损害。南车洛阳机车有限企业的袁其刚等人在专利()“用于检测城市轻轨钢轨的探伤车”中设计9了一种用于检测城市轻轨钢轨的探伤车 []。其特色是车体经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转性能,并在此中一台转向架上设置实用于对钢轨进行检测的探伤系统,探伤轮经过降落和上涨的液压系统控制,提升了钢轨探伤的效率,增添了轻轨车辆运转的安全性。,当钢轨完满时,磁场能顺利的经过钢轨,基本不产生漏磁;当钢轨出现裂纹时,裂纹会阻挡磁场的顺利经过,产生漏磁。因为裂纹大的大小形状不一样,其产生漏磁的强度也不一样,依据漏磁信号的变化来判断裂纹信息,如所示。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点,而关于夹杂、剥离以及轨钢轨裂纹及断轨检测方法调研报告钢轨裂纹及断轨检测方法调研报告钢轨裂纹及断轨检测方法调研报告根源网络,仅供个人学****参照钢轨裂纹及断轨检测方法调研报告钢轨裂纹及断轨检测方法调研报告钢轨裂纹及断轨检测方法调研报告头内部深处的缺点没法进行有效的检测。(a)无裂纹 (b)有裂纹图鉴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]经过有限元软件Ansoft仿真研究了钢轨斜裂纹的辨别原理及方法,包含理论剖析、模型成立、斜裂纹与矩形裂纹的漏磁信号差别、斜裂纹深度与宽度的识别以及连续多个斜裂纹的辨别等。它能够辨别斜裂纹的方向及宽度,可是不可以辨别小间隔多裂纹的数目。,如所示。两线圈的相对地点为正交取向,检测线圈搁置在 U型激励线圈的张口中点处。工作时,在激励线圈上通以必定频次的正弦波,当传感器沿着试件表面挪动时,试件表面在交变磁场作用下会产生必定散布和大小的涡流,此涡流产生一个反磁场。当无裂纹时,没有反磁场磁力线经过检测线圈,没有电信号输出;有裂纹时,反磁场发生变化,磁力线经过检测线圈,输出电信号,进而反应缺点的状况。该方法构造简单、操作方便、拥有非接触的长处,但其检测范围也仅限制于钢轨表面的缺点。 ()“一种用于钢轨检测的便携式涡流探伤仪”中提出一种便携式12探伤仪[ ],如所示,该探伤仪所使用了专利()“一种用于钢轨检测的新式传感器”中所设计的传感器[13],其丈量线圈的线圈匣数、直径以及激励线圈和丈量线圈间的问距 H为经过正交试验设计法确立的最正确参数组合。所述激励线圈和一个丈量线圈安装在一能倒扣在钢轨上的外面壳体内,所述外面壳体下部设置有与钢轨的上部构造相对应的凹槽。收集到的信号再由后台放大器放大,并在显示器上同步显示裂纹缺点的相对大小,且相应驱动蜂鸣器报警,实现了防患于已然的目的。其构造简单紧凑、体积小、重量轻、便于携带,并装备有独立电源。经过测试,[14]。图一种用于钢轨检测的便携式涡流探伤仪庄鑫等人申请的专利()“钢轨裂纹检测仪”如所示 [15],由检测头、检测主机、推拉支架、滚轮、连结收、固定环构成,其特色在于推拉支架下端双侧分别经过连结收前后固定连结两个检测头,每个检测头双侧部分别固定有滚轮,推拉支架中间的上连管上经过两个固定环连结有检测主机,检测头与检测主机电连结。该仪器采纳手推车式,可实现双规同时检测,每条钢轨前后设有两个检测头,检测速率相对较高,漏检率低。图钢轨裂纹检测仪专利(US6,768,298B2)“Transversecrackdetectioninrailheadusinglowfrequencyeddycurrents”设计了一种低频涡流探测轨头横向裂纹的装置 [16],如所示。其特色是该专利采纳环形的直流饱和磁体,经过钢轨上方的低频涡流探针探测钢轨轨头横向裂纹。并且探针上装有防备资料,以防备探针受损。钢轨裂纹及断轨检测方法调研报告钢轨裂纹及断轨检测方法调研报告钢轨裂纹及断轨检测方法调研报告根源网络,,当钢轨出缺点时,这些缺点便被摄相机拍了下来,在经过对图片的办理和剖析,能够将此中的缺点提拿出来,进行模式辨别,达成钢轨损害检测。其弊端是没法实现轨头内部缺点的检测 [17]。西南交通大学的官鑫等人 [18]对这一技术做了理论剖析,他采纳图像办理、模式辨别及机器视觉等理论,对现役钢轨缺点进行检测和分类。达成自动提取缺点图像和最小化缺点图像,以减少办理量并降低储存空间需求,自动判断缺点类型。文章对收集到的缺点图像进行办理,实验结果证明该方法能够正的确现检测轨道表面缺点检测,并拥有必定的合用性。此方法能够战胜人工检测方法的很多弊端,提升检测速度和精度。LiuZe等人[19]用此技术剖析了轨头剥离和钢轨表面裂纹的图片,并获取了钢轨的磨损程度和裂纹宽度。ChenLimin等人[20]也做了这方面的理论研究。他研究了图像收集,图像办理,提取特色,缺点识其余钢轨表面缺点辨别过程,并鉴于裂纹形态学,经过动向模版去检测连续裂纹界限,以此来估量裂纹长度。北京交通大学李清勇等人在专利()“鉴于数字图像的钢轨表面缺点检测方法”中提出了一种鉴于数字图像的钢轨表面缺点检测方法[21]。该方法从对钢轨拍摄的图像中提取钢轨地区,并模拟人类视觉体制,将灰度图变换为对照度图,进而对可疑缺点地区进行定位及判断。北京交通大学刘泽等人在专利( CNA)“一种在线钢轨探伤的图像办理协助检测装置及方法”D线阵摄像机收集钢轨表面的图像信息。 其过程是在列车在线运转过程中, 嵌入式控制系统控制光源激励控制器使两个协助光源照耀钢轨表面, D线阵摄像机经过数字线阵图像收集接口的控制收集钢轨表面的图像信息,将信息传输到嵌入式系统,嵌入式系统使用图像办理技术对收集到的钢轨图像进行办理;从办理后的钢轨图像中统计钢轨表面的损害信息及固有构造信息;再将所获取的钢轨表面损害信息进行分类和损害程度计算。最后将结果交融到钢轨损害探测装置,以减少表面损害对探测钢轨内部伤损的扰乱[22],其整体构造图如所示。,,钢轨表面被照耀地区汲取其能量并将之转变为热能,惹起钢轨表面快速升温膨胀,进而构成超声声源。超声波在钢轨内部碰到缺点,将被反射回钢轨表面,经过剖析反射波的信息来判断钢轨伤损,其原理如所示。图激光超声检测钢轨原理表示图浙江大学刘洋等人[23]鉴于先进的激光超声探伤理论, 提出了将激光超声技术应用到钢轨探伤,详尽阐述了其探伤机理,对激光超声探伤系统进行了设计。剖析结果表示,激光超声探伤技术在钢轨探伤领域有较大的可行性和发展潜力。Nielsen等人在专利(US7,516,662B2)“DETECTINGRAILDEFECTS ”中介绍了一种激光超声钢轨探伤技术[24]。该专利的原理是用脉冲激光(PL)激发钢轨产生超声波,用连续激光(CW)作为探测光,经过法珀干预仪(CFPI)接受反射光。因为超声波和钢轨缺点的互相作用致使反射钢轨裂纹及断轨检测方法调研报告钢轨裂纹及断轨检测方法调研报告钢轨裂纹及断轨检测方法调研报告根源网络,仅供个人学****参照钢轨裂纹及断轨检测方法调研报告钢轨裂纹及断轨检测方法调研报告钢轨裂纹及断轨检测方法调研报告光发生变化,所以能够从反射光中解调出钢轨的损害信息。其原理表示图如所示。图激光超声探伤原理表示图2、及时断轨监测技术及时断轨检测技术能对钢轨进行及时监测,能第一时间发现断轨的存在,进而能及时对列车发出警示,以防止灾害的发生,所以,该技术愈来愈遇到人们重视。可是该类技术还不可以发现早期钢轨裂纹,检测分辨率有待进一步提升。及时断轨监测技术主要有以下几种。,钢轨是牵引回流电路的一部分,假如任何一个钢轨发生断裂,电流会绕过断轨,从另一个阻抗较小钢轨流走,另一个钢轨的电流就会增大。如所示,该技术经过检测两只钢轨电流的不均衡来判断断轨的存在。该方法依靠于钢轨,成本低,可实现远距离及时监测。但是它依靠牵引回流的存在,只好检测列车与变电所之间的断轨,并且在道岔、护轨等轨道电路复杂的地方难以实现[2,25,26]。,拥有列车占用检测、向列车传递控制信息及断轨检测等功能。当前在我国宽泛使用的轨道电路种类有相敏轨道电路、 ZPW-2000A无绝缘轨道电路等。断轨检测原理如所示。图准轨道电路及时断轨检测方法表示图当检测区段内无列车经过且钢轨完好时,由两根钢轨和轨道继电器构成电流回路,使轨道电路继电器衔铁吸起,前接点闭合,信号开放。而当轨道电路区段内有钢轨断裂状况发生时,接收器处的轨道继电器因为信号电流消逝而开释,区间轨道电路显示红光带,发出列车停止信号,提示断轨。轨道电路设备断轨检测功能的最大特色是, 当有断轨发生时能立刻向列控中心发送报警信号,知足及时动向轨况监测要求。可是,轨道电路自己受道床参数状况影响较大 [27],在道床泄露阻抗小和南方一些雨水充足的地域常常会发生轨间短路、红光带误报等故障状况。同时,存在增添电气化区段回流系统复杂程度、电气绝缘轨道电路构造复杂、造价昂贵、维修困难等缺点。当前,准轨道电路断轨检测技术作为轨道电路的隶属功能,还是我国最宽泛使用的在线式断轨检测方法[2,26]。Holgate等人在专利(US6,779,761B2)和专利()“BROKENRAILDETECTION”中设计了一套轨道电路监测断轨系统[28-29],如所示,12、13为钢轨,16、18、20为电路连结线,22为直流或低频沟通电源,24为电流计,26为控制主机。该技术经过电源给电路施加一个低电压,形成回钢轨裂纹及断轨检测方法调研报告钢轨裂纹及断轨检测方法调研报告钢轨裂纹及断轨检测方法调研报告根源网络,仅供个人学****参照钢轨裂纹及断轨检测方法调研报告钢轨裂纹及断轨检测方法调研报告钢轨裂纹及断轨检测方法调研报告路。假如电路完满,电流计器正常显示;若两个电流计的示数同时降低或消逝,则说明电线20出现损害;若此中一只电流计的示数降低或消逝,则说明与之相串连的钢轨出现伤损或断裂,控制主机经过感知电流计电流的大小来发出警报。。该技术经过在光纤的一端接入波长为1550nm的光源,另一端连结接收器。当钢轨发生折断时,光纤将随之发生破碎,光束将不可以抵达接收器,由此判断发生断轨[30],如所示。图光纤及时断轨检测方法表示图光纤既是传输介质,又是传感元件,且因光纤传输消耗小,所以可实现几十甚至上百公里的丈量[31]。因为采纳光信号为载体,不受电磁扰乱,实质安全,使用寿命长,适于恶劣环境下工作。其弊端是不易安装保护,假如碰到过大的外力或曲折简单折断;碰到阻碍物(比如钢轨接头、平交道口、道岔等)时,需要将光纤剪断,并采纳短的桥接器绕过复杂的部分 [2,25-26]。 [32]。该技术经过在轨道的中部安装声波发生装置,左右两头相隔必定距离安装声波接收装置。当发射装置发出声波后,声波沿着钢轨向左右流传。假如碰到有裂痕或许断轨,接收装置接收不到或许接遇到的信号显然减少,据此能够判断钢轨能否折断或许损坏。相邻的声波发生装置共用一个接收装置,以声波发生装置发出的声波发射频次不一样来划分不一样的发射源。其主要弊端是声波碰到不一样介质特别敏感,简单误报,并且传递的距离受限制,相邻的两个发射源以不一样发射频次发射同样频次的声波,它们之间存在扰乱和矛盾[33]。图超声波断轨检测系统原理图兰州交通大学的任远等人[34,35]设计了一种及时超声导波断轨检测系统,并针对钢轨完好状态、断轨状态、列车占用状态、接收通道故障等状况进行了仿真研究,提出了超声波探伤技术计算钢轨断裂地点及裂纹大小的仿真计算方法。为南非railsonic企业生产的超声波及时断轨检测用传感器。它依据超声脉冲的频次、脉冲长度、脉冲时间间隔来辨别信号信息。可是火车经过时强烈的连续噪声会影响其探测有效信号信息,因此,当火车经过时,它会自动转为休眠状态,等火车走开后会再次启动 [36]。图超声波传感器总结我国铁路交通运输忙碌,特别是近 10年来,国内铁路客运高速化、货运重载化趋向愈来愈明显,铁路的负荷日趋加重,轨道线路状态恶化加剧;同时因为行车密度加大,可供检测维修作业的列车间隔时间愈来愈短,这就使得传统的周期检测方法不可以知足新局势下对钢轨快速、正确检钢轨裂纹及断轨检测方法调研报告钢轨裂纹及断轨检测方法调研报告钢轨裂纹及断轨检测方法调研报告根源网络,仅供个人学****参照钢轨裂纹及断轨检测方法调研报告钢轨裂纹及断轨检测方法调研报告钢轨裂纹及断轨检测方法调研报告测的要求。及时监测方法能知足及时动向轨况监测要求,但不可以有效监测初期钢轨裂纹,这就需要们交融两者的长处,进一步去研发新的检测技术和方法。参照文件[1]史宏章,任远,张友鹏,[J].铁道营运技术,2010,16(4):1-7杨东晓,雷敬文,方振欢,[J].科研探究与知识创新,2011,6:108-109[3]ClarkR..RailFlawDetection:Overviewandneedsforfuturedevelopments[J].IndependentNondestructiveTestingandEvaluation,2004,37:111-118[4]祝连庆,孙军华,董明利,[J].仪器仪表报,2002,23(3):119-121陈东生,[J].铁道建筑,2008,12:82-86[6]彭良武,(一)[J].铁道勘察与设计,2008,6:22-2[7][J].西铁科技,2008,8[8][9][10]陈智军,宣建青,王平, 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