史宏章，任 遠(yuǎn)，張友鵬，田銘興

（1.蘭州鐵路局武威工務(wù)段，工程師，甘肅 武威 733000；2.蘭州交通大學(xué)自動(dòng)化與電氣工程學(xué)院，碩士研究生；3.教授，甘肅 蘭州 730070）

鋼軌是軌道交通運(yùn)輸系統(tǒng)的重要組成部件，具有引導(dǎo)機(jī)車車輛車輪前進(jìn)，同時(shí)承受車輪荷載并將其傳遞至軌枕上的功能。鐵路運(yùn)營(yíng)線上如果出現(xiàn)鋼軌斷裂就有可能造成列車脫軌、傾覆等重大行車事故，造成人員傷亡和巨額財(cái)產(chǎn)損失。因此，對(duì)比分析和研究國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有斷軌檢測(cè)技術(shù)，對(duì)保障鐵路運(yùn)輸安全、實(shí)現(xiàn)我國(guó)鐵路部門制定的“三防”措施中的防斷軌要求具有重要意義。

1 國(guó)內(nèi)斷軌檢測(cè)

目前，我國(guó)主要采用手推式探傷車人工巡軌和大型鋼軌探傷車定期巡檢，或采用軌道電路對(duì)鋼軌實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)等方法進(jìn)行斷軌檢測(cè)。所使用的設(shè)備有手推式超聲波鋼軌探傷車、快速軌道檢測(cè)車和各種類型的軌道電路等。

1.1 手推式鋼軌探傷車

1.1.1 結(jié)構(gòu)組成與工作原理 手推式鋼軌探傷車是一種配有手推小車的輕便型鋼軌探查設(shè)備，具有0°，37°和70°等多個(gè)探頭通道，能同時(shí)用超聲波脈沖反射法和穿透法進(jìn)行鋼軌裂紋與核傷探查〔1〕。工作時(shí)檢測(cè)儀中的脈沖振蕩和放大電路產(chǎn)生高壓電脈沖，并在壓電換能器中實(shí)現(xiàn)電聲轉(zhuǎn)換，向鋼軌中發(fā)射超聲波脈沖信號(hào)。當(dāng)超聲波遇到鋼軌裂紋或焊縫之后會(huì)反射回一定強(qiáng)度的回波，通過(guò)分析回波信號(hào)的幅度、傳輸時(shí)間等參數(shù)，即可了解鋼軌內(nèi)部的傷損情況?，F(xiàn)場(chǎng)使用時(shí)，通常采用檢測(cè)儀對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化處理與人工經(jīng)驗(yàn)相結(jié)合的檢測(cè)方法。含有微處理器的信號(hào)處理設(shè)備，可以對(duì)超聲波回波進(jìn)行實(shí)時(shí)信號(hào)處理、分析、記錄，具有常見(jiàn)傷損判斷、傷損類型確定、計(jì)算裂紋的大小及位置等功能。外觀結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 手推式鋼軌探傷車結(jié)構(gòu)示意圖

1.1.2 設(shè)備工作特點(diǎn)與優(yōu)缺點(diǎn)分析 手推式超聲波探傷車具有檢測(cè)靈敏度高、穿透能力強(qiáng)、對(duì)各種傷損檢出率高等特點(diǎn)。但檢測(cè)速度慢，探查速度通常局限于2 km/h之內(nèi)，野外作業(yè)時(shí)勞動(dòng)強(qiáng)度大，占用軌道時(shí)間長(zhǎng)，且傷損的確定易受工作人員技術(shù)素質(zhì)、經(jīng)驗(yàn)和責(zé)任感等因素影響。通常每年每條線路只能檢測(cè)10遍左右，無(wú)法做到對(duì)鋼軌傷損情況實(shí)時(shí)檢測(cè)。

1.2 大型鋼軌探傷車

1.2.1 結(jié)構(gòu)組成與工作原理 大型鋼軌探傷車是一種集聲學(xué)、電子、計(jì)算機(jī)、機(jī)械等多學(xué)科為一體的大型鋼軌檢測(cè)設(shè)備，能同時(shí)對(duì)兩股鋼軌進(jìn)行探查，并能實(shí)時(shí)分析、處理和記錄檢測(cè)結(jié)果。我國(guó)鐵道部門為了提高鋼軌傷損的檢出率，推動(dòng)鋼軌維護(hù)設(shè)備的進(jìn)步，從1989年開(kāi)始從美國(guó)引進(jìn)大型鋼軌探傷車，并由寶雞工程機(jī)械廠實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化制造。我國(guó)現(xiàn)役鋼軌探傷車結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 大型鋼軌探傷車結(jié)構(gòu)圖

當(dāng)檢測(cè)系統(tǒng)工作時(shí)，充滿傳聲耦合液的探輪在鋼軌上滾動(dòng)，探輪內(nèi)的超聲組合探頭向鋼軌發(fā)出連續(xù)脈沖超聲波束，通過(guò)耦合液及探輪壁到達(dá)鋼軌內(nèi)部。若鋼軌存在傷損，則超聲波束將被軌傷裂紋所反射，探頭內(nèi)的超聲換能器接收反射回來(lái)的超聲波束，并將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，即得到傷損回波信號(hào)。超聲接收裝置將微弱的回波信號(hào)放大，經(jīng)過(guò)檢波、濾波、A/D轉(zhuǎn)換等處理以及計(jì)算機(jī)分析，得到探傷數(shù)據(jù)并予以保存。探輪自動(dòng)對(duì)中伺服裝置可控制探頭組與鋼軌自動(dòng)對(duì)中，以確保超聲波束傳入鋼軌內(nèi)。

1.2.2 設(shè)備工作特點(diǎn)與優(yōu)缺點(diǎn)分析 大型鋼軌探傷車結(jié)構(gòu)復(fù)雜，功能齊全，具有檢測(cè)速度快、傷損分析精度高、數(shù)據(jù)可記錄和回放等特點(diǎn)。但該鋼軌探傷車造價(jià)昂貴，檢測(cè)時(shí)受軌面平整度和清潔度影響較大，且為離線式軌道檢測(cè)設(shè)備。目前國(guó)外新型鋼軌探傷車的發(fā)展趨勢(shì)是，采用更先進(jìn)的計(jì)算機(jī)信息處理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)超聲波探頭經(jīng)過(guò)道岔時(shí)自動(dòng)起落，提高檢測(cè)速度，降低檢測(cè)費(fèi)用和探索采用非接觸式檢測(cè)方法等。

1.3 軌道電路

1.3.1 工作原理 軌道電路是我國(guó)鐵路信號(hào)系統(tǒng)中的基礎(chǔ)設(shè)備，具有列車占用檢測(cè)、向列車傳送控制信息及斷軌檢測(cè)等功能〔2〕。目前在我國(guó)廣泛使用的軌道電路類型有相敏軌道電路、ZPW-2000A無(wú)絕緣軌道電路等。斷軌檢測(cè)原理如圖3所示。

圖3 基于軌道電路原理的斷軌檢測(cè)示意圖

當(dāng)檢測(cè)區(qū)段內(nèi)無(wú)列車通過(guò)且鋼軌完整時(shí)，由兩根鋼軌和軌道繼電器構(gòu)成電流回路，使軌道電路繼電器銜鐵吸起，前接點(diǎn)閉合，信號(hào)開(kāi)放。而當(dāng)軌道電路區(qū)段內(nèi)有鋼軌斷裂情況發(fā)生時(shí)，接收器處的軌道繼電器由于信號(hào)電流消失而釋放，區(qū)間軌道電路顯示紅光帶，發(fā)出列車停止信號(hào)，提示斷軌。

1.3.2 設(shè)備工作特點(diǎn)與優(yōu)缺點(diǎn)分析 軌道電路設(shè)備斷軌檢測(cè)功能的最大特點(diǎn)，當(dāng)有斷軌發(fā)生時(shí)能立即向列控中心發(fā)送報(bào)警信號(hào)，滿足實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)軌況監(jiān)測(cè)要求。但是，軌道電路本身受道床參數(shù)情況影響較大，在道床泄漏阻抗小和南方一些雨水充沛的地區(qū)經(jīng)常會(huì)發(fā)生軌間短路、紅光帶誤報(bào)等故障情況。同時(shí)，存在增大電氣化區(qū)段回流系統(tǒng)復(fù)雜程度、電氣絕緣軌道電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜、造價(jià)昂貴、維修困難等缺陷。在國(guó)內(nèi)，斷軌檢測(cè)作為軌道電路的附屬功能，目前仍是我國(guó)最廣泛使用的在線式斷軌檢測(cè)方法。

2 國(guó)外斷軌檢測(cè)

在國(guó)外，除了離線式鋼軌探傷車巡檢和采用基于軌道電路思想的斷軌檢測(cè)方法之外，近年來(lái)還出現(xiàn)了一些具有可行性的創(chuàng)新型方法。

2.1 鋼軌預(yù)埋應(yīng)力傳感器檢測(cè) 文獻(xiàn)〔3〕中美國(guó)俄亥俄州Salient System公司提出了一種通過(guò)監(jiān)測(cè)鋼軌中應(yīng)力變化來(lái)檢測(cè)斷軌的方法。該方法在鋼軌上以30～60 m的間隔布設(shè)測(cè)定鋼軌縱向應(yīng)力的傳感器。每隔一段時(shí)間，每個(gè)傳感器通過(guò)無(wú)線模塊將鋼軌應(yīng)力和溫度數(shù)據(jù)發(fā)送給主控制站，再通過(guò)主控站的計(jì)算機(jī)對(duì)各點(diǎn)鋼軌應(yīng)力數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，判斷是否有斷軌存在并確定其位置。每個(gè)應(yīng)力檢測(cè)點(diǎn)由應(yīng)力測(cè)量計(jì)、信號(hào)調(diào)理與發(fā)送模塊和電池組成。在安裝應(yīng)力傳感器前必須對(duì)每一個(gè)測(cè)量點(diǎn)進(jìn)行初始?jí)毫π?zhǔn)。如果在新軌上應(yīng)用，可以將傳感器在鋪軌之前安裝到位；在既有線路上安裝，需要在多個(gè)地點(diǎn)截?cái)噤撥壱垣@得零壓力校準(zhǔn)值。

該方法設(shè)備原理簡(jiǎn)單，安裝與維護(hù)成本低，通常在線路鋪設(shè)時(shí)鋼軌零應(yīng)力點(diǎn)非常容易獲得。因此，非常適用于新鋪設(shè)無(wú)縫線路的全線斷軌檢測(cè)。但對(duì)現(xiàn)有的線路區(qū)段，如果截?cái)噤撥壱垣@得零應(yīng)力校準(zhǔn)點(diǎn)，會(huì)對(duì)其它設(shè)備造成不良影響。因此，這種應(yīng)變力檢測(cè)技術(shù)并不適用。

2.2 光導(dǎo)纖維檢測(cè) 文獻(xiàn)〔3〕中還提出了一種在鋼軌軌頭下方連續(xù)粘貼光導(dǎo)纖維進(jìn)行斷軌檢測(cè)的方法。該方法使用特制環(huán)氧膠，沿軌道將單模光導(dǎo)纖維粘貼于軌顎或軌腰上，在光導(dǎo)纖維的一端接入波長(zhǎng)為1 550 nm的光源，在另一端安裝接收器。鋼軌斷裂時(shí)會(huì)使纖維破斷，阻斷光源，接收端因接收不到光信號(hào)而發(fā)出斷軌報(bào)警。

該技術(shù)在長(zhǎng)度小于1 km、含有復(fù)雜電氣回路、難絕緣的地方很有應(yīng)用前景。光導(dǎo)纖維法檢測(cè)靈敏度高，非常適用于對(duì)鋼軌焊縫或裂紋進(jìn)行檢測(cè)。該方法的缺點(diǎn)，在斷軌修復(fù)后，光纖復(fù)接技術(shù)難度大。由于光纖絲非常脆弱，如遇到過(guò)大的外力或彎曲，很容易斷裂。在鐵路環(huán)境下對(duì)光纖絲的安裝和維修技術(shù)較為復(fù)雜，且檢測(cè)區(qū)間不宜過(guò)長(zhǎng)。

2.3 牽引回流不平衡度分析檢測(cè) 1997年Shooman Steven在文獻(xiàn)〔4〕提出了一種利用牽引回流的不平衡度進(jìn)行斷軌檢測(cè)的方法。該方法通過(guò)斷軌發(fā)生時(shí)流向牽引變電站兩軌的電流不平衡度判定斷軌。在電氣化軌道區(qū)段，通常會(huì)采用空芯線圈和扼流變壓器來(lái)平衡兩軌牽引回流。如果其中一軌發(fā)生斷裂，阻抗提高，則牽引回流會(huì)從阻抗較小的另一軌流回牽引變電站。因此，只要在兩軌按一定間隔安裝電流傳感器檢測(cè)兩軌電流差異，即可實(shí)現(xiàn)斷軌檢測(cè)功能。美國(guó)鐵路協(xié)會(huì)于2001年在該方法的基礎(chǔ)上提出改進(jìn)方案，將相鄰2條復(fù)線進(jìn)行跨接，當(dāng)有列車在一條線上駛過(guò)時(shí)，可通過(guò)檢測(cè)另一條線路的電流平衡度來(lái)檢測(cè)斷軌。

該方法原理簡(jiǎn)單，且直接利用牽引回流省去了檢測(cè)用信號(hào)源，只需要安裝若干電流傳感器和相應(yīng)的牽引回流跨接設(shè)備，即可實(shí)現(xiàn)檢測(cè)功能。

該檢測(cè)方法存在的缺陷，只有在列車進(jìn)入檢測(cè)區(qū)間并有牽引回流流過(guò)兩軌時(shí)，才能進(jìn)行斷軌檢測(cè)。有時(shí)在檢測(cè)到斷軌時(shí)，列車已經(jīng)來(lái)不及制動(dòng)，特別是高速列車幾乎不可能在斷軌發(fā)生處之前停車。因而對(duì)于高速鐵路運(yùn)營(yíng)線路，即便是檢測(cè)出了斷軌，也還是有可能對(duì)行車安全造成威脅。

2.4 超聲導(dǎo)波檢測(cè) 鋼軌材料作為固體聲傳播介質(zhì)，具有良好的聲導(dǎo)管特性。文獻(xiàn)〔5〕中提出了一種利用該特性進(jìn)行斷軌檢測(cè)的試驗(yàn)方法。該系統(tǒng)主要由超聲波壓電換能器、信號(hào)發(fā)射器、接收器與通信模塊組成。其檢測(cè)原理如圖4所示。

在圖4中發(fā)射器向固定在鋼軌上的超聲波換能器發(fā)射高壓脈沖電信號(hào)，壓電換能器通過(guò)逆壓電效應(yīng)原理向鋼軌中發(fā)射超聲導(dǎo)波信號(hào)，經(jīng)過(guò)鋼軌傳導(dǎo)在接收端由超聲波探頭接收。通過(guò)接收端對(duì)所獲得信號(hào)的特征判斷，或在給定窗口時(shí)間內(nèi)能否接收到事先設(shè)定的超聲信號(hào)，來(lái)判定接收端與發(fā)射端之間的鋼軌完整情況。

這種方法采用機(jī)械波作為檢測(cè)信號(hào)，因此基本不受牽引回流與鋼軌電氣參數(shù)影響，且設(shè)備原理簡(jiǎn)單，安裝和維護(hù)方便，安全可靠，設(shè)備功耗成本相對(duì)較低。這非常適用于對(duì)采用整體道床、軌道一次參數(shù)不良、隧道及南方山區(qū)潮濕積水等無(wú)法采用軌道電路的區(qū)段進(jìn)行實(shí)時(shí)在線斷軌檢測(cè)。且適用對(duì)長(zhǎng)線無(wú)縫鋼軌進(jìn)行斷軌檢測(cè)，但對(duì)于超聲波無(wú)法穿越的魚(yú)尾板接頭、機(jī)械絕緣節(jié)和道岔等非連續(xù)軌況，必須另外研究開(kāi)發(fā)新的超聲波信號(hào)續(xù)接器。

文獻(xiàn)〔5〕還針對(duì)通信能力受到限制或發(fā)射器與接收器間距過(guò)長(zhǎng)的地區(qū)提出了采用中繼單元的解決方案。如圖5所示。

圖5中，當(dāng)有超聲信號(hào)從右邊發(fā)射器傳來(lái)時(shí)，被中繼器接收到，中繼模塊中的發(fā)送器再向鋼軌中發(fā)射同樣編碼的超聲波信號(hào)，該信號(hào)最終到達(dá)圖5最左邊的接收器。采用中繼器的優(yōu)點(diǎn)是單個(gè)檢測(cè)區(qū)間長(zhǎng)，所需的發(fā)射、接收設(shè)備少。但缺點(diǎn)是當(dāng)有列車占用時(shí)，會(huì)有很長(zhǎng)的檢測(cè)區(qū)段無(wú)法工作。如果設(shè)計(jì)不合理還可能會(huì)造成誤報(bào)警。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文綜述了近年來(lái)國(guó)內(nèi)外斷軌檢測(cè)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與最新研究進(jìn)展，并對(duì)各種斷軌檢測(cè)方法的特點(diǎn)和優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了分析。我國(guó)鐵路交通運(yùn)輸繁忙，特別是近10年來(lái)，國(guó)內(nèi)鐵路客運(yùn)高速化、貨運(yùn)重載化趨勢(shì)越來(lái)越明顯，對(duì)軌道安全的要求越來(lái)越高。傳統(tǒng)的探傷小車巡檢等斷軌檢測(cè)方法已不能滿足新形勢(shì)下對(duì)檢測(cè)速度和斷軌檢出率的要求。另外，由于新型閉塞用計(jì)軸設(shè)備和基于無(wú)線通信閉塞技術(shù)的使用，使鐵路信號(hào)閉塞功能不再完全依賴軌道電路來(lái)完成，原有軌道電路所附帶的斷軌檢測(cè)功能因部分區(qū)段信號(hào)設(shè)備的更新而不復(fù)存在。而國(guó)外的諸如牽引回流不平衡度斷軌檢測(cè)法和超聲導(dǎo)波等斷軌檢測(cè)法，對(duì)目前國(guó)內(nèi)鐵路發(fā)展?fàn)顩r具有較好的研究和應(yīng)用價(jià)值。因此，關(guān)注國(guó)內(nèi)外斷軌檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，進(jìn)行斷軌檢測(cè)設(shè)備的技術(shù)創(chuàng)新，提高斷軌檢測(cè)速度和檢出率，將對(duì)保障我國(guó)鐵路運(yùn)輸安全具有重要意義。

〔1〕陳春生.鋼軌探傷工〔M〕.北京：中國(guó)鐵道出版社，2000：165-173.

〔2〕當(dāng)代中國(guó)鐵路信號(hào)編委會(huì).當(dāng)代中國(guó)鐵路信號(hào)〔M〕.北京：中國(guó)鐵道出版社，2007：60－63.

〔3〕Semih Kalay.Transit Cooperative Research Program Re?port74，Track-Related Research Volume1〔R〕.Pueblo，Colorado:Transportation Technology Center，Inc.（TTCI），2001:10-17.

〔4〕Shooman Steven.Broken Rail Detection Without Track Cir?cuits〔C〕.Pueblo:Colorado State University Press，July 1997.

〔5〕RailSonic.Ultrasonic Broken Rail Detector Technical back?ground〔R/OL〕.（2003.10）〔2010.3.13〕.http://www.railsonic.co.za/prod01.htm.