■ 石永生 李培 鐘旭峰 駱海波

1 核傷與斜裂紋的特點(diǎn)

鋼軌軌頭橫向疲勞裂紋俗稱軌頭核傷（簡(jiǎn)稱核傷），呈橢圓形，長(zhǎng)、短軸之比約3∶2。核傷疲勞源一般位于距踏面8~12 mm、距內(nèi)側(cè)5~10 mm處。核傷方向與軌頭側(cè)面近乎垂直，與踏面多呈10°~25°夾角（單行線上）或近乎垂直（復(fù)行線上）。核傷在未發(fā)展到外表面時(shí)肉眼不可見，稱“白核”；已擴(kuò)展到外表面時(shí)，因氧化變?yōu)楹谏Q“黑核”。核傷可導(dǎo)致鋼軌橫向折斷，嚴(yán)重影響鐵路線路的行車安全，按性質(zhì)屬性劃分屬于重傷。多數(shù)國(guó)家在核傷面積超過軌頭面積30%以上時(shí)才要求換軌，法國(guó)甚至放寬到55%。我國(guó)比較嚴(yán)格，只要能確認(rèn)是核傷，就要求馬上切除或更換。

鋼軌踏面斜裂紋（簡(jiǎn)稱斜裂紋）是軌頭踏面在輪軌接觸應(yīng)力作用下形成的在鋼軌全長(zhǎng)上分布的呈斜線狀發(fā)展的輪軌接觸疲勞裂紋，按性質(zhì)屬性劃分屬于輕傷，不會(huì)影響行車安全，通常需要進(jìn)行修理性打磨和預(yù)防性打磨，在不重要的線路上或不具備打磨條件時(shí)一般不進(jìn)行處理，只進(jìn)行監(jiān)控，防止繼續(xù)向下發(fā)展成核傷。

但這些斜裂紋和核傷的探傷車B型圖非常相近，不容易區(qū)分。探傷車檢測(cè)過程中，斜裂紋也被探傷車自動(dòng)識(shí)別算法統(tǒng)一識(shí)別成核傷，造成探傷車核傷誤報(bào)嚴(yán)重，加大了傷損回放分析人員和傷損復(fù)核人員的工作量。因此，如何有效區(qū)分B型圖中的斜裂紋和核傷顯得尤其重要。

2 斜裂紋與核傷的B型圖對(duì)比分析

對(duì)比分析見表1。

3 核傷與斜裂紋的B型圖成因分析

3.1 核傷

鋼軌探傷車使用超聲探輪進(jìn)行鋼軌傷損在線檢測(cè)。每個(gè)探輪內(nèi)都有3個(gè)70°晶片，折射進(jìn)入鋼軌的超聲橫波聲束折射角約70°。進(jìn)入鋼軌的超聲橫波聲束有較大的擴(kuò)散角，對(duì)同一點(diǎn)的軌頭傷損隨著車輛的運(yùn)行會(huì)進(jìn)行多次采樣，并且由于擴(kuò)散角大，造成對(duì)核傷的取向不是特別敏感，甚至垂直的傷損也能夠發(fā)現(xiàn)。核傷反射見圖1。1點(diǎn)發(fā)射的超聲波在傷損的A1點(diǎn)反射并在B型圖中描繪在A1點(diǎn)，同樣2、3點(diǎn)處發(fā)射的超聲波也在B型圖的A2、A3處描繪一個(gè)點(diǎn)。這樣經(jīng)過多個(gè)點(diǎn)超聲波發(fā)射和采樣，超聲檢測(cè)系統(tǒng)就完成了核傷的探傷檢測(cè)，并且B型圖中的傷損走勢(shì)和實(shí)際的傷損走勢(shì)基本一致。

3.2 斜裂紋

有的斜裂紋的B型圖深度幾乎達(dá)到軌顎部位，實(shí)際斜裂紋的深度非常小，往往不超過3 mm，因此推斷探傷車在核傷檢測(cè)過程中產(chǎn)生了表面波，并在GTS-60試塊上得到了驗(yàn)證（驗(yàn)證過程中發(fā)現(xiàn)同鋼軌表面波同時(shí)伴生一軌面下超聲波，其聲速同鋼軌表面波相同，但距離-能量值的變化與鋼軌表面波不同）。正是表面波檢測(cè)到斜裂紋，但超聲檢測(cè)系統(tǒng)不能識(shí)別鋼軌表面波，仍然按照既定的折射70°超聲橫波處理。斜裂紋反射見圖2。探輪在1、2、3、A點(diǎn)得到的均是A點(diǎn)的反射，傳播路徑為1、2、3、A點(diǎn)到A點(diǎn)的紅色箭頭線。由于超聲檢測(cè)系統(tǒng)不能識(shí)別波形是沿著表面?zhèn)鞑サ?，分別認(rèn)為反射點(diǎn)來自A1、A2、A3、A點(diǎn)，所以繪畫出傷損形狀如圖2中的豎直藍(lán)虛線。核傷圖形不能表示實(shí)際深度，只表示虛擬深度，圖形的長(zhǎng)短與檢測(cè)閘門的寬度、表面波反射能量的大小和表面斜裂紋的密度有關(guān)，圖形通道數(shù)與斜裂紋的長(zhǎng)短有關(guān)。

表1 核傷與斜裂紋的B型圖對(duì)比

在單行線上，斜裂紋一旦發(fā)展成為真正核傷，其反射圖形會(huì)有所變化（向傾斜發(fā)展）。

4 現(xiàn)場(chǎng)考證

圖1 核傷反射示意圖

圖2 斜裂紋反射示意圖

根據(jù)對(duì)比分析結(jié)論，選取2處B型圖并做現(xiàn)場(chǎng)考察。單一斜裂紋傷損發(fā)展接近軌頂中心線，深度約2 mm，反射圖形從軌頂發(fā)展至軌顎，GC 70°產(chǎn)生反射（見圖3）。連續(xù)表面細(xì)裂紋傷損（比較密集）：軌頂面橫向發(fā)展約1/3，深度1~2 mm，反射圖形排列密集且較短，GC 70°2個(gè)通道有反射（見圖4）。通過這2處現(xiàn)場(chǎng)考證，驗(yàn)證了對(duì)比分析結(jié)論，為核傷B型圖判別提供了理論依據(jù)。從示波器上看，高速檢測(cè)時(shí)斜裂紋的反射波形同噪聲非常類似，如果把它作為系統(tǒng)雜波處理，人為減低靈敏度，將會(huì)造成嚴(yán)重漏檢。

圖3 單一斜裂紋的B型圖及現(xiàn)場(chǎng)考證

圖4 連續(xù)斜裂紋的B型圖及現(xiàn)場(chǎng)考證

5 結(jié)論

斜裂紋對(duì)探傷車超聲檢測(cè)產(chǎn)生影響。在核傷的報(bào)警圖形中既可能是核傷，也可能是表面斜裂紋或斜裂紋下發(fā)展成的核傷，還可能是系統(tǒng)雜波，無疑給探傷車檢測(cè)人員、傷損分析回放人員帶來操作、調(diào)整和傷損分析的麻煩，也給信號(hào)處理技術(shù)和自動(dòng)化探傷方面提出了新的課題。

通過GTS-60試塊簡(jiǎn)要驗(yàn)證了在鋼軌表面存在超聲表面波；通過鋼軌核傷和表面斜裂紋B型圖的詳細(xì)對(duì)比分析，總結(jié)核傷和斜裂紋特征、探討核傷和斜裂紋B型圖形成原理，為這2類傷損的判別提供了理論依據(jù)。不足之處是未能就探傷車檢測(cè)過程中產(chǎn)生的鋼軌表面波的具體參數(shù)及其特征進(jìn)行詳細(xì)試驗(yàn)，并且仍需信號(hào)處理和傷損自動(dòng)化判別進(jìn)行下一步工作。