英语原文共 16 页
钢轨缺陷检测：概述及未来发展需要
Robin Clark*
Sperry Rail, Inc., Danbury, CT, USA
摘要
铁路缺陷检测在保障世界铁路安全方面发挥着重要作用。近年来，由钢轨断裂引发的事故引起人们对检测钢轨缺陷技术的关注。本文回顾了目前所使用的技术，以及最近的现场应用实例。本文还讨论了一些正在进行的改进和未来的选择。
关键词： 铁路检查；超声波检测；电磁测试；疲劳缺陷；滚子搜索单元
Abstract
Rail Flaw Detection has an important part to play in ensuring the safety of the worldrsquo;s railroads. Recent accidents caused by broken rails have focused attention on the technologies that enable the detection of flaws in railroad rail. This paper reviews the technologies currently employed, along with examples of recent field applications. Some of the ongoing advancements and options for the future are also discussed.
Keywords: Rail inspection; Ultrasonic testing; Electromagnetic testing; Fatigue defects; Roller search unit
1.介绍
铁路缺陷检测（RFD）是目前研究的焦点。如果我们看看今天的铁路测试，我们看到的情况与五年前完全不同，这一行业在世界各地发生了许多变化。2000年10月的Hatfield事故在这方面发挥了主要作用。这是一个可怕的说法，但这种情况发生的频率有多高？人们经历了一场悲剧才明白铁路检测的真正价值。
本文将讨论铁路检测行业从早期到现在的发展。介绍了铁路（现铁路网）的工作进展以及对未来提出一些思考。
2.铁路测试：从早期开始
20世纪20年代末，由于美国铁路工业的需要，Elmer Sperry博士发明了测试铁路轨道[1]的感应方法，铁路测试真正成为一个严肃的实体[1]。多年来，这项技术在美国得到了改进，上世纪50年代出现了超声波检测，并开始成为全球铁路检测的支柱。尽管更多的公司进入了铁路测试领域，但今天的情况仍然如此。也有一些例外，比如美国的Sperry，他提出了“互补测试技术”的想法，而在俄罗斯，仍有许多汽车只使用磁感应技术。由运输技术中心（TTCI）于2000年10月为铁路监管办公室编写的报告为当今的全球铁路检测行业提供了非常有用的背景资料[2]。
这两种主要技术的基本物理原理如下：在超声的情况下，我们发送一束超声波能量到轨道，并使用一组传感器寻找反射或散射能量的返回。任何反射的振幅以及它们发生的时间可以告诉我们钢轨的完整性。由于缺陷不是完全可以预测的，我们以不同的入射角发送能量，以确保我们最大限度地找到任何有害的特征的机会[3]。通常使用的折射角为0，37或45和70度。此外，换能器的位置还可以跨越钢轨头查看纵向缺陷，如垂直劈裂头和剪切缺陷（图1a）。感应技术是以电磁感应物理学为基础的。通过与钢轨头接触的电刷向钢轨内注入高安培电流。实际上，钢轨变成了电路的一部分。如果电流遇到缺陷，电流将绕缺陷
运动(图1b)。电流的这种“失真”是通过一组传感器检测到的，这些传感器检测与电流[4]相关的磁场扰动。
图1 (a)超声波滚筒搜索装置；(b)诱导原则
3.事故反应
2001年3月18日，美国铁路公司从芝加哥开往旧金山湾区的西行加州西风号列车在爱荷华州农村脱轨。原因是铁轨断裂。此次事故造成1人死亡，96人受伤。事故发生前几周，一辆检测车在轨道上进行检测并发现了缺陷。根据联邦铁路管理局（联邦铁路局）的规定，发现一个缺陷，便需要更换新的轨道，问题是更换的轨道也有缺陷。事故发生后不到一周，美国铁路检测公司就被动员起来，进行人工检测，在铁路的每一个分支上检测更换的铁轨。这一事件是北美货运铁路首次大规模使用人工轨道测试。2002年3月，美国国家运输安全委员会(NTSB)发表了与这起事故有关的初步报告[5]。
在准备了程序和在Danbury, CT，0.4公里测试轨道上进行了充分的测试试验之后[6]，Sperry让多达6个基于滚轴搜索单元(RSU)的便携式轨道检测器或“手杖”投入工作。其他承包商也提供了设备和人员。其后，当局与有关铁路公司合作，制定了一套更受规管的测试时间表，并在区域基础上，安排数名铁路测试员全年工作。便携式轨道检测器(PRD)如图2所示。PRD使用的RSU与在北美运行的测试车辆使用的RSU相同。当PRD在钢轨表面移动时，9个工作在2.25MHz的传感器同时检测钢轨的体积。为了确保足够的耦合，在PRD安装了一个水箱，在移动的RSU前1厘米左右的地方有一根铜管引导水流。虽然水的使用不过量，但水箱可能需要在8小时内灌一到两次水。该显示器采用传统超声波检测仪器的A-Scan形式。NTSB的报告建议继续进行更换轨道的测试。联邦铁路局建议R-02-5各州铁路应进行超声波或其他适当检查，以确保用于替换现有铁路有缺陷部分的铁路不存在内部缺陷。这一进程的一个扩展是在类似于新的铁路生产厂的轨道回收厂设立超声波轨道试验站。
图2 便携式铁路检测器(北美)
对Hatfield的反应虽然经过了较长一段时间的演变，但英国铁路系统也研制出了一个便携式轨道探测器(如图3)。这种设备最近在英国铁路网上变得更常见。从人体工程学的角度看，该装置比第一种型号更有吸引力、更轻。电子封装的开发是为了实现灵活性，并与不同的超声波检测仪器一起使用。不过，主要不变的特性是RSU。下一个逻辑步骤是开发一种数据存储方法，该方法允许测试工作的完整记录用于测试后评审和归档。目前的检测记录是根据技术人员对仪表屏幕上和钢轨上所见的直观解释，填写的报告。
图3 便携式轨道探测器(欧洲)
无论考虑手动检查还是高速检查，RSU都是比其他滑块探头配置更合适的前端单元。其主要优点是稳定性高、符合钢轨几何形状，以及最重要的是可靠，能够有效地将能量转移到被检查的钢轨上。这些特点促使世界各地的大多数超声钢轨检测公司采用这种技术。在PRD的案例中，RSU在三个不同的角度放置了9个超声波传感器，目的是在最佳入射角度尽可能多地为钢轨提供能量。
该装置是在Railtrack的支持下开发的，特别用于检测导致Hatfield事故[7]的检测表角裂纹(滚动接触疲劳)。
4.现有技术
图4显示了美国铁路将采用的最新技术。该系统将相辅相成的超声和感应检测技术结合在一个高轨平台上。这为铁路提供了高质量的测试，增加了部署的灵活性。在过去，感应只有在有轨车辆上才有可能实现，因为电厂的规模需要产生注入轨道的高电流。随着电源技术的发展，生产高轨车辆已被证明是可行的[8]。到目前为止，自2001年1月以来，已经生产并发布了7款这样的汽车。它们的运行速度最高可达32公里/小时，尽管北美有“停止并确认”的测试要求，但在需要确认的情况下，前进速度更快和反转时间更长的风险之间始终存在一种操作上的权衡。
除了上述特点，车辆还看到了从基于条形图的显示过渡到基于B-Scan的显示。B-Scan更直观地反映了钢轨内部的超声相互作用，也更容易被操作者理解。在基于B-Scan的系统中，算法的作用是减少提供给解释的数据。在铁路测试中，运营商面临的“数据过载”可能是一个重大问题，但另一方面，数学并不总是能很好地处理铁路上遇到的异常情况。必须要有一个平衡。整个铁路横断面均采用闸门，数据分析基于实验室和现场试验的算法，以及多年的试验经验。超声和感应数据都以正确的方式显示在同一显示器上。
在美国，大部分工作都集中在重载铁路环境上。尽管火车的速度较慢，但在组成北美铁路的近20万英里的轨道上所遇到的铁路状况，比欧洲大多数以乘客为主的铁路要严重得多。关于铁路测试工程师所面临的挑战的想法已经被提出，并且它们将继续成为在世界各地开展的开发工作的驱动力[9]。国际重载铁路协会(IHHA)已经认识到重载铁路的苛刻环境，他们在2001年出版的一本书中收集了其中的大部分智慧，并于当年在澳大利亚Brisbane召开的IHHA会议上发布[10]
图4 高轨超声/感应车。
国际铁路联盟(UIC)也在进行一项名为“铁路缺陷管理”的全球铁路测试计划。到目前为止已经发布了一些文件[11,12]，Lundgren等人在Brisbane的IHHA会议上对其进行了很好的概述，提到这些倡议的原因是为了突出当今全球对铁路测试的兴趣，并开始为随后的新技术讨论奠定基础[13]。
在北美，目前最常见和最成问题的缺陷是横向缺陷、焊缝缺陷和垂直劈裂头缺陷。这些缺陷占Sperry每年检测到的缺陷的55%左右。它们还构成所收到的通知故障的75%。已通知的故障是指钢轨发生断裂，并且公司已被告知发生了故障的实例。在许多情况下，将进行调查，以试图确定失败的原因。可能的原因有很多——每种情况都是进一步学习的源泉。在许多情况下，缺陷可能在测试时无法检测到，因为它可能太小，或者钢轨的表面状况可能会产生额外的噪声，从而掩盖了缺陷。此外，钢轨断裂的原因可能是车轮平了。在这些情况下，一个潜在的缺陷很可能在下一次测试中被发现，当受到一个带平面的火车车轮的冲击时，它可能成为一个灾难。
高轨超声/感应设备在投入使用时受到了仔细的监控。到目前为止，正面的影响远远大于负面的影响。由于总体上更加复杂，早期从生成器到测试车厢操纵，出现了许多初期问题。工程师们面临着许多挑战。现在，虽然随着卡车和设计的稳定，问题似乎已经触底。作为Six Sigma质量项目的一部分，一条铁路分析了车辆的性能。这些汽车被放置在Appalachia山脉要求很高的“煤炭区域”--山区、弯道、严重磨损的铁轨和多变的天气条件。分析表明，自引进新型车辆以来，钢轨头缺陷失效案例明显减少(减少50%以上。测试车辆在缺陷增长周期的早期发现了更多的缺陷。这有助于强调补充技术在“难以测试”领域[14]上的威力。该系统还减少了手动验证的停机次数，在大多数情况下，测试速度提高了60%。对一条北美主要货运铁路在一年内检测到的缺陷进行的分析表明，标记的缺陷中有20%仅用归纳法表示。这有助于加强补充技术的价值。
5.铁路工作(现为网铁)
2001年下半年，Sperry获得了铁路公司的合同，在英国铁路网上建造和运营一辆超声波测试车。为此，2002年开展了许多旨在实现这一目标的活动。仪器车厢(UTU2)安装在英国的Derby，2002年底在Old Dalby测试轨道上启用(图5)。
超声波测试系统的建立和机械设计和建设工作的部署的RSU是在美国进行。该测试系统是基于B-Scan，与高轨超声感应汽车上使用的系统大同小异。机械设计被证明是一个挑战。意识到需要遵守英国的车辆验收规则和更严格的通关要求，该设计是从已经在欧洲运行的高速车辆上使用的，特别是在瑞典、挪威和德国开发的。RSU设备间已重新设计，以满足清拆要求。图6显示了安装在车辆下方的RSU部署的四分之一模型。
B-SCAN显示类似于图7中所示的显示，没有用于感应数据的窗口。移除这些窗口并重新配置超声显示器以利用可用空间。为了便于培训和使用，该软件已在Windows环境中开发。每个窗口的垂直尺寸与轨道中指示源的垂直位置有关。每个窗口的水平尺寸与轨道中指示的纵向位置有关。
车辆工作的第三部分是为Railtrack设计新校准轨道的机会。借鉴经验和其他铁路的要求建议，为Railtrack制作了新的设计。铁轨已安装在Old Dalby测试轨道中，并已用于调试工作。希望该设计将被其他铁路采用，以便铁路测试社区能够达到某种形式的国际标准。
图5 网铁测试车
图6 UTU2上的机械布置
英国的下一步将推出一款新的全超声波高轨车辆，类似于最近在德国开发的一种。该车辆使用相同的基于B-SCAN的测试系统和来自美国的高轨超声波/感应车辆的车架（图8）。严格的车辆验收标准再次规定了所采取的设计步骤。该滑架具有用于超声RSU和涡流传感器的空间。
6.技术开发
铁路测试从未见过大量的开发资金。似乎只有在发生事故时才能更容易获得资金。然而，当这种情况发生时，我们要求谨慎使用这些资金并以连贯的方式协调发展努力可能更为重要。我们常常不假思索地跳上“新产品明显更好”的潮流。是的，邀请新的想法和人员参与其中是件好事，
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