無損檢測技術(shù)在軌道交通中的應(yīng)用

摘要：軌道交通缺陷檢測是保障軌道交通運(yùn)營安全重要方法。無損檢測技術(shù)可以在保持結(jié)構(gòu)不變的情況下檢測并評估缺陷和故障等。因其具有經(jīng)濟(jì)、快速和精確的優(yōu)勢成為研究熱點(diǎn)，廣泛應(yīng)用在軌道交通、新型復(fù)合材料、航空航天、石油化工、醫(yī)療和鋼鐵等領(lǐng)域。重點(diǎn)分析了無損檢測技術(shù)原理、優(yōu)勢和適用范圍，以及在鋼軌和車輛上的應(yīng)用，并對未來發(fā)展趨勢進(jìn)行展望。

關(guān)鍵詞：軌道交通；缺陷傷損；無損檢測；健康監(jiān)測

doi：

中圖分類號：文獻(xiàn)標(biāo)識碼： 文章編號：

Application of nNondestructive tTesting Ttechnology in rRail tTransit

LIU Chengjuan1 TIAN Wei2

1.Fuzhou Polytechnic，F(xiàn)uzhou，F(xiàn)ujian Province，350108China; 2.Fujian University of Technology，F(xiàn)uzhou，F(xiàn)ujian Province，350118 China

Abstract：The defect detection ofRrail transit defect detection is an important means to ensure itstheoperation safety of rail transit.Non-destructive testing technology can detect and evaluate defects and faults while keeping the structure unchanged.，and Because of its advantages of economy，speed and accuracy，it has become a research hotspotbecause of itseconomical， fast and accuracteadvantages，and beenis widely used in rail transit，new composite materials，aerospace，petrochemical，medical and steel fields.This paper focuses on the principle，advantages and the range of application range of nondestructive testing technology，as well as its application in rails and vehicles are analyzed，and prospectstheits future development trend is prospected.

Key Words：Rail transit;Defect injury;Non-destructive testing;Health monitoring

隨著軌道交通建設(shè)的蓬勃發(fā)展，人們對軌道交通車輛檢修的精度、準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性等綜合要求逐漸提高，，軌道交通車輛無損檢測技術(shù)推陳出新越來越快。“交通強(qiáng)國”建設(shè)，促使軌道交通產(chǎn)業(yè)向著更加智能、環(huán)保、高可靠的方向升級換代，《福建省“十四五”現(xiàn)代綜合交通運(yùn)輸體系專項(xiàng)規(guī)劃》提供了意見[1]。

由于軌道交通車輛服役期間受力復(fù)雜，列車鋼輪和軌道之間，以及車輛各運(yùn)行設(shè)備，面對復(fù)雜環(huán)境，受到?jīng)_擊、震動疲勞、磨耗、塑性變形、裂紋等劣化現(xiàn)象造成的結(jié)構(gòu)內(nèi)部損傷缺陷，會造成行車安全，人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失，因此軌道交通系統(tǒng)需要更為可靠和徹底的檢測和健康監(jiān)測方法。

傳統(tǒng)的無損檢測方法已不能滿足現(xiàn)代軌道交通零部件檢測快速發(fā)展的需要，無損檢測技術(shù)作為一種先進(jìn)的檢測手段在現(xiàn)代軌道交通中越來越受到重視。

本文重點(diǎn)研究了軌道交通鋼軌和車輛缺陷的檢測和評估方法。這些方法對整個(gè)軌道交通運(yùn)輸行業(yè)的運(yùn)營、經(jīng)濟(jì)增長和出行方式產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。

1無損檢測技術(shù)概念與特點(diǎn)

1.1 無損檢測技術(shù)概念

無損檢測技術(shù)是在保持結(jié)構(gòu)及性能不變的基礎(chǔ)上，采用光、聲、電、磁、熱等手段，獲得表面或內(nèi)部的圖像、尺寸、物理波的強(qiáng)度、材料的組織成分、顯微組織和內(nèi)應(yīng)力等信息的一種技術(shù)手段[2]。

與標(biāo)準(zhǔn)品進(jìn)行比較，通過確認(rèn)被檢品的缺陷深度位置、形狀、成分及服役周期等，判定被檢品的現(xiàn)役狀態(tài)。由于其對產(chǎn)品無損傷，已廣泛應(yīng)用在軌道交通、新型復(fù)合材料、海洋裝備、石油化工和航空航天等行業(yè)。

1.2 與傳統(tǒng)檢測方法比較

傳統(tǒng)的檢測技術(shù)難以對復(fù)雜結(jié)構(gòu)中的缺陷進(jìn)行準(zhǔn)確可靠的檢測，因此，對復(fù)雜結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)特征、成型工藝、缺陷需要采用可靠的無損檢測技術(shù)。

無損檢測技術(shù)是綜合型和應(yīng)用型技術(shù)。探傷、檢查、檢驗(yàn)和評估具有不破壞被檢測件，可以檢測微小不連續(xù)缺陷，靈敏度高，高效安全的優(yōu)勢。綜合應(yīng)用多學(xué)科技術(shù)的現(xiàn)代無損檢測技術(shù)已經(jīng)從單純的探傷，發(fā)展到質(zhì)檢和性能評價(jià)，并對生產(chǎn)環(huán)節(jié)進(jìn)行指導(dǎo)，以提高產(chǎn)品質(zhì)量的可靠性。

在材料加工、產(chǎn)品生產(chǎn)和應(yīng)用等各個(gè)環(huán)節(jié)，無損檢測技術(shù)同樣發(fā)揮獨(dú)特作用。例如：我國鋼材產(chǎn)量全球第一，為了匹配軌道交通設(shè)備需求與產(chǎn)量的關(guān)系，出廠前進(jìn)行百分之百的無損檢測；鋼軌焊接產(chǎn)生的氣孔和裂紋等問題可以使用射線檢測法檢測；高鐵車輛可以跑到350 km/h，良好的軌道交通車輛需要檢測輪軌黏著狀態(tài)，才能保證高速重載的行車安全需求，提高無損檢測的速度和精度迫在眉睫。

2 無損檢測熱點(diǎn)技術(shù)

進(jìn)入21世紀(jì)后，無損檢測方法愈來愈多，目前已有上百種無損檢測方法，每種方法都有各自的適用領(lǐng)域和優(yōu)缺點(diǎn)，最主要的是磁粉、射線、超聲、滲透和渦流5種無損檢測技術(shù)[3-4]。理論和科技水平進(jìn)步，促使無損檢測技術(shù)與時(shí)俱進(jìn)。

磁粉無損檢測技術(shù)是基于漏磁場檢測原理，利用磁粉和漏磁場之間作用形成放大磁粉圖像聚集，從而顯示被檢測件缺陷的形狀、位置、尺寸等。該技術(shù)檢測速度快，精度高（可達(dá)微米級），儀器操作簡單，廣泛用于復(fù)合板材、鐵磁性板材和管件等表面或近表面制品檢測。

射線無損檢測技術(shù)是根據(jù)射線衰減規(guī)律，根據(jù)被檢測件對電磁和粒子輻射產(chǎn)生散射和吸收特性的差異進(jìn)行缺陷檢測。該技術(shù)適用于焊接件、鑄造件、復(fù)合材料的體積型缺陷，但對平面缺陷檢測精度較低。

超聲無損檢測技術(shù)是依據(jù)超聲波在制品表面或內(nèi)部傳播原理，測量聲波強(qiáng)度的變化來探測缺陷的技術(shù)。超聲穿透力強(qiáng)，設(shè)備輕便，使該技術(shù)能準(zhǔn)確確定缺陷深度位置，廣泛用于金屬、非金屬、復(fù)合材料零件表面、內(nèi)部、厚度等缺陷測量；但是超聲波強(qiáng)度低，檢測某些非致密的，非均勻的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，靈敏度和信噪比差，定性定量表征需經(jīng)驗(yàn)豐富者。

滲透無損檢查技術(shù)是利用涂在零件表面的滲透劑的回滲（毛細(xì)現(xiàn)象）和染料的發(fā)光現(xiàn)象，檢測非多孔金屬材料和非金屬表面開口缺陷的技術(shù)。滲透無損檢測適用于各種非多孔性材料，不受被檢制品化學(xué)成分、結(jié)構(gòu)、缺陷形狀限制；小于微米級缺陷。這種檢測技術(shù)的缺點(diǎn)是只能檢測表面有開口的缺陷，無法確定深度和定量評價(jià)，而且重復(fù)使用性差，污染嚴(yán)重。

渦流無損檢測技術(shù)是基于電磁感應(yīng)現(xiàn)象，通過被檢測部件的表面或近表面缺陷影響渦流的分布和強(qiáng)度，使阻抗和電壓發(fā)生變化來檢測缺陷的技術(shù)。該技術(shù)的優(yōu)勢是檢測系統(tǒng)成本低、操作簡單、檢測速度快、非接觸耦合、高溫，薄壁管，細(xì)線，零件內(nèi)孔實(shí)施測量，被檢測件表面要求低和無輻射等；渦流無損檢測的局限性表現(xiàn)為：（1）只能檢測導(dǎo)電材料；（2）形狀復(fù)雜檢測效率低；（3）趨膚效應(yīng)，檢測深度有限。

3在軌道交通領(lǐng)域的應(yīng)用

3.1無損檢測技術(shù)在鋼軌的應(yīng)用

鋼軌服役過程中會產(chǎn)生多種類別的缺陷，主要包括發(fā)生在踏面、軌頭、軌腰和軌底的滾動接觸疲勞裂紋、內(nèi)部缺陷、磨損和剝離等，原因十分復(fù)雜。上述缺陷導(dǎo)致服役鋼軌性能劣化，故障率上升，安全隱患增大。因此，快速、高效、高精度地檢測缺陷顯得越來越重要，無砟軌道列車更是如此。從保證被檢測件結(jié)構(gòu)完整度和材料特性角度考慮（如鋼軌剩磁不變），無損檢測技術(shù)顯然具有較大優(yōu)勢。

鋼軌檢測系統(tǒng)主要包括分人工探傷和軌道車巡檢兩類。由于夜間維護(hù)難于用肉眼鑒別鋼軌表面損傷，超聲無損檢測技術(shù)探傷能判別內(nèi)部損傷的位置、取向、尺寸和形狀等。

國內(nèi)現(xiàn)有的超聲波檢查技術(shù)不能檢測深度小于4 mm的軌道表面或近表面的缺陷。結(jié)合自動視覺、渦流檢測、漏磁檢測等技術(shù)才能實(shí)現(xiàn)。與電磁超聲波和激光超聲波等技術(shù)優(yōu)勢互補(bǔ)，提高了檢測精度[5-8]。例如，超聲波無損檢測技術(shù)適用于焊縫、道岔和鋼軌；射線無損檢測技術(shù)可以檢測焊縫和鑄造件，滲透無損檢測技術(shù)可對焊縫和閥門的著色滲透探傷。

3.2無損檢測技術(shù)在車輛的應(yīng)用

隨著軌道交通的蓬勃發(fā)展，無損檢測技術(shù)被廣泛使用在軌道交通車輛上，為人們的安全出行保駕護(hù)航。

新型復(fù)合材料具有高韌性、輕量化、環(huán)保實(shí)用和高沖擊強(qiáng)度等優(yōu)越特性，軌道交通行業(yè)應(yīng)用廣泛。例如，碳纖維增強(qiáng)塑料和玻璃纖維增強(qiáng)塑料等新型復(fù)合材料生產(chǎn)的裙板、座椅等內(nèi)飾，到設(shè)備艙、前端頭罩等非承載和次承載結(jié)構(gòu)。因新型復(fù)合材料成型和使用過程是多元素耦合作用，易形成空隙、孔、分層、夾雜物等，影響結(jié)構(gòu)承載和使用性能，采用無損檢測技術(shù)進(jìn)行預(yù)防和修復(fù)，保證了產(chǎn)品質(zhì)量。同時(shí)，對于車體、轉(zhuǎn)向架、輪對、輪軸、搖枕側(cè)架、軸承等承載結(jié)構(gòu)缺陷也可通過無損檢測技術(shù)進(jìn)行檢測。

渦流無損檢測技術(shù)有助于檢測車輛的車輪輪芯及閥門等表面缺陷。滲透無損檢測技術(shù)用于檢查軌道交通車輛車體焊縫、鋼軌及焊縫和轉(zhuǎn)向架的缺陷檢測及探傷。超聲無損檢測技術(shù)適合車軸、車輪和輪緣探傷等。

磁粉無損檢測技術(shù)可對鐵磁性材料進(jìn)行探傷，被檢測件表面均勻噴磁粉或磁懸液，防止磁痕受干擾。例如，制動盤箍、輪對、車鉤、構(gòu)架檢測并復(fù)核確認(rèn)缺陷；工作環(huán)境惡劣，人眼勞損嚴(yán)重，檢測效果受員工經(jīng)驗(yàn)和身體素質(zhì)影響大。磁粉無損檢測技術(shù)難以檢測的位置，如車軸內(nèi)表面缺陷可以用渦流無損檢測技術(shù)檢測[9]。

軌道交通車輛的輪對、齒輪和軸等可同時(shí)采用超聲波無損檢測技術(shù)和磁粉無損檢測技術(shù)進(jìn)行檢測[10]。

4無損檢測技術(shù)發(fā)展趨勢

無損檢測技術(shù)在地鐵、輕軌和高鐵等軌道交通行業(yè)應(yīng)用廣泛。國內(nèi)外很多學(xué)者及機(jī)構(gòu)已采用該技術(shù)對機(jī)械設(shè)備缺陷檢測開展探索，并收獲了很多研究成果。其發(fā)展趨勢主要如下。

（1）軌道交通沿著高速、重載方向發(fā)展，檢修天窗時(shí)間有限。因此需要開發(fā)檢測速度快、安全高效的無損檢測技術(shù)和自動化、集成化裝備。

（2）融合數(shù)字圖像處理與機(jī)器視覺技術(shù)，開發(fā)圖像檢測系統(tǒng)，朝著智能化、多功能化方向發(fā)展。

（3）“5G+VR”技術(shù)背景下創(chuàng)建出軌道交通車輛高仿真、沉浸式、可交互的虛擬檢測場景，提供人才培養(yǎng)、技能培訓(xùn)及科普等功能，培養(yǎng)匠人精神，實(shí)現(xiàn)立德樹人。

（4）結(jié)合大數(shù)據(jù)技術(shù)，充分發(fā)揮數(shù)據(jù)管理、分析和可視化能力，發(fā)揮無損檢測技術(shù)在健康監(jiān)測、探測、檢查、檢驗(yàn)和評估作用，整合各種軌道交通領(lǐng)域無損檢測技術(shù)，優(yōu)勢互補(bǔ)，以實(shí)現(xiàn)更全面的軌道交通檢測，保障軌道交通運(yùn)營安全。

5結(jié)語

綜上所述，隨著對軌道交通零部件質(zhì)量性能的提高，面對變載荷、高溫、高壓等復(fù)雜環(huán)境，甚至在振動、沖擊等疲勞條件下工作，無損檢測技術(shù)應(yīng)用于鋼軌和車輛方面的質(zhì)量檢查、健康監(jiān)測和性能評估，能及時(shí)“捕捉”損傷缺陷，降低運(yùn)營安全風(fēng)險(xiǎn)，提高服務(wù)質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)軌道交通運(yùn)營安全的精準(zhǔn)管理，確保軌道交通高效安全運(yùn)營。因此，無損檢測技術(shù)作為軌道交通領(lǐng)域的一種先進(jìn)檢測手段，已成為研究熱點(diǎn)。開展無損檢測技術(shù)研究，將促進(jìn)整個(gè)產(chǎn)業(yè)進(jìn)步和國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展，未來會迎來更大的發(fā)展空間。

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