城市轨道交通钢轨探伤技术检测系统.docx

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城市轨道交通钢轨探伤技术检测系统

城市轨道钢轨检测车

用来检测轨道的几何状态和不平顺状况，以便评价轨道几何状态的特种车辆，简称轨检车。

它是保障行车安全、平稳、舒适和指导轨道养护维修的重要工具。

根据轨检车的记录，可以发现轨道平顺状态不良的地点，以便采取紧急补修或限速措施，并确定应进行计划维修的里程段落，编制维修作业计划。

此外，根据轨检车的记录也可评定轨道的养护水平和整修作业质量.

1.发展沿革1

2.我国轨道检测车的发展2

3.日本轨检车的发展2

4.美国轨检车的发展3

5.意大利轨检车发展3

6.法国轨检车发展4

7.轨检车的发展趋势4

8.轨道检测车的任务4

9.轨道探伤技术的发展5

10.多功能安全综合检测车6

11.现上海钢轨探伤车——地铁眼：

“大黄蜂”兄弟6

1.发展沿革

早期轨道状态采用人工检测，19世纪70年代出现了轨道检查小车。

用人力推行小车和机动的检测小车进行检测。

用这些方法检查不能反映轨道在列车车轮荷载作用下的几何状态。

因此在19世纪70～80年代，欧洲有些国家开始研究在普通客车上装备检测设备，并出现了一些雏型的轨道检查车。

20世纪初，俄国、德国和美国铁路正式使用轴重较大的客重式机械轨检车，检测在轮载作用下的轨道几何状态，开创了轨道动态检测新阶段。

机械轨检车是借助检测车轮、重铊、杠杆、滑轮、弹簧等机件，由钢丝绳直接牵动绘图笔在纸带上记录检测的结果。

这种轨检车的检测速度低，误差大。

20世纪50年代末，苏、日等国制成电气轨道检查车。

此后各种电测装置逐渐取代了机械检测系统。

70年代以前的轨检车，都用弦测法和接触检测小轮来测量轨道的不平顺状况。

弦测法的测量值随测量弦的长度与轨道不平顺波长的比值变化，测得的高低等波形，往往与实际轨道不平顺情况有较大的差异。

接触检测小轮在高速时，因惰性等影响，误差较大。

近十多年来,由于行车速度提高,运量增大，需进一步提高轨道的不平顺性，要求更准确地测出轨道不平顺波形，因而促进了轨道检测新技术的发展。

70年代前期，美、英、日等国相继采用惯性基准、无接触检测等先进技术，研制成功用电子计算机自动处理检测数据、能如实地反映轨道状态、检测速度达每小时200公里的现代化高速电子轨道检查车。

近年来，各国使用的现代轨道检查车由检测和数据处理系统（图1）、发电供电系统、空气调节系统、仪表工作室、了望台以及走行转向架等几部分组成。

其检测项目有轨道的高低、水平、三角坑、方向、轨距，以及里程和行车速度等。

有的还能测量曲线超高、曲率，以及高低方向等轨道不平顺的变化率、曲线通过的均衡速度等。

还有些现代轨检车通过测量车体和轴箱的振动加速度、轮轨作用噪声，以及轮轨间的垂直力、水平力、脱轨系数等，为更全面地评价轨道的状态提供依据。

现代轨检车能及时提供直观反映轨道状态的波形图，并能提供经车载计算机处理打印成的轨道状态报告表，以及记录在磁带上的轨道状态资料等。

有的还可在轨道状态严重不良和需紧急补修的地方，直接在轨道上喷上颜色标记。

将磁带记录送地面计算机进一步处理，便可编制出各种轨道状态管理图和轨道整修作业计划表。

2.我国轨道检测车的发展

中国于1953年试制成功第一辆自己设计的客车式机械轨检车。

1971年又制成客车式电气轨检车。

图2为1971年中国制成的“TSK22”型电气轨道检查车。

这种电气轨检车长约26米,自重约62吨,能同中国的特快列车联挂进行检测。

这种电气轨检车采用旋转变压器作位移传感器，借助三个轮对所构成的18.5米不对称弦测量轨道高低，用三轴转向架的三个轮对构成的3.4米对称弦测量钢轨接头低陷；轨道水平状态由陀螺装置测量，三角坑由相距15.1米的两个轮对测得。

测量结果用电磁笔记录仪记录在纸带上。

70年代中期，中国开始进行轨检新技术的研究，现已先后研制出能测量轨道高低、水平、轨面不平顺的“惯性基准轨道不平顺检测装置”和“轨道超高检测装置”、“充电式轨距检测装置”、“多功能振动检测装置”等新装置。

目前正在进一步研制用这些新装置和其他先进设备（如电子计算机等）装备的新型轨道检查车。

3.日本轨检车的发展

East－i综合检测列车可在一次运行过程中实现对线路的综合检测功能，但各检测项目之间的检测数据并不综合到一个统一的中心，各检测单元有各自独立的数据显示、记录、转储和地面分析、处理、维护管理决策等系统，全系统仅有位置、时间和速度是统一的。

一般认为，弦测法传递函数收敛性差，East－i采用了相应的修正方法。

由于弦测法不能全部真实反映轨道状况，在复原及逆滤波处理时仅能换算到40m波长的测值，因此该方法存在一定的缺陷。

惯性基准法受速度影响较大，不适宜低速检测，在高速时更具优势。

另外，East－i整套设备及软件均为日本的品牌和自主开发的产品，与我国设备和软件的兼容性差，不利于系统的后续使用和二次开发。

4.美国轨检车的发展

美国各铁路公司均拥有自主研发的轨检车，美国联邦铁路署还委托ENSCO公司研制了技术先进的T10型轨检车，用于抽查各铁路公司的线路质量。

T10型轨检车采用惯性基准测量原理和非接触式测量方法，应用光电、伺服、数字滤波、局域网技术，最近还增加了钢轨断面测量系统，使轨检车的功能更加齐全，检测速度可达192km/h。

ImageMap公司研制的Laserail轨道测量系统采用激光摄像、高速图像处理技术取代了光电伺服技术，体现了轨道检测技术的发展方向。

它采用惯性基准原理、非接触式测量方法，系统包括两个光纤陀螺和两个加速度计及其模拟处理板，4个激光器、10台摄像机等，可测量轨距、左右轨向、左右高低、超高、水平、三角坑、曲率、钢轨顶磨和侧磨等。

检测速度可达300km/h。

5.意大利轨检车发展

“阿基米德号”综合检测列车又称Roger2000，是MERMEC公司和TECNOGAMMA公司为意大利铁路设计制造的，检测速度可达220km/h。

检测项目包括轨道几何参数、钢轨断面、钢轨波浪磨耗、接触网及受流状态、通信和信号、车体和轴箱加速度、轮轨作用力等。

车上有57台计算机，每秒钟可处理30G数据，有24个激光器、43个光学摄像传感器、47个加速度计以及大量的强度速度、定位以及温度传感器，以及用于航空电子领域的惯性平台。

意大利高速铁路使用“阿基米德号”综合检测列车已经形成了一整套检测和维修养护体制。

综合检测列车各子系统有独立的存储数据库，在速度、时间、空间上保持同步，所有子系统的检测数据集成到车载中央数据库，由中央数据库将数据通过无线网络传输到地面的RFI数据处理中心进行综合分析、比较，从而制定科学的维修保养计划，指导养护维修。

其轨道检测在较低速度时采用弦测法，在较高速度时采用惯性基准法，较好地发挥了两种测量原理的优势。

6.法国轨检车发展

MGV是专为法国高速铁路研制的综合检测列车，该车检测速度设计为320km/h，检测周期预计为两周一次，设计目标是在列车正常运行条件下检测各项基础设施参数，于2006年6月投入运用。

MGV综合检测列车车辆由法国铁路公司（SNCF）指定，拟采用法国既有成熟的动力集中式TGV动车组。

SNCF作为该车检测系统的集成商，各子系统通过国际公开招标方式采购。

该车检测项目比较齐全，几乎包括了从接触网及受流状态、通信信号、轨道几何、钢轨断面、钢轨表面、线路环境数字图像、扣件、轨枕、道碴等各项基础设施和运行状态。

7.轨检车的发展趋势

现代化轨检车有两种代表性检测系统。

英国、加拿大采用了由传感器、模拟计算机、数字、计算机组成的捷联式系统。

美国ENSCO公司的轨检车采用了由传感器、模拟与数字混合处理组成的捷联式系统，由于模拟及数字处理特征相匹配，各误差信号进行完善修正与补偿，轨检结果不受速度和运行方向的影响，具有很高的一致性。

因此，传感器、模拟及数字混合处理捷联式系统是将来高速轨检车发展的主要方向。

高速线路上，轨道的短波不平顺，如波浪磨耗、扁疤、焊接部分的凹凸不平等，引起轮对对轨道的巨大动力作用，并产生强噪声，长波不平顺将降低旅客乘车舒适度指标。

因此，扩大不平顺检测波长范围，是高速轨检车发展中必须解决的一个重要课题。

现代化轨检车中，计算机不单单是轨检数据处理的工具，在模拟数字混合处理轨检系统中，计算机还是轨道几何参数检测的重要组成部分。

微机轨检数据检测处理将在轨检车上广泛发展

8.轨道检测车的任务

检查——依据确定的评价指标，在一定程度范围内检测，评价轨道状态和养护水平

计划——根据不同等级线路提出的安全度和舒适度要求，提出恢复到设计状态所需要进行的维修保养计划

分析——提供轮轨关系在行车、科研、养路等方面的原始数据并进行整理分析，用以加强科学管理，提高养路水平

9.轨道探伤技术的发展

铁路是较早开展无损检测工作的部门之一，钢轨探伤是无损检测技术应用的一个重要领域，由于钢轨在使用过程中会因应力作用产生各种疲劳裂纹，如检测不及时，会造成钢轨断裂，以至于引起列车颠覆，中断交通等恶性事故，因而各国对钢轨探伤都十分重视，不惜投入大量人力物力对现役钢轨进行定期检测，以便及早发现疲劳伤损，防止断轨，确保安全。

在探伤设备和手段方面，国内外有较大差别。

目前国外钢轨探伤主要使用大型探伤车，小型设备一般只用来复查大型探伤车的检测结果。

目前探伤车探伤速度大多在20～50km/h。

德国拟把电磁声技术运用到钢轨探伤车上，准备研制探伤速度在70km/h以上的探伤车，但此项目目前还没有正式投入使用，探伤车的工作方式多采用停顿式，即探伤线路是封闭的，发现伤损马上停下来手工复核，一旦确认立即换轨，目前这点在我国也很难做到。

美国、德国、法国、澳大利亚、俄罗斯等国都可以设计和生产钢轨探伤车，有些国家还少量出口。

美国PJT公司生产的SYS—1000型探伤车是较有代表性的具有90年代先进水平的探伤车，我国成都铁路局等使用的是该型进口探伤车，国内生产的GT3型大型探伤车，其检测系统就是SYS—1000，探伤速度可达40km/h。

国外钢轨探伤部门一般与铁路运输部门是分离的，也就是说探伤部门和铁路部门分属不同的公司，铁路部门将探伤工作以合同形式委托给探伤公司，铁路部门只负责提供必要的探伤条件，探伤公司则要根据铁路部门要求定期对钢轨进行检验。

这种做法的优点在于责任明确，工作上避免人为的干扰，铁路部门可以不必配备大量的探伤人员和设备，而探伤公司则可按照探伤工作固有规律开展工作，履行职责。

这样打破了探伤技术和设备的行业所有，有利于发挥探伤人员的积极性，真正做到人尽其才，物尽其用。

在激烈的市场竞争中，迫使探伤部门不断完善更新自己的探伤技术、设备和提高探伤人员素质，有利于探伤技术水平的提高。

另外，国外在探伤方面的投资也很大，许多国家都建有钢轨探伤的研究中心或探伤设备的生产基地。

如美国的SPERY公司、PJT公司，康州大学；德国的明登机械研究所、弗琅霍费研究所；法国的MATIX公司等，都有很强的钢轨探伤研究能力和探伤设备的生产能力。

在我国，铁路是最早开展无损检测工作的部门之一，1950年铁道部引进瑞士生产的共振式超声波探伤仪检查钢轨，是公认的我国超声波探伤的开端。

经过50多年的努力，钢轨探伤已取得长足发展，经国内与国外合作，已经能够生产大型探伤车，并开发研制了一系列探伤仪，还先后制定了钢轨探伤仪和专用探头的技术条件，发布了钢轨探伤管理规则，标志着我国探伤已经逐步向成熟化、规范化、制度化方向发展。

我国钢轨探伤的基本特点是任务重，要求严和条件差，这与我国有缝线路较多，钢轨质量差，车流密度大，钢轨损伤快有关。

长期以来，铁路运输安全基本上是用提高探伤灵敏度和增加探伤次数的方法来实现的。

国外钢轨探伤周期长，例如美国一般线路每年只检查两遍，重点线路包括客运线路也只有三遍。

而我国则不然，基本上一个月一遍，一些特殊区段，如石太线差不多10天就要检查一遍，又基本靠手推小车完成，工作量之大可想而知，每年探伤的线路长度可绕地球30余圈，基本靠探伤工手推车步行完成。

艰苦的环境，恶劣的条件不仅影响探伤人员的工作积极性，同时还影响探伤设备的正常使用和钢轨探伤效果。

在一定的维修模式与运营条件下，对于既定的钢轨伤损检测机制，应当通过研究，确定钢轨伤损检查的可靠性，从而计算出可能漏探的伤损数量，确定采用其它检测方式进行补检的措施。

钢轨伤损是重复受载下钢轨疲劳的结果，未发现的钢轨伤损可能造成钢轨突然折断，造成行车中断或更加灾难性的后果，最直接的后果是造成额外的两个焊缝。

钢轨风险管理中探伤管理的目的是在保证行车安全的前提下，不使钢轨过分保守地更换，提高钢轨使用的经济性。

为了取得最大的经济效益，同时将事故隐患减至最小，国外铁路公司在提高钢轨检测与监控水平、管理以及维护水平方面下大力气，采用先进的设备、技术及管理理念，取得了十分突出的效果。

10.多功能安全综合检测车

多功能安全综合检测车是高速铁路配备的专用检测车。

其功能是测量轨道几何状态、轴箱构架和车体加速度、钢轨表面状态、接触网以及轮轨作用力、无线通信、信号等项目。

线路地貌监测系统和GPS系统作为辅助系统，协助检测人员对检测项目进行定位和分析。

同时，能够实现综合检测列车各检测系统间的位置与地面高程同步，并实现自动修正里程。

各检测系统的检测数据都能够传输到指挥控制中心。

11.现上海钢轨探伤车——地铁眼：

“大黄蜂”兄弟

每当午夜时分，当上海停止喧嚣，一列涂着黄漆，联挂2节车厢的特殊列车悄然出发，开始为上海地铁的轨道排除病害。

这两节车，地铁人称为“大黄蜂”兄弟。

其中一节是上海地铁钢轨探伤车（简称探伤车），另一节是轨道检查车（简称轨检车）。

4年开行1万公里，累计排除千余处轨道病害，这就是地铁“大黄蜂”——钢轨探伤车。

图为“大黄蜂”午夜出车前最后安检。

“大黄蜂”第一眼感觉外型并不新奇，车头、车窗等甚至与普通火车类似。

但仔细观察发现，车厢内、车底的配置非常奇特。

没有一排排的旅客座位，有的是各类操控台、发动机、机房等独立房间。

车底还能看到红色的激光照射出来。

“大黄蜂”高精尖设备都在车底，需要贴着钢轨工作。

整列车犹如一个“移动医院”，出车前，检测人员都要提前几小时趴到车底对设备一一确认，一切运转正常，才可捕捉到所有细小问题，钢轨探伤最小精确度可达0.01毫米。

“大黄蜂”出车需要检测员、驾驶员等12人团队各司其责。

探伤、轨检在0时至凌晨3-4时进行，而“大黄蜂”作为上海唯一的地铁大型检测装备，每位操作人员需要经过专业封闭式培训，并考试取得专门技能国际认证。

“大黄蜂”自2010年3月开行后，已经开行超过10000公里。

相比人工手推车式检测仪器，效率提升了20倍。

探伤车和轨检车投用后，检测了不少钢轨病害。

图为午夜“大黄蜂”出发开始探轨。

图为检测员时刻操控设备不放过任何钢轨细纹。

轨检车依靠的是激光摄像探头，通过扫描，可获得钢轨轨距、水平、轨向、曲线平整度等9大指标，最终判定地铁轨道是否健康平顺。

每次开行后都将形成评级报告和评分，拉出的报告和心电图一样。

探伤车内聚集最多操控仪器的是一套超声波检测设备。

车底放下的多个特殊材质探轮，贴上钢轨，就算车速达60公里小时，也可发现钢轨的各类情况，特别是有无裂纹。

而当车速降至40公里小时，检测精度将提升至3毫米细裂纹都不会逃过。

图为检测人员正在监控激光探测到的10号线轨道健康状况。

图为操作员正在犹如做B超一般为地铁轨道探伤。