钢轨探伤车发展与应用

大型钢轨探伤车在国外发达国家的应用已有四五十年的历史，早已替代人工探伤设备，成为检测在役钢轨伤损的主要手段。由于超声波检测钢轨疲劳裂纹和其他内部缺陷具有灵敏度高、检测速度快、定位准确、经济性好等优点，国内外探伤车都采用超声波探伤技术 。

钢轨探伤车北美铁路

美国SPERRY公司既是钢轨探伤车制造企业，同时也提供钢轨探伤检测服务。北美地区及部分墨西哥铁路钢轨探伤任务主要由SPERRY公司和HERZOG公司承担，SPERRY公司约占75%的市场份额，钢轨探伤车保有量约100台。由于北美地区冬季温度较低，铁路运输以货运为主，有大量有缝线路，因此北美地区探伤车均采用轮式超声波传感器。北美地区探伤车检测速度为25～40km/h，绝大多数采取停顿式作业方式，即探伤车发现可疑伤损后立即停车，由探伤车操作员现场复核，确认后做标记并通知铁路维修部门，然后继续检测。因此实际平均检测速度多在10km/h左右，单车年均检测里程约2000km。北美地区探伤车车体主要采用公铁两用车，轮式传感器的支撑伺服系统采用小车形式，悬挂在车下或尾部，不作业时收起小车，车辆可以在公路上正常行驶 。

钢轨探伤车欧洲铁路

瑞士SPENO公司承担法国、瑞士及西欧多个国家的探伤车制造及钢轨探伤检测任务。自1984年起该公司陆续向欧洲、亚洲和非洲的多个国家出售探伤车约30台。采用滑靴式超声波传感器，一般检测速度40km/h，标称最高检测速度可达70～90km/h。探伤车车体采用自带动力的铁路标准车辆，车体腹部安装独立可收放的检测小车。

英国EURAILSCOUT公司生产的探伤车在比利时、瑞士、德国、丹麦、意大利、挪威、荷兰、西班牙等国使用，采用滑靴式超声波传感器，标称最高检测速度可达100km/h。探伤车车体采用自带动力的铁路标准车辆。为提高检测速度，该公司最新开发的UST02型探伤车传感器采用转向架安装模式，即将滑靴式超声波传感器安装在非动力转向架两轴中间。美国SPERRY公司欧洲分公司（原隶属英国国铁，

在英国国铁私有化过程中被SPERRY收购）主要服务英国铁路，已逐步将业务拓展至欧洲大陆。与SPERRY美国公司完全不同，其技术路线沿用英国既有模式，采用自带动力的铁路标准车辆，采用转向架安装模式，超声波传感器早期为滑靴式、后来逐渐过渡到轮式，检测速度达到80km/h 。

钢轨探伤车日本铁路

日本铁路探伤车主要为自产，另有少量澳大利亚进口，探伤车车体均采用铁路专用车辆，检测速度为30～40km/h。日本探伤车具有探伤和轨形测量（测定磨耗等）双重功能。生产探伤车的公司为TOKIMEC（东京计器）公司，采用滑靴式超声波传感器，检测速度为40km/h，已在新干线等多条线路上运用。自澳大利亚GEMCO公司进口的探伤车采用轮式传感器，最高检测速度33km/h。单车年均检测里程约5000km。欧洲、日本铁路大多采用连续检测模式，即对探伤车获得的数据进行事后处理，可疑伤损由人工另行复核 。

钢轨探伤车其他国家

前苏联及东欧地区铁路主要采用超声波及电磁感应方式进行钢轨探伤，探伤设备包括人工探伤小车、电磁感应探伤车、大型超声波探伤车。标称检测速度70km/h，但实际投入使用的速度要低一些。冬季采用低温耦合液及电加热方式进行探伤作业。澳大利亚及部分亚洲国家以大型超声波探伤车为主要检测设备，探伤车制造企业有SPENO澳大利亚公司和GEMCO公司，传感器形式有轮式及滑靴式，检测速度为25～40km/h，单车年检测里程约2000～3000km，停顿式作业方式。以色列SCANMASTER公司生产的SFB-100型钢轨探伤车检测速度为70km/h，采用滑靴式超声波传感器加可变轨距检测小车模式 。

按钢轨探伤车检测原理可分为电磁钢轨探伤车和超声波钢轨探伤车两类。

电磁钢轨探伤车是根据非接触通磁法检测钢轨伤损的，其最佳检测速度为每小时30～70公里（最高可达100公里）这种车辆不能检测钢轨腰部和钢轨接头附近的钢轨伤损。检测核伤的最佳灵敏度仅为轨头断面积的20%～25%，所以已逐步被超声波钢轨探伤车所代替。

超声波钢轨探伤车是联邦德国克劳特克莱默公司于1956年试制成功的。这种车辆利用超声波法进行钢轨伤损探测，能够探测钢轨的轨头和轨腰范围内（包括接头附近）的疲劳缺陷和焊接缺陷，有的还能检测擦伤、轨头压溃和波浪形磨耗，以及轨底锈蚀和月牙掉块。这种车辆装有自动记录设备，能把钢轨伤损信号、里程信号和线路特征信号（桥梁、隧道、接头、轨枕类别等）等记录在同一纸带或胶片上。根据记录可分析确定伤损的大小和在钢轨内的位置，也可确定伤损所在的线路里程。此外，根据连续二次的记录还可确定钢轨伤损的发展速度和发展规律。超声波钢轨探伤车常用的检测行车速度为每小时30～50公里，检测核伤的最佳灵敏度约50平方毫米检测轨腰裂纹的最佳灵敏度相当于直径为3毫米的钻孔。

确定钢轨伤损所在线路上的位置误差最小达±10厘米。轨面不平和不洁会影响这种车辆的检测灵敏度，特别是影响接头附近伤损的检出灵敏度。这种车辆冬季配合加热器可在不低于－15[oc]情况下使用，水中添加防冻剂时工作温度可更低，但大雪天仍不宜使用。

此外，各国还广泛采用人工推进的各种小型和便携式钢轨探伤仪。中国铁路采用国产的配有三个不同角度探头的超声波钢轨探伤小车，探伤效果很好。为提高检测的技术水平，钢轨探伤车正在向以下几个方向发展：①用计算机处理记录得到的探伤信号；②增加地面设施，实现自动定里程；③改进超声波探头经过道岔辙叉时用手工操作起落的方法，实现不起落或自动起落；④提高超声波钢轨探伤车的检测速度和降低检测费用；⑤探索可实用的非接触式检测方法。

钢轨轨头内部横向疲劳裂纹（俗称核伤）曾引起许多断轨事故。1923年，美国铁道工程协会（AREA）钢轨委员会委托斯佩里公司研制检测设备。1928年10月2日，斯佩里公司研制成功世界上第一辆钢轨探伤车，并开始投入使用。此后，各种类型的钢轨探伤车相继出现。

我国从1989年开始尝试引进大型钢轨探伤车。第一台探伤车是从澳大利亚GEMCO公司引进的，但是该设备一直未能达到合同要求的技术指标。1993年开始从美国PandrolJackson公司（股权两度变化，该业务由SPERRY公司掌握）引进SYS-1000型探伤车，

于1994年成功投入使用，检测速度40km/h；2000年以后，SPERRY公司在SYS-1000型检测系统基础上开发了Frontier型检测系统，检测速度达60km/h；近年来，

SPERRY公司针对中国铁路最新开发了1900型检测系统，在声学设计上借鉴我国铁路小型钢轨探伤仪的技术特点，增加偏转70°超声波探头，以期提高对轨头核伤的检测能力；探轮直径由6.5英寸改为9英寸，以减小超声波轮内声程。截至2010年12月，我国铁路在役钢轨探伤车26台，

其中40km/h等级4台、60km/h等级22台（含8台60km/h升级改造车）；4台采用SYS-1000系统，17台采用Frontier系统，5台采用1900系统。2000年以来，我国铁路探伤车的应用日益成熟，管理逐步规范。根据2010年的统计数据，全路探伤总里程28.36万km，单车年均检测里程超过1万km，运用效率大大超过欧美铁路。转向架安装模式机械结构在英国铁路已成熟应用多年，为进一步提高探伤检测速度，2007—2008年，在中国铁路对转向架安装模式探轮结构进行初步试验，最高试验速度达107km/h；2009—2010年，以美贷二期引进的首台探伤车为平台，组织有关单位合作开展基于转向架安装模式和1900型检测系统的探伤检测试验，试验进行三轮，并与探伤小车模式进行部分对比，初步验证这种技术组合具有80km/h的检测能力，为转向架安装模式结构优化奠定了较好基础 。

钢轨探伤车检测速度定位

根据世界铁路钢轨探伤车技术发展现状，按照经济、实用的原则确定我国铁路钢轨探伤车的检测速度定位。对既有客货共线铁路，随着铁路货车提速，探伤车理想检测速度应定位在80～100km/h，探伤车检测不至于对运输秩序造成太大影响，便于编入运行图实现周期性探伤。对于高速铁路而言，探伤车100km/h的检测速度相对动车组而言差距仍很大，不可能安排在客车流里上道，必须安排在夜间天窗时间检测，这种情况下，80～100km/h检测速度能够适应高速铁路的维修管理模式。因此，未来钢轨探伤车速度目标值应定位在80～100km/h 。

钢轨探伤车传感器的选择

从国外应用可以看出，轮式传感器对线路的适应性好，特别是有缝线路或轨头形态不良（如严重侧磨）的情况；滑靴式传感器对轨头形态的要求相对苛刻，侧磨和轨缝都会导致滑靴失水而破坏耦合，影响检测效果。由于滑靴式传感器耦合水消耗量大且需在滑靴和钢轨之间保持流动的水膜，在我国北方寒冷地区冬季使用非常困难。因此，滑靴式传感器更适合在我国长江流域及以南地区的线路使用。人们过去普遍认为滑靴式传感器的主要优点是检测速度更高，可达100km/h以上，轮式技术一度被认为无法突破40km/h，这也是欧洲地区普遍选择滑靴式传感器的原因。但是，随着技术的发展，美国SPERRY公司通过改进轮式传感器结构，已经使检测速度得到较大提高，其最新的1900系统在实验室的测试速度已达80～120km/h，滑靴式传感器在速度上的优势正在逐渐丧失。我国铁路已投入使用的探伤车均采用轮式传感器，多年的使用证明其在我国铁路具有良好的适应性。因此，未来我国铁路探伤车发展仍应以轮式传感器为主，滑靴式传感器可作为检测手段的补充 。

钢轨探伤车安装模式

世界范围内超声传感器的安装模式主要有2种：检测小车模式和转向架安装模式。2种安装模式各有特点。（1）转向架安装模式检测速度略高。从欧洲数据看，转向架安装模式检测速度能达80～100km/h；我国均采用检测小车模式，检测速度为40～60km/h；SPENO和SCANMASTER的检测小车模式检测速度为70km/h。（2）检测小车模式传感器对中机构要求稍低。检测小车采用变轨距结构，对传感器对中机构要求稍低；转向架安装模式采用定轨距设计，对传感器对中机构伺服性能要求较高。（3）安全性方面各有优劣。检测状态下，转向架安装模式由于固定轨距并有车体重量加压，其防脱轨性能优于检测小车模式。运行状态下，检测小车模式检测小车收起并锁定后探伤车类似普通车辆，安全性较高；转向架安装模式由于车下支持探轮的机械结构不能与转向架轴箱分离，运行时也承受冲击载荷，且运行速度一般高于检测速度，因此，运行时冲击作用更强，机械部件疲劳强度受到挑战。我国铁路已成熟运用的检测小车模式运行速度仍维持在60km/h，今后重点探索转向架安装模式80～100km/h的应用前景。为提高安全性和减少机械部件疲劳，需对转向架安装模式机械结构进行优化设计 。