国内外断轨检测技术发展的现状与研究

史宏章，任 远，张友鹏，田铭兴

（1.兰州铁路局武威工务段，工程师，甘肃 武威 733000；2.兰州交通大学自动化与电气工程学院，硕士研究生；3.教授，甘肃 兰州 730070）

钢轨是轨道交通运输系统的重要组成部件，具有引导机车车辆车轮前进，同时承受车轮荷载并将其传递至轨枕上的功能。铁路运营线上如果出现钢轨断裂就有可能造成列车脱轨、倾覆等重大行车事故，造成人员伤亡和巨额财产损失。因此，对比分析和研究国内外现有断轨检测技术，对保障铁路运输安全、实现我国铁路部门制定的“三防”措施中的防断轨要求具有重要意义。

1 国内断轨检测

目前，我国主要采用手推式探伤车人工巡轨和大型钢轨探伤车定期巡检，或采用轨道电路对钢轨实时监测等方法进行断轨检测。所使用的设备有手推式超声波钢轨探伤车、快速轨道检测车和各种类型的轨道电路等。

1.1 手推式钢轨探伤车

1.1.1 结构组成与工作原理 手推式钢轨探伤车是一种配有手推小车的轻便型钢轨探查设备，具有0°，37°和70°等多个探头通道，能同时用超声波脉冲反射法和穿透法进行钢轨裂纹与核伤探查〔1〕。工作时检测仪中的脉冲振荡和放大电路产生高压电脉冲，并在压电换能器中实现电声转换，向钢轨中发射超声波脉冲信号。当超声波遇到钢轨裂纹或焊缝之后会反射回一定强度的回波，通过分析回波信号的幅度、传输时间等参数，即可了解钢轨内部的伤损情况。现场使用时，通常采用检测仪对回波信号进行数字化处理与人工经验相结合的检测方法。含有微处理器的信号处理设备，可以对超声波回波进行实时信号处理、分析、记录，具有常见伤损判断、伤损类型确定、计算裂纹的大小及位置等功能。外观结构如图1所示。

图1 手推式钢轨探伤车结构示意图

1.1.2 设备工作特点与优缺点分析 手推式超声波探伤车具有检测灵敏度高、穿透能力强、对各种伤损检出率高等特点。但检测速度慢，探查速度通常局限于2 km/h之内，野外作业时劳动强度大，占用轨道时间长，且伤损的确定易受工作人员技术素质、经验和责任感等因素影响。通常每年每条线路只能检测10遍左右，无法做到对钢轨伤损情况实时检测。

1.2 大型钢轨探伤车

1.2.1 结构组成与工作原理 大型钢轨探伤车是一种集声学、电子、计算机、机械等多学科为一体的大型钢轨检测设备，能同时对两股钢轨进行探查，并能实时分析、处理和记录检测结果。我国铁道部门为了提高钢轨伤损的检出率，推动钢轨维护设备的进步，从1989年开始从美国引进大型钢轨探伤车，并由宝鸡工程机械厂实现国产化制造。我国现役钢轨探伤车结构如图2所示。

图2 大型钢轨探伤车结构图

当检测系统工作时，充满传声耦合液的探轮在钢轨上滚动，探轮内的超声组合探头向钢轨发出连续脉冲超声波束，通过耦合液及探轮壁到达钢轨内部。若钢轨存在伤损，则超声波束将被轨伤裂纹所反射，探头内的超声换能器接收反射回来的超声波束，并将其转换为电信号，即得到伤损回波信号。超声接收装置将微弱的回波信号放大，经过检波、滤波、A/D转换等处理以及计算机分析，得到探伤数据并予以保存。探轮自动对中伺服装置可控制探头组与钢轨自动对中，以确保超声波束传入钢轨内。

1.2.2 设备工作特点与优缺点分析 大型钢轨探伤车结构复杂，功能齐全，具有检测速度快、伤损分析精度高、数据可记录和回放等特点。但该钢轨探伤车造价昂贵，检测时受轨面平整度和清洁度影响较大，且为离线式轨道检测设备。目前国外新型钢轨探伤车的发展趋势是，采用更先进的计算机信息处理技术，实现超声波探头经过道岔时自动起落，提高检测速度，降低检测费用和探索采用非接触式检测方法等。

1.3 轨道电路

1.3.1 工作原理 轨道电路是我国铁路信号系统中的基础设备，具有列车占用检测、向列车传送控制信息及断轨检测等功能〔2〕。目前在我国广泛使用的轨道电路类型有相敏轨道电路、ZPW-2000A无绝缘轨道电路等。断轨检测原理如图3所示。

图3 基于轨道电路原理的断轨检测示意图

当检测区段内无列车通过且钢轨完整时，由两根钢轨和轨道继电器构成电流回路，使轨道电路继电器衔铁吸起，前接点闭合，信号开放。而当轨道电路区段内有钢轨断裂情况发生时，接收器处的轨道继电器由于信号电流消失而释放，区间轨道电路显示红光带，发出列车停止信号，提示断轨。

1.3.2 设备工作特点与优缺点分析 轨道电路设备断轨检测功能的最大特点，当有断轨发生时能立即向列控中心发送报警信号，满足实时动态轨况监测要求。但是，轨道电路本身受道床参数情况影响较大，在道床泄漏阻抗小和南方一些雨水充沛的地区经常会发生轨间短路、红光带误报等故障情况。同时，存在增大电气化区段回流系统复杂程度、电气绝缘轨道电路结构复杂、造价昂贵、维修困难等缺陷。在国内，断轨检测作为轨道电路的附属功能，目前仍是我国最广泛使用的在线式断轨检测方法。

2 国外断轨检测

在国外，除了离线式钢轨探伤车巡检和采用基于轨道电路思想的断轨检测方法之外，近年来还出现了一些具有可行性的创新型方法。

2.1 钢轨预埋应力传感器检测 文献〔3〕中美国俄亥俄州Salient System公司提出了一种通过监测钢轨中应力变化来检测断轨的方法。该方法在钢轨上以30～60 m的间隔布设测定钢轨纵向应力的传感器。每隔一段时间，每个传感器通过无线模块将钢轨应力和温度数据发送给主控制站，再通过主控站的计算机对各点钢轨应力数据进行分析，判断是否有断轨存在并确定其位置。每个应力检测点由应力测量计、信号调理与发送模块和电池组成。在安装应力传感器前必须对每一个测量点进行初始压力校准。如果在新轨上应用，可以将传感器在铺轨之前安装到位；在既有线路上安装，需要在多个地点截断钢轨以获得零压力校准值。

该方法设备原理简单，安装与维护成本低，通常在线路铺设时钢轨零应力点非常容易获得。因此，非常适用于新铺设无缝线路的全线断轨检测。但对现有的线路区段，如果截断钢轨以获得零应力校准点，会对其它设备造成不良影响。因此，这种应变力检测技术并不适用。

2.2 光导纤维检测 文献〔3〕中还提出了一种在钢轨轨头下方连续粘贴光导纤维进行断轨检测的方法。该方法使用特制环氧胶，沿轨道将单模光导纤维粘贴于轨颚或轨腰上，在光导纤维的一端接入波长为1 550 nm的光源，在另一端安装接收器。钢轨断裂时会使纤维破断，阻断光源，接收端因接收不到光信号而发出断轨报警。

该技术在长度小于1 km、含有复杂电气回路、难绝缘的地方很有应用前景。光导纤维法检测灵敏度高，非常适用于对钢轨焊缝或裂纹进行检测。该方法的缺点，在断轨修复后，光纤复接技术难度大。由于光纤丝非常脆弱，如遇到过大的外力或弯曲，很容易断裂。在铁路环境下对光纤丝的安装和维修技术较为复杂，且检测区间不宜过长。

2.3 牵引回流不平衡度分析检测 1997年Shooman Steven在文献〔4〕提出了一种利用牵引回流的不平衡度进行断轨检测的方法。该方法通过断轨发生时流向牵引变电站两轨的电流不平衡度判定断轨。在电气化轨道区段，通常会采用空芯线圈和扼流变压器来平衡两轨牵引回流。如果其中一轨发生断裂，阻抗提高，则牵引回流会从阻抗较小的另一轨流回牵引变电站。因此，只要在两轨按一定间隔安装电流传感器检测两轨电流差异，即可实现断轨检测功能。美国铁路协会于2001年在该方法的基础上提出改进方案，将相邻2条复线进行跨接，当有列车在一条线上驶过时，可通过检测另一条线路的电流平衡度来检测断轨。

该方法原理简单，且直接利用牵引回流省去了检测用信号源，只需要安装若干电流传感器和相应的牵引回流跨接设备，即可实现检测功能。

该检测方法存在的缺陷，只有在列车进入检测区间并有牵引回流流过两轨时，才能进行断轨检测。有时在检测到断轨时，列车已经来不及制动，特别是高速列车几乎不可能在断轨发生处之前停车。因而对于高速铁路运营线路，即便是检测出了断轨，也还是有可能对行车安全造成威胁。

2.4 超声导波检测 钢轨材料作为固体声传播介质，具有良好的声导管特性。文献〔5〕中提出了一种利用该特性进行断轨检测的试验方法。该系统主要由超声波压电换能器、信号发射器、接收器与通信模块组成。其检测原理如图4所示。

在图4中发射器向固定在钢轨上的超声波换能器发射高压脉冲电信号，压电换能器通过逆压电效应原理向钢轨中发射超声导波信号，经过钢轨传导在接收端由超声波探头接收。通过接收端对所获得信号的特征判断，或在给定窗口时间内能否接收到事先设定的超声信号，来判定接收端与发射端之间的钢轨完整情况。

这种方法采用机械波作为检测信号，因此基本不受牵引回流与钢轨电气参数影响，且设备原理简单，安装和维护方便，安全可靠，设备功耗成本相对较低。这非常适用于对采用整体道床、轨道一次参数不良、隧道及南方山区潮湿积水等无法采用轨道电路的区段进行实时在线断轨检测。且适用对长线无缝钢轨进行断轨检测，但对于超声波无法穿越的鱼尾板接头、机械绝缘节和道岔等非连续轨况，必须另外研究开发新的超声波信号续接器。

文献〔5〕还针对通信能力受到限制或发射器与接收器间距过长的地区提出了采用中继单元的解决方案。如图5所示。

图5中，当有超声信号从右边发射器传来时，被中继器接收到，中继模块中的发送器再向钢轨中发射同样编码的超声波信号，该信号最终到达图5最左边的接收器。采用中继器的优点是单个检测区间长，所需的发射、接收设备少。但缺点是当有列车占用时，会有很长的检测区段无法工作。如果设计不合理还可能会造成误报警。

3 结束语

本文综述了近年来国内外断轨检测技术发展现状与最新研究进展，并对各种断轨检测方法的特点和优缺点进行了分析。我国铁路交通运输繁忙，特别是近10年来，国内铁路客运高速化、货运重载化趋势越来越明显，对轨道安全的要求越来越高。传统的探伤小车巡检等断轨检测方法已不能满足新形势下对检测速度和断轨检出率的要求。另外，由于新型闭塞用计轴设备和基于无线通信闭塞技术的使用，使铁路信号闭塞功能不再完全依赖轨道电路来完成，原有轨道电路所附带的断轨检测功能因部分区段信号设备的更新而不复存在。而国外的诸如牵引回流不平衡度断轨检测法和超声导波等断轨检测法，对目前国内铁路发展状况具有较好的研究和应用价值。因此，关注国内外断轨检测技术的发展现状，进行断轨检测设备的技术创新，提高断轨检测速度和检出率，将对保障我国铁路运输安全具有重要意义。

〔1〕陈春生.钢轨探伤工〔M〕.北京：中国铁道出版社，2000：165-173.

〔2〕当代中国铁路信号编委会.当代中国铁路信号〔M〕.北京：中国铁道出版社，2007：60－63.

〔3〕Semih Kalay.Transit Cooperative Research Program Re⁃port74，Track-Related Research Volume1〔R〕.Pueblo，Colorado:Transportation Technology Center，Inc.（TTCI），2001:10-17.

〔4〕Shooman Steven.Broken Rail Detection Without Track Cir⁃cuits〔C〕.Pueblo:Colorado State University Press，July 1997.

〔5〕RailSonic.Ultrasonic Broken Rail Detector Technical back⁃ground〔R/OL〕.（2003.10）〔2010.3.13〕.http://www.railsonic.co.za/prod01.htm.