无损检测技术在轨道交通中的应用

摘要：轨道交通缺陷检测是保障轨道交通运营安全重要方法。无损检测技术可以在保持结构不变的情况下检测并评估缺陷和故障等。因其具有经济、快速和精确的优势成为研究热点，广泛应用在轨道交通、新型复合材料、航空航天、石油化工、医疗和钢铁等领域。重点分析了无损检测技术原理、优势和适用范围，以及在钢轨和车辆上的应用，并对未来发展趋势进行展望。

关键词：轨道交通；缺陷伤损；无损检测；健康监测

doi：

中图分类号：文献标识码： 文章编号：

Application of nNondestructive tTesting Ttechnology in rRail tTransit

LIU Chengjuan1 TIAN Wei2

1.Fuzhou Polytechnic，Fuzhou，Fujian Province，350108China; 2.Fujian University of Technology，Fuzhou，Fujian 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

随着轨道交通建设的蓬勃发展，人们对轨道交通车辆检修的精度、准确度和稳定性等综合要求逐渐提高，，轨道交通车辆无损检测技术推陈出新越来越快。“交通强国”建设，促使轨道交通产业向着更加智能、环保、高可靠的方向升级换代，《福建省“十四五”现代综合交通运输体系专项规划》提供了意见[1]。

由于轨道交通车辆服役期间受力复杂，列车钢轮和轨道之间，以及车辆各运行设备，面对复杂环境，受到冲击、震动疲劳、磨耗、塑性变形、裂纹等劣化现象造成的结构内部损伤缺陷，会造成行车安全，人员伤亡和财产损失，因此轨道交通系统需要更为可靠和彻底的检测和健康监测方法。

传统的无损检测方法已不能满足现代轨道交通零部件检测快速发展的需要，无损检测技术作为一种先进的检测手段在现代轨道交通中越来越受到重视。

本文重点研究了轨道交通钢轨和车辆缺陷的检测和评估方法。这些方法对整个轨道交通运输行业的运营、经济增长和出行方式产生深远影响。

1无损检测技术概念与特点

1.1 无损检测技术概念

无损检测技术是在保持结构及性能不变的基础上，采用光、声、电、磁、热等手段，获得表面或内部的图像、尺寸、物理波的强度、材料的组织成分、显微组织和内应力等信息的一种技术手段[2]。

与标准品进行比较，通过确认被检品的缺陷深度位置、形状、成分及服役周期等，判定被检品的现役状态。由于其对产品无损伤，已广泛应用在轨道交通、新型复合材料、海洋装备、石油化工和航空航天等行业。

1.2 与传统检测方法比较

传统的检测技术难以对复杂结构中的缺陷进行准确可靠的检测，因此，对复杂结构的结构特征、成型工艺、缺陷需要采用可靠的无损检测技术。

无损检测技术是综合型和应用型技术。探伤、检查、检验和评估具有不破坏被检测件，可以检测微小不连续缺陷，灵敏度高，高效安全的优势。综合应用多学科技术的现代无损检测技术已经从单纯的探伤，发展到质检和性能评价，并对生产环节进行指导，以提高产品质量的可靠性。

在材料加工、产品生产和应用等各个环节，无损检测技术同样发挥独特作用。例如：我国钢材产量全球第一，为了匹配轨道交通设备需求与产量的关系，出厂前进行百分之百的无损检测；钢轨焊接产生的气孔和裂纹等问题可以使用射线检测法检测；高铁车辆可以跑到350 km/h，良好的轨道交通车辆需要检测轮轨黏着状态，才能保证高速重载的行车安全需求，提高无损检测的速度和精度迫在眉睫。

2 无损检测热点技术

进入21世纪后，无损检测方法愈来愈多，目前已有上百种无损检测方法，每种方法都有各自的适用领域和优缺点，最主要的是磁粉、射线、超声、渗透和涡流5种无损检测技术[3-4]。理论和科技水平进步，促使无损检测技术与时俱进。

磁粉无损检测技术是基于漏磁场检测原理，利用磁粉和漏磁场之间作用形成放大磁粉图像聚集，从而显示被检测件缺陷的形状、位置、尺寸等。该技术检测速度快，精度高（可达微米级），仪器操作简单，广泛用于复合板材、铁磁性板材和管件等表面或近表面制品检测。

射线无损检测技术是根据射线衰减规律，根据被检测件对电磁和粒子辐射产生散射和吸收特性的差异进行缺陷检测。该技术适用于焊接件、铸造件、复合材料的体积型缺陷，但对平面缺陷检测精度较低。

超声无损检测技术是依据超声波在制品表面或内部传播原理，测量声波强度的变化来探测缺陷的技术。超声穿透力强，设备轻便，使该技术能准确确定缺陷深度位置，广泛用于金属、非金属、复合材料零件表面、内部、厚度等缺陷测量；但是超声波强度低，检测某些非致密的，非均匀的内部结构，灵敏度和信噪比差，定性定量表征需经验丰富者。

渗透无损检查技术是利用涂在零件表面的渗透剂的回渗（毛细现象）和染料的发光现象，检测非多孔金属材料和非金属表面开口缺陷的技术。渗透无损检测适用于各种非多孔性材料，不受被检制品化学成分、结构、缺陷形状限制；小于微米级缺陷。这种检测技术的缺点是只能检测表面有开口的缺陷，无法确定深度和定量评价，而且重复使用性差，污染严重。

涡流无损检测技术是基于电磁感应现象，通过被检测部件的表面或近表面缺陷影响涡流的分布和强度，使阻抗和电压发生变化来检测缺陷的技术。该技术的优势是检测系统成本低、操作简单、检测速度快、非接触耦合、高温，薄壁管，细线，零件内孔实施测量，被检测件表面要求低和无辐射等；涡流无损检测的局限性表现为：（1）只能检测导电材料；（2）形状复杂检测效率低；（3）趋肤效应，检测深度有限。

3在轨道交通领域的应用

3.1无损检测技术在钢轨的应用

钢轨服役过程中会产生多种类别的缺陷，主要包括发生在踏面、轨头、轨腰和轨底的滚动接触疲劳裂纹、内部缺陷、磨损和剥离等，原因十分复杂。上述缺陷导致服役钢轨性能劣化，故障率上升，安全隐患增大。因此，快速、高效、高精度地检测缺陷显得越来越重要，无砟轨道列车更是如此。从保证被检测件结构完整度和材料特性角度考虑（如钢轨剩磁不变），无损检测技术显然具有较大优势。

钢轨检测系统主要包括分人工探伤和轨道车巡检两类。由于夜间维护难于用肉眼鉴别钢轨表面损伤，超声无损检测技术探伤能判别内部损伤的位置、取向、尺寸和形状等。

国内现有的超声波检查技术不能检测深度小于4 mm的轨道表面或近表面的缺陷。结合自动视觉、涡流检测、漏磁检测等技术才能实现。与电磁超声波和激光超声波等技术优势互补，提高了检测精度[5-8]。例如，超声波无损检测技术适用于焊缝、道岔和钢轨；射线无损检测技术可以检测焊缝和铸造件，渗透无损检测技术可对焊缝和阀门的着色渗透探伤。

3.2无损检测技术在车辆的应用

随着轨道交通的蓬勃发展，无损检测技术被广泛使用在轨道交通车辆上，为人们的安全出行保驾护航。

新型复合材料具有高韧性、轻量化、环保实用和高冲击强度等优越特性，轨道交通行业应用广泛。例如，碳纤维增强塑料和玻璃纤维增强塑料等新型复合材料生产的裙板、座椅等内饰，到设备舱、前端头罩等非承载和次承载结构。因新型复合材料成型和使用过程是多元素耦合作用，易形成空隙、孔、分层、夹杂物等，影响结构承载和使用性能，采用无损检测技术进行预防和修复，保证了产品质量。同时，对于车体、转向架、轮对、轮轴、摇枕侧架、轴承等承载结构缺陷也可通过无损检测技术进行检测。

涡流无损检测技术有助于检测车辆的车轮轮芯及阀门等表面缺陷。渗透无损检测技术用于检查轨道交通车辆车体焊缝、钢轨及焊缝和转向架的缺陷检测及探伤。超声无损检测技术适合车轴、车轮和轮缘探伤等。

磁粉无损检测技术可对铁磁性材料进行探伤，被检测件表面均匀喷磁粉或磁悬液，防止磁痕受干扰。例如，制动盘箍、轮对、车钩、构架检测并复核确认缺陷；工作环境恶劣，人眼劳损严重，检测效果受员工经验和身体素质影响大。磁粉无损检测技术难以检测的位置，如车轴内表面缺陷可以用涡流无损检测技术检测[9]。

轨道交通车辆的轮对、齿轮和轴等可同时采用超声波无损检测技术和磁粉无损检测技术进行检测[10]。

4无损检测技术发展趋势

无损检测技术在地铁、轻轨和高铁等轨道交通行业应用广泛。国内外很多学者及机构已采用该技术对机械设备缺陷检测开展探索，并收获了很多研究成果。其发展趋势主要如下。

（1）轨道交通沿着高速、重载方向发展，检修天窗时间有限。因此需要开发检测速度快、安全高效的无损检测技术和自动化、集成化装备。

（2）融合数字图像处理与机器视觉技术，开发图像检测系统，朝着智能化、多功能化方向发展。

（3）“5G+VR”技术背景下创建出轨道交通车辆高仿真、沉浸式、可交互的虚拟检测场景，提供人才培养、技能培训及科普等功能，培养匠人精神，实现立德树人。

（4）结合大数据技术，充分发挥数据管理、分析和可视化能力，发挥无损检测技术在健康监测、探测、检查、检验和评估作用，整合各种轨道交通领域无损检测技术，优势互补，以实现更全面的轨道交通检测，保障轨道交通运营安全。

5结语

综上所述，随着对轨道交通零部件质量性能的提高，面对变载荷、高温、高压等复杂环境，甚至在振动、冲击等疲劳条件下工作，无损检测技术应用于钢轨和车辆方面的质量检查、健康监测和性能评估，能及时“捕捉”损伤缺陷，降低运营安全风险，提高服务质量，实现轨道交通运营安全的精准管理，确保轨道交通高效安全运营。因此，无损检测技术作为轨道交通领域的一种先进检测手段，已成为研究热点。开展无损检测技术研究，将促进整个产业进步和国家经济发展，未来会迎来更大的发展空间。

参考文献

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