無損檢測技術在軌道交通中的應用

摘要：軌道交通缺陷檢測是保障軌道交通運營安全重要方法。無損檢測技術可以在保持結構不變的情況下檢測并評估缺陷和故障等。因其具有經濟、快速和精確的優勢成為研究熱點，廣泛應用在軌道交通、新型復合材料、航空航天、石油化工、醫療和鋼鐵等領域。重點分析了無損檢測技術原理、優勢和適用范圍，以及在鋼軌和車輛上的應用，并對未來發展趨勢進行展望。

關鍵詞：軌道交通；缺陷傷損；無損檢測；健康監測

doi：

中圖分類號：文獻標識碼： 文章編號：

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

隨著軌道交通建設的蓬勃發展，人們對軌道交通車輛檢修的精度、準確度和穩定性等綜合要求逐漸提高，，軌道交通車輛無損檢測技術推陳出新越來越快。“交通強國”建設，促使軌道交通產業向著更加智能、環保、高可靠的方向升級換代，《福建省“十四五”現代綜合交通運輸體系專項規劃》提供了意見[1]。

由于軌道交通車輛服役期間受力復雜，列車鋼輪和軌道之間，以及車輛各運行設備，面對復雜環境，受到沖擊、震動疲勞、磨耗、塑性變形、裂紋等劣化現象造成的結構內部損傷缺陷，會造成行車安全，人員傷亡和財產損失，因此軌道交通系統需要更為可靠和徹底的檢測和健康監測方法。

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

本文重點研究了軌道交通鋼軌和車輛缺陷的檢測和評估方法。這些方法對整個軌道交通運輸行業的運營、經濟增長和出行方式產生深遠影響。

1無損檢測技術概念與特點

1.1 無損檢測技術概念

無損檢測技術是在保持結構及性能不變的基礎上，采用光、聲、電、磁、熱等手段，獲得表面或內部的圖像、尺寸、物理波的強度、材料的組織成分、顯微組織和內應力等信息的一種技術手段[2]。

與標準品進行比較，通過確認被檢品的缺陷深度位置、形狀、成分及服役周期等，判定被檢品的現役狀態。由于其對產品無損傷，已廣泛應用在軌道交通、新型復合材料、海洋裝備、石油化工和航空航天等行業。

1.2 與傳統檢測方法比較

傳統的檢測技術難以對復雜結構中的缺陷進行準確可靠的檢測，因此，對復雜結構的結構特征、成型工藝、缺陷需要采用可靠的無損檢測技術。

無損檢測技術是綜合型和應用型技術。探傷、檢查、檢驗和評估具有不破壞被檢測件，可以檢測微小不連續缺陷，靈敏度高，高效安全的優勢。綜合應用多學科技術的現代無損檢測技術已經從單純的探傷，發展到質檢和性能評價，并對生產環節進行指導，以提高產品質量的可靠性。

在材料加工、產品生產和應用等各個環節，無損檢測技術同樣發揮獨特作用。例如：我國鋼材產量全球第一，為了匹配軌道交通設備需求與產量的關系，出廠前進行百分之百的無損檢測；鋼軌焊接產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，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 無損檢測熱點技術

進入21世紀后，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域和優缺點，最主要的是磁粉、射線、超聲、滲透和渦流5種無損檢測技術[3-4]。理論和科技水平進步，促使無損檢測技術與時俱進。

磁粉無損檢測技術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。該技術檢測速度快，精度高（可達微米級），儀器操作簡單，廣泛用于復合板材、鐵磁性板材和管件等表面或近表面制品檢測。

射線無損檢測技術是根據射線衰減規律，根據被檢測件對電磁和粒子輻射產生散射和吸收特性的差異進行缺陷檢測。該技術適用于焊接件、鑄造件、復合材料的體積型缺陷，但對平面缺陷檢測精度較低。

超聲無損檢測技術是依據超聲波在制品表面或內部傳播原理，測量聲波強度的變化來探測缺陷的技術。超聲穿透力強，設備輕便，使該技術能準確確定缺陷深度位置，廣泛用于金屬、非金屬、復合材料零件表面、內部、厚度等缺陷測量；但是超聲波強度低，檢測某些非致密的，非均勻的內部結構，靈敏度和信噪比差，定性定量表征需經驗豐富者。

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

渦流無損檢測技術是基于電磁感應現象，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度，使阻抗和電壓發生變化來檢測缺陷的技術。該技術的優勢是檢測系統成本低、操作簡單、檢測速度快、非接觸耦合、高溫，薄壁管，細線，零件內孔實施測量，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為：（1）只能檢測導電材料；（2）形狀復雜檢測效率低；（3）趨膚效應，檢測深度有限。

3在軌道交通領域的應用

3.1無損檢測技術在鋼軌的應用

鋼軌服役過程中會產生多種類別的缺陷，主要包括發生在踏面、軌頭、軌腰和軌底的滾動接觸疲勞裂紋、內部缺陷、磨損和剝離等，原因十分復雜。上述缺陷導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。從保證被檢測件結構完整度和材料特性角度考慮（如鋼軌剩磁不變），無損檢測技術顯然具有較大優勢。

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

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

3.2無損檢測技術在車輛的應用

隨著軌道交通的蓬勃發展，無損檢測技術被廣泛使用在軌道交通車輛上，為人們的安全出行保駕護航。

新型復合材料具有高韌性、輕量化、環保實用和高沖擊強度等優越特性，軌道交通行業應用廣泛。例如，碳纖維增強塑料和玻璃纖維增強塑料等新型復合材料生產的裙板、座椅等內飾，到設備艙、前端頭罩等非承載和次承載結構。因新型復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，影響結構承載和使用性能，采用無損檢測技術進行預防和修復，保證了產品質量。同時，對于車體、轉向架、輪對、輪軸、搖枕側架、軸承等承載結構缺陷也可通過無損檢測技術進行檢測。

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

磁粉無損檢測技術可對鐵磁性材料進行探傷，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、構架檢測并復核確認缺陷；工作環境惡劣，人眼勞損嚴重，檢測效果受員工經驗和身體素質影響大。磁粉無損檢測技術難以檢測的位置，如車軸內表面缺陷可以用渦流無損檢測技術檢測[9]。

軌道交通車輛的輪對、齒輪和軸等可同時采用超聲波無損檢測技術和磁粉無損檢測技術進行檢測[10]。

4無損檢測技術發展趨勢

無損檢測技術在地鐵、輕軌和高鐵等軌道交通行業應用廣泛。國內外很多學者及機構已采用該技術對機械設備缺陷檢測開展探索，并收獲了很多研究成果。其發展趨勢主要如下。

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

（2）融合數字圖像處理與機器視覺技術，開發圖像檢測系統，朝著智能化、多功能化方向發展。

（3）“5G+VR”技術背景下創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、技能培訓及科普等功能，培養匠人精神，實現立德樹人。

（4）結合大數據技術，充分發揮數據管理、分析和可視化能力，發揮無損檢測技術在健康監測、探測、檢查、檢驗和評估作用，整合各種軌道交通領域無損檢測技術，優勢互補，以實現更全面的軌道交通檢測，保障軌道交通運營安全。

5結語

綜上所述，隨著對軌道交通零部件質量性能的提高，面對變載荷、高溫、高壓等復雜環境，甚至在振動、沖擊等疲勞條件下工作，無損檢測技術應用于鋼軌和車輛方面的質量檢查、健康監測和性能評估，能及時“捕捉”損傷缺陷，降低運營安全風險，提高服務質量，實現軌道交通運營安全的精準管理，確保軌道交通高效安全運營。因此，無損檢測技術作為軌道交通領域的一種先進檢測手段，已成為研究熱點。開展無損檢測技術研究，將促進整個產業進步和國家經濟發展，未來會迎來更大的發展空間。

參考文獻

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