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【摘要】 随着我国铁路线路的增加和相继提速，尤其是近年大批铁路客运专线的投人使用，对钢轨线路日常维护和保养提出了更高的要求。铁轨探伤技术的应用，能够及时了解铁路潜在的安全问题，避免行车事故的发生，对于我国铁路事业的发展具有重要的推动意义。超声无损探测技术由于其对缺陷定位准确，检测灵敏度高等特点，当前在铁路探伤工作中得到了广泛的应用。
【关键词】铁路；钢轨探伤；无损探伤；超声波
【分类号】：TM534.1
一、铁路钢轨探伤方法的应用现状
确保钢轨的安全性能是行车安全的关键，因此世界各国对于钢轨探伤方法的研究都给予了充分的注重，以便及早掌握铁轨疲劳伤损的情况，保障列车的行驶安全。
发展到现在，国内外在探伤设备和手段方面，有较大差别。目前国外钢轨探伤主要使用大型钢轨探伤车。小型设备，例如手提式超声探伤仪，主要负责对大型探伤车的检查结果进行复检。国外的探伤车，目前主流检测速度为 40 ～ 80km/h，最高时速已经达到100km，北美和澳洲的探伤车以轮式超声波传感器为主，欧洲的探伤车以滑靴式传感器为主。我国目前的探伤车以轮式传感器为主，在役的超声波探伤车，仍有一部分以美国进口的为主。但我国的铁路运营任务重，检测时间窗短，线路状况受气候影响而复杂多变，目前的探伤仪器仍不能完全满足我国的检测要求，我国的铁轨探伤工作仍然有很大的研究空间。
二、超声波无损钢轨探伤技术在铁路中的应用
无损检测就是利用声、光、磁和电等特性，在不损害或不影响被检对象使用性能的前提下，检测被检对象中是否存在缺陷或不均匀性，给出缺陷的大小、位置、性质和数量等信息，进而判定被检对象所处技术状态（如合格与否、剩余寿命等）的所有技术手段的总称。
由于超声波的频率高，能量集中可形成较窄的波束向前传播，传播的方向性好，又易于在固体中传播，在两个不同的介质形成的界面会发生反射，可以有效利用于工业探测。超声波无损探伤技术已经成为工业无损探伤中应用最广泛，研究最活跃的技术之一。超声无损探测的基本原理为超声波具有很强的穿透力，较广的检测深度，指向性好，对缺陷的定位较准确，检测的灵敏度高，几乎可以检测到任何部位的缺陷，对试件内部尺寸很小的缺陷也有较高的识别度。
运用多波形、多探头进行检测时，可以多向检测，检测结果重复性好，可直接实时显示检测结果，亦可对结果存盘、打印，永久保存检测结果。检测结果可以以波形输出，可运用信号处理技术、成像图像处理技术进行联合处理，从而提高检测的精度和可靠性。超声检测法具有检测成本低，设备轻便，操作方便，检测速度快，数据可储存后处理，可适应检测时间窗短、工作距离长、工作量大的检测工作。超声波对人体、对环境无害，超声无损检测法可以保证操作人员的健康安全。
三、几种超声波无损铁轨探伤方法的探究
1、脉冲反射法
（1）探伤原理
超声脉冲回波反射法是目前较主流的一种应用性超声无损检测方法，换能器通过耦合剂直接接触待测的试件，因此该方法又称直接接触脉冲反射法。超声波短脉冲进入试件后，当声波遇上由两种声阻抗不同的介质形成的介质面时，波束会发生反射，入射波声压的相位与反射声压相反，反射波与入射波合成声压的振幅产生变化，采用一个兼顾发射和接收功能的探头，对接收到的反射波进行接受，并在探伤仪的荧光屏上显示，根据反射波的波形幅度对试件内部缺陷的深度、尺寸、性质等信息进行判断。
在探伤的过程中，当被测试件中不存在缺陷时，显示波形中只有发射波脉冲和底面反射波；试件存在小缺陷时，显示波形中只有發射脉冲和底面反射波，以及缺陷回波 ；试件中存在大缺陷时，缺陷全部反射了反射的脉冲 ，因此只有发射脉冲和缺陷回波。
根据声程与传播时间的关系可计算出缺陷的位置。借由对缺陷波与底波之间的高度进行比较可以判断缺陷的尺寸大小。通过改变仪器、探头、耦合方式、入射波方向可以不同方法实现对不同材质的检测。
（2）优势
脉冲反射法的操作灵活方便，检测的灵敏度高
（3）局限性，
① 对近表面和薄壁的检测存在盲区。
②对与超声传播方向平行的缺陷检测灵敏度较低。
③由于传播声程长，不适用于高衰减材料的检测。
2、超声穿透法
（1）探伤原理
超声波由一个探头发射，并由位于被检材料对面的另一个探头接收，通过测量超声脉冲或者连续波在穿透试件后的能量变化，判断试件缺陷情况的方法。脉冲穿透法在工业上能很好地弥补脉冲反射法的缺陷。
（2）优势
①穿透法的收发由分别两个探头完成，检测中几乎不存在盲区，对薄壁检测有良好的适应性。
②检测设备简单，操作方便，易实现连续自动探伤且检查速度快，尤其适合形状简单的批量试件判伤。
③穿透法的声波单声程传播，适于探测衰减系数较大的材料，对取向不良的缺陷，也能较好地发现。
（3）局限性
①传统穿透法，通过声能被缺陷阻挡的情况来判伤，但只有当超声声压大于 20%才能被探头检出，相当于声压只降低 2dB，灵敏度低。
②通过观察接收波形高低可以判断缺陷的有无以及确定缺陷面积，但波形所处位置不能表示缺陷声程，不能判断缺陷的深度位置。
③当缺陷较小时，声波的衍射会降低穿透法的检测灵敏度，实际操作中，需要反方向再次检测。
④穿透法采用的一发一收两个探头的位置要求严格，需要专门的器械。
3、超声衍射时差检测法
（1）探伤原理
超声衍射时差检测法，简称TOFD。根据惠更斯原理——缺陷上每个点形成的心子波源称为衍射，超声衍射时差法依靠超声波在试件内部结构的端角处的衍射回波来检测缺陷的相关信息。当一束射线入射到某一障碍物的边缘时会发生衍射，此时的衍射符合边缘衍射法则，即衍射射线与其相对应分布的入射射线对称分布在入射点处法平面的两侧，衍射波具有全方位、低能量的特点。 TOFD 检测技术在应用的时候，在被测试件两端对称放置一对频率、尺寸、倾斜角相同的纵波斜探头，分别作为反射和接受探头。发射探头发出的检测信号，沿试件上表面直接到达接收探头的称为直通波，从试件底面反射得到的为底面回波。
如果试件内无缺陷，接收探头将只收到直通波和底面回波。试件內部存在面状缺陷的区域，由于缺陷尖端对超声波的衍射作用，接收探头还会收到来着裂纹上下尖端产生的上尖端衍射波和下尖端衍射波。
（2）优势
①TOFD 是基于对时延的的分析来判断缺陷的位置和大小，不依赖于接收信号幅度，因而对脉冲幅度的高低不敏感，材料表面条件、耦合剂等对信号的影响没有反射法中那么明显。
②TOFD 常采用宽声束探头，覆盖区域大，受探头位置和缺陷方向的影响较小。
③TOFD 能检测不利取向的缺陷，缺陷检出率高，缺陷高度的测量更精确，检测的整体可靠性较高。
④TOFD 的检测快速、安全、方便，可以实施成像，方便快速分析。
（3）局限性：
①TOFD 的直通波和底面回波均有一定的宽度，上下表面分别存在着几毫米的表面盲区，处于这个区域的的缺陷波难以被发现，使近表面缺陷检出率降低。
②TOFD 采用了宽声束探头，接收的衍射信号较宽，使检测得到的缺陷比实际尺寸偏大。
③由于衍射信号的强度要较反射信号弱，接收信号放大处理时，容易受到噪声的影响。
④ TOFD 图像识别和判读比较难，数据的分析对检测人员的经验要求高。
四、结束语
总的来说，超声波具有很强的穿透力，较广的检测深度，指向性好，对缺陷的定位较准确，检测的灵敏度高，几乎可以检测到任何部位的缺陷，对试件内部尺寸很小的缺陷也有较高的识别度，已经成为无损探伤中应用非常广泛的一项技术，对于我国铁路检测工作的高效开展以及铁路运行的安全性体现出重要的影响意义。
参考文献：
[1]朱怀桑. 一种新型的铁路钢轨探伤车[J]. 声学技术，1983，03：44-53.
[2]胡金萍. 超声波钢轨探伤仪的研制与开发[D].中北大学，2007.
[3]李伟. 在线电磁钢轨探伤数据管理与监控系统设计[D].北京交通大学，2012.
【关键词】铁路；钢轨探伤；无损探伤；超声波
【分类号】：TM534.1
一、铁路钢轨探伤方法的应用现状
确保钢轨的安全性能是行车安全的关键，因此世界各国对于钢轨探伤方法的研究都给予了充分的注重，以便及早掌握铁轨疲劳伤损的情况，保障列车的行驶安全。
发展到现在，国内外在探伤设备和手段方面，有较大差别。目前国外钢轨探伤主要使用大型钢轨探伤车。小型设备，例如手提式超声探伤仪，主要负责对大型探伤车的检查结果进行复检。国外的探伤车，目前主流检测速度为 40 ～ 80km/h，最高时速已经达到100km，北美和澳洲的探伤车以轮式超声波传感器为主，欧洲的探伤车以滑靴式传感器为主。我国目前的探伤车以轮式传感器为主，在役的超声波探伤车，仍有一部分以美国进口的为主。但我国的铁路运营任务重，检测时间窗短，线路状况受气候影响而复杂多变，目前的探伤仪器仍不能完全满足我国的检测要求，我国的铁轨探伤工作仍然有很大的研究空间。
二、超声波无损钢轨探伤技术在铁路中的应用
无损检测就是利用声、光、磁和电等特性，在不损害或不影响被检对象使用性能的前提下，检测被检对象中是否存在缺陷或不均匀性，给出缺陷的大小、位置、性质和数量等信息，进而判定被检对象所处技术状态（如合格与否、剩余寿命等）的所有技术手段的总称。
由于超声波的频率高，能量集中可形成较窄的波束向前传播，传播的方向性好，又易于在固体中传播，在两个不同的介质形成的界面会发生反射，可以有效利用于工业探测。超声波无损探伤技术已经成为工业无损探伤中应用最广泛，研究最活跃的技术之一。超声无损探测的基本原理为超声波具有很强的穿透力，较广的检测深度，指向性好，对缺陷的定位较准确，检测的灵敏度高，几乎可以检测到任何部位的缺陷，对试件内部尺寸很小的缺陷也有较高的识别度。
运用多波形、多探头进行检测时，可以多向检测，检测结果重复性好，可直接实时显示检测结果，亦可对结果存盘、打印，永久保存检测结果。检测结果可以以波形输出，可运用信号处理技术、成像图像处理技术进行联合处理，从而提高检测的精度和可靠性。超声检测法具有检测成本低，设备轻便，操作方便，检测速度快，数据可储存后处理，可适应检测时间窗短、工作距离长、工作量大的检测工作。超声波对人体、对环境无害，超声无损检测法可以保证操作人员的健康安全。
三、几种超声波无损铁轨探伤方法的探究
1、脉冲反射法
（1）探伤原理
超声脉冲回波反射法是目前较主流的一种应用性超声无损检测方法，换能器通过耦合剂直接接触待测的试件，因此该方法又称直接接触脉冲反射法。超声波短脉冲进入试件后，当声波遇上由两种声阻抗不同的介质形成的介质面时，波束会发生反射，入射波声压的相位与反射声压相反，反射波与入射波合成声压的振幅产生变化，采用一个兼顾发射和接收功能的探头，对接收到的反射波进行接受，并在探伤仪的荧光屏上显示，根据反射波的波形幅度对试件内部缺陷的深度、尺寸、性质等信息进行判断。
在探伤的过程中，当被测试件中不存在缺陷时，显示波形中只有发射波脉冲和底面反射波；试件存在小缺陷时，显示波形中只有發射脉冲和底面反射波，以及缺陷回波 ；试件中存在大缺陷时，缺陷全部反射了反射的脉冲 ，因此只有发射脉冲和缺陷回波。
根据声程与传播时间的关系可计算出缺陷的位置。借由对缺陷波与底波之间的高度进行比较可以判断缺陷的尺寸大小。通过改变仪器、探头、耦合方式、入射波方向可以不同方法实现对不同材质的检测。
（2）优势
脉冲反射法的操作灵活方便，检测的灵敏度高
（3）局限性，
① 对近表面和薄壁的检测存在盲区。
②对与超声传播方向平行的缺陷检测灵敏度较低。
③由于传播声程长，不适用于高衰减材料的检测。
2、超声穿透法
（1）探伤原理
超声波由一个探头发射，并由位于被检材料对面的另一个探头接收，通过测量超声脉冲或者连续波在穿透试件后的能量变化，判断试件缺陷情况的方法。脉冲穿透法在工业上能很好地弥补脉冲反射法的缺陷。
（2）优势
①穿透法的收发由分别两个探头完成，检测中几乎不存在盲区，对薄壁检测有良好的适应性。
②检测设备简单，操作方便，易实现连续自动探伤且检查速度快，尤其适合形状简单的批量试件判伤。
③穿透法的声波单声程传播，适于探测衰减系数较大的材料，对取向不良的缺陷，也能较好地发现。
（3）局限性
①传统穿透法，通过声能被缺陷阻挡的情况来判伤，但只有当超声声压大于 20%才能被探头检出，相当于声压只降低 2dB，灵敏度低。
②通过观察接收波形高低可以判断缺陷的有无以及确定缺陷面积，但波形所处位置不能表示缺陷声程，不能判断缺陷的深度位置。
③当缺陷较小时，声波的衍射会降低穿透法的检测灵敏度，实际操作中，需要反方向再次检测。
④穿透法采用的一发一收两个探头的位置要求严格，需要专门的器械。
3、超声衍射时差检测法
（1）探伤原理
超声衍射时差检测法，简称TOFD。根据惠更斯原理——缺陷上每个点形成的心子波源称为衍射，超声衍射时差法依靠超声波在试件内部结构的端角处的衍射回波来检测缺陷的相关信息。当一束射线入射到某一障碍物的边缘时会发生衍射，此时的衍射符合边缘衍射法则，即衍射射线与其相对应分布的入射射线对称分布在入射点处法平面的两侧，衍射波具有全方位、低能量的特点。 TOFD 检测技术在应用的时候，在被测试件两端对称放置一对频率、尺寸、倾斜角相同的纵波斜探头，分别作为反射和接受探头。发射探头发出的检测信号，沿试件上表面直接到达接收探头的称为直通波，从试件底面反射得到的为底面回波。
如果试件内无缺陷，接收探头将只收到直通波和底面回波。试件內部存在面状缺陷的区域，由于缺陷尖端对超声波的衍射作用，接收探头还会收到来着裂纹上下尖端产生的上尖端衍射波和下尖端衍射波。
（2）优势
①TOFD 是基于对时延的的分析来判断缺陷的位置和大小，不依赖于接收信号幅度，因而对脉冲幅度的高低不敏感，材料表面条件、耦合剂等对信号的影响没有反射法中那么明显。
②TOFD 常采用宽声束探头，覆盖区域大，受探头位置和缺陷方向的影响较小。
③TOFD 能检测不利取向的缺陷，缺陷检出率高，缺陷高度的测量更精确，检测的整体可靠性较高。
④TOFD 的检测快速、安全、方便，可以实施成像，方便快速分析。
（3）局限性：
①TOFD 的直通波和底面回波均有一定的宽度，上下表面分别存在着几毫米的表面盲区，处于这个区域的的缺陷波难以被发现，使近表面缺陷检出率降低。
②TOFD 采用了宽声束探头，接收的衍射信号较宽，使检测得到的缺陷比实际尺寸偏大。
③由于衍射信号的强度要较反射信号弱，接收信号放大处理时，容易受到噪声的影响。
④ TOFD 图像识别和判读比较难，数据的分析对检测人员的经验要求高。
四、结束语
总的来说，超声波具有很强的穿透力，较广的检测深度，指向性好，对缺陷的定位较准确，检测的灵敏度高，几乎可以检测到任何部位的缺陷，对试件内部尺寸很小的缺陷也有较高的识别度，已经成为无损探伤中应用非常广泛的一项技术，对于我国铁路检测工作的高效开展以及铁路运行的安全性体现出重要的影响意义。
参考文献：
[1]朱怀桑. 一种新型的铁路钢轨探伤车[J]. 声学技术，1983，03：44-53.
[2]胡金萍. 超声波钢轨探伤仪的研制与开发[D].中北大学，2007.
[3]李伟. 在线电磁钢轨探伤数据管理与监控系统设计[D].北京交通大学，2012.