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摘 要：钢轨在长期服役后会出现裂纹、擦伤、磨损甚至断裂等多种损伤情况，如果这些隐患不能及时发现，会对列车的运营带来极大的安全隐患。超声导波技术的出现为钢轨无损检测提供了新的手段，提高了钢轨无损检测的效率。本文将简述超声导波的相关特性，分析钢轨超声导波探伤的价值，基于钢轨超声导波的探伤原理分析B 型扫查超声波探伤仪基本原理和工作过程。
关键词：超声导波；钢轨探伤；无损
近些年来无损检测领域研究的重点是超声导波技术，与常规的超声波检测方法相比，超声导波技术衰减小、传播距离远、检测速度快，能够很好地满足钢轨探伤的需求，保障铁路交通系统的正常工作，具有重要的应用价值。
1 超声导波的特性
超声导波也是超声波的一种，是指频率超过20kHZ 的声波，为了充分了解超声导波的探伤作用，首先要对超声导波的相关特性有充分的了解。
1 .1声速特性
超声波与声波一样可以在固、液、气体中传播，只是受到介质温度和外界压力的影响传播的速度不同，在外界环境稳定的情况下，超声导波在固体中的传播速度是常数，这就为超声探伤奠定了基础。
1 .2 反射特性
由于不同介质的密度不同，超声导波在从一种介质进入到另一种介质时，在两种介质的分界面会产生部分的反射，因为介质的分界面改变了超声导波的传递方向。与光波不同，超声导波在充气体传播到固体或液体时，由于气体与固体或者气体与液体之间的密度相差悬殊，超声导波或者完全反射回来，这就是超声波物位计的工作原理。
1 .3衰减特性
超声波从本質上来讲仍旧是一种能量，而只要是能量就衰减的过程。超声波在传播的过程中，受到介质以及介质中杂质的影响，超声波的能量会逐渐被介质所吸收，宏观上就表现为超声波强度的衰减。不论是超声波流量计还是超声波物位计都有最低接收强度的限制，因此衰减必须控制在可控范围内，不然就会影响测量结果的精度。
2 钢轨超声波探伤必要性
钢轨要长期经受各种货车或者列车的负载，难免会有各种损伤，其中有外部伤损如侧磨、轨头压溃、剥离掉块、锈蚀等，这些看得见的损伤都可以及时进行处理。但是如果钢轨在铸造之初就出现了冶炼中残留的夹杂和白点这样的内部损伤，肉眼是看不见的，如果直接流通进入使用，车辆长期负载下可以导致钢轨出现裂纹甚至直接断裂，而对于列车而言就意味着车毁人亡的巨大后果。而把钢轨拆开看内部是否存在铸造的缺陷是不可能的，必须对钢轨进行无损探伤，通过钢轨超声波探伤来确定钢轨内伤的轻重，由此来判断是否能够进入流通使用。
3钢轨超声导波探伤原理
钢轨无损检测中的超声导波技术同样是基于超声波在不同介质中的传播特性，如果钢轨内部存在损伤，超声导波会在损伤处反射，根据收集到的反射信息确定损伤的大小和位置。一般常用的是20 万赫兹的声波射入钢轨中，为了充分收集超声导波的反射波，探伤仪上安装有很多角度的探头，如50 度角探头， 用来发现轨头内的核伤或横裂， 30 度角探头可探轨腰及螺栓孔损伤， 垂直探头发射纵波， 可探轨头轨腰轨底的水平裂纹、纵裂纹。这样就可以了解所有部位的损伤情况。钢轨超声导波探伤系统原理框图如图1 所示。
钢轨探伤检测系统主要由探头、超声收发装置、探头伺服控制系统、探伤数据采集系统、损伤分析系统、耦合液喷淋系统、主控计算机以及外设等组成。首先在钢轨上利用耦合液喷淋系统来喷洒耦合液，以确保探头与钢轨能够进行良好的贴附，让探头发射的超声导波能够全部或者大部分进入钢轨内。如果钢轨内没有任何损伤，则超声导波在到达钢轨底部后会反射回超声收发装置中，得到底波。如果钢轨内部有损伤，超声导波会在损伤处进行一部分的反射，最后得到底波与无损的底波存在波峰位置的差异，超声波收发装置收集的波形图经过探伤数据采集系统和损伤分析系统进行处理，从而了解损伤的大小以及损伤的位置，并经由主控计算机及时报告。
4 B 型扫查超声波探伤仪基本原理和工作过程
B 型扫查超声波是现行的钢轨无损检测的常用仪器之一，其工作原理与医院使用的B超相同，利用连续的单个的探头在一条直线上组成探头阵列，由此发出的声波实际上是形成了一个切面，不同深度下的回波以不同的颜色或灰度表示，这样就提高了工作的效率，也可以准确地了解损伤范围的大小和位置。受制于铁轨几何形状和耦合问题的限制，线探头在铁轨的无损检测中应用较少，一般都是利用单探头模拟线探头工作。在实际的使用过程中是通过单探头进行多次的扫描来得到一个切面的扫描结果，其探测的结果与线探头基本一致，要求发射电路必须按照探头移动的定长距离发射超声波， 这样每次回波的间距才能保证定长等间距， 进而形成的图形才能不失真。
图2为单探头探测的结果，如果钢轨内部没有损伤，探测后图上应该只有主冲击峰，因为超声导波没有发生反射或者折射。但是如果钢轨内部存在缺陷，超声导波会存在削弱和反射的情况，这就会在主冲击波的波峰之后出现一个轨道底部缺陷的回波，由此我们就可以断定轨道内部出现了缺陷，并且这种缺陷对整个轨道强度的影响较大，因为轨道底部缺陷的回波波峰较高。
需要注意的是探头位置偏离，超声导波进入钢轨的部位变化，会导致超声导波无法按照预定的方向扫描被检区域，最后测量得出的缺陷的位置和大小都可能存在误差。另外钢轨长期处在自然条件下可能发生腐蚀，这会导致探头和钢轨之间耦合不良，在探伤的过程中超声导波不能全部进入钢轨或者完全不能进入钢轨，最后测量的结果存在巨大误差。也有螺栓与钢轨锈蚀成一体，探伤过程中误将螺栓判定为钢轨内部的缺陷，同样会造成钢轨探伤的漏检，对于上述情况都应该多加小心。
5 结论
火车钢轨在长期使用之下难免存在各种缺陷，而内部缺陷的存在为火车的行驶安全带来了严重的隐患。随着电子技术和软件的进一步发展，超声导波技术的出现，为钢轨无损检测提供了新的方法，在钢轨的长距离检测中优势明显。当前样本库中已经有大量的已知缺陷的特征量可供各种缺陷的检测，相信随着时间的发展，超声导波在钢轨无损检测中的应用必然会越来越广泛。
参考文献：
[1]何存富，刘青青，焦敬品等.基于振动模态分析的钢轨中超声导波传播特性数值计算方法[J].振动与冲击，2014，（3）：9-13.
[2]严钦男.基于嵌入式的钢轨超声导波无损检测系统[J].湖北科技学院学报，2013，33（9）：4-6.
[3]许占兵.钢轨超声波探伤检测时发生漏检的原因[J].科技创业家，2014，（5）：140-140.
关键词：超声导波；钢轨探伤；无损
近些年来无损检测领域研究的重点是超声导波技术，与常规的超声波检测方法相比，超声导波技术衰减小、传播距离远、检测速度快，能够很好地满足钢轨探伤的需求，保障铁路交通系统的正常工作，具有重要的应用价值。
1 超声导波的特性
超声导波也是超声波的一种，是指频率超过20kHZ 的声波，为了充分了解超声导波的探伤作用，首先要对超声导波的相关特性有充分的了解。
1 .1声速特性
超声波与声波一样可以在固、液、气体中传播，只是受到介质温度和外界压力的影响传播的速度不同，在外界环境稳定的情况下，超声导波在固体中的传播速度是常数，这就为超声探伤奠定了基础。
1 .2 反射特性
由于不同介质的密度不同，超声导波在从一种介质进入到另一种介质时，在两种介质的分界面会产生部分的反射，因为介质的分界面改变了超声导波的传递方向。与光波不同，超声导波在充气体传播到固体或液体时，由于气体与固体或者气体与液体之间的密度相差悬殊，超声导波或者完全反射回来，这就是超声波物位计的工作原理。
1 .3衰减特性
超声波从本質上来讲仍旧是一种能量，而只要是能量就衰减的过程。超声波在传播的过程中，受到介质以及介质中杂质的影响，超声波的能量会逐渐被介质所吸收，宏观上就表现为超声波强度的衰减。不论是超声波流量计还是超声波物位计都有最低接收强度的限制，因此衰减必须控制在可控范围内，不然就会影响测量结果的精度。
2 钢轨超声波探伤必要性
钢轨要长期经受各种货车或者列车的负载，难免会有各种损伤，其中有外部伤损如侧磨、轨头压溃、剥离掉块、锈蚀等，这些看得见的损伤都可以及时进行处理。但是如果钢轨在铸造之初就出现了冶炼中残留的夹杂和白点这样的内部损伤，肉眼是看不见的，如果直接流通进入使用，车辆长期负载下可以导致钢轨出现裂纹甚至直接断裂，而对于列车而言就意味着车毁人亡的巨大后果。而把钢轨拆开看内部是否存在铸造的缺陷是不可能的，必须对钢轨进行无损探伤，通过钢轨超声波探伤来确定钢轨内伤的轻重，由此来判断是否能够进入流通使用。
3钢轨超声导波探伤原理
钢轨无损检测中的超声导波技术同样是基于超声波在不同介质中的传播特性，如果钢轨内部存在损伤，超声导波会在损伤处反射，根据收集到的反射信息确定损伤的大小和位置。一般常用的是20 万赫兹的声波射入钢轨中，为了充分收集超声导波的反射波，探伤仪上安装有很多角度的探头，如50 度角探头， 用来发现轨头内的核伤或横裂， 30 度角探头可探轨腰及螺栓孔损伤， 垂直探头发射纵波， 可探轨头轨腰轨底的水平裂纹、纵裂纹。这样就可以了解所有部位的损伤情况。钢轨超声导波探伤系统原理框图如图1 所示。
钢轨探伤检测系统主要由探头、超声收发装置、探头伺服控制系统、探伤数据采集系统、损伤分析系统、耦合液喷淋系统、主控计算机以及外设等组成。首先在钢轨上利用耦合液喷淋系统来喷洒耦合液，以确保探头与钢轨能够进行良好的贴附，让探头发射的超声导波能够全部或者大部分进入钢轨内。如果钢轨内没有任何损伤，则超声导波在到达钢轨底部后会反射回超声收发装置中，得到底波。如果钢轨内部有损伤，超声导波会在损伤处进行一部分的反射，最后得到底波与无损的底波存在波峰位置的差异，超声波收发装置收集的波形图经过探伤数据采集系统和损伤分析系统进行处理，从而了解损伤的大小以及损伤的位置，并经由主控计算机及时报告。
4 B 型扫查超声波探伤仪基本原理和工作过程
B 型扫查超声波是现行的钢轨无损检测的常用仪器之一，其工作原理与医院使用的B超相同，利用连续的单个的探头在一条直线上组成探头阵列，由此发出的声波实际上是形成了一个切面，不同深度下的回波以不同的颜色或灰度表示，这样就提高了工作的效率，也可以准确地了解损伤范围的大小和位置。受制于铁轨几何形状和耦合问题的限制，线探头在铁轨的无损检测中应用较少，一般都是利用单探头模拟线探头工作。在实际的使用过程中是通过单探头进行多次的扫描来得到一个切面的扫描结果，其探测的结果与线探头基本一致，要求发射电路必须按照探头移动的定长距离发射超声波， 这样每次回波的间距才能保证定长等间距， 进而形成的图形才能不失真。
图2为单探头探测的结果，如果钢轨内部没有损伤，探测后图上应该只有主冲击峰，因为超声导波没有发生反射或者折射。但是如果钢轨内部存在缺陷，超声导波会存在削弱和反射的情况，这就会在主冲击波的波峰之后出现一个轨道底部缺陷的回波，由此我们就可以断定轨道内部出现了缺陷，并且这种缺陷对整个轨道强度的影响较大，因为轨道底部缺陷的回波波峰较高。
需要注意的是探头位置偏离，超声导波进入钢轨的部位变化，会导致超声导波无法按照预定的方向扫描被检区域，最后测量得出的缺陷的位置和大小都可能存在误差。另外钢轨长期处在自然条件下可能发生腐蚀，这会导致探头和钢轨之间耦合不良，在探伤的过程中超声导波不能全部进入钢轨或者完全不能进入钢轨，最后测量的结果存在巨大误差。也有螺栓与钢轨锈蚀成一体，探伤过程中误将螺栓判定为钢轨内部的缺陷，同样会造成钢轨探伤的漏检，对于上述情况都应该多加小心。
5 结论
火车钢轨在长期使用之下难免存在各种缺陷，而内部缺陷的存在为火车的行驶安全带来了严重的隐患。随着电子技术和软件的进一步发展，超声导波技术的出现，为钢轨无损检测提供了新的方法，在钢轨的长距离检测中优势明显。当前样本库中已经有大量的已知缺陷的特征量可供各种缺陷的检测，相信随着时间的发展，超声导波在钢轨无损检测中的应用必然会越来越广泛。
参考文献：
[1]何存富，刘青青，焦敬品等.基于振动模态分析的钢轨中超声导波传播特性数值计算方法[J].振动与冲击，2014，（3）：9-13.
[2]严钦男.基于嵌入式的钢轨超声导波无损检测系统[J].湖北科技学院学报，2013，33（9）：4-6.
[3]许占兵.钢轨超声波探伤检测时发生漏检的原因[J].科技创业家，2014，（5）：140-140.