钢轨踏面斜裂纹与轨头核伤的B型图对比分析

■ 石永生 李培 钟旭峰 骆海波

1 核伤与斜裂纹的特点

钢轨轨头横向疲劳裂纹俗称轨头核伤（简称核伤），呈椭圆形，长、短轴之比约3∶2。核伤疲劳源一般位于距踏面8~12 mm、距内侧5~10 mm处。核伤方向与轨头侧面近乎垂直，与踏面多呈10°~25°夹角（单行线上）或近乎垂直（复行线上）。核伤在未发展到外表面时肉眼不可见，称“白核”；已扩展到外表面时，因氧化变为黑色，称“黑核”。核伤可导致钢轨横向折断，严重影响铁路线路的行车安全，按性质属性划分属于重伤。多数国家在核伤面积超过轨头面积30%以上时才要求换轨，法国甚至放宽到55%。我国比较严格，只要能确认是核伤，就要求马上切除或更换。

钢轨踏面斜裂纹（简称斜裂纹）是轨头踏面在轮轨接触应力作用下形成的在钢轨全长上分布的呈斜线状发展的轮轨接触疲劳裂纹，按性质属性划分属于轻伤，不会影响行车安全，通常需要进行修理性打磨和预防性打磨，在不重要的线路上或不具备打磨条件时一般不进行处理，只进行监控，防止继续向下发展成核伤。

但这些斜裂纹和核伤的探伤车B型图非常相近，不容易区分。探伤车检测过程中，斜裂纹也被探伤车自动识别算法统一识别成核伤，造成探伤车核伤误报严重，加大了伤损回放分析人员和伤损复核人员的工作量。因此，如何有效区分B型图中的斜裂纹和核伤显得尤其重要。

2 斜裂纹与核伤的B型图对比分析

对比分析见表1。

3 核伤与斜裂纹的B型图成因分析

3.1 核伤

钢轨探伤车使用超声探轮进行钢轨伤损在线检测。每个探轮内都有3个70°晶片，折射进入钢轨的超声横波声束折射角约70°。进入钢轨的超声横波声束有较大的扩散角，对同一点的轨头伤损随着车辆的运行会进行多次采样，并且由于扩散角大，造成对核伤的取向不是特别敏感，甚至垂直的伤损也能够发现。核伤反射见图1。1点发射的超声波在伤损的A1点反射并在B型图中描绘在A1点，同样2、3点处发射的超声波也在B型图的A2、A3处描绘一个点。这样经过多个点超声波发射和采样，超声检测系统就完成了核伤的探伤检测，并且B型图中的伤损走势和实际的伤损走势基本一致。

3.2 斜裂纹

有的斜裂纹的B型图深度几乎达到轨颚部位，实际斜裂纹的深度非常小，往往不超过3 mm，因此推断探伤车在核伤检测过程中产生了表面波，并在GTS-60试块上得到了验证（验证过程中发现同钢轨表面波同时伴生一轨面下超声波，其声速同钢轨表面波相同，但距离-能量值的变化与钢轨表面波不同）。正是表面波检测到斜裂纹，但超声检测系统不能识别钢轨表面波，仍然按照既定的折射70°超声横波处理。斜裂纹反射见图2。探轮在1、2、3、A点得到的均是A点的反射，传播路径为1、2、3、A点到A点的红色箭头线。由于超声检测系统不能识别波形是沿着表面传播的，分别认为反射点来自A1、A2、A3、A点，所以绘画出伤损形状如图2中的竖直蓝虚线。核伤图形不能表示实际深度，只表示虚拟深度，图形的长短与检测闸门的宽度、表面波反射能量的大小和表面斜裂纹的密度有关，图形通道数与斜裂纹的长短有关。

表1 核伤与斜裂纹的B型图对比

在单行线上，斜裂纹一旦发展成为真正核伤，其反射图形会有所变化（向倾斜发展）。

4 现场考证

图1 核伤反射示意图

图2 斜裂纹反射示意图

根据对比分析结论，选取2处B型图并做现场考察。单一斜裂纹伤损发展接近轨顶中心线，深度约2 mm，反射图形从轨顶发展至轨颚，GC 70°产生反射（见图3）。连续表面细裂纹伤损（比较密集）：轨顶面横向发展约1/3，深度1~2 mm，反射图形排列密集且较短，GC 70°2个通道有反射（见图4）。通过这2处现场考证，验证了对比分析结论，为核伤B型图判别提供了理论依据。从示波器上看，高速检测时斜裂纹的反射波形同噪声非常类似，如果把它作为系统杂波处理，人为减低灵敏度，将会造成严重漏检。

图3 单一斜裂纹的B型图及现场考证

图4 连续斜裂纹的B型图及现场考证

5 结论

斜裂纹对探伤车超声检测产生影响。在核伤的报警图形中既可能是核伤，也可能是表面斜裂纹或斜裂纹下发展成的核伤，还可能是系统杂波，无疑给探伤车检测人员、伤损分析回放人员带来操作、调整和伤损分析的麻烦，也给信号处理技术和自动化探伤方面提出了新的课题。

通过GTS-60试块简要验证了在钢轨表面存在超声表面波；通过钢轨核伤和表面斜裂纹B型图的详细对比分析，总结核伤和斜裂纹特征、探讨核伤和斜裂纹B型图形成原理，为这2类伤损的判别提供了理论依据。不足之处是未能就探伤车检测过程中产生的钢轨表面波的具体参数及其特征进行详细试验，并且仍需信号处理和伤损自动化判别进行下一步工作。