1.前  言
        鐵路不僅是國民經濟的命脈，而且與人民生活息息相關，鐵路軌道的傷損和故障將直接關系到行車安全，動輒車毀人亡，會造成巨大經濟損失和極其惡劣的社會影響。隨著提速和重載的需要，對鐵道線路的質量和安全相應地提出越來越高的要求，也引起國家領導人與相關部門的高度重視。
        目前，鐵路軌道的常規探傷采用超聲波探傷法，但只限于標準軌，而道岔部位由于其截面不規則，超聲波和其他傳統探傷方法均無能為力，迄今尚是一個盲區，只能靠人工手錘敲和目視巡檢解決。同時，超聲波探傷法附加條件多：需要清理軌面，需要不斷施加耦合劑—水（寒冬季節為防止水凍結，還需往水中添加酒精），需6至7人配合，操作繁瑣、檢測成本高、分辨率低、速度慢；另一方面，超聲波法只能檢出已經發生傷損的部位，而不能檢出將要發生傷損或瀕臨傷損的部位，難以做到早期診斷、早期發現、早期預防。
        因此，鐵路部門非常需要一種行之有效的新方法，能夠擴大檢測范圍、簡化操作難度、降低檢測成本、提高檢測質量，實現早期預報，以提高線路科學養護水平，防患于未然。鐵道部劉志軍部長在2006年3月31日的全路運輸安全電視、電話會議上講道：“安全基礎建設是一項長期而艱巨的任務，要積極探索新方式、新方法，不斷深化安全基礎建設……加大安全投入，推進技術創新，提高技術裝備保安全的水平。”
        
2.微磁探傷檢測技術的基本原理
        微磁檢測是一種全新的無損檢測方法，于上世紀90年代末引進我國，是通過記錄和分析產生在制件和設備應力集中區中的自有漏磁場的分布情況，來判定其表面和內部是否存在傷損缺陷。
        斷裂力學揭示：任何材料中都存在著由各種缺陷構成的微裂紋，在外力作用下，這些微裂紋的擴展導致材料的斷裂。由于存在裂紋，材料中應力不均勻，在裂紋尖端產生應力集中，并且有特殊的分布，形成一個裂紋尖端的應力場，該區域腐蝕、疲勞、蠕動、錯位、滑移等金屬內部微觀缺陷的改變過程更加迅速和劇烈，最終導致構件的損傷。因此，金屬構件的應力集中是造成突發性疲勞破壞的重要原因，而查找和檢測應力集中狀態，尤其是導致傷損和破壞的臨界應力集中狀態便成了評估診斷機器和金屬構件的強度、可靠性和壽命的一個重要依據。微磁探傷檢測技術正好可以滿足這種要求，它基于兩個基本原理：
        （1） 缺陷磁疇結點磁場原理：
        材料出現裂紋或坑點等缺陷時，其缺陷區磁疇結點在應力和地磁作用下發生不可逆的重新取向，對外顯示磁性。因此，檢測材料裂紋等缺陷磁疇結點發散到材料表面的磁場，就可推算出材料是否存在缺陷。這種檢測技術既可檢測表面裂紋等缺陷，又可檢測內部缺陷，而且檢測工藝簡單，便于操作。
        對材料的微觀磁特性研究可知，在外力作用下，會使材料中的晶格組織發生變化，如錯位、滑移等。當受力較大時，晶格發生不可逆變化，使磁疇結構破壞，位錯線（如前所述材料中的微觀裂紋缺陷）穿過磁疇區，使之分裂，形成新的沿分裂線的疇壁，缺陷具有強的各向異性磁性，有效的設置了疇壁勢壘，阻止疇壁通過缺陷，形成磁疇結點。隨著應力增大，疇壁勢壘增強，于是出現磁荷聚集，形成磁疇固定結點，產生定向磁場源。疇壁勢壘的磁狀態不可逆變化在工作載荷消除后還會保留，且與最大作用應力有關。若此缺陷不再擴展，則其缺陷磁場強度保持不變。
        當材料內部存在夾雜、氣孔等其它原因形成的宏觀缺陷時，也會破壞原來的晶格，引起磁各向異性，產生疇壁勢壘，形成另一類磁疇固定結點。
        金屬構件缺陷的產生主要發生在制造和使用中。缺陷的產生導致磁疇固定結點的存在，出現磁狀態不可逆，形成內部磁源，這種磁疇固定結點稱為微磁點。由于內部磁源產生的磁信號十分微弱，泄漏到材料表面的可檢測信號就更微弱（小于10-8T），檢測極為困難，需要采用高靈敏度磁傳感器檢測，常采用磁阻傳感器，其檢測過程稱為缺陷微磁檢測。
        （2）缺陷磁荷變異原理：
        按照磁荷理論，鐵磁材料被磁化時，磁通的連續性在缺陷處被破壞，而在內部會出現磁荷分布，形成磁源。由實驗測得的缺陷磁場分布，可認為磁荷集中分布在缺陷的兩個側面上。
        當磁場通過兩種介質分界面時，磁感應強度的法線分量是連續的。因此，當缺陷磁場由鐵磁區進入空氣（缺陷區），有：
                                                     
式中，n為法線方向，H1、H2分別為鐵磁區和空氣中的磁場強度，M為磁化強度， μ0為真空導磁率。這表明缺陷磁場泄漏到空氣中仍有一定強度，檢測這一磁場就可發現缺陷，因此，磁傳感器與被檢工件有一定提離高度時，仍可檢測缺陷泄漏到空氣中的磁場，這就為非接觸檢測奠定了基礎。
由電磁感應理論，法線分量在兩種不同介質分界面上是不連續的，由于空氣中M2=0，因而由交界面條件可得
        
              式中，δ為磁荷面密度，它是由μ0M法線分量在兩種不同介質分界面上的不連續形成的，表明在邊界處會發生變異，即出現正負峰，檢測泄漏磁場的這一變異就可以發現裂紋等缺陷。而變異的峰值、位置等特性就反應了裂紋等缺陷的形狀和尺寸。因此，磁荷變異理論就形成了探傷檢測的基礎。

        
3.系統的主要研究內容
        (1) 缺陷磁荷模型研究
        國內目前對微磁技術應用的機理多數局限在磁的一種現象，而對磁原理的本質規律尚缺乏研究和認識，尤其缺乏對缺陷漏磁場的量化研究和認識。本系統對微磁技術進行了深層研究。通過大量物理實驗、數理統計和數學分析，反復求證微磁信號與鋼軌內部缺陷的對應函數關系，并建立了相應的數學模型，也即缺陷磁荷模型，過程如圖1所示。

                 
      圖1：數學模型建立過程框圖

        根據所建立的缺陷磁荷模型，對常見的V型裂紋進行仿真試驗，驗證了微磁波形隨裂紋寬度、深度、長度變化規律；組合形裂紋的仿真實驗結果與V形裂紋的情況大致相同，實際檢測的波形與仿真曲線相比較，其相似度都在0.95以上，表明所建模型是符合實際的。
        (2) 首創基于材料裂紋磁疇結點磁荷變異檢測理論的鐵路軌道裂紋等缺陷檢測技術，構建了基于裂紋生成與擴展規律的組合型磁荷模型，使這種檢測在不需外激勵的條件下可檢測材料表面和內部裂紋等缺陷，形成了鐵路軌道缺陷檢測的一種新方法。
目前，微磁檢測技術在國內許多行業得到應用，而對鐵路軌道檢測只有少數人進行過實驗性探索，還沒有人針對鐵軌進行過深入研究，更沒有人專門致力于采用這種新技術研發鐵軌專用探傷檢測系統，本系統填補了這項空白。
        (3) 創建基于優化原理的缺陷微磁信息提取方法和基于幅度標準,梯度標準雙函數判別規則,從而提高了缺陷識別的可靠性。
        (4) 研制基于人工智能技術的微磁檢測系統。本系統的軟件平臺用人工智能的專家系統思想建造,因此,系統實現智能化,檢測過程自動進行,可替代人工分析、決策、判斷，同時，具有相當的隨機性、靈活性和可擴充性，為其擴大應用領域打下堅實基礎。
        (5) 研制出高靈敏度互補式雙差分磁阻傳感系統，能穩定、可靠檢測鐵路軌道裂紋等缺陷微弱磁信號；
        (6) 研制基于AM9型計算機的包含檢測控制、信號純化、裂紋特征提取、裂紋識別，以及自檢、調偏差等功能的自動化系統，使之操作簡便、工效高、可靠性好、便于功能擴展。
        
4.系統的結構
        (1) 系統的技術框架
        本系統整合了多種前沿科技和多邊交叉科技，如圖2所示：

                                       圖2：系統技術框架
        (2) 系統的總體結構
        系統由硬件和軟件兩大部分組成，如圖3所示 

                                                                                   圖3：系統的總體結構圖

        (3) 系統的外觀結構
        系統外觀如照片1所示

                                                                                               照片1：系統外觀

        (4) 系統的界面
        為方便使用，系統的界面采用了通過觸摸屏和按鍵兩種方式進行系統交互。
        主界面
        在觸摸屏上點擊“開始”按鈕或按面板上的“開始”鍵，系統開始進行檢測，在波形顯示區顯示波形，在左下角結果顯示區顯示檢測結果。
        當檢測結果正常時，顯示“正常”，指示區域為綠色：
        當結果異常時，顯示“有裂紋”，指示區域變為紅色并閃爍，如照片2所示：

照片2：系統主界面

        設置界面
        在主界面上點擊“設置”按鈕即可進入系統設置界面，如照片3所示：

                                                                                       照片3：系統設置界面

        本界面主要用來設置程序的兩個閾值：橫向精度和縱向精度。可以通過點擊“上”或“下”來增大或減小閾值，用來設置系統的檢測精度。設置完畢后，點擊“確定”按鈕，系統返回主界面。
        (5) 系統的軟件結構
        結構框架
        軟件采用Linux操作系統下的C++語言開發，傻瓜化設計，軟件系統主要包括四個功能模塊，如圖4所示。

                                                                                         圖4：系統軟件構成框圖

        其中每個功能模塊又由若干個子系統構成，因篇幅所限，這里僅舉其中信號分析處理模塊以及其中的一個子系統為例：
        信號分析處理模塊
        該功能模塊由四個子系統構成，采用模塊化設計，各子系統之間互不干擾，使系統運行可靠，如圖5所示。

                                                                       圖5：信號分析處理模塊過程框圖
        其中，缺陷判別子系統流程如圖6

                                                                                  圖6：缺陷判別子系統過程圖

        （6） 檢測小車
        起初，檢測時依靠操作人員用手捏住探頭沿軌頂面劃行，靠人工定位。由于微磁探頭較小（直徑只有17毫米），需要采取蹲姿或半蹲姿行走，加上道岔部位形狀不規則，難以定位，操作極為不便，而且時間一長，勢必十分疲勞。為此，根據現場探傷檢測人員的要求，研制出了檢測輔助裝置——檢測小車，減輕了檢測人員的勞動強度。其主要功能：
        ① 可安裝、固定探頭，探頭頂面與軌面平行，并且可上下調節高度；
        ② 可沿軌頂面縱向滾動；
        ③ 具有導向功能，探頭沿軌頂面縱向行走時，能隨時自動取中定位；
        ④ 檢測尖軌時，在向軌尖部行走時，定位桿可隨著軌面寬度尺寸的變小而自動調節距離，同時，兩邊的滾輪也能相應自動調節間距，以保證小車能始終在軌頂面中部行走，也保證探頭在軌面中部掃查；
        ⑤ 當尖軌一側緊貼直軌時，無法兩側定位，可抬起一側定位桿，改用單側定位；
        ⑥ 操作人員可手推直立行走。

5.系統的主要功能、特點和主要技術指標
        （1） 系統的主要功能、特點
        ① 檢測速度快。由于微磁檢測是一種被動檢測，是直接檢測軌道表面缺陷泄漏的天然微磁信號，且磁信號以光速傳播，因此，磁傳感器獲取信號時間少于0.1納秒。而超聲檢測是一種主動檢測，是檢測自發信號，有一個發射和接收過程，且波速比光速小，探測頭獲取信號時間大于4微秒。因此，微磁檢測速度比超聲檢測高數倍，更適于列車提速后的軌道、道岔探傷。
        ② 檢測靈敏度高。微磁傳感裝置可獲取小于10-8 T的磁信號，相當于寬度1微米、深度50微米、長100微米的缺陷泄漏的磁信號。超聲檢測中，可分辨的缺陷通常在Φ1毫米以上（較為先進的儀器可達Φ0.3毫米，但價格昂貴），因此，微磁檢測靈敏度比超聲檢測高數十倍。
        ③ 可靠性好。對于尺寸在寬度80微米、深度500微米、長500微米以上的裂紋信號，能可靠捕捉。而且不需加耦合劑，與超聲檢測相比，消除了外加的不穩定因素，同時，解決了鐵路道岔探傷檢測的世界性難題。
        ④ 檢測工藝簡便。微磁檢測對被檢工件表面狀態要求低，不必打磨、清洗，不需加耦合劑，可在有鐵銹、油污的條件下工作。而且體積小、重量輕、攜帶方便、特別適宜鐵道線路流動現場檢測的需要。
        ⑤ 具有“前瞻性”的預報功能。通過觀測軌道磁場的變化梯度，可以間接的判斷軌道件的受力情況，實現對軌道壽命的早期診斷，可以預報可能發生缺陷與破壞的危險區域，即最大應力和變形集中區域，從而及時采取措施，防止行車事故的發生，這是目前其它任何檢測方式所不能比擬的。
        ⑥ 系統為智能型，可以替代人工分析、判斷而直接輸出檢測結果。
        （2） 系統的主要技術指標
        ①可檢出軌道最小裂紋等缺陷：寬100μm，深500μm，長500μm
        ② 缺陷檢出可靠度≥95%
        ③ 連續工作8小時無異常
        ④ 最大掃描速度：0.5m/sec
        ⑤ 微處理器：32位
        ⑥ 內存容量：64M
        ⑦ 存儲器：64M
        ⑧ TFT顯示屏：3.5″
        ⑨ 環境：溫度(-25～+55)℃，相對濕度（90±3）%RH
        ⑩機內電源：直流7.6 V
        
6.應用情況
        2007年5月起，本系統在天津工務段京滬線標準軌和可動心軌提速道岔（尖軌、長短心軌、翼軌）特殊部位以及鋼軌焊縫接頭等處進行了試用。實際檢測操作時，使用者只需手推檢測小車在軌道上行走（也可手持探頭直接在軌道上劃行或提離小段高度）即可，系統能自動采集數據，并經內部一系列運算，隨即可在顯示屏上直接顯示出該截面的檢測結果，若有裂紋等缺陷，則除可在屏幕顯示“有裂紋”或其他缺陷外，蜂鳴器還會同時發出報警聲音，以提醒使用者注意，如照片4、5所示。
                   
        試用表明，該儀器靈敏度高、檢出裂紋等缺陷可靠、操作方便，適于現場工作。同時，在試用中，根據出現的問題和工務段探傷人員的意見，對系統的選件型號、制作工藝、外形構造、傳動機構、操作程序和人機界面等均作了多次改進和完善，以提高其穩定性，使之更適應現場工作特點。2007年5月，河北滄州探傷工區使用該系統在吳橋站進行正線道岔特殊部位探傷時，檢測出3號、5號可動心軌提速道岔直股翼軌焊縫處出現異常報警，顯示有裂紋，但其表面未發現裂紋，用超聲波儀檢測也未發現異常，隨即加強了監控。至9月5日，超聲波探傷儀檢測發現已有明顯傷損：5號道岔核傷15 X 20、3號道岔核傷8 X 15，均構成重傷（如照片6、7所示），段有關部門及時組織更換，確保了行車安全。
                    
        在試用中，由于該系統靈敏度高，檢出裂紋等缺陷可靠，操作方便，需1至2人操作（而超聲波法需6-7人），而且，不需要清理軌件表面、不需要施加耦合劑，工效高，適于軌道探傷實際工作需要，受到探傷人員歡迎。試用實踐證明，本系統可用于可動心軌提速道岔的探傷檢測，解決了這一技術難題，填補了空白。同時，也可用于常規探傷或焊縫探傷，而且，與傳統的超聲波方法相比，微磁檢測技術逐步突顯出許多優勢（詳見兩種探傷方式對比表）。

7.檢測標準
        微磁探傷是一項全新的無損檢測技術，目前尚無國家標準，國標還在調研、制定過程中，鐵路軌道微磁探傷檢測的標準只有在國家標準出臺后參照制定，目前更是只能靠我們自己去摸索、制定和完善。
為此，我們從2007年3月，儀器研制成功并現場試用以來，進行了各種檢測標準的調研、設計、制定、修改和完善工作。
        （1） 試塊
傳統的超聲波探傷針對不同的檢測儀器和不同的檢測對象，設計和制作了各種對比試塊，用于應用過程中儀器的校準和輔助參照判定。微磁探傷與超聲波探傷原理不同，現有的超聲波探傷試塊無法直接用于微磁探傷，必須根據微磁探傷的原理和特點，設計和制作專門試塊。
我們先后設計和制作了3個系列(即普通試塊、軌頂表面缺陷試塊和模擬自然工況缺陷試塊)共12種試塊。
        （2） 使用標準
一年來，在試用過程中，我們在調研、現場實踐和廣泛征集意見的基礎上，摸索出一整套包括系統功能、基本操作方法、操作步驟、常見故障及處理方法、幾個關鍵部位的檢測方法等共6項30條檢測使用辦法和標準。
        
8.系統的應用前景
        本系統是微磁檢測技術首次在鐵路工務工程界應用，它的研制成功并付諸實施，是對傳統探傷檢測的原理、方法、范圍和效果的突破和創新，有效地解決了既有軌道和道岔設備不規則斷面的傷損檢測問題，是對現行超聲波探傷技術的一個重要補充，而且，可將探傷檢測由傷后診斷處理提升為傷前診斷預防，意義重大。筆者認為，超聲波探傷技術輔之以微磁探傷技術，將解決軌道和道岔探傷的盲區，可為當前鐵路重載、提速提供可靠的安全保障作用。同時，可籍以進一步研發無縫線路內應力狀態安全評估系統，以提高線路科學養護水平。據此，建議有關部門加大對微磁檢測技術深化研究和完善的支持力度，將該技術盡快在鐵路上推廣應用。
                                                                                                                         

參考文獻：
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