引言：钢轨是列车运行的轨道，在列车长期反复载荷作用下，钢轨内部极易萌生疲劳裂纹，尤其是钢轨轨头下沿处，应力状态复杂，裂纹萌生扩展的风险更大，一旦疲劳裂纹发展到临界尺寸，在列车动载荷作用下，很可能引发钢轨突发性断裂。为及时发现和处置含有内部缺陷的钢轨，保障行车安全，铁路部门大力发展钢轨无损检测技术，建立了以钢轨探伤车为主体的检测体系，对于钢轨轨头区域的微小疲劳裂纹等小型核心缺陷，受检测灵敏度等因素限制，探伤车的检出能力还不能完全满足日益提高的安全需求。深入分析钢轨小型核伤的特点，揭示探伤车检测能力的制约因素，对于完善钢轨无损检测体系、提高缺陷检出率、消除潜在安全隐患具有重要意义。

一、钢轨探伤车小型核伤的特点与危害

（一）钢轨小型核伤的形成机理

钢轨小型核伤主要是指钢轨轨头部位长度小于10mm、深度小于5mm的疲劳裂纹或夹杂物等微小缺陷，这些缺陷多源于钢轨生产制造、运输铺设等环节引入的微小裂纹或非金属夹杂。在列车长期反复碾压作用下，钢轨轨头表面与车轮反复接触，接触应力远高于钢轨内部，容易引发接触疲劳。随着运营里程的增加，轨头表面不断剥落，原有的微小裂纹逐渐暴露并向轨头内部扩展，由于轨头下沿区域同时承受垂向和横向载荷作用，处于复杂应力状态，成为微小裂纹扩展的“助推器”，裂纹尖端极易形成应力集中，加速疲劳裂纹扩展。另外，由于钢轨生产工艺的原因，钢轨轨头下沿处易残留铸造收缩气孔、氧化物夹杂等微小缺陷，在反复载荷作用下，可成为裂纹萌生的缺口，随着运营里程增加，微小裂纹不断扩展，逐渐成为影响行车安全的严重隐患。

（二）小型核伤的特点与识别难点

与钢轨表面伤损不同，小型核伤埋藏于钢轨内部，呈现隐蔽性，微小裂纹往往与钢轨表面夹角很小，裂纹面与钢轨轨头表面近似平行，常规目视难以察觉，裂纹扩展初期，裂纹尺寸极小，长度一般在3-5 mm以内，深度小于1 mm，对钢轨整体完整性影响不大，轨头表面也不会出现明显异常，但随着运营里程的增加，在动载荷作用下，裂纹迅速扩展，危害行车安全。小型核伤另一特点是危害性大，轨头下沿处承受的接触应力和弯曲应力都很大，小型裂纹极易扩展，深度仅0.5 mm的疲劳裂纹在运营线上很可能迅速发展到5 mm以上，而当核伤长度超过10 mm、深度超过5 mm时，极易引发钢轨断裂，小型核伤虽然尺寸微小，但处于裂纹扩展的萌生阶段，危害不容忽视。

小型核伤还具有识别难度大的特点，常规无损检测方法，如涡流、漏磁等，仅能检测钢轨表面和近表面缺陷，对于钢轨内部缺陷，尤其是近轨头下沿的微小裂纹，检出能力非常有限，超声检测对内部缺陷敏感。但受限于超声波在钢轨内部传播距离较短，对微小缺陷反射信号弱的影响，信噪比不高，微小缺陷容易被噪声淹没，如何从复杂的检测信号中提取微弱的缺陷信息，是钢轨探伤车检测小型核伤面临的主要技术挑战。

（三）小型核伤对行车安全的危害

尽管小型核伤在钢轨断面上尺寸很小，但对钢轨承载能力的影响不容忽视，当裂纹深度占轨头高度的1/6时，钢轨抗弯强度将降低10%以上，更为严重的是，轨头下沿区裂纹极不稳定，在列车动载荷反复作用下，裂纹尖端应力强度因子急剧增大，裂纹扩展加速，钢轨断裂风险大增。钢轨断裂不仅直接影响行车安全，还会引发二次损伤，一方面断轨撞击作用下，扣件、轨枕等易遭破坏，造成线路设备损失；另一方面断裂钢轨翘曲变形，车轮冲击挤压，引起车辆跳车或侧翻等严重后果，因此钢轨小型核伤危害极大，若处置不及时，极易酿成恶性事故，应引起高度重视。

二、当前手推式探伤仪检测小型核伤面临的技术难点

（一）探头灵敏度不足

目前，钢轨手推式探伤仪多采用常规单晶探头，中心频率在2-5MHz。这类探头的声束能量相对集中，对近表面微小缺陷反射回波能量较弱，容易被噪声淹没。轨头下沿微小裂纹反射面与钢轨表面夹角很小，超声反射能量更弱。虽然一些手推式探伤仪采用了斜探头，但受限于钢轨踏面外形变化，耦合状态不稳定，入射角难以优化，对微小缺陷的分辨力有限。探头灵敏度不足成为制约小型核伤检出能力的瓶颈之一。

（二）信号处理能力不强

钢轨探伤信号易受噪声干扰，如钢轨表面不平顺引起的耦合不良、列车振动产生的机械噪声、电磁干扰等，都会引入大量噪声，淹没微弱的缺陷回波。常规手推式探伤仪采用的信号处理算法相对简单，缺乏自适应噪声抑制能力，微小缺陷回波提取难度大。此外，由于动态扫查时超声波入射钢轨时间短，接收到的缺陷信号更加微弱，对信号处理能力提出了更高要求。

（三）工况适应性不足

山区、高寒、货运密集等复杂线路是钢轨损伤多发区域，亟需开展精细化探伤。但这些区域轨面磨耗大，钢轨表面不平顺，给手推式探伤仪的耦合稳定性、探头磨损控制等带来困难。恶劣气候条件下，探头与钢轨表面水、冰、油污等附着物也影响超声耦合。当前手推式探伤仪对复杂工况的适应性还不够，亟需在探头设计、耦合技术等方面加强攻关，提高设备的环境适应能力。

三、提高钢轨小型核伤检出率的技术途径

(一)优化探头设计

探头作为超声波的发射和接收装置，其性能直接影响到微小缺陷的检出能力。针对钢轨小型核伤检测的特殊需求，优化探头设计至关重要。

建议采用聚焦型探头，通过优化探头阵元的排布方式，在近表面区域形成较强的声场，集中超声波能量，增强对微小缺陷的“照明度”，提高缺陷反射回波的幅度和信噪比，便于从复杂信号背景中识别微弱缺陷回波。相比常规探头的声束能量较为分散，聚焦探头可在特定区域实现声能量的高度聚集，更有利于小核伤的检出。

在探头楔块设计方面，要充分考虑复杂工况下的耦合稳定性和耐久性要求。楔块材料应选择声阻抗与钢轨基体匹配好、耐磨损性能优异的高分子材料，以提高超声波的透入效率，减小因耦合剂磨损导致的声能耗散。在楔块耦合面可设计吸声槽，利用槽内填充吸声材料，降低杂波噪声干扰，保障耦合区的声场“纯净度”。针对山区隧道、高寒地区等复杂环境，还应加强探头的防水、防尘、防冻设计，采用封闭式防护结构，表面涂覆疏水防污涂层，避免水渍、冰碴、油污等影响耦合状态，确保探头性能的稳定发挥。

综合利用多通道、多角度探头，可对不同区域实施“专、精、特”检测。在核伤多发的轨头圆弧面，可布设高频、小尺寸的探头阵列，实现“面阵式”精细化扫查;在核伤严重的轨腰部位，增加楔块倾角，形成“扇形”声束，对裂纹尖端实施定向聚焦检测;在易产生疲劳裂纹的焊缝区，采用低频、大尺寸探头，实现“深层次”的缺陷检出。多维度、立体化的“组合式”探头优化，能从“专业化、精细化、特色化”多个角度，提升小核伤的检出效果^[1]。

(二)改进信号处理算法

钢轨探伤信号往往含有大量噪声干扰，微小缺陷回波信号微弱，极易被噪声淹没。采用先进的信号处理算法，智能化提取微弱缺陷特征，是攻克这一难题的关键所在。

在时频域分析方面，建议引入小波变换技术。小波变换通过对信号进行多尺度、多分辨率分解，能有效消除高频噪声的干扰，凸显出低幅值、窄脉宽的缺陷回波特征。与传统傅里叶变换相比，小波变换在时域和频域均具有良好的局部化特性，更适合分析钢轨探伤这类瞬态、非平稳信号。在小波降噪过程中，应用小波熵准则自适应选择最佳小波基和分解层数，可使降噪处理自动适应钢轨信号的复杂背景,在抑制噪声的同时，最大程度保留裂纹尖端、夹杂物边缘等微弱缺陷的脉冲特征，为后续缺陷识别提供高质量的信号基础^[2]。

针对提取出的疑似缺陷回波，还要进一步运用频谱分析技术，判别其是否为真实缺陷信号。通过对大量缺陷信号和噪声信号的频谱结构进行对比分析，可发现二者在频谱分布上存在明显差异：真实缺陷回波的频谱成分相对集中，能量主要分布在较高频段；而噪声频谱则较为分散，能量大都集中在中低频段。基于这一规律，可构建自适应频带滤波器，根据探伤信号频谱分布的动态特性，实时调整滤波器的截止频率和衰减系数，抑制中低频噪声分量，凸显高频缺陷回波，进一步提升信号的信噪比，为缺陷定量分析创造有利条件。

在缺陷识别与定量分析阶段，建议采用模式识别方法，充分利用人工智能、机器学习等先进算法，提高缺陷判别的准确性和自动化水平。首先，要采集大量典型钢轨缺陷信号，构建缺陷回波样本库，并对回波信号进行时域、频域、相位等多个维度的特征提取，形成完备的特征向量集。在此基础上，应用支持向量机、卷积神经网络等机器学习模型，对特征样本数据开展“深度学习”，通过样本的训练迭代，建立起缺陷信号的智能分类识别模型。这类模型能够从海量信号中自主学习、提炼缺陷的内在特征模式，形成从特征到缺陷类型判定的内在映射关系。一旦训练成熟，识别模型就能对采集到的疑似缺陷信号进行自适应的分类与定量分析，并随着在线检测数据的不断积累与学习强化，其分类识别能力将持续提升，使微小缺陷的检出更加智能化、高效化。

(三)加强复杂工况适应性

在山区、高寒、货运密集等复杂线路开展钢轨探伤，设备的工况适应性面临严峻考验。保障探头与钢轨表面的稳定耦合，是获取高质量检测信号的前提。然而，钢轨磨耗、表面不平顺、附着异物等因素，都会影响耦合状态，导致声能透入不稳定。这就需要从机械结构设计、耦合装置改进、探头磨损监控等方面，多管齐下，全面提升设备的复杂环境适应能力^[3]。

针对钢轨表面几何形貌的起伏变化，建议采用主动式自适应耦合装置。通过在探头支架上设置精密液压伺服系统，实时检测探头与钢轨表面的接触压力，并根据设定的压力阈值，快速调节探头高度，实现动态“触地跟踪”。当遇到钢轨表面的凹凸起伏时，液压伺服系统能灵敏感知压力变化，并控制探头支架伸缩，始终保持与钢轨表面的紧密贴合。这种柔性主动耦合方式，可大幅降低轨面变化引起的耦合波动，提高探伤盲区的影像质量。

钢轨表面的水渍、冰碴、油污等附着物也会阻碍超声波的有效透入。对此，可在探头前端设计耦合面清洁装置，利用高压水流、气流抛光等方式，瞬时冲刷耦合面，去除污染附着物。清洗过程由控制系统自动触发，可根据耦合剂黏附状态，调节清洗频次与压力。在探头两侧还可加装挡风板，以隔绝钢轨废屑、煤粉等杂质的侵入。通过耦合面的主动清洁，能有效克服探头声窗“盲区化”问题，保障耦合声路的稳定传输。

在探头磨损控制方面，可从材料改性、实时监测等角度强化。探头前端的耦合楔块直接与粗糙钢轨表面接触，长期工作将不可避免地产生磨损。应选用高硬度、高韧性的耐磨材料，或在聚合物基体中掺杂金属、陶瓷增强剂，提高材料的耐磨性与抗冲击性能。同时，在探头内部嵌入智能磨损传感器，实时监测耦合面的磨耗状态。传感器采集的探头磨耗数据，可上传至设备控制单元，结合探头磨损失效阈值模型，评估探头健康状态，及时预警探头更换时间，避免磨损过度导致的检测盲区扩大。

针对山区、高寒、潮湿等恶劣气候环境，还应加强手持式探伤设备的环境适应性设计。设备箱体材料选用轻质、高强的镁铝合金，表面经阳极氧化处理，大幅提高设备的防水、防尘、防腐蚀能力。在箱体内加装湿度控制模块和恒温控制模块，通过除湿装置吸附电路板周围的潮气，通过半导体制冷片抵御低温冲击，确保设备电子系统稳定工作。在连接器、按键等薄弱部位，还应采用橡胶密封圈等防护设计，进一步提高设备的三防性能。经过环境适应性的系统强化，手持式探伤设备可在高山峡谷、骄阳雪野等各种极端气候下稳定开展检测作业，为钢轨安全体检保驾护航。

结语

在高速、重载列车运营条件下，钢轨小型核心疲劳损伤日益凸显，成为影响行车安全的主要隐患之一，提高钢轨探伤车对小型核伤的检出能力，消除事故安全隐患，已成为铁路部门待攻克的重大课题。钢轨小型核伤具有隐蔽性强、裂纹不稳定扩展快、危害大等特点，采用常规检测手段难以有效识别，而当前探伤车受限于探头性能、检测环境、判读经验等因素制约，对小型核伤的检出率还不高，应从优化探头设计、改进信号处理、加强工况控制、规范判读标准等方面发力，全面提升钢轨探伤装备的缺陷检出能力。在探头设计方面，应采用相控阵探头，优化探头阵列，对探头不同区域实施“专、精、特”检测，改进探头楔块材料和外形设计，提高耦合效果，强化超声在钢轨中的聚焦性能。在信号处理方面，应采用小波分析、频谱分析等方法，自适应搜索最佳滤波参数，充分抑制噪声，凸显微小缺陷特征。

参考文献

[1]谢祺.关于提高钢轨探伤车小型核伤检出率的研究[J].青海交通科技,2018,30(06):59-63.

[2]谢祺.关于提高钢轨探伤车小型核伤检出率的研究[J].铁路工程技术与经济,2019,34(02):21-23+29.

[3]朱永辉,王琦,逯斌.提高钢轨探伤车核伤检出率的研究[J].华东科技（学术版）,2015,(01):436-436.

作者简介：王贇（1988.10-）男，山西忻州人，本科，助理工程师，研究方向：铁路钢轨探伤专业。