川观新闻记者 兰珍
人的身体内部出现问题，可前往医院拍CT，找出病灶并对症下药。那么高铁的轮子、车轴，乃至铁轨等金属部件内部产生裂纹，该如何诊断呢？发现一丝裂纹或一个小缺口时，是直接“动手术”更换整个部件，还是贴块“膏药”临时修补？亦或是认为这点小问题无关紧要，选择放任不管？高铁机械维修员究竟该如何判断？
日前，在素有“发明界奥斯卡”之称的巴黎国际发明展览会上，西南交通大学吴圣川、康国政，四川大学王清远以及上海光源肖体乔等人带来的“基于高分辨X射线成像的材料全场损伤原位疲劳试验装置”荣获金奖。这台原位测量装置，堪称是为高铁关键金属材料构件“把脉问诊” 的超级“CT”。
给高铁部件做“CT”的装置
为啥要给动车构件做“CT”？
中国拥有全球规模最大的高速铁路网，运营里程超5万公里。支撑这一庞大网络的，是无数条钢轨、动车组及其零部件。动车组的车轮、车轴、构架等关键金属部件，日复一日承受着数十亿次循环的复杂载荷，金属内部的微小缺陷会逐渐发展成疲劳裂纹，致使装备过早报废。
近年来，此类由内部损伤引发的故障同比增长9.25%，轮轨滚动接触疲劳更是全球高铁重大伤亡事故的重要诱因之一。
传统疲劳测试只能在部件断裂后对断口进行分析，无法实时观察内部损伤的萌生与扩展，这成为装备服役寿命和安全评价面临的一大难题。自2014年起，吴圣川便决心攻克这一痛点。
开展研究的第一步，是学习与借鉴。团队将目光投向国外。国外虽有检测手段，但各有弊端：磁粉检测仅能查看表面，激光扫描精度欠佳，超声检测速度缓慢，涡流检测对复杂形状部件适用性差……综合来看，传统技术既难以阐明裂纹的萌生机制，也无法精准预测其何时会引发问题，不仅成本高昂，周期也长。
“国内技术空白，国外技术存在明显短板，这不正是我们的机遇吗？”吴圣川等人看到了机会。
科研工作需要真实的“病人”和“病理样本”。中车青岛四方机车车辆股份有限公司占据全国动车组市场的半壁江山，其仓库中堆满了各种磨损、受损甚至报废的动车构件。双方一拍即合，在真实场景下携手攻关。
大量样本产生了海量实验数据，前后容量达上千TB。比产生数据更具难度的，是分析数据。“我们需要长年累月地处理这些信息。”吴圣川说。所幸，随着人工智能技术的发展，团队找到了突破口。
历经十年磨砺，他们创新性地提出“材料自由端超声加载”设计和“海量测量数据智能分拣”方法，成功研制出可进行低周、高周乃至超高周疲劳测试的原位试验装备，加载频率范围从0.1赫兹到20千赫兹，覆盖面极为广泛。
吴圣川（左一）带着学生做测试
这套金属“CT”有哪些亮点？
传统疲劳检测“只知结果，不知过程”，而吴圣川团队的发明为疲劳测试装上了“透视眼”。
这套原位试验装置与高分辨三维X射线成像技术相结合，能够在金属承受循环载荷时，实时拍摄内部损伤演化的全过程。这就好比给正在跑步的人做动态CT，而非等其跑完后再躺下扫描。如此一来，避免了传统方法中卸载后再观察对损伤状态造成的干扰，确保每个细节真实可靠。
其“视力”更是惊人。借助同步辐射X射线或高能微焦点X射线源，该装置可实现亚微米至微米级的空间分辨率，0.03毫米的细微裂纹也难以遁形，而一根头发丝的直径约为0.07毫米。
检测速度同样出众。以往，采用传统方法完成疲劳损伤检测通常需要3天时间。如今，同样的工作仅需一天。检测时间缩短近70%，效率至少提高了3倍。而且整个过程对样品无任何损伤，属于真正的无损检测，还能精确进行原位分析。
吴圣川打了个比方：“如果说传统检测是‘只拍一张 X 光片’，我们的技术就是‘全程录像’。你能够看到裂纹从何处冒出、如何生长、朝哪个方向扩展，甚至能够预测它何时会出现问题。”
该技术源于工程一线，也应用于实践。目前，团队已与企业开展产业化合作，装置在上海光源、北京光源、东莞中子源等国家重大科技基础设施上得到广泛应用。未来，它有望为发动机叶片、火箭贮箱接缝等“国之重器”进行体检。涡轮叶片在高温高压高转速下产生的裂纹、火箭贮箱焊缝的可靠性，都将在这台动态“CT”下清晰呈现。
受访者供图
【未经授权，严禁转载！联系电话028-86968276】
