基于探头声场特性的钢轨超声检测研究

摘要：在分析钢轨主要缺陷分布规律的基础上,引入多元高斯声束模型,结合钢轨形状特征进行了圆形平面探头和矩形平面探头辐射入钢轨内声场的模拟。通过钢轨内部的声场分析模拟,确定各探头的有效检测区域,并对相应的钢轨超声检测工艺开展研究。针对钢轨内部不同位置缺陷进行了超声检测实验,实验结果的A波图显示：轨头内部、轨底及轨腰部的缺陷能够被有效检测,与超声探头声场模拟结果预期能够良好吻合。     

钢轨轨头内多元高斯声场模拟及其缺陷响应

钢轨不规则的几何外形造成超声检测时缺陷信号难以准确提取。根据多元高斯声束理论,结合轨头的几何参数及声学性能、探头及耦合剂的特性参数,建立了超声波在轨头内传播的多元高斯声束模型,以此研究不同探头频率、晶片直径下轨头区的声场分布规律,探求入射角、踏面曲率对声场的影响,并分析各情况下探头的有效检测区域;基于建立的轨头内多元高斯声束模型,结合基尔霍夫近似获得的散射模型,建立超声测量模型,实现轨头内缺陷响应的回波预测。通过对轨头内的横通孔进行模型预测与实验检测,两信号主体部位的峰值峰位均良好吻合,验证了该方法的有效性,研究成果对钢轨超声检测工艺有积极的理论指导意义。     

大准铁路快速相控阵钢轨探伤技术研究

随着大准铁路运量逐年增加,钢轨伤损数量增多,种类复杂化,危及铁路行车安全。目前大准铁路钢轨探伤主要采用手推式探伤仪,效率低,成本高。近年来国内各铁路企业逐渐引进国外大型钢轨探伤车,取得了一定的使用效果,但受对中不良等因素制约,核伤漏检率高,无法适应国内重载铁路钢轨探伤需求。本文基于国际先进的快速相控阵技术,提出一种相控阵超声波探头布局方式,在高速、高效检测前提下,可较好兼容不同轨型或不同打磨量钢轨,有效克服了对中不良等问题对检测的影响,提升了钢轨缺陷尤其是轨头核伤的检出率,节省了探伤成本。     

钢轨缺陷在线高速检测

由圣地牙哥加利福尼亚大学研发的钢轨缺陷检测样机在最近进行的现场试验中取得了令人鼓舞的结果。该研究项目是由美国联邦铁路局研究与开发办公室提供资助。在2008年3月进行的现场试验中,最高检测速度达到10mph。试验轨道包括三节轨头有不同程度内部缺陷的钢轨(占轨头面积的比例分别为3.5%、35%和12%)。其中,二节为表面横向轨头断裂(2%和5%),一节为表面斜向轨头断裂(3.5%)。试验结果表明,对所有缺陷的检测成功率非常高。在不同环境条件下进行的24次试验中,包括大风天气和雨天,成功率达到75～100%。此项研究的目的是开发一种新的钢轨缺陷检测系统,与目前使用的检测系统相比,效果更好、可靠性更高、速度更快。其主要目的是对轨头横向缺陷进行检测。系统采用超声导波,能在钢轨表面断裂处下传播,减少了因钢轨表面剥落引起的横向裂缝所带来的掩蔽作用。同时,由于超声导波在衰减之前可传播较长的距离,因此可大大提高检测的速度。该项研究目前从两方面进行。首先,采用半分析有限元素法(SAFE),预测钢轨中非强制导波及强制导波的传播;其次,在2008年3月安装了基于非接触式激励和超声导波检测的样机,并进行了现场试验。最新的样机利用了SA...     

钢轨轨头断面激光检测系统的研制

分析了目前钢轨轨头断面轮廓测量方式存在的问题，提出了基于激光位移传感器轨头断面检测系统的设计思路，介绍了该系统机械装置、单片机电路、单片机软件和PC机管理软件的设计方法以及系统样机现场检测试验情况。     

钢轨轨腰缺陷检测MsT有限元分析及优化

钢轨轨腰缺陷的存在严重影响了列车的运行安全,及时有效地对轨腰缺陷进行检测具有重要意义。基于铁磁性材料固有的磁致伸缩效应及其逆效应,分析了磁致伸缩换能器(MsT)激励过程的控制方程,采用有限元法建立了一个检测钢轨轨腰通孔缺陷、一发一收的单向聚焦斜入射SV波MsT二维多物理场耦合模型。该模型对钢轨轨腰处有缺陷时接收线圈的感应电压信号进行仿真分析,并结合正交试验法,分别研究了发射线圈和接收线圈的提离距离、导线结构参数对缺陷回波电压信号幅值的影响,得到了模型优化后的结构参数。该工作对MsT用于钢轨轨腰缺陷检测的接收电压信号分析以及导线设计具有指导意义。     

重载汽车荷载下平交道口的钢轨伤损分析

针对目前在厂矿铁路外围平交道口中走行轨轨腰处和轨头下颚的裂纹,建立平交道口中走行轨及其横向支撑的有限元模型,分析了不同横向支撑条件(无支撑、倒放钢轨连续支撑、倒放钢轨间断支撑、连续刚度支撑、间断点弹簧支撑)下荷载冲击处钢轨断面内从轨腰底部至轨头下颚处的应力和位移。研究结果表明:在重载汽车冲击作用下,若走行轨的横向支撑刚度不足或横向支撑未顶实,则导致走行轨的轨腰处垂向应力过大,出现裂纹,在荷载反复作用下裂纹沿走行轨线路纵向发展,且走行轨的轨头最大横向位移为2.4 mm,危及行车安全;在直线地段的平交道口,采用倒放钢轨连续支撑走行轨效果较好;在曲线地段的平交道口地段,建议采用刚度为50~100 k N/mm的连续横向支撑材料代替倒放钢轨。     

YOLOv5超声波图像识别技术在高原高寒钢轨探伤中的应用

高原高寒地区环境复杂、昼夜温差大，对铁路建设与运营产生不良影响，容易发生由于钢轨内部伤损引起的断裂事故。研究基于YOLOv5的超声波图像识别技术在青藏铁路钢轨探伤检测中的应用，特别是针对轨头核伤、轨面鱼鳞伤等常见伤损类型进行检测。通过智能钢轨探伤仪采集高寒地段钢轨数据，以YOLOv5方法对数据集进行整理、处理和模型训练，精准识别和定位轨头核伤、轨面鱼鳞伤等损伤。研究表明，基于YOLOv5的模型在识别和定位各类钢轨损伤方面具有很高的准确性和实时性，可以同时进行目标检测和类别分类，并能在保持较高准确度的同时实现快速检测。提供一种新的、更有效的钢轨探伤检测数据分析方法，有助于提高铁路安全和运营效率。     

道岔轨面涡流检测技术研究

由于轮轨滚动接触,钢轨轨头工作边容易形成鱼鳞纹,若不及时维修处理,将进一步发展形成重伤或剥离掉块,影响行车安全。根据钢轨及道岔的型面,设计一种轨面涡流检测系统,研究辅助机械扫查装置及适形阵列涡流探头等,并在实验室和现场进行了试验。由检测人员在钢轨上推行完成轨头踏面工作边处表面裂纹检测,获得轨头踏面有无缺陷及缺陷深度的定量评估数据。试验及现场应用研究表明,采用该系统检测钢轨试块,对0.5 mm,1 mm,2 mm,3 mm深的人工斜裂纹均能有效检出并显示深度;采用该系统检测在线钢轨鱼鳞纹,能够显示鱼鳞纹的深度评估数据,为钢轨打磨维修提供参考。     

曲线尖轨踏面伤损原因分析北大核心

为了研究伤损曲线尖轨轨头宽15 mm断面处踏面连续掉块的原因,对其进行断口宏观形貌观察、金相分析、非金属夹杂物检测、化学成分分析、淬火层形貌观察及硬度分布检测。结果表明:在距轨顶面约3.5~6.0 mm处存在较粗大夹杂物是引起尖轨内部起裂的主要原因;曲线尖轨使用过程中,在轮轨接触应力的作用下,在踏面次表层粗大夹杂物处萌生纵向疲劳裂纹,降低了尖轨的承载能力,最终导致尖轨连续掉块。为防止该类伤损发生,应提高钢轨钢的纯净度,加强钢轨钢冶金质量的控制和检验,减小钢中非金属夹杂物的数量和尺寸,尤其应控制道岔尖轨小尺寸断面的冶金质量。     

基于2D激光位移传感器的轨底坡动态检测系统研究

设置合理的轨底坡可使钢轨轨头与车轮踏面合理接触,减轻钢轨轨头的不均匀磨耗,延长钢轨使用寿命。为提高轨底坡静态检测精度,线路日常养护和维修效率,提出一种基于2D激光位移传感器(简称2D)的钢轨廓形检测原理和ARM嵌入式技术的轨底坡动态检测方法。结合传感器工作原理与特点,搭建一套可在线连续检测的轨底坡动态检测系统。考虑到2D空间姿态变化,建立适用于轨底坡动态检测的双2D空间姿态关系模型和标定解算模型。因为车体振动会产生对轨底坡计算结果的影响,利用Kalman滤波算法建立多传感器的状态空间模型,对轨底坡计算结果进行补偿。最后选用GJ-4型轨道检测车进行地铁正线试验,试验结果与人工复核结果的对比,符合工务段要求精度。试验结果验证了该轨底坡动态检测系统切实可行,Kalman滤波算法能够很好地对轨底坡的计算结果进行补偿修正。     

普通轨与槽型轨对现代有轨电车小半径曲线通过能力的影响

为研究不同类型钢轨上有轨电车的小半径曲线通过能力,基于多体动力学理论,建立了四模块低地板现代有轨电车仿真模型。在模型中考虑CHN60钢轨与60R2槽型轨的影响,并依据规范设置了3条小半径曲线线路,最后以车辆脱轨系数和轮重减载率为评价指标,对有轨电车小半径曲线通过能力进行评价分析。结果表明:两种钢轨上的有轨电车非线性临界速度均能满足车辆运行要求,且运行在CHN60轨上的车辆具有更好的非线性运动稳定性;在小半径曲线线路上运行时,60R2槽型轨上的车辆具有更好的稳定性,且槽型轨断面具有一定的护轨功能,因而在有轨电车钢轨选型上,建议使用槽型钢轨。     

钢轨超声相控阵检测中的信号去噪研究

针对钢轨缺陷超声相控阵法检测应用中所存在的信噪比不高的问题,选用db4小波和阈值法对噪声图像进行小波变换,得到小波系数矩阵,再通过阈值化对小波系数矩阵做逆变换,抑制噪声对检测效果的不利影响,并重构钢轨缺陷的全聚焦图像。选用含人工缺陷的60钢轨试块开展超声相控阵检测实验,对比去噪前后的PSNR和MSE验证本方法的去噪性能,为钢轨缺陷相控阵C扫描成像提供有效保障。     

钢轨焊缝的相控阵超声定点扫查工艺研究

利用相控阵超声扇形扫描对钢轨焊缝进行快速扫查,通过计算超声波在楔块-工件界面的透射率,确定扇形扫描角度范围,进而研究钢轨焊缝的定点扫查工艺,设计专用位置标示尺。使用钢轨标准试块进行试验验证发现,相控阵扫描角度设置在30°~70°之间,位置标示尺标定10个位置即可实现试块的全面检测。本方法可以有效提高钢轨焊缝的检测效率,降低检测缺陷识别难度,同时可以将检测图像进行对比分析,具有可追溯性。     

钢轨闪光焊接轨头焊缝缺陷分析

通过对钢轨闪光焊接头样品的超声波探伤检查和钢轨接头轨头受拉静弯试验,分析断口微观形貌和疲劳源区能谱、剖面显微组织和剖面形貌及能谱,提出钢轨接头焊缝未焊合缺陷构成疲劳裂纹源、疲劳裂纹扩展产生钢轨接头大面积核伤和钢轨闪光焊接头轨顶面下10～15mm附近容易出现焊缝未焊合缺陷等结论;提出铺设前对新焊接钢轨接头焊缝进行全断面超声波探伤检查、研究开发现场焊接接头热处理中频感应加热方式、优化焊接工艺参数和调整检验规则等建议。     

重载铁路钢轨磨耗演变过程的数值模拟

建立重载铁路钢轨磨耗演变的数值仿真模型。基于UM软件建立货车-轨道耦合动力模型,对减振楔块、心盘等细部构件精细建模,采用多点-面接触模型模拟部件间各种接触摩擦,并充分考虑部件间隙。基于Hertz理论及FASTSIM算法进行轮轨接触计算;基于Specht材料磨损模型进行钢轨磨耗计算,根据磨损程度采用不同磨耗系数。针对各种车型和通过速度,开展多工况计算并设置权重因子,模拟线路实际行车条件。为提高数值计算稳定性,基于累积磨耗深度更新钢轨型面;基于磨耗演变模型研究重载铁路不同地段钢轨磨耗的发展规律。结果表明:曲线地段钢轨磨耗比直线地段严重;曲线外轨侧磨明显,内轨磨耗相对较轻,主要分布在轨头中部,外轨磨耗大于内轨;圆曲线地段外轨磨耗强于缓和曲线地段,而内轨磨耗弱于缓和曲线地段;直线地段左右钢轨磨耗相差不大,均主要分布在轨头中部。     

基于几何特征的钢轨磨耗检测系统的研究

为解决高速动态条件下车体振动对钢轨磨耗检测带来的问题,在大量调研国内外利用激光技术进行钢轨磨耗检测的基础上,提出一种基于标准钢轨轨廓固有曲线曲率的钢轨磨耗检测方法,首先利用基于激光三角测距原理的传感器得到组成钢轨全断面轮廓一系列点的空间坐标;其次利用L-M优化算法进行数据处理,采用Hough变换方法检测钢轨轮廓固有几何特性;最后进行钢轨轮廓匹配后实现钢轨磨耗高精度检测。该方法已经运用在轨道检测小车上,试验数据表明:钢轨磨耗检测系统的重复性精度能到达0.005 mm,其高精度性和快速性能满足铁路部门对钢轨磨耗检测的要求。     

基于MATLAB的60kg/m钢轨预打磨模式设计研究

考虑到钢轨打磨列车磨石对60kg/m钢轨轨头不同区域打磨能力的差异,建立轨头不同弧段打磨量与打磨功率的线性关系,采用三次样条曲线对钢轨轨头型面进行精确拟合;针对GMC-96打磨列车,考虑到轨头不同弧段对打磨精度的影响、轨头各个区域打磨面积不同,采用MATLAB编程优化得到预打磨磨石的最终排布角度;基于打磨深度一致性提出磨石打磨功率的制定方法,设计较优的钢轨预打磨模式;根据磨石角度及打磨面积确定轨头上每个磨石的具体位置,获得钢轨打磨后型面。基于打磨前后钢轨型面的对比分析,提出评价钢轨打磨质量的方法;磨石打磨功率能否自由设定对钢轨打磨深度一致性有重要影响。     

基于同步提取变换的钢轨踏面裂纹电磁超声表面SH波B扫成像检测研究

钢轨踏面在车轮的重复载荷作用下,极易产生滚动接触疲劳裂纹,并从轨头向下扩展,甚至导致断轨等重大安全事故,因此开展钢轨踏面裂纹高效准确的无损检测方法研究具有重要意义。对于钢轨轨头有限截面非规则几何体,无法采用解析法求解其频散曲线,采用Floquet-Bloch边界的有限元特征频率法,求解钢轨轨头类水平剪切导波频散曲线,在频散曲线的基础上,分析并确定电磁超声表面水平剪切波换能器的最佳检测频率。建立表面水平剪切波在含踏面裂纹钢轨轨头的传播有限元模型,研究表面水平剪切波在不同角度、深度的踏面裂纹上的反射及透射规律。为实现快速的钢轨踏面裂纹B扫成像检测且得到高信噪比的检测结果,实验对比同步提取变换和同步压缩变换对钢轨踏面检测回波的噪声滤除能力。结果表明：对单次检测回波应用同步提取变换消噪处理后,信噪比提高13.73 dB,比单次采集信号经同步压缩变换处理后的信噪比高4 dB。将同步提取变换用于钢轨踏面导波B扫成像检测,可以减小同步平均次数以满足快速检测的要求。     

钢轨固定式闪光焊接头力学性能分析

钢轨固定式闪光焊接头是我国无缝线路接头的主要形式。本文通过系统的取样试验,分析了U71Mn和U75V热轧和热处理钢轨焊接接头不同部位和全断面不同位置的冲击、拉伸和硬度性能。试验结果表明:钢轨固定式闪光焊接头的冲击功平均值是离散分布的,轨头冲击功明显大于轨底,轨腰最小;相同牌号和交货状态的钢轨,接头全断面不同位置的抗拉强度相差不大;同牌号钢轨,热处理接头轨腰部位伸长率明显小于热轧钢轨;热轧钢轨焊接接头硬度一般大于钢轨母材硬度,热处理钢轨则相反。