钢轨表面裂纹涡流检测定量评估方法

采用ANSYS软件,针对1块表面有长9.0 mm、宽0.2 mm、深度分别为0.1,0.2,0.5,1.0,1.5,2.0和5.0mm裂纹的钢板建立涡流检测模型,仿真计算表面裂纹深度与磁感应强度的关系,得到近似服从指数关系的拟合曲线。在实验室制作钢轨表面裂纹试块,钢轨表面垂直裂纹试块的裂纹深度分别为0.5,1.0,2.0和5.0mm,钢轨表面斜裂纹试块的等效垂直深度分别为1.0和2.0mm且倾角分别为15°,30°,45°和60°;按照指数关系对试块表面裂纹深度与涡流检测信号电压幅值的关系进行拟合,得到可靠度高的指数函数式。截取1段表面带有自然裂纹的钢轨进行涡流检测试验,再利用拟合得到的指数函数式计算钢轨表面裂纹的深度,并与实际测量结果进行对比。结果表明:利用拟合的指数函数式评估深度约为2mm以内的钢轨表面裂纹时,表面裂纹深度的计算误差不超过10%,但是随后误差越来越大,因此采用涡流检测方法能够对2mm以内深度的钢轨表面裂纹进行有效检测及定量评估。     

朔黄铁路曲线下股热处理钢轨剥离伤损成因分析

对朔黄铁路的5段75 kg·m^-1的U75V钢轨性能进行检验,分析伤损钢轨裂纹附近的性能。分析表明：U75V热轧钢轨母材的组织和硬度均合格,但U75V热处理钢轨的淬火层深度及横断面硬度均未满足TB/T 2635—2004的要求;显微硬度数据显示,在钢轨横断面存在较薄的硬化层;曲线下股钢轨踏面中心裂纹的深度在1.3 mm左右,并呈现不同程度的剥离掉块,与钢轨硬度分布特征有关;裂纹萌生于钢轨轨头表面塑性流变层内,裂纹起始的发展与列车运行方向成一定的锐角,出流变层后基本以垂直方向朝轨头内部扩展,到一定程度后,裂纹呈鱼钩状,以大致与列车运行的相反方向朝轨顶面扩展,最终导致剥离掉块。建议使用符合标准的热处理钢轨;对曲线钢轨及时进行大机打磨;采取措施,降低纵横向蠕滑力。     

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。     

某普速铁路曲线钢轨纵向剥离掉块成因分析

针对某条普速铁路下行曲线上股钢轨服役初期出现纵向剥离掉块问题,现场观测3个半径为400 m的曲线钢轨,测量钢轨表面状态及磨耗情况,分析曲线上股钢轨的接触状态及受力,讨论伤损原因。结果表明,形成曲线上股钢轨纵向剥离掉块伤损的原因是轨距角鱼鳞纹和轨面纵向裂纹边界区域接触应力较大且分布集中。该线路下行曲线上股钢轨出现的早期接触疲劳伤损,和钢轨磨耗速率、润滑时机、曲线超高、列车通过速度等因素相关。     

全长淬火钢轨踏面伤损及横向疲劳断裂分析

对实际伤损钢轨的宏微观形貌、金相、硬度以及探伤等检验分析,确定轨头踏面下4mm～6mm区域存在纵向水平疲劳裂纹是产生全长淬火钢轨伤损的原因。检验分析表明,在轮轨接触剪应力作用下,由于淬硬层区域存在金相组织、硬度过渡不均匀等淬火缺陷,导致轨头内部纵向水平疲劳裂纹萌生和扩展,引起钢轨伤损;在分析基础上,提出预防和改进措施。     

钢轨探伤车特殊核伤B型图分析

钢轨轨头横向疲劳裂纹俗称核伤,严重影响行车安全。钢轨核伤多出现在距钢轨踏面8～12mm和距内侧5～10mm处,方向与钢轨纵剖面接近垂直,与踏面有10°～25°倾角(单行线上)或接近垂直(复行线上)。核伤可导致钢轨横向断裂,危害性极大,是最危险的钢轨疲劳缺陷之一。因此,对钢轨核伤检测尤为重要,根据B型图正确判断核伤关系到大型钢轨探伤车能否承担保障线路安全责任问题。1核伤产生原因     

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。     

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。     

U71Mn钢轨踏面剥离掉块缺陷分析

U71Mn钢轨在铁路曲线线路外轨使用一段时间后,在钢轨踏面上出现不同程度的剥离掉块缺陷。对产生缺陷的钢轨进行性能检验的结果表明:钢轨的化学成分和氢氧含量、拉伸性能、脱碳层、金相组织、非金属夹杂物和踏面硬度等均满足TB/T 2344-2012标准的要求,因此剥离掉块缺陷的产生与钢轨自身质量没有直接关系。对缺陷特征进行分析的结果表明:出现在曲线线路外轨踏面工作边轨距角圆弧区域的剥离掉块是一种典型的滚动接触疲劳伤损,这主要是由于轮轨长期在此区域接触导致该区域接触应力过大所致。通过改善轮轨匹配关系使轮轨形成共形接触,合理进行预防性和校正性打磨,并严格执行钢轨分级使用规定,可以有效预防和减轻钢轨剥离掉块缺陷的产生。     

贝氏体钢轨母材轨头核伤原因分析

通过断口宏观与微观形貌观察、扫描电镜及能谱分析、金相显微组织分析等方式对3根贝氏体钢轨母材轨头核伤的原因予以分析,发现伤损均为氢致裂纹引起的轨头内部横裂型核伤。断口中心区域存在粗大的非金属夹杂物是导致钢轨中的氢在此处富集并形成裂纹的主要原因。贝氏体钢轨氢致裂纹型核伤的主要特征有:伤损位于轨头内部踏面下方4~10 mm处,断口中部存在粗大夹杂物;断口附近的低倍样中观察不到微细裂纹。通过采取改进生产工艺、降低钢中的氢含量(将钢水氢含量控制在1.7×10^-6以下)、减少钢中的粗大夹杂物等措施,再上线的贝氏体钢轨未出现该类伤损。     

钢轨踏面斜裂纹与轨头核伤的B型图对比分析

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8～12mm、距内侧5～10mm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     

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...     

钢轨轨头内缺陷的超声相控阵DAC定量方法

为改善钢轨现行超声检测方法效率低和定量评价难度大的不足,将传统单探头DAC曲线定量方法引入超声相控阵检测领域,研究一种基于超声相控阵全矩阵数据的轨头内部缺陷定量评价方法。对轨头检测断面进行网格划分,模拟各网格节点处缺陷尺寸。利用超声相控阵测量模型,求得各网格节点处的DAC曲线。基于Kriging插值方法,构建轨头缺陷DAC定量评价模型,实现对检测断面内任意位置缺陷的定量评价。通过搭建钢轨超声相控阵检测试验系统,对钢轨人工缺陷试块进行检测试验。研究结果表明:相比工业中常用的-6 d B缺陷定量方法,本文方法在轨头内部缺陷检测精度和效率上均有明显优势。     

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。     

重载铁路U78CrVH钢轨闪光焊接头轨头核伤缺陷分析北大核心

针对一重载铁路出现多个闪光焊接头因轨头探伤反射回波超标下道的问题,对其中一个接头采用落锤试验、宏观观察、金相显微观察、扫描电镜观察、能谱成分测试等方法进行了研究。结果表明:经过轨头受拉落锤试验折断的接头断口上存在核伤疲劳裂纹(白核),裂纹源位于踏面下13 mm处且存在横向扩展裂纹;裂纹源完全处于闪光焊接头的焊缝中心,并存在硅、锰、氧等灰斑夹杂元素。焊缝中的灰斑夹杂物破坏了焊缝组织的连续性,降低了接头的综合力学性能,当接头在服役过程中受车轮循环载荷作用时,灰斑夹杂物首先萌生出裂纹并横向扩展,最终形成轨头核伤。核伤附近的钢轨母材中A类夹杂物较多,应引起注意。建议改进焊接工艺参数,避免焊接过程中氧气进入;提高探伤检测技术,加强重载铁路钢轨焊接接头轨头部位的探伤检查。     

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。     

基于损伤累积和权重参数的重载铁路曲线内轨裂纹萌生特征及剥离掉块分析

基于单轮对荷载作用下钢轨滚动接触疲劳裂纹萌生寿命的预测方法,结合疲劳损伤累积理论,提出基于疲劳损伤累积的钢轨裂纹萌生寿命预测方法,确定转向架前、后轮对累积荷载作用下重载铁路曲线内轨裂纹的萌生寿命及其特征;构造权重参数,用以表征前、后轮对在内轨裂纹萌生过程中各自的作用权重。采用SIMPACK仿真软件建立C70型货车、LM型车轮踏面、U75V钢轨构成的车辆—轨道模型,预测不同曲线半径、超高、轨底坡和摩擦系数工况下内轨裂纹的萌生寿命、萌生位置和开裂方向、权重参数,并与现场试验进行对比。结果表明:内轨裂纹的萌生要早于外轨,并发生在距离轨顶约2~3mm的轨头次表面,车轮对内轨的磨耗作用不大;在内轨裂纹的萌生过程中,随着轨道条件的变化,轮对的权重取值范围可以划分为3个区域,分别对应前轮对作用权重绝对大和相对大以及后轮对作用权重相对大3类情况;大多数内轨裂纹的开裂方向分布在一定的范围之内,但有少部分裂纹的开裂方向异常且在扩展过程中容易产生剥离掉块。     

我国铁路钢轨型面优化研究

针对我国铁路轮轨匹配存在的问题,研发了钢轨打磨设计廓形60D和新轨头廓形钢轨60N。优化后的轨头廓形与LM、S1002CN和LMA型面车轮接触时的光带基本居中,轮轨接触应力显著降低,可有效抑制车轮踏面凹磨后等效锥度的增大,提高车辆运行稳定性。高速铁路按廓形60D打磨到位,钢轨打磨周期可延长至4~5年,且不易出现动车组构架报警和车体晃车。60N钢轨在普速铁路上的铺设使用结果表明,在直线上运行轮轨接触光带居中,在曲线上运行可有效避免或抑制钢轨使用初期轨距角剥离掉块及疲劳核伤;在高速铁路试验段的铺设使用结果表明,采用1遍预打磨后钢轨服役近5年,光带保持在30mm左右,从未出现动车组构架报警和车体晃车,可有效改善轮轨匹配关系,大幅降低轮轨维修养护成本。建议加快新轨头廓形钢轨系列化,以尽快在我国铁路形成统一的钢轨轨头廓形。     

钢轨闪光焊焊接接头轨面横向裂纹成因分析

针对秦沈线17处钢轨闪光焊焊接接头轨面产生的横向裂纹,通过在伤损部位取样,分别进行洛氏硬度、金相组织和显微硬度等试验,结合焊轨生产的实际,分析裂纹形成原因。认为所检闪光焊焊接接头的裂纹起源于钢轨表面的白亮层马氏体组织,并在外力作用下扩展进入正常的珠光体组织区域,裂纹深度达到5mm。研究钢轨精磨方式与焊缝凸起之间的关系,得出:对矫直后具有明显焊缝凸起的焊接接头进行精磨时有可能因打磨中进刀量过大,引起钢轨局部机械热损伤,造成局部金属的急速高温和急速冷却,形成高硬度的脆性白亮层马氏体组织,是导致焊接接头轨面产生裂纹的根本原因。建议进一步研究钢轨焊接生产打磨工艺规范以及客运专线铁路钢轨的预打磨规范,避免钢轨及焊接接头出现马氏体组织。     

基于载荷因子和牵引系数的钢轨踏面隐伤形成机理及预测研究

基于安定曲线,确定载荷因子和牵引系数是钢轨踏面隐伤形成的重要影响因素.采用有限元分析软件ABAQUS建立钢轨的有限元模型,并以广深线车辆—轨道耦合动力学计算得到的轮轨接触力及接触斑为该模型的输入,对钢轨踏面特别是轮轨接触部位及其附近区域的应力场进行仿真.结果表明:V型裂纹在轨头内部的扩展使得裂纹所在区域在轮轨力的作用下产生凹陷,形成钢轨踏面隐伤;载荷因子为2～3、牵引系数≥0.36是钢轨踏面形成隐伤的线路工况条件.应用该条件对我国典型线路是否可能产生钢轨踏面隐伤进行预测,广深线、浙赣线满足钢轨踏面萌生隐伤的条件,而大秦线则不可能产生隐伤,这与实测结果一致,表明基于载荷因子和牵引系数的钢轨踏面隐伤预测方法是可行的.