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。     

关于钢轨探伤70°探头超声场的探讨

通过对７０°探头的测量分析，利用“假想声源”原理建立声场模型，计算出钢轨７０°探头几何超声场分布情况，并对相关的钢轨超声检测问题进行探讨。     

钢轨探伤中70°探头超声场的研究

文章阐述了研究７０°探头在钢轨中的超声场的必要性及方法，形象直观地描述出７０°探头在钢轨中超声场的形貌并围绕超声场讨论了有关轨头超声波探伤的有关问题。     

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。     

双轨式钢轨超声波探伤仪一次波和二次波70°超声波换能器检测效果对比分析

为深入了解采用双轨式钢轨超声波探伤仪检测钢轨伤损的效果,对比分析一次波和二次波轮式探头中70°超声波换能器布置,模拟计算的声场覆盖范围,以及钢轨伤损检测效果。结果表明,采用一次波和二次波轮式探头,均能检测钢轨伤损;采用一次波轮式探头检测时,检测范围在钢轨轨头两侧存在盲区,而采用二次波轮式探头检测时,检测范围能够覆盖整个钢轨轨头,还能检测出钢轨鱼鳞伤下的小核伤。     

钢轨超声检测中的变型波分析

对钢轨超声检测中发现的裂纹采用通用数字式超声波探伤仪进行手工复核时,发现轨腰裂纹反射回波后方存在1处未知异常反射,与钢轨探伤仪B显图不同。通过验证排除钢轨存在第2处伤损,证明异常反射是由裂纹改变声束走向产生的固定反射回波。这主要因为超声波探伤仪是按照理想条件下的横波检测状态进行参数设置,当波型转换发生以后,声波的传播速度及角度均与原定参数发生很大改变,导致接收到伪缺陷信号,而设备仍按照设定参数显示相关信息,从而误导探伤人员对反射信号的分析判别。指出钢轨螺栓孔及导电孔超声检测中也会出现波型转换现象,并给出其变型纵波及传播路径。     

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。     

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...     

基于钢轨轮廓特征的钢轨探伤车轮探头对中方法与应用研究

大型钢轨探伤车为保障铁路安全起到重要作用,在检测作业时轮探头应始终与钢轨中心线对齐。分析机械涨轮式、电磁感应式、对中轮探头式、一维激光测距式、激光摄像式5种对中方式的特点。利用二维激光传感器采集钢轨内侧轮廓数据,选用轨顶点、轨头点簇、轨腰点簇作为钢轨轮廓特征。设计4个判据用于钢轨轮廓的可用性判别,根据不同线路条件设计了4种工况的判据组合与计算钢轨距离基准。对中系统参数标定时将钢轨探伤车停在平直的轨道上,调节激光器相对于大地坐标系旋转角度α,使轨腰点簇的斜率近似为0。在人工伤损线和既有线路进行检测试验,传感器的数据可靠、维护方式简单,可满足轮探头对中系统的要求。     

钢轨轮廓全断面检测中轨廓动态匹配方法研究

钢轨轮廓匹配是钢轨廓形检测的关键步骤,决定轨道几何参数检测精度。在高速动态条件下实现检测钢轨轮廓与标准钢轨轮廓高精度自动匹配,是轨道几何参数高精度动态测量面临的重要问题。本文对钢轨轮廓高精度自动匹配方法进行了研究。首先,根据标准钢轨轮廓曲线曲率固有特征信息,对检测获取的轨腰和轨底廓形中不同圆弧、线段之间切点进行自动识别,实现不同圆弧、线段自动分割;然后,对获取的不同圆弧添加半径约束进行非线性拟合,准确提取各圆弧圆心坐标;最后,针对道岔处钢轨廓形复杂特点,提出采用Kalman滤波器对检测获取的标准轨腰和轨底特征点进行连续在线跟踪和预测,并根据结果构建道岔钢轨虚拟标准轨腰和轨底,以解决道岔处钢轨轮廓匹配问题。将该方法已在轨道检测车中进行实际应用,证明其是切实可行的。     

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。     

轨下支承参数对钢轨声振特性影响研究

钢轨辐射噪声是轮轨噪声的主要组成部分,轨下支承参数对钢轨的振动与声辐射有着较大的影响。为研究轨下支承参数对钢轨声振频域特性的影响,基于FEM/BEM方法,建立钢轨振动力学模型和声学边界元模型,分析轨下扣件支承间距、支承刚度和支承阻尼对钢轨声振特性的影响规律。结果表明:扣件支承间距对钢轨的声振特性影响不明显;在20~200 Hz之间,合理大小的扣件支承刚度可以有效地减少钢轨振动与声辐射;合理大小的扣件支承阻尼可以有效地减少钢轨振动的频率范围为20~2 000 Hz,合理大小的扣件支承阻尼可以有效地减少钢轨声辐射的频率范围为100~1 000 Hz;扣件支承阻尼对钢轨声振特性影响的频域明显要宽于扣件支承刚度。     

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。     

无缝线路钢轨实际锁定轨温超声法测量研究

锁定轨温是无缝线路养护、管理和维修的重要参数,如何实现无缝线路实际锁定轨温的准确快速测量,是铁路工务部门迫切需要解决的问题。基于声弹性理论分析了钢轨纵向温度应力超声临界折射纵波检测方法,搭建多通道超声应力检测试验平台,对钢轨进行不同超声频率与测点位置的压载试验,开展超声与应变片测试温度应力的对比研究,利用温度应力、实时轨温和设计锁定轨温的关系计算实际锁定轨温。通过对新建线路的现场测试,验证超声法实际锁定轨温测量满足工程需要。     

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。     

高速铁路三维轮轨瞬态滚动接触-冲击模型参数研究

为进一步研究车辆轨道接触特性和钢轨损伤,采用显式有限元法建立适用于三维轮轨瞬态滚动接触分析的有限元模型,将轮轨间黏着系数、牵引系数、列车速度等考虑在内,研究不同模型参数对轮轨瞬态滚动接触计算的影响.通过详细对比分析扣件系统、钢轨长度、轨道板及参数对轮轨瞬态接触解的影响,并结合车轮模态分析结果,引入不同波长的轨面几何不平...     

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。     

朔黄铁路线路设备状态检测模式分析

通过现场调研、数据整理和统计分析,研究朔黄铁路的线路设备病害及线路设备状态检测模式。朔黄铁路线路设备病害主要是线路钢轨伤损和线路几何状态不平顺。朔黄铁路钢轨伤损主要集中在上行线,钢轨伤损的主要类型为轨头核伤,现有探伤周期基本可以及时发现大部分轨头核伤。朔黄铁路上行线测量区段内轨道几何状态不平顺(轨距、水平、三角坑)动、静态波形趋势重合较好,但是幅值有一定差异,动静态幅值最大差异在3.0 mm以内,静态值与动态平均值具有较强的相关性,可适当采用动态检测替代静态检测。     

基于双谱的重载铁路道岔钢轨折断及伤损监测系统

针对重载铁路道岔钢轨折断及伤损监测系统采集的声发射信号有较强背景噪声的现状,给出了一种基于双谱的声发射信号表征及特征提取方法,利用双谱能有效抑制高斯噪声的特性成功实现背景噪声抑制。试验数据、现场数据都验证了双谱能实现道岔区背景噪声的抑制。重载铁路道岔钢轨折断及伤损监测系统在大秦重载铁路迁安北站18~#道岔试用期间成功捕捉到轨顶掉块伴生的声发射信号。