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1Omph。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35％、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％。     

基于半解析有限元法的钢轨导波适用模态研究

研究目的:为选择出适用于钢轨导波无损检测的优势模态,采用半解析有限元法并基于哈密顿原理建立钢轨导波传播的控制方程,求解0~100 k Hz频率范围内的钢轨导波频散特性曲线。通过建立有限元模型对钢轨低频范围内的振动模态进行分析,验证半解析有限元法的准确性。在此基础上,提出将有限元法与半解析有限元法相结合的方法,用以分类并追踪钢轨理想导波模态,并根据相应的振型对理想模态导波进行激励和验证。研究结论:(1)随着频率的增大,钢轨导波振动模态数目迅速增加,但频散效应呈减小趋势;(2)对于钢轨基本振动模态,其横截面变形由整体变形逐渐演化为局部变形,其中扭转振动模态适用于轨腰检测,横向弯曲振动模态及竖向弯曲振动模态适用于轨底缺陷的检测;(3)在理想导波模态最大变形位置处施加激励荷载可以成功地激励出理想的导波;(4)本研究结果可为导波传感器设计与优化以及检测试验提供理论参考。     

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。     

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。     

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。     

75kg·m-1钢轨用轨撑设计与铺装试验

针对重载铁路小半径曲线和长大坡道线路的轨距、线型难于保持,外轨侧磨严重,养护维修工程量大的情况,研制了普通型和减振型2种形式的75 kg·m-1钢轨用轨撑.在大秦线的轨道动力特性试验和现场试铺表明:与既有Ⅱ型弹条扣件相比,安装2种轨撑后测试断面的轨头横向静刚均有大幅增大,其中,外轨轨头的横向静刚度增大40%～54%,内轨轨头的横向静刚度增大9%～113%;轨撑提高了钢轨的横向抗力和抗倾覆的能力,提高了行车安全性;钢轨横移和钢轨侧磨明显减小,轨距和轨向保持良好,减小了日常养护维修工程量.减振型轨撑的减振效果更好.     

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。     

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。     

重载铁路钢轨铝热焊接头S形断裂失效原因分析

采用扫描电子显微镜、光学显微镜、直读光谱仪、布氏硬度计对重载铁路钢轨铝热焊接头S形断裂件的断口微观形貌、金相组织、化学成分、硬度进行了检验分析。结果表明:铝热焊接头伤损属于起源于轨腰焊筋表面缺陷处的纵向裂纹引起的钢轨S形断裂;轨腰焊筋尖端表面存在大尺寸疏松缺陷是轨腰纵向裂纹产生的主要原因;同时焊缝内部存在缩孔和大量疏松缺陷,降低了焊缝强度,促进了裂纹的快速扩展,最终导致脆性断裂。     

钢轨铝热焊接头横向断裂分析

通过宏、微观检查,分析了钢轨铝热焊接头断裂失效的原因。结果表明,钢轨铝热焊接头断裂的主要原因是由于铝热反应不充分,在轨腰焊筋表层和次表层产生粗大的含有氧化铝、珠光体和马氏体的夹渣类型焊接缺陷,导致铝热焊头使用初期在夹渣类型缺陷处形成裂纹源进而发生横向断裂。轨腰焊肉处存在的沿晶界分布的马氏体组织,加剧了钢轨的脆性断裂过程。     

钢轨核伤断裂原因检验分析

通过宏观、微观形貌观察,金相、化学成分及低倍检验,分析钢轨核伤的断裂性质及断裂原因。分析结果表明,钢轨核伤断裂为起源于轨头内部的横裂型核伤,轨头内部存在白点缺陷,是导致形成轨头内部横裂型核伤的主要原因。确定钢轨核伤断裂性质及断裂原因,可为预防此类伤损提供借鉴。     

基于Wav2vec2.0神经网络的轨道交通钢轨损伤压电阵列超声导波定位方法

鉴于普通超声波检测方法无法实现对轨道交通钢轨的长距离检测，基于超声导波的SHM (结构健康监测)技术难以从响应信号中提取损伤特征而影响损伤定位精度，提出了一种基于Wav2vec2.0神经网络的压电阵列超声导波定位方法对轨道交通钢轨损伤进行定位。基于压电阵列超声导波数据的特点，对该方法进行了简要介绍。搭建了钢轨损伤的超声导波检测系统，并利用该系统进行数据集的采集。采用ABAQUS有限元软件建立钢轨损伤超声导波检测三维有限元模型，并利用该模型进行数据集的采集。利用小波信号处理方法对超声导波试验信号进行重构，以达到信号去噪的目的；在仿真信号中加入随机噪声，将叠加随机噪声后的超声导波仿真信号作为补充数据集；通过计算模型中钢轨损伤定位的准确率和误差对模型的性能进行评估。结果表明，当迭代轮次达到第120次时，训练样本的准确率达到100%。利用基于Wav2vec 2.0神经网络的压电阵列超声导波定位方法可实现轨道交通钢轨损伤的准确定位。     

钢轨闪光焊焊缝断裂原因分析

某运营线路一钢轨闪光焊焊缝发生全断面断裂,通过宏观、微观形貌观察,微区成分分析,金相组织、化学成分及低倍检验,分析钢轨闪光焊焊缝的断裂性质及断裂原因。分析结果表明:钢轨焊缝断裂性质为折叠裂纹导致的横向脆性断裂,在钢轨焊缝区域轨腰和轨底之间过渡圆弧部位的焊接推凸飞边根部形成的类似折叠裂纹缺陷导致疲劳裂纹的萌生,进而发展为横向脆性断裂。建议钢轨闪光焊焊接时尽量减小焊接推凸区厚度并避免在焊接推凸飞边根部形成类似折叠裂纹缺陷,防止焊缝发生横向脆性断裂。     

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     

基于非线性超声的无缝钢轨锁定轨温检测

针对基于非线性超声的无缝钢轨锁定轨温检测问题,理论分析了材料非线性系数在温度、应力变化过程中的变化情况,试验研究了温度与应力对自由状态及锁定状态下钢轨超声非线性系数的影响,得到了温度与应力共同作用下的非线性超声响应规律。研究结果表明:自由状态下钢轨中传播的超声非线性受温度影响明显,非线性系数随温度升高而增大,随温度降低而减小;锁定状态下钢轨中传播的超声非线性受温度与应力耦合作用,非线性系数在钢轨温度高于锁定轨温时随温度升高而增大,在钢轨温度低于锁定轨温时随温度降低而增大,在钢轨温度为锁定轨温时出现局部极值点。论文从理论和试验两方面证实了非线性超声可以检测无缝钢轨锁定轨温。     

大轴重商业运输中的钢轨特性

位于科罗拉多州谱韦希洛的运输技术中心有限责任公司(TTCI)与联合太平洋铁路公司(UP)合作,对商业运输轨道的钢轨特性进行了试验。图1显示的是位于加利福尼亚州蒂哈查皮340英里程标处的第3试验地商业运输钢轨特性试验。试验表明,采用0.75英寸轨侧磨损极限标准,各种新型优质钢轨的平均使用寿命为200MGT(百万总重英吨),若采用轨头面积30%的允许损失标准,使用寿命大约为900MGT。如使用0.75英寸轨侧磨损极限标准,两段已知MGT曲线的钢轨使用寿命为232到245MGT。使用环境包括较大的山区坡道及6至10度的曲率。在通过169MGT的观察期间,所有被评估钢轨的预期使用寿命相差在10%以内。在此期间,未进行钢轨打磨,也未发现钢轨顶面出现缺陷。在加速运行试验基地(FAST)进行的类似试验表明,钢轨的预期使用寿命大约提高了一倍,这说明现场列车及润滑条件不同,条件更加恶劣。试验中未发现钢轨的硬度与磨损率大小之间有密切的关系。     

基于SAFE方法的钢轨梳状传感器激励特定模态导波研究

为实现在钢轨中激励特定模态的导波,采用半解析有限元(Semi-Analysis Finite Element,SAFE)方法建立钢轨的SAFE模型,推导沿钢轨传播导波的控制方程,计算导波在钢轨中传播的相速度和群速度;根据导波在钢轨中传播的相速度频散曲线确定梳状传感器的工作点,设计能够在钢轨中激励特定模态导波的梳状传感器。将设计的梳状传感器布置在5.5m长的60kg·m-1钢轨上,根据实测钢轨的回波信号端面波包计算的32和64kHz导波群速度分别为2 583和2 750m·s-1,与利用钢轨SAFE模型计算所得的理论群速度2 626和2 734m·s-1相比,分别只相差1.64%和0.59%,说明建立的钢轨SAFE模型计算精度高,设计的梳状传感器能够实现特定模态导波的激励。     

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。     

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。