一种无损检测钢轨滚动接触疲劳裂纹扩展垂直深度的方法

摘要

本发明公开了一种无损检测钢轨滚动接触疲劳裂纹扩展垂直深度的方法。该方法能够解决钢轨维护打磨过程中凭借经验或者假设判断裂纹垂直深度的问题，为铁路系统钢轨维护提供定量理论分析，延长钢轨使用寿命，减少铁路运行维护成本。该方法基于现有的交流电磁场测量技术，测量探头需要与裂纹表面长度方向呈45°夹角对裂纹进行扫描，并过裂纹表面长度中心点，得到Bz信号，计算得出Bz波谷波峰比值，研究该比值与实际裂纹垂直角度关系，结合Bx信号给出的裂纹口袋深度计算得出裂纹的垂直深度。利用有限元模型求解得到不同表面和垂直角度的裂纹与Bz波谷波峰比值关系并建立数据库，输入裂纹表面长度，Bz波谷波峰比，可输出裂纹的垂直深度。

权利要求

1.一种无损检测钢轨滚动接触疲劳裂纹扩展垂直深度的方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：(1)交流电磁场测量探头沿裂纹表面长度进行扫描，取得Bx和Bz信号，确定裂纹的口袋深度以及表面长度；

(2)交流电磁场测量探头以与裂纹表面长度呈45°夹角方向对裂纹进行扫描，并过裂纹表面长度中心点，得到Bz信号，计算得Bz波谷波峰比；

(3)根据实际测量原理，建立交流电磁场测量滚动接触疲劳裂纹仿真有限元模型，求解得到模拟信号，并用实际测量结果进行验证，确定模型的正确性；

(4)利用有限元模型求解得出裂纹不同表面长度3-40mm，下垂直角度0-90°与Bz波谷波峰比值关系，建立数据库以备实际测量结果分析用；

(5)数据库中输入实际测量得到的裂纹表面长度，Bz波谷波峰比，输出裂纹的垂直深度；

(6)结合裂纹的口袋深度，输出的裂纹垂直角度，利用三角函数计算得到裂纹的垂直深度。

说明书

一种无损检测钢轨滚动接触疲劳裂纹扩展垂直深度的方法

技术领域

[0001] 本发明涉及无损探伤和轨道交通领域，具体涉及一种电磁无损表征钢轨滚动接触疲劳裂纹扩展垂直深度的方法。

背景技术

[0002] 滚动接触疲劳裂纹是钢轨及车轮典型的表面缺陷之一，由钢轨与车轮不断重复的横向以及纵向牵引力造成。滚动接触疲劳裂纹通常以与水平方向呈10-30°的角度(垂直角度)向钢轨内部扩展(附图1)，当裂纹扩展达到疲劳极限时，裂纹会以较大的垂直角度向钢轨内部急速扩展，造成钢轨的断裂，极易引发火车脱轨事故。从钢轨维护的角度来说，需要定期对钢轨进行打磨，在裂纹达到极限深度之前将其研磨消除。钢轨打磨的前提条件是需要知道裂纹在钢轨内部的垂直扩展深度，才能科学定量地制定相应的打磨深度以及维护周期。在实际钢轨打磨应用中，裂纹的垂直深度往往是根据假设垂直角度已知来计算，或者是跟标准裂纹信号进行比对来判断。由于滚动接触疲劳裂纹形状存在随机的不规则性且多为裂纹簇排列，需要对裂纹尺寸测量的算法进行经验性的修正，维护成本高，钢轨研磨深度不准确。如果研磨程度较轻，裂纹无法完全消除，造成裂纹继续向钢轨内部扩展，引发钢轨断裂；如果研磨程度较大，钢轨材料损失较多，缩短钢轨的使用周期，加大铁路运营成本。

[0003] 交流电磁场测量法是基于交流电肌肤效应的电磁无损检测技术，在全球范围内，该方法是广泛应用于深海钻井平台，石油管道，钢轨等金属构件表面缺陷检测的电磁无损检测技术之一。相比于其它无损检测技术，交流电磁场测量法具有非接触式，耐高温，耐腐蚀，高效快捷，设备小巧，经济实用等特点。一般情况下交流电磁场测量探头沿着裂纹的表面长度进行扫描，从而在金属表面引入垂直于裂纹长度方向的均匀交流电场，裂纹缺陷的存在会扰乱电场的均匀分布，迫使电流向裂纹两端以及裂纹面流动，同时探头检测到由该电场引起磁场的变化来判断裂纹的存在以及尺寸大小。由于电流沿裂纹面流动，造成穿过裂纹的磁场强度降低，使得交流电磁场测量法Bx信号出现波谷；通过x方向的磁场变化(Bx信号)可以测量出裂纹的扩展深度，既口袋深度，见附图1，附图2。电流顺时针及逆时针流过裂纹两端，造成磁场在z方向的波动，形成一正一负的磁场分布，使得交流电磁场测量法Bz信号出现波峰和波谷；通过Bz信号波峰波谷的距离可以测量裂纹的表面长度，附图2。

[0004] 现有的交流电磁场测量方法只能检测出裂纹的表面长度以及口袋深度，而对于铁路维护来说，钢轨需要定期打磨消除滚动接触疲劳裂纹，迫切需要知道的测量参数是垂直扩展深度，附图1。本发明基于现有的交流电磁场测量技术，结合有限元模拟，提出测量裂纹垂直角度的方法，从而结合裂纹的口袋深度计算出裂纹的垂直深度，为钢轨打磨提供定量分析，改进钢轨维护制度,延长钢轨生命周期，提高铁路使用安全性。

发明内容

[0005] 本发明的目的在于利用交流电磁场测量法无损检测钢轨滚动接触疲劳裂纹尺寸，通过本专利公开的信号分析方法计算裂纹向钢轨内部扩展的垂直深度，为铁路定期维护(钢轨打磨)提供定量分析基础，保障铁路使用安全，延长钢轨生命周期。利用交流电磁场测量探头以与裂纹表面长度呈45°夹角方向对裂纹进行扫描，取得交流电磁场测量法Bz信号。由于裂纹垂直角度的关系，会引起磁场分布相对于裂纹位置的偏移，造成Bz信号的波谷，波峰值不对称，因此提出Bz信号波谷波峰比测量参数，研究该参数与实际裂纹垂直角度关系，附图2；建立交流电磁场测量滚动接触疲劳裂纹的仿真有限元模型，并通过实际测量结果验证模型正确性；利用有限元模型建立不同裂纹长度下Bz信号波谷波峰比—裂纹垂直角度，建立数据库。根据实际裂纹测量结果，通过数据库确定裂纹垂直角度，结合裂纹口袋深度，计算确定裂纹扩展垂直深度，方法流程见附图3。

[0006] 本发明方法具体实时步骤如下：

[0007] 1.交流电磁场测量探头沿裂纹表面长度进行扫描，取得Bx和Bz信号，确定裂纹的口袋深度以及表面长度。

[0008] 2.交流电磁场测量探头以与裂纹表面长度呈45°夹角方向对裂纹进行扫描，并过裂纹表面长度中心点，得到Bz信号，计算得Bz波谷波峰比。

[0009] 3.根据实际测量原理，建立交流电磁场测量滚动接触疲劳裂纹仿真有限元模型，求解得到模拟信号，并用实际测量结果进行验证，确定模型的正确性。

[0010] 4.利用有限元模型求解得出裂纹不同表面长度(3-40mm)下垂直角度(0-90°)与Bz波谷波峰比值关系，建立数据库以备实际测量结果分析用。

[0011] 5.数据库中输入实际测量得到的裂纹表面长度，Bz波谷波峰比，输出裂纹的垂直深度。

[0012] 6.结合裂纹的口袋深度，输出的裂纹垂直角度，利用三角函数计算得到裂纹的垂直深度

[0013] 有益效果：本发明旨在提出一种无损检测钢轨滚动接触疲劳裂纹扩展垂直深度的方法，该方法基于已有的交流电磁场测量技术，简单高效，方便操作，通过改进的测量方法，提出Bz信号波谷波峰比值概念，准确计算出裂纹垂直扩展深度。该方法建立的有限元模型以及数据库直观简明，操作简单，能够根据实际裂纹情况更新扩充，一经建立便能重复快速使用。通过该方法计算得到的裂纹扩展垂直深度，为铁路系统钢轨维护提供理论定量分析，确定钢轨定期打磨深度目标量，做到有的放矢，取代现有的经验性判断，极大的延长钢轨使用寿命，减少铁路运行维护成本，同时更好的保证铁路运输安全性，对人民财产安全起到预防性保护作用。本发明方法不限于钢铁滚动接触疲劳裂纹的检测，同时适用于金属材料表面非垂直扩展裂纹的表征，例如应力腐蚀裂纹，齿轮根部裂纹等等。

附图说明

[0014] 图1为滚动接触疲劳裂纹向钢轨内部扩展示意图。

[0015] 图2为裂纹周围电流，磁场分布以及探头测量路径示意图。

[0016] 图3为滚动接触疲劳裂纹垂直深度确定流程图。

[0017] 图4为单个裂纹有限元模拟以及实际测量的Bz波谷波峰比值对比。

具体实施方式

[0018] 实施例1

[0019] 在实验室条件下，利用电火花加工在钢轨上制作带有不同垂直深度的单个裂纹，并对裂纹按照步骤1和2进行交流电磁场测量取得Bx，Bz信号，计算裂纹口袋深度，表面长度以及Bz波谷波峰比值。在步骤3和步骤4建立的有限元数据库中输入裂纹口袋深度，表面长度以及Bz波谷波峰比值，得到裂纹垂直角度，利用三角函数计算得到裂纹垂直深度。有限元模拟以及实际测量的Bz波谷波峰比值对比见附图4。

[0020] 实施例2

[0021] 本应用实例与实例1的不同之处在于检测对象为实际钢轨中的滚动接触疲劳裂纹簇(一般由多条裂纹组成，间距1-20mm左右)。同理利用有限元模型建立裂纹簇信息数据库，并对裂纹簇中裂纹最长垂直深度进行测量判断，以便彻底移除裂纹。交流电磁场测量探头以与裂纹表面长度呈45°方向扫描过裂纹中心点，取得Bz波谷波峰比值，将数据输入数据库计算得到裂纹垂直角度，并结合口袋深度，计算裂纹最大垂直深度。计算结果与实际结果对比如下表所示：

[0022] 表1应用本发明方法计算裂纹垂直深度与实际值对比

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