基于红外热成像的轮对踏面缺陷检测研究

作     者：张增强 

作者单位：北京交通大学 

学位级别：硕士

导师姓名：谭南林

授予年度：2023年

学科分类：08[工学] 080203[工学-机械设计及理论] 080204[工学-车辆工程] 0802[工学-机械工程] 0803[工学-光学工程] 

主      题：金属缺陷 温度场 红外图像 故障检测 特征计算 

摘      要：轮对踏面的故障情况是铁路车辆安全运行的重要影响因素,针对这一问题,本文分析了轮对踏面缺陷引起的温度场变化以及缺陷在红外图像上的特征,开展了以红外图像为基础的踏面缺陷损伤在线检测方法的研究,以满足铁路运营部门的需要,具体的研究内容如下:(1)分析了踏面缺陷故障引起的温度场变化情况。首先基于热传导理论的公式推导得出缺陷会引起温度场的异常分布,并在不考虑风冷作用的情况下通过起始温度为320°C的金属接触热传导实验得到120s后缺陷位置与无缺陷位置的最大温差达到43.7°C。在考虑风冷作用情况下,经过对初速度为100km/h的轮对在采用闸瓦摩减速过程中的有限元热场仿真分析,发现踏面缺陷位置在升温和降温过程中均存在滞后性,且在减速制动开始后第5s后踏面有缺陷位置和无缺陷位置的温差达到最大值42.58°C,减速过程结束时整个踏面温度均在238.63°C左右,减速制动力解除15s后又达到最大温差12.17°C。经过探究发现轮对踏面缺陷位置在制动减速过程中缺陷位置呈现高温状态,为基于红外图像的踏面损伤检测提供理论基础。(2)提出了基于红外图像的轮对踏面检测方法。从铁路现场和线下实验探究过程中发现擦伤和局部凹下呈现低温状态,根据热像仪的工作原理,分析了金属表面发射率、检测距离和大气透射率对缺陷故障在红外图像特征的影响,发现当轮对踏面发生金属切削或挤压变形而改变表面物理属性时会对由缺陷引起的温度场差异产生放大效果。通过对踏面缺陷类型的分析,在实验条件模拟了故障,并对红外图像进行了采集,为后续的检测提供了数据。(3)建立了踏面缺陷故障的检测和分类模型和方案。通过分析红外图像的特点和噪声来源,进行了去噪预处理及结果评价。并分析不同特征提取算法对各类型缺陷的适用性,使用分类器对缺陷故障进行分类,从样本的分类结果看,对测试集中三种踏面缺陷损伤红外图像的分类准确率均达到了94.5%以上。为后文针对故障的定量计算提供条件。(4)提出了轮对踏面缺陷信息的提取算法。基于现有图像分割算法的特点,采用多种基于阈值的图像分割方法,提出了基于像素点统计的缺陷面积和周长的计算方法,并对其进行了验证,对局部凹下和擦伤的计算结果误差均在8%以内。本文的研究验证了轮对踏面缺陷故障可以通过红外图像检测,并在实验条件下实现了对踏面缺陷的检测和计算,具有较高的准确率,有良好的应用前景。