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气流热成像钢轨滚动接触疲劳裂纹在线检测与速度影响研究

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机械工程学报 2021年第18期57卷 98-106页

作者：陆小龙田贵云熊龙辉高斌伍剑波苗玲四川大学机械工程学院成都610065 电子科技大学自动化学院成都611731 纽卡斯尔大学工程学院英国纽卡斯尔NE17RU 中国铁道科学院集团有限公司基础设施检测研究所北京100081

已有研究结果表明随着铁路行业对钢轨表面缺陷检测速度要求的不断提高,速度已经成为影响主动成像检测结果评定的主要因素。针对该问题,基于前期气流热成像在静态和低速下检测钢轨表面缺陷的研究,通过优化气流激励源、热像仪和试件之间... 详细信息

已有研究结果表明随着铁路行业对钢轨表面缺陷检测速度要求的不断提高,速度已经成为影响主动成像检测结果评定的主要因素。针对该问题,基于前期气流热成像在静态和低速下检测钢轨表面缺陷的研究,通过优化气流激励源、热像仪和试件之间的空间布局,激励源和热像仪的参数,提出以空间换时间策略消除速度影响抑制方法。研究不同检测速度下选择不同采样帧频和曝光时间时气流热成像和涡流脉冲热成像的速度影响。试验结果表明,红外热像仪的曝光时间和采样帧频选择与速度有关,通过优化激励源、热像仪和试件的空间位置,选择合适的曝光时间和采样帧频,结合热像处理算法可以消除速度和试件表面发射率的影响,在高达81.6km/h的检测速度下,气流热成像可以准确地检测出转盘边缘圆柱面上6种倾斜角度的人工裂纹,验证了以空间换时间策略的可行性。气流热成像具有较大的提离距离,与涡流脉冲热成像在表面及亚表面检测形成互补,在钢轨滚动接触疲劳裂纹在线快速检测有较好的应用前景。

关键词：气流热成像滚动接触疲劳裂纹速度影响表面发射率

基于涡流检测和神经网络的钢轨表面滚动接触疲劳裂纹特征评估

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中国铁道科学 2021年第5期42卷 69-75页

作者：熊龙辉张玉华马运忠李培钟艳春黄筱妍中国铁道科学研究院集团有限公司基础设施检测研究所北京100081 北京铁科英迈技术有限公司北京100081

基于钢轨表面不同深度和角度的2组人工伤损及涡流检测系统,在100~2000 kHz激励频率范围内进行钢轨裂纹检测试验,确定最佳激励频率;在最佳激励频率769 kHz条件下对人工伤损进行检测,分析伤损尺寸参数与信号特征值的关系;基于最小二乘法... 详细信息

基于钢轨表面不同深度和角度的2组人工伤损及涡流检测系统,在100~2000 kHz激励频率范围内进行钢轨裂纹检测试验,确定最佳激励频率;在最佳激励频率769 kHz条件下对人工伤损进行检测,分析伤损尺寸参数与信号特征值的关系;基于最小二乘法曲线拟合原理,分别采用指数函数和三次多项式函数对伤损深度和角度进行定量评估;采用基于LM算法的BP神经网络方法,对伤损深度和角度进行定量评估;对2类定量评估结果进行对比。结果表明:基于曲线拟合原理的定量评估中指数函数更适用,其对深度和角度定量评估分类准确率分别为75%和66.67%;神经网络方法对深度和角度定量评估分类准确率分别为100%和83.33%,均高于指数函数定量评估。

关键词：钢轨检测钢轨伤损滚动接触疲劳裂纹涡流检测曲线拟合神经网络

车轮多边形激励下的滚动接触疲劳裂纹瞬态扩展行为研究

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润滑与密封 2022年第5期47卷 60-68页

作者：张笃超赵鑫黄双超温泽峰金学松李伟西南交通大学牵引动力国家重点实验室四川成都610031

利用ANSYS/LS-DYNA建立带车轮多边形的三维轮轨滚动接触疲劳裂纹扩展模型,将真实轮轨间瞬态滚滑和高频动力作用考虑在内,分析车轮多边形和连续钢轨裂纹造成的瞬态接触载荷对钢轨裂纹动态扩展行为的影响。速度250 km/h牵引工况的结果表明... 详细信息

利用ANSYS/LS-DYNA建立带车轮多边形的三维轮轨滚动接触疲劳裂纹扩展模型,将真实轮轨间瞬态滚滑和高频动力作用考虑在内,分析车轮多边形和连续钢轨裂纹造成的瞬态接触载荷对钢轨裂纹动态扩展行为的影响。速度250 km/h牵引工况的结果表明:零间隙多裂纹对法向轮轨力的影响甚微,但会造成切向轮轨力不可忽略的波动;车轮多边形会造成法向和切向轮轨力显著的周期性波动,如0.1 mm波深23阶多边形会使得各裂纹面最大法向和切向接触力较圆顺工况分别增长19.6%、34.1%;任一裂纹面内法向和切向接触应力在接触斑滚过的0.22 ms内发生了复杂的瞬态变化,进一步导致各裂纹的最大裂尖应力场强度因子的周期性波动,影响裂纹动态扩展行为;随着车轮多边形波深和阶数的增加,上述各种波动的幅度均会变大,加速裂纹扩展。

关键词：滚动接触疲劳裂纹瞬态裂纹扩展车轮多边形裂尖应力场强度因子瞬态接触载荷

基于涡流脉冲热成像的钢轨滚动接触疲劳裂纹检测

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基于涡流脉冲热成像的钢轨滚动接触疲劳裂纹检测

作者：冯舲帆西南交通大学

学位级别：硕士

列车在钢轨上高速行进时,轮轨100m的实际接触面积却要承受数十吨的载荷,加上轮轨之间的摩擦,很容易产生滚动接触疲劳裂纹,钢轨的滚动接触疲劳裂纹初始阶段只是表面开口的微裂纹,长度约1～2mm,逐渐会发展成斜向内的裂纹,最终形成钢轨核... 详细信息

列车在钢轨上高速行进时,轮轨100m的实际接触面积却要承受数十吨的载荷,加上轮轨之间的摩擦,很容易产生滚动接触疲劳裂纹,钢轨的滚动接触疲劳裂纹初始阶段只是表面开口的微裂纹,长度约1～2mm,逐渐会发展成斜向内的裂纹,最终形成钢轨核伤或隐伤,此时的裂纹长度已经可以达到20～30mm。本论文的研究对象为微裂纹和隐伤,基于涡流脉冲热成像的方法,分别从仿真和实验的角度研究了用不同线圈对裂纹的激励,以及不同长度裂纹的热特征差异,对比了试块上某些线段的温度特征,并选用了不同的算法进行了图像增强。本文主要开展了两项研究内容:(1)对于滚动接触疲劳裂纹的第一阶段,即微裂纹,在仿真中比较了微裂纹在直导线、螺旋导线激励下的温度场分布区别,在不同长度的微裂纹的响应中提取了线段进行对比分析,初步判断位于裂纹旁侧的线段温度的极值可以作为裂纹长度的判断依据。再基于前期搭建的检测平台,制作了裂纹长度为1～2.5mm的U45Mn材料的试块,并对检测结果进行归一化差分、主成分分析等算法进行算法增强,结果表明虽然微裂纹的特征非常弱,但是通过差分处理等算法,微裂纹的信噪比增强了0.5d B。(2)疲劳滚动接触裂纹发展到第三阶段,形成剥离掉块之前极有可能伴随隐伤的产生,由于斜裂纹形态被包含在隐伤中,因此第三章的研究对象直接为隐伤,将隐伤抽象为形似“L”的裂纹,并类比成斜裂纹和平面裂纹的组合形态,通过在仿真中对比了L裂纹分别与斜裂纹、平板裂纹的温度响应的区别,对不同深度、不同角度的裂纹进行了对比研究,发现大尺寸裂纹在冷却阶段差异较大的特点,初步确定了平板裂纹的深度与其最小相位呈线性关系,并对裂纹的实验结果进行了算法增强。

关键词：滚动接触疲劳裂纹涡流脉冲热成像微裂纹隐伤

基于X射线断层扫描的钢轨滚动接触疲劳裂纹形状建模方法

同方学位论文库评论

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华东交通大学学报 2019年第1期36卷 41-48页

作者：周宇木东升韩延彬黄旭炜张聪聪同济大学道路与交通工程教育部重点实验室上海201804

为建立钢轨滚动接触疲劳裂纹真实形状数学模型,采用X射线断层扫描技术,获得了钢轨轨距角-轨肩处的滚动接触疲劳裂纹的真实形态点云数据,提出栅格算法确定裂纹尖端和开口的边界点、三次B样条曲线拟合裂纹尖端、裂纹面与钢轨轨面相交确定... 详细信息

为建立钢轨滚动接触疲劳裂纹真实形状数学模型,采用X射线断层扫描技术,获得了钢轨轨距角-轨肩处的滚动接触疲劳裂纹的真实形态点云数据,提出栅格算法确定裂纹尖端和开口的边界点、三次B样条曲线拟合裂纹尖端、裂纹面与钢轨轨面相交确定裂纹开口的钢轨滚动接触疲劳裂纹形状建模方法。研究发现:栅格算法提取的裂纹边界特征点比凸包算法提取的裂纹边界特征点多,代表裂纹边界特征的凸点和凹点都识别,使得裂纹边界失真度更小;随着栅格边长减小,栅格算法提取出的裂纹边界点数量增加,减少了凸包算法的漏点问题。将提取好的裂纹尖端边界点分别用最小二乘法、Bezier曲线、三次B样条曲线等方法进行曲线拟合,发现三次B样条曲线拟合得到的裂纹尖端与真实裂纹最为接近,其数据拟合的偏差最大值和标准差均最小,由此获取了真实裂纹的尖端形状数学模型。

关键词：钢轨滚动接触疲劳裂纹 X射线断层扫描栅格算法三次B样条曲线

基于三维重构的钢轨滚动接触疲劳裂纹扩展预测

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机械工程学报 2018年第4期54卷 158-166页

作者：周宇邝迪峰郑晓峰韩延彬木东升同济大学道路与交通工程教育部重点实验室

采用X射线断层扫描技术测量钢轨轨距角–轨肩的滚动接触疲劳裂纹,通过裂纹平面化、尖端拟合和空间定位,重构真实裂纹的三维形态和空间位置;考虑裂纹尖端塑性区和磨耗的影响,提出基于三维重构的裂纹扩展预测方法。预测结果表明,X射线断... 详细信息

采用X射线断层扫描技术测量钢轨轨距角–轨肩的滚动接触疲劳裂纹,通过裂纹平面化、尖端拟合和空间定位,重构真实裂纹的三维形态和空间位置;考虑裂纹尖端塑性区和磨耗的影响,提出基于三维重构的裂纹扩展预测方法。预测结果表明,X射线断层扫描技术可以得到真实裂纹的高精度形状和特征,实现钢轨轨距角–轨肩处近似平面状裂纹的三维建模。根据重载铁路典型的车辆和曲线轨道条件,预测裂纹在一定通过总重累积下的扩展情况,接触斑作用在裂纹上时引起的应力最大值集中在轨面及轨面以下垂直深度2~4 mm处,裂纹尖端及裂纹开口附近未出现应力集中;一、三位外轮和二、四位外轮引起的裂纹尖端节点的Von-Mises应力分别相近;当前轮与外轨发生两点接触时,前轮接触斑下方的裂纹尖端节点应力小于后轮引起的应力;预测的裂纹长度、深度与显微观测的实际裂纹接近,预测的裂纹沿钢轨纵向扩展的角度范围包含了显微观测的实际扩展角度。

关键词：钢轨滚动接触疲劳裂纹裂纹扩展 X射线断层扫描重构

液体黏度对钢轨滚动接触疲劳裂纹扩展影响分析

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机械强度 2020年第1期42卷 194-201页

作者：汪鹏鹏郭俊刘启跃王文健西南交通大学牵引动力国家重点实验室摩擦学研究所成都610031

基于雷诺方程和有限元法,通过轮轨滚动接触二维模型,计算液体受到挤压渗入钢轨表面裂纹后的压力分布,对裂纹尖端的应力强度因子进行分析,研究了不同黏度液体对钢轨滚动接触疲劳裂纹扩展的影响。结果表明:在钢轨表面出现液体后,裂纹扩展... 详细信息

基于雷诺方程和有限元法,通过轮轨滚动接触二维模型,计算液体受到挤压渗入钢轨表面裂纹后的压力分布,对裂纹尖端的应力强度因子进行分析,研究了不同黏度液体对钢轨滚动接触疲劳裂纹扩展的影响。结果表明:在钢轨表面出现液体后,裂纹扩展形式由Ⅱ型转变为Ⅰ型,渗入裂纹的液体更容易引起材料剥落;黏度愈大,裂纹平均扩展角度越大,扩展路径由光滑变得曲折。当黏度一定时,裂纹初始角度越大,裂纹扩展速率越低;随着黏度的增大,裂纹扩展速率减小。

关键词：钢轨液体黏度应力强度因子滚动接触疲劳裂纹数值计算

液体粘度对钢轨滚动接触疲劳裂纹扩展影响仿真分析

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液体粘度对钢轨滚动接触疲劳裂纹扩展影响仿真分析

作者：汪鹏鹏西南交通大学

学位级别：硕士

随着铁路运输的高速化和重载化,钢轨服役的环境越来越恶劣,尤其在曲线段钢轨上,列车的横向冲击力较大,导致钢轨侧磨严重。现场通过涂抹润滑剂来降低摩擦系数,以减少轮轨间的磨损,但润滑剂的不合理使用会加速钢轨疲劳裂纹的扩展。钢轨疲... 详细信息

随着铁路运输的高速化和重载化,钢轨服役的环境越来越恶劣,尤其在曲线段钢轨上,列车的横向冲击力较大,导致钢轨侧磨严重。现场通过涂抹润滑剂来降低摩擦系数,以减少轮轨间的磨损,但润滑剂的不合理使用会加速钢轨疲劳裂纹的扩展。钢轨疲劳裂纹不仅增加了铁路运营成本,而且严重影响着铁路运行安全。因此,开展润滑条件下钢轨滚动接触疲劳裂纹萌生与扩展机理研究,对我国铁路的运营及日常维修养护具有重要的理论意义和经济价值。通过一种流固耦合的方法研究了轮轨滚动接触条件下钢轨表面裂纹内渗入的液体对裂纹扩展的影响。首先在润滑区域将雷诺方程进行有限元离散,引入流固耦合的边界条件,得到了计算模型的理论方程;然后,基于二维单边裂纹矩形板建立了液体受外载作用渗入裂纹过程的分析模型,计算分析了不同时刻裂纹内液体压力分布和裂纹面张开位移,确定了分析液体进入裂纹过程的合适方法;然后,通过建立轮轨滚动接触二维模型,计算了液体受到挤压渗入钢轨表面裂纹后的压力分布,对裂纹尖端的应力强度因子进行分析,研究了不同参数条件下粘度对钢轨滚动接触疲劳裂纹扩展的影响;最后,建立了液体渗入钢轨表面裂纹的三维模型,进一步分析了粘度对液体渗入钢轨裂纹的影响。论文研究得到以下结论:(1)液体在渗入裂纹过程中,粘度越大,液体到达裂尖所需时间越长。当粘度β＞100时,车轮在液体还没有完全进入裂纹前就已经通过裂纹区域,因此对钢轨表面裂纹扩展影响较小。(2)当钢轨表面液体粘度一定时,随着轮轨接触面摩擦系数和裂纹长度的增加及裂纹角度的减小,液体越容易渗入裂纹,裂纹扩展的可能性愈大。(3)在低粘度区(β＜1),钢轨裂纹主要以张开型裂纹扩展为主,并伴随有滑开型裂纹;在中等粘度区(1＜β＜100),张开型和滑开型共同促使裂纹扩展;在高粘度区(β＞100),虽然液体很难进入裂纹,但渗入裂纹的少量液体会在裂尖堆积促使钢轨表面裂纹主要以张开型裂纹扩展。(4)液体的粘度越小,钢轨表面裂纹的扩展速率越快,且形成的剥落坑越大。因此在钢轨养护时,应优先使用高粘度的润滑油或者固体润滑剂。

关键词：钢轨液体粘度数值计算应力强度因子滚动接触疲劳裂纹

高速列车轮轨滚动接触疲劳裂纹扩展的有限元研究

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科学技术创新 2018年第8期 46-47页

作者：王天博大连交通大学

在高速铁路运输快速发展过程中,轮轨接触疲劳损伤问题日益凸显,影响了铁轨使用寿命。本文将采用有限元分析方法,对高速列车轮轨的滚动接触疲劳裂纹扩展机理进行分析,首先介绍了相关理论研究基础,进而通过构建有限元分析模型,研究疲劳裂... 详细信息

在高速铁路运输快速发展过程中,轮轨接触疲劳损伤问题日益凸显,影响了铁轨使用寿命。本文将采用有限元分析方法,对高速列车轮轨的滚动接触疲劳裂纹扩展机理进行分析,首先介绍了相关理论研究基础,进而通过构建有限元分析模型,研究疲劳裂纹扩展的具体影响因素,并提出几点缓解裂纹扩展的方法。

关键词：高速列车轮轨滚动接触疲劳裂纹扩展机理有限元分析