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基于交流电磁场的高铁钢轨表面裂纹无损检测研究及展望

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中国铁道科学 2024年第2期45卷 15-29页

作者：申嘉龙侯艳萍张晨王飞刘萌孟征兵尹武良桂林理工大学有色金属及材料加工新技术教育部重点实验室广西桂林541004 桂林理工大学广西有色金属隐伏矿床勘查及材料开发协同创新中心广西桂林541004 曼彻斯特大学电子电气工程学院英国曼彻斯特M139PL

针对高铁钢轨表面产生滚动接触疲劳(RCF)裂纹导致对钢轨带来危害的问题,本文分析了钢轨表面滚动接触疲劳裂纹的形成机理及扩展规律,系统归纳了高铁裂纹的无损检测与表征方法。聚焦于交流电磁场检测(ACFM)技术,重点研究了ACFM技术发展及... 详细信息

针对高铁钢轨表面产生滚动接触疲劳(RCF)裂纹导致对钢轨带来危害的问题,本文分析了钢轨表面滚动接触疲劳裂纹的形成机理及扩展规律,系统归纳了高铁裂纹的无损检测与表征方法。聚焦于交流电磁场检测(ACFM)技术,重点研究了ACFM技术发展及研究现状、理论研究成果以及存在的问题,综述了ACFM技术的特点及应用,通过与其他无损检测方法进行分析比较,阐述了ACFM测量法对钢轨表面裂纹的精准量化表征的优势。结果表明:ACFM探针传感器沿45°方向扫描,通过结合ACFM信号补偿量算法可将非均匀裂纹口袋深度误差降到5.5%,垂直深度误差降到7.1%,裂纹簇误差减小到7.1%;经过人工神经网络训练对钢轨RCF裂纹尺寸进行精准表征,最终计算的误差在10%以内。进一步讨论了融合人工智能技术的钢轨表面裂纹无损检测技术的发展趋势,为后续ACFM技术对钢轨表面RCF裂纹的检测和表征研究提出相关建议和展望。

关键词：高铁钢轨滚动接触疲劳交流电磁场表面裂纹尺寸表征无损检测

基于轨道板振动加速度的钢轨振动加速度反演估计与现场验证

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北京交通大学学报 2024年第1期48卷 74-86页

作者：何庆曾楚琦王启航付彬吴军王平西南交通大学高速铁路线路工程教育部重点实验室成都610031 西南交通大学土木工程学院成都610031 中国电建集团中南勘测设计研究院有限公司城建交通工程院长沙410014 中国铁路成都局集团有限公司涪陵工务段重庆610000

为研究高速铁路轨道板与钢轨之间的时空关联规律,提出变分模态-转换器(Variational Mode Decomposition-Transformer, VMD-T)反演模型,该模型通过分解轨道板振动加速度来反演估计钢轨振动加速度.首先,对数据进行预处理并利用双门限法检... 详细信息

为研究高速铁路轨道板与钢轨之间的时空关联规律,提出变分模态-转换器(Variational Mode Decomposition-Transformer, VMD-T)反演模型,该模型通过分解轨道板振动加速度来反演估计钢轨振动加速度.首先,对数据进行预处理并利用双门限法检测振动端点,分离振动信号与静默信号、干扰信号,再将提取后的振动信号整合输入到VMD-T模型.其次,利用VMD模型将轨道板振动加速度数据分解成一系列不同的子模态,并网格遍历搜索与钢轨振动加速度相关系数最大的子模态,以降低原始数据的复杂度以及非平稳性,提升Transformer模型的特征抽取能力.然后,通过Transformer模型对搜索出的轨道板振动加速度子模态与钢轨振动加速度数据进行反演估计训练.最后,将该模型应用于某城际高速铁路轨道板与钢轨实测振动加速度数据反演估计试验.现场高铁试验结果表明:与单一Transformer模型相比,VMD-T模型均方根误差(RootMean Squared Error, RMSE)、绝对平均误差(Mean Absolute Error, MAE)及决定系数(R2_score)分别提升近20%、11%及48.1%,特征学习能力更强,反演估计效果更佳,初步实现钢轨垂向振动加速度幅值非接触式监测估计.

关键词：高速铁路变分模态分解 Transformer模型轨道板钢轨振动加速度

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钢轨中残余应力的产生、影响及调控研究现状

燕山大学学报 2024年第1期48卷 1-10页

作者：王建军李宏光王庆超董润洲杨志南张福成燕山大学国家冷轧板带装备及工艺工程技术研究中心河北秦皇岛066004 燕山大学亚稳材料制备技术与科学国家重点实验室河北秦皇岛066004 华北理工大学冶金与能源学院河北唐山063210

近年来随着我国高速、重载铁路的快速发展,列车速度的提升、轴重的加大对钢轨服役性能的可靠性提出了更高的要求。如果钢轨中的残余应力过大且处于不利的分布状态,容易促进疲劳裂纹的形成,并加速扩展,从而严重影响其服役性能。本文汇总... 详细信息

近年来随着我国高速、重载铁路的快速发展,列车速度的提升、轴重的加大对钢轨服役性能的可靠性提出了更高的要求。如果钢轨中的残余应力过大且处于不利的分布状态,容易促进疲劳裂纹的形成,并加速扩展,从而严重影响其服役性能。本文汇总了当前针对钢轨中残余应力的测量方法,并论述了钢轨中残余应力的产生原因及其对综合性能的影响机制。同时,依据钢轨生产的工艺流程,从预弯、冷却、矫直、回火等方面出发,综述了国内外研究者在钢轨残余应力演变及其调控领域所取得的成果。最后,对钢轨残余应力演变与调控技术的发展进行了展望。

关键词：钢轨贝氏体残余应力制造工艺调控

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电气化铁路牵引回流对钢轨磁化的影响研究

现代电子技术 2024年第10期47卷 182-186页

作者：张耀文王庆峰张健穹李相强西南交通大学四川成都610031

针对钢轨产生异常剩磁的现象,建立机车牵引回路三维有限元模型,对钢轨磁化原因进行仿真分析。研究结果表明:机车正常运行时,接触线在钢轨处产生的磁场及钢轨之间互相耦合产生的磁场均小于0.05 mT,远小于实地测量的钢轨剩磁10 mT,影响可... 详细信息

针对钢轨产生异常剩磁的现象,建立机车牵引回路三维有限元模型,对钢轨磁化原因进行仿真分析。研究结果表明:机车正常运行时,接触线在钢轨处产生的磁场及钢轨之间互相耦合产生的磁场均小于0.05 mT,远小于实地测量的钢轨剩磁10 mT,影响可以忽略不计;机车牵引电流幅值突变时,钢轨表面产生的磁场可达0.66~0.68 T,该磁场大小经等效计算接近自动过分相区地面磁钢的最小磁场大小1.1 T,从而可能导致机车主断路器异常跳变。

关键词：电气化铁路牵引回流钢轨磁化剩磁有限元仿真接触线电流

U71Mn钢轨钢材料切削有限元仿真与试验研究

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U71Mn钢轨钢材料切削有限元仿真与试验研究

作者：周吕敏杭州电子科技大学

学位级别：硕士

钢轨是铁路系统的重要构成单元,钢轨质量决定了列车能否安全稳定运行,因此确保钢轨具有优良的服役性能非常重要。钢轨表面损伤和缺陷会使其服役性能恶化,甚至导致列车脱轨。为了规避上述风险,铁路养护部门必须定期修复钢轨表面缺陷,使... 详细信息

钢轨是铁路系统的重要构成单元,钢轨质量决定了列车能否安全稳定运行,因此确保钢轨具有优良的服役性能非常重要。钢轨表面损伤和缺陷会使其服役性能恶化,甚至导致列车脱轨。为了规避上述风险,铁路养护部门必须定期修复钢轨表面缺陷,使其恢复正常廓形。相较于传统的钢轨修复技术,钢轨铣-磨在线修复因其优秀的修复精度与作业效率,被国内外轨道交通行业广泛应用。但属于在线修复系统核心部件之一的盘铣刀我国主要依赖于进口。其原因在于我国国产自主设计能力存有不足,尤其对于钢轨铣削中材料去除机理基础研究不足。基于此,本文聚焦钢轨修复铣削机理,通过切削力理论模型和有限元仿真方法,探索盘铣刀负前角切削动力学特性及材料去除机制,主要研究工作包括:(1)建立了盘铣刀单齿负前角切削数值模型。基于经典切削滑移线场理论,分析了刀尖圆角前部的材料流动停滞区;并进一步考虑斜板压缩模型和钝圆接触模型,构建起综合考虑前刀面受力、刀尖钝圆分流和后刀面犁削作用的盘铣刀单齿切削理论模型;在此基础上,通过摩擦角和切屑变形系数的关联分析,提出了负前角切削的切屑型态预测模型,为后续分析钢轨材料成屑机理提供了理论基础。(2)系统研究了U71Mn钢轨钢材料在不同温度条件与应变率范围内的动态流变特性。基于准静态拉伸试验和薄板拉伸试验,深入探讨了钢轨材料在不同应变率与温度条件下的敏感效应。并参考应变梯度理论与位错机制,进一步利用薄壁件准静态拉伸试验修正了钢轨钢材料的Johnson-Cook本构模型,为后续钢轨材料切削仿真提供了高精度的材料模型。(3)基于单因素实验方法,开展了有限元仿真与切削试验。通过试验结果与仿真结果对比分析,验证了本研究所建立钢轨钢单齿切削有限元仿真模型的准确性;通过仿真实验分析,得到基于修正本构模型建立的切削有限元仿真模型相较于传统的有限元仿真模型拥有更高的精度。在对于不同工况下切削负载仿真中,基于MSG理论修正的J-C模型的预测误差则在10%以内,传统J-C本构的预测误差与实验切削力的误差在15%左右;而在对于不同切削工况下切屑形态仿真中,基于MSG理论修正本构得到的切屑形貌表征整体误差为10.0%左右,而传统JC模型为20.3%。修正模型相较于传统模型能提升7.5%以上的综合精度。同时,利用仿真与切削试验结果,修正了所提出的负前角切削数值预测模型,可为实际工程应用奠定基础。

关键词：钢轨铣-磨修复滑移线场模型切削力模型切削仿真二次开发

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钢轨轨底上表面缝隙腐蚀研究现状

高速铁路新材料 2024年第1期3卷 1-6页

作者：王泽先徐玮辰李国宝李灿明邓羽段继周侯保荣中国科学院海洋研究所中国科学院海洋环境腐蚀与生物污损重点实验室山东青岛266071 齐鲁工业大学(山东省科学院)材料科学与工程学部济南210353 山东钢铁集团日照有限公司山东日照276800

在潮湿的环境中,铁路系统中的轨底上表面和绝缘轨距块之间容易发生缝隙腐蚀,这种现象导致轨底逐渐变薄,造成严重的安全隐患。目前缝隙腐蚀研究主要涉及螺栓螺母、边缘板等异形结构,而对轨底上表面与绝缘轨距块之间的缝隙腐蚀的研究报道... 详细信息

在潮湿的环境中,铁路系统中的轨底上表面和绝缘轨距块之间容易发生缝隙腐蚀,这种现象导致轨底逐渐变薄,造成严重的安全隐患。目前缝隙腐蚀研究主要涉及螺栓螺母、边缘板等异形结构,而对轨底上表面与绝缘轨距块之间的缝隙腐蚀的研究报道较少。对轨底上表面的缝隙腐蚀现象进行深入分析,探讨了现阶段轨底上表面缝隙腐蚀的产生和机械辅助缝隙腐蚀机制、相关的检测技术和方法以及防护措施的研究现状。

关键词：钢轨轨底上表面缝隙腐蚀检测防护

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钢轨固定闪光焊接头及母材拉伸性能分析

高速铁路新材料 2024年第1期3卷 53-59页

作者：王东赵国彭鹏郝玉鹏李金华谭锦红周烨中国铁道科学研究院集团有限公司金属及化学研究所北京100081

测试了型式检验不同成套工艺下的钢轨固定闪光焊接头及其母材的拉伸性能,分析了拉伸试样的断裂原因。结果表明:热处理钢轨各部位拉伸强度(Rm和Rp0.2)波动较大,其中轨头最高,但是经过固定焊后的接头各部位拉伸强度趋于一致。钢轨及其固... 详细信息

测试了型式检验不同成套工艺下的钢轨固定闪光焊接头及其母材的拉伸性能,分析了拉伸试样的断裂原因。结果表明:热处理钢轨各部位拉伸强度(Rm和Rp0.2)波动较大,其中轨头最高,但是经过固定焊后的接头各部位拉伸强度趋于一致。钢轨及其固定焊接头的屈强比在0.58~0.63。采用固定焊成型的接头具有优异的拉伸强度,热轧钢轨接头抗拉强度可达到母材的99%~126%,热处理钢轨接头抗拉强度可达到92%~95%。焊后接头的韧性普遍下降明显,接头的断后延伸率(A)占到母材的47%~86%,表明焊接生产工艺尚有优化空间。统计发现,接头拉伸试样一般断在焊缝中心或焊后热处理软化区,如果焊缝没有缺陷,拉伸试样基本都断在软化区,灰斑和MnS夹杂可显著弱化焊缝的拉伸性能。母材的MnS偏析降低了钢轨的焊接性。建议钢厂严格控制钢轨母材轨腰MnS偏析,提高钢轨焊接性;同时建议焊轨厂持续优化生产工艺,减少焊缝灰斑,提高焊接接头的韧塑性。

关键词：钢轨固定闪光焊接头拉伸性能软化区焊缝灰斑 MnS夹杂

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钢轨轨底裂纹扩展影响因素分析

华东交通大学学报 2024年第2期41卷 95-101页

作者：周宇王蒙一梁旭姚凯洲同济大学道路与交通工程教育部重点实验室上海201804 同济大学上海市轨道交通结构耐久与系统安全重点实验室上海201804 中国铁道科学研究院集团有限公司金属及化学研究所北京100081

【目的】为分析钢轨材质、残余应力、温度应力在钢轨使用中的内外因对轨底裂纹扩展的影响开展研究。【方法】基于断裂力学理论结合轨底伤损实测,建立钢轨轨底裂纹扩展模型,对轨底伤损扩展失效时的临界裂纹尺寸、裂纹平均扩展速率、剩余... 详细信息

【目的】为分析钢轨材质、残余应力、温度应力在钢轨使用中的内外因对轨底裂纹扩展的影响开展研究。【方法】基于断裂力学理论结合轨底伤损实测,建立钢轨轨底裂纹扩展模型,对轨底伤损扩展失效时的临界裂纹尺寸、裂纹平均扩展速率、剩余寿命等指标进行量化分析。【结果】结果表明:钢轨材料断裂韧性与轨底初始伤损扩展的剩余寿命存在正相关关系,U95Cr H材质钢轨的轨底裂纹扩展剩余寿命小于U78CrV H材质小于U75V H材质;以某线路实际使用的钢轨材质U78CrV H为例,轨底残余应力由0增加至300 MPa,轨底裂纹扩展的临界尺寸增长约2.5%,剩余寿命下降约6%;残余应力为200 MPa时,温度应力由0增加至200 MPa,轨底裂纹扩展的临界尺寸变化不大,在1%内。【结论】研究结果可为轨底裂纹扩展研究和养护维修提供参考。

关键词：钢轨轨底裂纹裂纹扩展残余应力温度应力

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钢轨型式尺寸检查样板设计及使用浅析

高速铁路新材料 2024年第2期3卷 8-13页

作者：邓小和中铁物总技术有限公司北京100071

钢轨型式尺寸是关系钢轨质量优劣的一项重要指标,钢轨生产和验收过程中必须对钢轨型式尺寸进行准确检测。对钢轨型式尺寸检查样板的设计进行了分析,按照样板设计原则计算了各类样板的公称尺寸,研究了样板使用过程中磨损对测量结果的影响... 详细信息

钢轨型式尺寸是关系钢轨质量优劣的一项重要指标,钢轨生产和验收过程中必须对钢轨型式尺寸进行准确检测。对钢轨型式尺寸检查样板的设计进行了分析,按照样板设计原则计算了各类样板的公称尺寸,研究了样板使用过程中磨损对测量结果的影响,总结了钢轨尺寸检测与控制中样板使用的注意事项。研究内容对于规范日常钢轨型式尺寸检测、提高钢轨型式尺寸检测准确性、提升钢轨质量有借鉴意义。

关键词：钢轨型式尺寸样板设计磨损准确性