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基于超声导波的钢轨焊缝损伤监测技术研究

基于超声导波的钢轨焊缝损伤监测技术研究

作者：张淼北京交通大学

学位级别：硕士

截止至2020年,我国高速铁路总里程达到3.8万公里,无缝钢轨作为高速铁路运营的重要设备,在高铁列车运行过程中起到关键作用。在无缝钢轨服役期间,若在焊接时工艺存在缺陷,钢轨焊缝位置更容易成为薄弱环节,列车持续载荷加上外部环境变化... 详细信息

截止至2020年,我国高速铁路总里程达到3.8万公里,无缝钢轨作为高速铁路运营的重要设备,在高铁列车运行过程中起到关键作用。在无缝钢轨服役期间,若在焊接时工艺存在缺陷,钢轨焊缝位置更容易成为薄弱环节,列车持续载荷加上外部环境变化会使其疲劳损耗更快,致使产生损伤甚至断轨,严重威胁着高速铁路运营的安全。由于焊缝的结构复杂,现有的定期检测方案与技术对钢轨焊缝的检测效率较低,检测精度存在不足,无法在线监测,因此本文以钢轨焊缝为对象,利用超声导波这一对损伤敏感且精度较高的监测方法,对钢轨焊缝进行损伤监测与识别,具体研究工作如下:(1)对超声导波的特征方程、群速度与相速度以及频散等基础理论进行阐述。利用数值解析方法求解钢轨中的频散方程对钢轨进行了理论频散分析,结合频散结果、波长与识别精度间关系,选择了适合于钢轨的超声导波激励信号。并针对钢轨焊缝这一特殊结构,提出基于实际导波信号的频散反推分析方法,弥补了数值模型频散分析方法存在的问题。(2)采用自适应噪声的完整集成经验模式分解(CEEMDAN)对导波信号进行预处理。通过CEEMDAN方法实现超声导波信号模式分解,解决了在使用超声导波进行结构损伤监测时,接收信号因导波频散特性产生模式混叠,无法直接进行分析处理的问题,使得后续能从超声导波信号中提取出更有效的特征。(3)提取超声导波信号中损伤特征并进行量化与损伤定位,设计实验验证了方法有效性。采用了时间延迟、归一化残余信号能量、时间相干峰值与相关系数作为超声导波健康基准信号与损伤信号之间的差异性量化特征,采用与钢轨相同材料的U75V钢板进行模拟损伤实验,利用上述量化特征进行直线路径定位、椭圆损伤定位方法与损伤因子概率定位方法的结果对比,得出损伤因子概率为最佳识别定位方法并进行了改进。(4)建立了钢轨及钢轨焊缝的有限元模型作为传感器阵列布局依据。参考高速铁路施工标准,建立带轨枕单轨模型,模拟轴重17吨,速度分别为250km/h、300km/h、350km/h与380km/h的动车组列车经过钢轨过程,探究钢轨形变与应力集中区域,并围绕上述区域进行了超声导波传播过程仿真,直观显示钢轨各位置导波传播过程。(5)钢轨焊缝超声导波损伤监测实验。选用带有焊缝的CHN60钢轨进行超声导波损伤监测研究,依据有限元仿真结果合理设置传感器阵列,并进行钢轨焊缝进行模拟损伤试验,将改进的损伤因子概率定位方法运用于钢轨焊缝,定位方法有效且结果具有较高精度。同时对处于负荷情况下的钢轨进行超声导波特征探究,研究了载荷对超声导波损伤监测的影响,有助于在役铁路轨道的结构损伤监测框架的进一步研究。图80幅,表23个,参考文献74篇。

关键词：钢轨焊缝超声导波损伤监测 COMSOL 经验模式分解

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钢轨焊缝超声相控阵检测系统

轨道交通装备与技术 2023年第1期 58-61页

作者：范祥祥邓川南通友联数码技术开发有限公司江苏南通226000

文章介绍了一种钢轨焊缝超声相控阵检测系统。利用超声相控阵技术,制定了一种适合钢轨焊缝检测的工艺,特制了自动扫查装置,并研制了专用检测终端。系统采用多个相控阵探头和常规超声探头,自动扫查一次,即可完成整个钢轨焊缝的全覆盖检测。

关键词：钢轨焊缝焊缝探伤相控阵检测

采用新型钢轨焊缝保护装置后钢轨焊缝处的轮轨动力学特性

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中国铁道科学 2012年第3期33卷 49-55页

作者：蔡小培高亮北京交通大学土木建筑工程学院北京100044

根据轮轨相互作用机理,建立安装新型钢轨焊缝保护装置后钢轨焊缝处的车辆—轨道耦合动力学模型,对此处的轮轨垂向力、脱轨系数、轮重减载率等轮轨动力学指标进行仿真计算,并分别与采用鼓包鱼尾板和没有焊缝保护装置时进行对比,研究采用... 详细信息

根据轮轨相互作用机理,建立安装新型钢轨焊缝保护装置后钢轨焊缝处的车辆—轨道耦合动力学模型,对此处的轮轨垂向力、脱轨系数、轮重减载率等轮轨动力学指标进行仿真计算,并分别与采用鼓包鱼尾板和没有焊缝保护装置时进行对比,研究采用新型钢轨焊缝保护装置时焊缝处的轮轨动力学特性。对比分析结果表明:采用新型钢轨焊缝保护装置后,轮轨垂向力降幅分别为1.28%和4.63%,脱轨系数降幅分别为1.49%和2.94%,轮重减载率降幅分别为3.41%和7.68%;新型钢轨焊缝保护装置在各速度条件下均能够有效地减小焊缝振动和动态受力。由此可见,采用新型钢轨焊缝保护装置,可消除打螺栓孔带来的安全隐患,有效减小焊缝处的动力响应,加强焊缝处的轨道结构整体性。现场动态测试结果进一步验证了新型钢轨焊缝保护装置结构的合理性。

关键词：钢轨焊缝新型钢轨焊缝保护装置轮轨相互作用动力学特性现场测试

《钢轨焊缝探伤》课程思政案例研究——以陕西铁路工程职业技术学院为例

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产业与科技论坛 2023年第16期22卷 196-198页

作者：郑晓珣陕西铁路工程职业技术学院

《钢轨探伤》是面向铁道工程技术专业开设的一门专业核心课程,《钢轨焊缝探伤》是该课程的重点内容,主要讲授焊接缺陷类型、焊缝仪器介绍、探头扫查原理及焊缝探伤演练等内容。以该内容为例开发课程思政案例,在传授专业技能的同时,提高... 详细信息

《钢轨探伤》是面向铁道工程技术专业开设的一门专业核心课程,《钢轨焊缝探伤》是该课程的重点内容,主要讲授焊接缺陷类型、焊缝仪器介绍、探头扫查原理及焊缝探伤演练等内容。以该内容为例开发课程思政案例,在传授专业技能的同时,提高学生职业素养,实现“思政元素外显+学科知识内化”的教学目标,在更好发挥隐性育人功能的同时,落实立德树人的根本任务[1]。

关键词：钢轨焊缝课程思政教学改革

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钢轨焊缝的相控阵超声定点扫查工艺研究

铁道科学与工程学报 2018年第8期15卷 2148-2154页

作者：陈选民文晟广州铁路职业技术学院轨道交通学院广东广州510430 华南农业大学工程学院广东广州510642

利用相控阵超声扇形扫描对钢轨焊缝进行快速扫查,通过计算超声波在楔块-工件界面的透射率,确定扇形扫描角度范围,进而研究钢轨焊缝的定点扫查工艺,设计专用位置标示尺。使用钢轨标准试块进行试验验证发现,相控阵扫描角度设置在30°~70... 详细信息

利用相控阵超声扇形扫描对钢轨焊缝进行快速扫查,通过计算超声波在楔块-工件界面的透射率,确定扇形扫描角度范围,进而研究钢轨焊缝的定点扫查工艺,设计专用位置标示尺。使用钢轨标准试块进行试验验证发现,相控阵扫描角度设置在30°~70°之间,位置标示尺标定10个位置即可实现试块的全面检测。本方法可以有效提高钢轨焊缝的检测效率,降低检测缺陷识别难度,同时可以将检测图像进行对比分析,具有可追溯性。

关键词：钢轨焊缝相控阵超声定点扫查扇形扫描

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钢轨焊缝热处理底部三角区温度控制与改进

铁路采购与物流 2023年第6期18卷 57-58页

作者：白永包钢中铁轨道有限责任公司

介绍了钢轨焊缝热处理的现状，结合当前焊缝热处理实际情况，通过研究与分析检测焊缝金相组织等，提出改进焊缝热处理轨底温度差异，解决因轨底晶粒不均匀而引起的探伤回声波超标问题的思路。

关键词：钢轨焊缝热处理轨底温差控制

城市轨道交通钢轨焊缝双轨同步全断面打磨检测新技术研究

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运输经理世界 2022年第32期 16-18页

作者：徐明发中铁上海工程局集团(苏州)轨道交通科技研究院有限公司江苏苏州215100

为了提高钢轨焊缝打磨的施工效率,针对城市轨道交通钢轨采用人工焊缝打磨效率低、时间长、质量难以保障等这一现状,研发了钢轨焊缝双轨同步全断面打磨检测新技术,实现了打磨车在钢轨上行进,自动化打磨钢轨焊缝,自动装夹、半自动化卸落钢... 详细信息

为了提高钢轨焊缝打磨的施工效率,针对城市轨道交通钢轨采用人工焊缝打磨效率低、时间长、质量难以保障等这一现状,研发了钢轨焊缝双轨同步全断面打磨检测新技术,实现了打磨车在钢轨上行进,自动化打磨钢轨焊缝,自动装夹、半自动化卸落钢轨,自动收放电缆线,双人手动操作施工,整机机械化状态调整,根据不同的焊缝高度执行不同的打磨方案,最大化节约了钢轨焊缝打磨的机械与人工成本。

关键词：城市轨道交通钢轨焊缝全断面打磨检测车新技术研究

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相控阵钢轨焊缝检测系统的开发运用研究

技术与市场 2022年第11期29卷 10-14页

作者：李剑张国强张伟徐鹏程赵波王祯李曦大秦铁路股份有限公司朔州工务段山西太原030013 北京主导时代科技有限公司北京100070

随着我国铁路里程的跨越式增长及列车运行速度的不断提高,对钢轨状态提出了更高的要求。焊缝作为长钢轨的关键节点,直接关系到列车运行安全。基于相控阵超声技术及常规超声组合探伤技术,设计相控阵钢轨焊缝检测系统,通过合理的超声探头... 详细信息

随着我国铁路里程的跨越式增长及列车运行速度的不断提高,对钢轨状态提出了更高的要求。焊缝作为长钢轨的关键节点,直接关系到列车运行安全。基于相控阵超声技术及常规超声组合探伤技术,设计相控阵钢轨焊缝检测系统,通过合理的超声探头布局,对钢轨焊缝进行全覆盖检测和检测结果直观化显示。提出相控阵钢轨焊缝检测系统的解决方案,以提高焊缝检测效率,减少作业人员工作量,提高焊缝检测质量。

关键词：相控阵超声钢轨焊缝探伤

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基于水平集的钢轨焊缝区域定位方法

应用科学学报 2021年第2期39卷 281-292页

作者：刘星武熊邦书廖峰陈新云南昌航空大学江西省图像处理与模式识别重点实验室江西南昌330063 中航工业洪都飞机设计研究所江西南昌330024 中航通飞研究院有限公司广东珠海519040

针对现有钢轨焊缝错边量测量方法在不同光照环境下适应能力不强、定位精度不高、稳定性不好的问题,提出了基于水平集的钢轨焊缝区域定位方法。首先,采用水平集对预处理后的焊缝图像进行轮廓分割,将焊缝与轨腰、轨头和背景进行分离;其次... 详细信息

针对现有钢轨焊缝错边量测量方法在不同光照环境下适应能力不强、定位精度不高、稳定性不好的问题,提出了基于水平集的钢轨焊缝区域定位方法。首先,采用水平集对预处理后的焊缝图像进行轮廓分割,将焊缝与轨腰、轨头和背景进行分离;其次,采用面积排序和连通域相结合的方法排除轮廓干扰,实现焊缝轮廓的粗定位;再次,采用两次排序法实现焊缝轮廓的精定位;最后,对焊缝轮廓中横坐标采用排序法实现钢轨焊缝区域的自动定位。通过模拟不同的光照环境,对60 kg/m钢轨焊缝区域进行定位实验,验证了该方法具有适应能力强、精度高和稳定性好的优点,可用于焊轨基地焊缝错边量的自动检测。

关键词：钢轨焊缝自动定位水平集焊缝区域排序法