渦流脈沖熱成像檢測鐵軌滾動接觸疲勞的方法研究.pdf

1、步入21世紀(jì)，鐵路作為重要的交通運(yùn)輸工具，迎來了蓬勃發(fā)展機(jī)遇。鋼軌滾動接觸疲勞裂紋(RCF)存在于各類鐵路鋼軌中的一種普遍的安全隱患，備受關(guān)注。在重載運(yùn)輸鐵路中直接導(dǎo)致鋼軌維護(hù)和更換量的增加，在高鐵領(lǐng)域，由于缺乏足夠的檢測時(shí)間而成為鐵路安全的重要隱患。本論文旨在研究和改善一種新穎的兼具渦流和熱成像優(yōu)勢的無損檢測方法——渦流脈沖熱成像方法，開展早期鋼軌RCF裂紋檢測，提高鋼軌運(yùn)營安全性。
　　鋼軌RCF裂紋分布在鋼軌軌面表層，向軌頭

2、以一定傾角度生長且密集分布，對常規(guī)的鋼軌探傷技術(shù)，如超聲、電磁方法都面臨巨大的挑戰(zhàn)。本文基于渦流脈沖熱成像方法，研究鋼軌RCF裂紋的特征，以角度裂紋模型為基礎(chǔ)，基于仿真和實(shí)驗(yàn)方法開展熱響應(yīng)特征研究和驗(yàn)證;在此基礎(chǔ)上，提出了閉合型角度裂紋模型，研究自然RCF裂紋存在的局部接觸、受力形變等問題;其次針對自然裂紋存在方向隨機(jī)性和裂紋縫隙的異物填充對熱特征的影響開展研究，進(jìn)一步驗(yàn)證了自然裂紋的溫度場特征;最后，開展了鋼軌自然RCF缺陷的檢測和熱

3、特征提取和驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。
　　論文的主要貢獻(xiàn)如下:
　　(1)分析了渦流脈沖熱成像方法理論基礎(chǔ)，以鐵磁性材料表面開口裂紋為例，分析了表面裂紋的熱傳導(dǎo)模型，缺陷的檢測機(jī)理，渦流密度分布和焦耳熱產(chǎn)生以及熱傳導(dǎo)過程，提取了垂直裂紋和角度裂紋的溫度瞬態(tài)特征、空間溫度分布特征，實(shí)現(xiàn)了裂紋的檢測。設(shè)計(jì)并搭建了渦流脈沖熱成像實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，完成角度裂紋試塊的實(shí)驗(yàn)和驗(yàn)證。
　　(2)分析鋼軌RCF裂紋特征，研究角度裂紋仿真模型，開展了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證工

4、作?；诜抡婧蛯?shí)驗(yàn)，研究了赫姆霍茲線圈激勵(lì)產(chǎn)生均勻場，驗(yàn)證了角度裂紋在均勻激勵(lì)場作用下的溫度瞬態(tài)特征和空間溫度場分布特征。同時(shí)，對比研究了均勻激勵(lì)場和非均勻激勵(lì)場激勵(lì)缺陷，結(jié)果表明采用均勻激勵(lì)場可以提高渦流脈沖熱成像的檢測效率，增強(qiáng)角度裂紋的熱特征提取的魯棒性。
　　(3)提出了閉合型角度裂紋模型，對既有的角度裂紋進(jìn)行完善。采用閉合型角度裂紋模型研究自然RCF裂紋中裂紋閉合接觸或異物填充形成弱導(dǎo)通狀態(tài)，根據(jù)仿真和實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果，采用

5、等溫曲線分析和提取了表面溫度場分布特征，并初步對小于3mm的閉合型角度裂紋實(shí)現(xiàn)量化。
　　(4)針對傳統(tǒng)的人工缺陷裂紋模型以空氣填充存在的不足，結(jié)合鋼軌裂縫中第3種介質(zhì)存在的特點(diǎn)，采用鐵銹作為填充物質(zhì)研究了自然滾動接觸疲勞裂紋的電磁熱特性，驗(yàn)證了其空間溫度分布梯度的角度特征不變性，進(jìn)一步完善了角度裂紋的研究模型。
　　(5)最后應(yīng)用鋼軌RCF裂紋開展了基于渦流脈沖熱成像方法的檢測和特征驗(yàn)證工作。
　　總之，圍繞著鋼軌滾