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，鐵路作為重要的交通運輸工具，迎來了蓬勃發(fā)展機遇。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。在重載運輸鐵路中直接導致鋼軌維護和更換量的增加，在高鐵領(lǐng)域，由于缺乏足夠的檢測時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)，基于仿真和實驗方法開展熱響應特征研究和驗證;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性和裂紋縫隙的異物填充對熱特征的影響開展研究，進一步驗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、特征提取和驗證實驗。
　　論文的主要貢獻如下:
　　(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模型，缺陷的檢測機理，渦流密度分布和焦耳熱產(chǎn)生以及熱傳導過程，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，實現(xiàn)了裂紋的檢測。設計并搭建了渦流脈沖熱成像實驗系統(tǒng)，完成角度裂紋試塊的實驗和驗證。
　　(2)分析鋼軌RCF裂紋特征，研究角度裂紋仿真模型，開展了實驗驗證工

4、作?；诜抡婧蛯嶒?，研究了赫姆霍茲線圈激勵產(chǎn)生均勻場，驗證了角度裂紋在均勻激勵場作用下的溫度瞬態(tài)特征和空間溫度場分布特征。同時，對比研究了均勻激勵場和非均勻激勵場激勵缺陷，結(jié)果表明采用均勻激勵場可以提高渦流脈沖熱成像的檢測效率，增強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通狀態(tài)，根據(jù)仿真和實驗研究結(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，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，驗證了其空間溫度分布梯度的角度特征不變性，進一步完善了角度裂紋的研究模型。
　　(5)最后應用鋼軌RCF裂紋開展了基于渦流脈沖熱成像方法的檢測和特征驗證工作。
　　總之，圍繞著鋼軌滾