详情

原文传递涡流脉冲热成像检测铁轨滚动接触疲劳的方法研究

论文题名：	涡流脉冲热成像检测铁轨滚动接触疲劳的方法研究
关键词：	铁路钢轨;滚动接触疲劳;裂纹分布;无损检测;涡流脉冲热成像
摘要：	步入21世纪，铁路作为重要的交通运输工具，迎来了蓬勃发展机遇。钢轨滚动接触疲劳裂纹(RCF)存在于各类铁路钢轨中的一种普遍的安全隐患，备受关注。在重载运输铁路中直接导致钢轨维护和更换量的增加，在高铁领域，由于缺乏足够的检测时间而成为铁路安全的重要隐患。本论文旨在研究和改善一种新颖的兼具涡流和热成像优势的无损检测方法——涡流脉冲热成像方法，开展早期钢轨RCF裂纹检测，提高钢轨运营安全性。　　钢轨RCF裂纹分布在钢轨轨面表层，向轨头以一定倾角度生长且密集分布，对常规的钢轨探伤技术，如超声、电磁方法都面临巨大的挑战。本文基于涡流脉冲热成像方法，研究钢轨RCF裂纹的特征，以角度裂纹模型为基础，基于仿真和实验方法开展热响应特征研究和验证;在此基础上，提出了闭合型角度裂纹模型，研究自然RCF裂纹存在的局部接触、受力形变等问题;其次针对自然裂纹存在方向随机性和裂纹缝隙的异物填充对热特征的影响开展研究，进一步验证了自然裂纹的温度场特征;最后，开展了钢轨自然RCF缺陷的检测和热特征提取和验证实验。　　论文的主要贡献如下: 　　(1)分析了涡流脉冲热成像方法理论基础，以铁磁性材料表面开口裂纹为例，分析了表面裂纹的热传导模型，缺陷的检测机理，涡流密度分布和焦耳热产生以及热传导过程，提取了垂直裂纹和角度裂纹的温度瞬态特征、空间温度分布特征，实现了裂纹的检测。设计并搭建了涡流脉冲热成像实验系统，完成角度裂纹试块的实验和验证。　　(2)分析钢轨RCF裂纹特征，研究角度裂纹仿真模型，开展了实验验证工作。基于仿真和实验，研究了赫姆霍兹线圈激励产生均匀场，验证了角度裂纹在均匀激励场作用下的温度瞬态特征和空间温度场分布特征。同时，对比研究了均匀激励场和非均匀激励场激励缺陷，结果表明采用均匀激励场可以提高涡流脉冲热成像的检测效率，增强角度裂纹的热特征提取的鲁棒性。　　(3)提出了闭合型角度裂纹模型，对既有的角度裂纹进行完善。采用闭合型角度裂纹模型研究自然RCF裂纹中裂纹闭合接触或异物填充形成弱导通状态，根据仿真和实验研究结果，采用等温曲线分析和提取了表面温度场分布特征，并初步对小于3mm的闭合型角度裂纹实现量化。　　(4)针对传统的人工缺陷裂纹模型以空气填充存在的不足，结合钢轨裂缝中第3种介质存在的特点，采用铁锈作为填充物质研究了自然滚动接触疲劳裂纹的电磁热特性，验证了其空间温度分布梯度的角度特征不变性，进一步完善了角度裂纹的研究模型。　　(5)最后应用钢轨RCF裂纹开展了基于涡流脉冲热成像方法的检测和特征验证工作。　　总之，围绕着钢轨滚动接触疲劳裂纹的检测，研究了涡流脉冲热成像方法，研究取得了一系列相互映证的初步结果，该研究将有助于完善对自然裂纹对于检测结果的影响，增进对涡流脉冲热成像方法的机理认识。
作者：	彭建平
专业：	电磁场与微波技术
导师：	林文斌
授予学位：	博士
授予学位单位：	西南交通大学
学位年度：	2015
正文语种：	中文