[發明專利]一種電磁無損表征鋼軌滾動接觸疲勞裂紋簇三維尺寸的方法

在審

• 申請號: 202110243907.0
• 申請日: 2021-03-05
• 公開（公告）號: CN113030187A
• 公開（公告）日: 2021-06-25
• 發明（設計）人: 申嘉龍;劉萌;董春鑫;鄺惟創;何銘陽;羅天霖;李義兵;孟征兵
• 申請（專利權）人: 桂林理工大學
• 主分類號: G01N27/00
• 分類號: G01N27/00;G01N27/82;G01B7/02;G01B7/26;G01B7/14;G01B7/30
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本發明公開了一種電磁無損表征鋼軌滾動接觸疲勞裂紋簇三維尺寸的方法。該方法借助X方向感應磁場(Bx信號)補償技術，表征裂紋簇長度，深度，角度以及裂紋間距。該方法基于交流電磁場檢測技術，檢測探頭平行于裂紋長度方向并與水平方向呈45°夾角，掃描過裂紋中心點，得到Bx與Bz電磁信號。利用有限元模型建立電磁信號?裂紋尺寸數據庫，考慮淺裂紋對Bx信號的影響，輸入裂紋Bz與Bx信號，得到相應的裂紋簇長度，深度，角度以及裂紋間距信息。該發明解決鋼軌維護過程中無法準確判斷裂紋簇尺寸導致過度打磨的問題，為鋼軌維護提供定量數據，延長鋼軌使用壽命，減少鐵路維護周期和成本。

技術領域

本發明涉及一種電磁無損表征鋼軌滾動接觸疲勞裂紋簇三維尺寸的方法，屬于電磁無損檢測應用范圍，同時服務于軌道交通系統。

技術背景

滾動接觸疲勞裂紋是導致鐵路定期維護打磨的主要原因之一，由鋼軌與車輪之間不斷重復的多軸應力造成。裂紋通常呈簇狀排列(見附圖1)，以10-30°夾角向鋼軌內部擴展，當擴展到極限深度(5mm)時，裂紋會急速向鋼軌內部擴展，造成鋼軌斷裂；或者向上發展，與相鄰裂紋相交，造成鋼軌表面剝落。從鋼軌維護的角度來說，需要定期對鋼軌進行打磨，在裂紋達到極限深度之前將其打磨消除。現有的鋼軌打磨方法主要依靠經驗性方式，維護成本高，鋼軌打磨深度不準確。如果研磨程度較輕，裂紋無法完全消除，造成裂紋繼續向鋼軌內部擴展，引發鋼軌斷裂；如果研磨程度較大，鋼軌材料損失較多，縮短鋼軌的使用周期，加大鐵路運營成本。為了防止鋼軌過度打磨，需要準確測量滾動接觸疲勞裂紋簇的三維尺寸，包括裂紋表面長度、口袋深度、垂直深度、垂直角度以及裂紋間距等(見附圖2)，科學制定打磨計劃及維護周期。

交流電磁場測量技術基于肌膚效應，具有設備輕巧，非接觸，高效快捷，耐高溫，耐腐蝕等特點，是廣泛應用于深海鉆井平臺，石油管道，壓力容器，大型金屬設備，鋼軌材料等金屬構件表面缺陷檢測的電磁無損表征技術。一般情況下交流電磁場測量探頭沿著裂紋的表面長度進行掃描，從而在金屬表面引入垂直于裂紋長度方向的均勻交流電場，裂紋缺陷的存在會擾亂電場的均勻分布，迫使電流向裂紋兩端以及裂紋面流動，同時探頭檢測到由該電場引起的磁場變化，產生Bx(可表征裂紋擴展深度，口袋深度)以及Bz(可表征裂紋表面長度及垂直角度)信號，通過反饋信號判斷裂紋的位置以及尺寸。

現有的交流電磁場測量方法多應用于單條滾動接觸疲勞裂紋的尺寸，對裂紋簇的定量三維尺寸表征技術未見報道；如果將單條裂紋的檢測技術和算法運用到裂紋簇的表征上，會導致較大的測量誤差，無法提供準確的裂紋尺寸信息；同時，對于淺裂紋(垂直角度小于30°)而言，現有的檢測技術沒有考慮Bx信號補償量，無法準確表征其三維尺寸。本發明基于現有的交流電磁場測量技術，利用X方向感應磁場(Bx信號)補償技術，提出測量滾動接觸疲勞裂紋簇的方法，表征裂紋簇長度，深度，角度，裂紋間距等信息，為鋼軌打磨提供定量分析數據，改進鋼軌維護制度，延長鋼軌生命周期，提高鐵路使用安全性。

發明內容

基于交流電磁場測量技術，測量探頭方向與裂紋簇表面長度平行，以與表面長度呈45°夾角方向對裂紋簇進行掃描，并穿過裂紋表面長度中心點，取得Bx與Bz信號，見附圖3。建立有限元模型模擬計算不同長度，深度，裂紋間距等裂紋簇的電磁信號響應，建立電磁信號-裂紋簇尺寸數據庫。根據實際測量得到的z信號確定裂紋簇的垂直角度，根據垂直角度確定Bx信號補償量，最終計算得到裂紋簇長度，深度，角度以及裂紋間距等信息，方法流程見附圖4。

本發明方法具體實施步驟如下：

1.建立有限元模型，計算不同長度，深度，角度以及裂紋間距的滾動接觸疲勞裂紋簇電磁信號，建立電磁信號-裂紋三維尺寸數據庫。

2.基于交流電磁場測量技術，測量探頭方向與裂紋簇表面長度平行，以與表面長度呈45°夾角方向對裂紋簇進行掃描，并穿過裂紋表面長度中心點，取得Bx與Bz信號。

3.在數據庫中，根據Bz信號得到對應的垂直角度，由垂直角度確定Bx信號補償量，計算得到最終修正的Bx電磁信號。