CN109596657A - 高速动车组走行部运动部件早期缺陷扩展诊断方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种高速动车组走行部运动部件早期缺陷扩展诊断方法。该方法将同步辐射技术、原位扫描电子显微技术、电子衍射技术等已经比较成熟的技术组合运用，可以有效的识别判断高速动车组走行部运动部件早期微观缺陷及其在受力状态下的扩展情况，并进一步通过ABAQUS等有限元仿真模拟软件可以有效预测缺陷扩展趋势。所述方法区别于传统的故障诊断技术，从材料微观层面上解释了高速动车组走行部运动部件缺陷扩展机理。

Description

高速动车组走行部运动部件早期缺陷扩展诊断方法
技术领域
本发明涉及高速动车组走行部运动部件早期缺陷扩展诊断方法以及高速动车组部件服役寿命预测领域，尤其涉及一种高速动车组走行部运动部件早期缺陷扩展诊断方法。
背景技术
走行部运动部件是高速列车车辆最重要的组成部件之一，其服役可靠性将直接影响列车的运行安全，影响旅客的生命财产安全。近年来,在国内外经常有因走行部运动部件中某一环节出现故障而造成的灾难性事故发生，其中包括齿轮箱体出现裂纹，断裂等引起的事故。因此急需研究有效的故障诊断方法。近年来，国内外学者针对高速铁路车辆走行部运动部件的振动特性进行的研究相对较多，主要是利用传感器获取的振动信号作特征提取，再结合神经网络、支持向量机等学习算法进行故障预测；而基于高速列车应用环境下走行部运动部件制造的早期缺陷及其在服役过程中的扩展研究较少。对于在受力状态下高速动车组走行部运动部件制造缺陷及其扩展机理并不清楚，因此急需提出一种可以诊断高速动车组走行部运动部件早期缺陷及其扩展的方法。
高速动车组走行部运动部件各部分在制造之初，早期缺陷是不可避免的，而且这种早期缺陷在高速动车组走行部运动部件服役过程中是不断扩展的，演化的过程除了和受力方向有关，还与材料的微观结构组织如共晶相及晶相的取向等有关。随着缺陷扩展最终导致走行部运动部件报废，缩短使用寿命，甚至造成运行事故。因此检测高速动车组走行部运动部件早期缺陷，预测早期缺陷扩展趋势，对保障高速动车组车辆的服役安全和高速动车组列车安全稳定运行具有重要意义，对高速动车组走行部运动部件内部早期缺陷检测和缺陷扩展诊断将成为高速动车组走行部运动部件安全评价的首要环节。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例提供了一种可以检测高速动车组走行部运动部件早期缺陷及其扩展趋势，以解决高速动车组走行部运动部件早期微观缺陷及其扩展诊断的问题。
本发明实施例提供了一种高速动车组走行部运动部件早期缺陷扩展诊断方法，包括：
(1)锁定早期缺陷：观察微裂纹三维扩展趋势，利用可以观察材料内部结构状况的无损检测手段，得到高速动车组走行部运动部件三维立体结构数据，并利用Amira等相关软件对所得数据进行三维重构，检测走行部运动部件在三维结构下早期缺陷及微裂纹萌生和扩展；
(2)运动部件微缺陷定位：利用原位扫描电子显微镜(SEM)观测走行部运动部件在静载下的微缺陷萌生及扩展，确定微缺陷萌生位置；
(3)易断裂区定位及预判:利用能谱分析(EDS)对缺陷贯穿区进行成分分析，确定缺陷贯穿区主要材料成分；
(4)易断裂区晶相定位：利用电子背散射衍射(EBSD)和透射电子显微镜(TEM)技术确定沿缺陷扩展区的成分晶相，晶相的取向及晶格错配度；
(5)缺陷扩展预测：利用仿真模拟软件，分析走行部运动部件受到的外部载荷在不同温度下与内部缺陷扩展的关系，预测部件早期缺陷扩展趋势以及温度对早期缺陷扩展的影响并与原位SEM实验所得结果对比。
可选的，所述早期缺陷包括：裂纹类缺陷、收缩类缺陷、夹杂类缺陷(针状杂质、硅颗粒、掺杂金属颗粒等)以及气孔(针孔)类缺陷等。
可选的，所述观察材料内部状况的无损检测手段中，包括但不限于同步辐射、中子散射、工业核成像技术(CT)等。
可选的，所述高速动车组走行部运动部件包括但不限于轮对、轴箱、轴承、构架、齿轮箱、联轴节、万向轴、各种悬吊机构、闸瓦、一系悬挂装、二系悬挂装置等。
可选的，所述仿真模拟软件包括但不限于ABAQUS、FRANC2D/L、ANSYS、MSC、LS-DYNA、DEFORM等。
可选的，所述外部载荷包括：浮沉载荷0―90KN；侧滚载荷0―60KN；横向载荷0―150KN；扭转载荷0―60KN；齿轮箱载荷0―90KN。
可选的，所述温度范围为-60℃―120℃
本发明的有益效果在于，将原位SEM、同步辐射、EDS、EBSD等已经比较成熟的技术组合运用，从微观角度解释了高速动车组走行部运动部件在受到外部载荷及不同温度下，早期缺陷的扩展趋势、不同的材料成分在缺陷扩展过程中所起到的作用以及缺陷扩展和材料晶相的关系，可以有效的识别判断高速动车组走行部运动部件早期微观缺陷及其在受力状态下的扩展情况，并进一步通过仿真模拟软件可以有效预测缺陷扩展趋势。
附图说明
图1是本发明实施例1中提供的检测方法流程示意图；
图2是实施例1中同步辐射数据三维重构图；
图3是实施例1中微裂纹三维扩展趋势图；
图4是实施例1中原位SEM不同载荷下裂纹扩展对比；
图5是实施例1中能谱分析成分图；
具体实施方式
以下是具体实施例，以高速动车组齿轮箱体为例进一步阐述本发明。应理解为，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，对本发明进行任何改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
实施例一
S101:锁定早期缺陷，观察微裂纹三维扩展趋势：利用同步辐射技术，得到齿轮箱体三维立体结构数据，并利用Amira等相关软件对所得数据进行三维重构，确定铸造气孔等早期缺陷在试件中的位置以及检测齿轮箱体在三维结构下的缺陷及微裂纹萌生和扩展；
S102:箱体微缺陷定位：利用原位SEM观测齿轮箱体材料在不同静载拉力下的微裂纹萌生及扩展；
S103:易断裂区定位及预判:利用能谱分析(EDS)对裂纹贯穿区进行成分分析，确定裂纹贯穿区主要材料成分，包括齿轮箱体材料的主要成分及可能存在的杂质：铝(Al)、硅(Si)镁(Mg)、铁(Fe)、铜(Cu)、锌(Zn)、锰(Mn)、铍(Be)、锡(Sn)、铅(Pb)、钇(Y)；
S104:易断裂区晶相定位：利用EBSD和TEM技术确定沿裂纹扩展区的成分晶相，晶相的取向及晶格错配度；
S105:裂纹扩展预测：根据之前实验所得建立模型，利用仿真模拟软件ABAQUS，分析齿轮箱体受到的外部载荷及温度与早期缺陷扩展的关系，预测裂纹扩展趋势与原位SEM实验所得结果对比。
实施例二
S201:箱体微缺陷定位：利用原位SEM观测齿轮箱体材料在不同静载拉力下的微裂纹萌生及扩展；
S202:易断裂区定位及预判:利用能谱分析(EDS)对裂纹贯穿区进行成分分析，确定裂纹贯穿区主要材料成分，包括齿轮箱体材料的主要成分及可能存在的杂质：铝(Al)、硅(Si)镁(Mg)、铁(Fe)、铜(Cu)、锌(Zn)、锰(Mn)、铍(Be)、锡(Sn)、铅(Pb)、钇(Y)；
S203:易断裂区晶相定位：利用EBSD和TEM技术确定沿裂纹扩展区的成分晶相，晶相的取向及晶格错配度；
S204:裂纹扩展预测：根据之前实验所得建立模型，利用有限元仿真模拟软件FRANC2D/L，分析齿轮箱体受到的外部载荷及温度与早期缺陷扩展的关系，预测裂纹扩展趋势与原位SEM实验所得结果对比。
总之，本发明不同于传统的通过提取振动信号利用不同的算法进行故障预测的方法，而是从微观角度解释了高速动车组走行部运动部件在受到外部载荷以及在不同温度下，早期缺陷的扩展趋势、不同的材料成分在缺陷扩展过程中所起到的作用以及缺陷扩展和材料晶相的关系，可以有效的识别判断走行部运动部件早期微观缺陷及其在受力状态下的扩展情况，并进一步通过仿真模拟软件可以有效预测缺陷扩展趋势。

Claims (7)

1.一种高速动车组走行部运动部件早期缺陷扩展诊断方法，其特征在于：包括如下步骤：
(1)锁定早期缺陷，观察微裂纹三维扩展趋势：利用可以观察材料内部结构状况的无损检测手段，得到高速动车组走行部运动部件三维立体结构数据，并利用Amira等相关软件对所得数据进行三维重构，检测走行部运动部件在三维结构下早期缺陷及微裂纹萌生和扩展趋势；
(2)运动部件微缺陷定位：利用原位SEM观测走行部运动部件在静载下的微缺陷萌生及扩展，确定微缺陷萌生位置；
(3)易断裂区定位及预判：利用能谱分析(EDS)对缺陷贯穿区进行成分分析，确定缺陷贯穿区主要材料成分；
(4)易断裂区晶相定位：利用EBSD和TEM技术确定沿缺陷扩展区的成分晶相，晶相的取向及晶格错配度；
(5)缺陷扩展预测：利用仿真模拟软件，分析走行部运动部件受到的外部载荷在不同温度下与内部缺陷扩展的关系，预测部件早期缺陷扩展趋势以及温度对早期缺陷扩展的影响并与原位SEM实验所得结果对比。
2.如权利要求1所述的高速动车组走行部运动部件早期缺陷扩展诊断方法，其特征在于：所述早期缺陷包括：裂纹类缺陷、收缩类缺陷、夹杂类缺陷以及气孔类缺陷，夹杂类缺陷包括针状杂质、硅颗粒或掺杂金属颗粒。
3.如权利要求1所述的高速动车组走行部运动部件早期缺陷扩展诊断方法，其特征在于：观察材料内部状况的无损检测手段中，包括同步辐射、中子散射或工业CT。
4.如权利要求1所述的高速动车组走行部运动部件早期缺陷扩展诊断方法，其特征在于：所述高速动车组走行部运动部件包括轮对、轴箱、轴承、构架、齿轮箱、联轴节、万向轴、各种悬吊机构、闸瓦、一系悬挂装置和二系悬挂装置。
5.如权利要求1所述的高速动车组走行部运动部件早期缺陷扩展诊断方法，其特征在于：所述仿真模拟软件包括ABAQUS、FRANC2D/L、ANSYS、MSC、LS-DYNA以及DEFORM。
6.如权利要求1所述的高速动车组走行部运动部件早期缺陷扩展诊断方法，其特征在于：所述外部载荷包括：浮沉载荷0―90KN；侧滚载荷0―60KN；横向载荷0―150KN；扭转载荷0―60KN以及齿轮箱载荷0―90KN。
7.如权利要求1所述的高速动车组走行部运动部件早期缺陷扩展诊断方法，其特征在于：所述温度范围为-60℃―120℃。
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