CN114543656B - 基于交流电磁场的铁轨非对称性裂纹扩展形状重构的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于交流电磁场的铁轨复杂非对称性表面裂纹扩展形状重构的方法。该方法基于已有的交流电磁场测量技术，利用便携式探头，在裂纹表面长度方向上进行网格化扫描，获取裂纹表面长度数据点对应的裂纹口袋深度信息。通过已有的交流电磁场Bx信号‑裂纹信息数据库，计算口袋深度。以口袋深度为纵坐标，裂纹表面长度为横坐标，绘制裂纹口袋深度数据图，连接口袋深度数据点，最终重构铁轨内部裂纹扩展的复杂形状。通过本发明所阐述的方法可以快速、准确地表征裂纹复杂非对称性扩展形状，提供裂纹全面地尺寸信息，减少铁路运行维护成本，保证铁路运输安全。本方法能够代替现有的以经验性判断或者复杂数学模型计算为主的裂纹尺寸表征方法。
Description
技术领域
本发明涉及一种高铁钢轨滚动接触疲劳裂纹扩展形状重构的交流电磁场表征方法，属于电磁无损检测应用范围，同时服务于铁路运输系统。
技术背景
交流电磁场测量技术基于肌肤效应，具有非接触式测量的特点，可以检测并表征石油钻井平台、石油管道、发电厂以及铁路等大型金属基础设施的表面裂纹。标准的交流电磁场测量便携式探头由一个横向的电磁激励线圈以及两个正交的电磁感应线圈组成。激励线圈可以在被检测金属材料表面激发均匀的感应交流电场，表面裂纹扰乱感应电场的均匀分布，感应线圈可探测到由此产生的Bx和Bz两个电磁场分量，从而可以测量出裂纹的口袋深度和表面长度。在实际测量过程中，测量探头需要平行于裂纹长度方向，并沿着该方向移动，收集到可用于尺寸测量的信号信息。交流电磁场测量技术原理及表面裂纹示意图见附图1。
滚动接触疲劳裂纹是典型的高速铁路钢轨表面缺陷之一。裂纹通常是由列车载荷周期性多轴牵引力引起，继而以10-30°的小角度向铁轨内部扩展，最终到达临界深度(一般为5mm)引发铁轨断裂的严重安全事故。因此，铁轨需要定期维护，将滚动接触疲劳裂纹打磨消除。裂纹的尺寸，扩展角度以及在铁轨内部的扩展形状决定了钢轨打磨的深度，是重要的钢轨维护数据。
交流电磁场测量技术便携式探头目前可以用来测量单条以及均匀排列的多条滚动接触疲劳裂纹的表面长度和口袋深度，另外裂纹的垂直角度可用Bz信号的波谷与波峰的比值来确定。这些方法表征较小尺寸(表面长度小于10mm)的滚动接触疲劳裂纹，可以获得较好的结果。截取带有裂纹的一段铁轨，将其垂直分成几个截面，可以看到实际的裂纹扩展形状(见附图2)。尺寸较大(中度-重度)的裂纹，其扩展形状会偏离半椭圆形，发展成为复杂的非对称裂纹形状，例如，裂纹面扩展超出裂纹表面长度部分。如果将单条裂纹或者均匀多条裂纹的检测方法以及相应的尺寸算法运用到复杂非对称形状裂纹，会导致较大的误差，无法有效表征裂纹尺寸信息。本发明基于交流电磁场测量技术，利用Bx信号以及网格扫描检测方法，提出一种高铁钢轨滚动接触疲劳裂纹扩展形状重构的方法，全面揭示裂纹三维尺寸，为钢轨打磨提供定量分析数据，改进钢轨维护制度，延长钢轨生命周期，提高铁路使用安全性。
发明内容
基于交流电磁场测量技术，便携式测量探头方向平行于裂纹表面长度，以裂纹表面长度一端为起点开始网格化扫描，直到探头到达裂纹表面长度另一端点，取得交流电磁场测量Bx信号。建立有限元模型模拟计算不同长度、深度裂纹的电磁信号响应，建立电磁信号-裂纹尺寸数据库。根据实际测量得到的Bx信号计算得到对应的裂纹口袋深度数据，根据口袋深度数据，重构滚动接触疲劳裂纹扩展形状。方法流程见附图3。
本发明方法具体实施步骤如下：
1手持交流电磁场测量便携式探头，探头方向平行与裂纹表面长度方向，以裂纹表面长度一端为起点进行扫描，探头扫描方向垂直于裂纹表面长度方向，平行于感应电流方向，探头提离距离为0mm，既探头面与铁轨表面距离为0，获得裂纹一端点的Bx信号值Bx1。
2在距离端点1mm的位置开始实施第二次扫描，探头扫描方向垂直于裂纹表面长度方向，平行于感应电流方向，获取第二次扫描Bx信号值Bx2，
3重复步骤2描述方法，对整个裂纹长度进行网格化扫描，直到便携式探头到达裂纹的另一端点，得到检测信号Bxi(i＝1，2，3，……)。扫描方法见附图4。
4利用有限元模型求解得出裂纹不同口袋深度对应的Bx信号值，建立数据库。
5将检测信号Bxi输入数据库，自动计算得到对应的口袋深度Pi。以Pi为纵坐标，裂纹表面长度为横坐标，绘制裂纹口袋深度数据图，连接口袋深度数据点，重构裂纹扩展形状。
附图说明
图1为交流电磁场测量技术原理及铁轨滚动接触疲劳裂纹示意图
图2为铁轨剖面展示出裂纹复杂非对称扩展形状
图3为本发明专利裂纹复杂非对称扩展形状重构流程图
图4为本发明专利的便携式交流电探头网格化扫描方法
图5为本发明专利实施案例中选取的复杂非对称裂纹扩展形貌示意图
图6为采用常规检测方法测量的复杂非对称裂纹形貌结果
图7为采用本发明专利权力要求的方法与步骤测量的复杂非对称裂纹形貌结果
具体实施方式
本发明旨在提出一种基于交流电磁场的高铁钢轨滚动接触疲劳裂纹扩展形状重构的方法。该方法基于已有的交流电磁场测量技术，利用便携式探头，在裂纹表面长度方向上进行网格化扫描，获取裂纹表面长度数据点对应的裂纹口袋深度信息。通过已有的交流电磁场Bx信号-裂纹信息数据库，计算口袋深度。以口袋深度为纵坐标，裂纹表面长度为横坐标，绘制裂纹口袋深度数据图，连接口袋深度数据点，最终绘制铁轨内部裂纹扩展的复杂形状。已有的检测方法只能给出单一点的裂纹深度信息，无法准确表征裂纹的最大深度；或者靠复杂的数学模型、算法重构裂纹形状。通过本发明所阐述的方法可以快速、准确地表征裂纹复杂非对称性扩展形状，提供裂纹全面地尺寸信息。为铁路系统钢轨维护提供理论定量分析，确定钢轨定期打磨深度目标量，做到有的放矢。本方法能够代替现有的以经验性判断为主的维护制度，极大的延长钢轨使用寿命，减少铁路运行维护成本；同时更好的保证铁路运输安全性，对人民财产安全起到预防性保护作用，将火车脱轨风险降到最低。
选取复杂非对称裂纹1和裂纹2为检测对象，裂纹形状见附图5。在实验室条件下，利用常规的交流电磁场测量便携式探头，采用常规的检测方法进行扫描测量，标准的半椭圆形裂纹作为参考值，测量结果见附图6。裂纹1、裂纹2和半椭圆形裂纹的表面长度以及最长口袋深度相同。图中可以看出，三条裂纹的Bx值存在一定差异，由此Bx值计算出的口袋深度与实际值存在偏差。重要的是，常规检测方法不能检测出裂纹1和裂纹2的非对称扩展形状，无法全面表征裂纹形态。
附图7展示了按照本发明专利实施步骤1-5说明的方法，重构复杂非对称裂纹扩展形状结果。网格化扫描结果得到的Bx值的变化趋势与实际裂纹的形态一直，利用测量得到的Bx值，可以得到准确的口袋深度值，误差小于10％。说明利用本发明专利权力要求的方法和步骤可以很好的重构复杂非对称裂纹的扩张形貌。
Claims (1)
1.一种基于交流电磁场的铁轨复杂非对称性表面裂纹扩展形状重构的方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
(1)手持交流电磁场测量便携式探头，探头方向平行于裂纹表面长度方向，以裂纹表面长度一端为起点进行扫描，探头扫描方向垂直于裂纹表面长度方向，平行于感应电流方向，探头提离距离为0mm，即探头面与铁轨表面距离为0，获得裂纹一端点的Bx信号值Bx1；
(2)在距离端点1mm的位置开始实施第二次扫描，探头扫描方向垂直于裂纹表面长度方向，平行于感应电流方向，获取第二次扫描Bx信号值Bx2，
(3)重复步骤2扫描方法，对整个裂纹长度进行网格化扫描，直到便携式探头到达裂纹的另一端点，得到检测信号Bxi(i＝1，2，3，……)；
(4)利用有限元模型求解得出裂纹不同口袋深度对应的Bx信号值，建立数据库；其中，建立有限元模型模拟计算不同长度、深度裂纹的电磁信号响应，建立电磁信号-裂纹尺寸数据库；
(5)将检测信号Bxi输入数据库，自动计算得到对应的口袋深度Pi；以Pi为纵坐标，裂纹表面长度为横坐标，绘制裂纹口袋深度数据图，连接口袋深度数据点，重构裂纹扩展形状。
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