[发明专利]一种无损检测钢轨滚动接触疲劳裂纹扩展垂直深度的方法

说明书

本发明公开了一种无损检测钢轨滚动接触疲劳裂纹扩展垂直深度的方法。该方法能够解决钢轨维护打磨过程中凭借经验或者假设判断裂纹垂直深度的问题，为铁路系统钢轨维护提供定量理论分析，延长钢轨使用寿命，减少铁路运行维护成本。该方法基于现有的交流电磁场测量技术，测量探头需要与裂纹表面长度方向呈45°夹角对裂纹进行扫描，并过裂纹表面长度中心点，得到Bz信号，计算得出Bz波谷波峰比值，研究该比值与实际裂纹垂直角度关系，结合Bx信号给出的裂纹口袋深度计算得出裂纹的垂直深度。利用有限元模型求解得到不同表面和垂直角度的裂纹与Bz波谷波峰比值关系并建立数据库，输入裂纹表面长度，Bz波谷波峰比，可输出裂纹的垂直深度。

技术领域

本发明涉及无损探伤和轨道交通领域，具体涉及一种电磁无损表征钢轨滚动接触疲劳裂纹扩展垂直深度的方法。

背景技术

滚动接触疲劳裂纹是钢轨及车轮典型的表面缺陷之一，由钢轨与车轮不断重复的横向以及纵向牵引力造成。滚动接触疲劳裂纹通常以与水平方向呈10-30°的角度(垂直角度)向钢轨内部扩展(附图1)，当裂纹扩展达到疲劳极限时，裂纹会以较大的垂直角度向钢轨内部急速扩展，造成钢轨的断裂，极易引发火车脱轨事故。从钢轨维护的角度来说，需要定期对钢轨进行打磨，在裂纹达到极限深度之前将其研磨消除。钢轨打磨的前提条件是需要知道裂纹在钢轨内部的垂直扩展深度，才能科学定量地制定相应的打磨深度以及维护周期。在实际钢轨打磨应用中，裂纹的垂直深度往往是根据假设垂直角度已知来计算，或者是跟标准裂纹信号进行比对来判断。由于滚动接触疲劳裂纹形状存在随机的不规则性且多为裂纹簇排列，需要对裂纹尺寸测量的算法进行经验性的修正，维护成本高，钢轨研磨深度不准确。如果研磨程度较轻，裂纹无法完全消除，造成裂纹继续向钢轨内部扩展，引发钢轨断裂；如果研磨程度较大，钢轨材料损失较多，缩短钢轨的使用周期，加大铁路运营成本。

交流电磁场测量法是基于交流电肌肤效应的电磁无损检测技术，在全球范围内，该方法是广泛应用于深海钻井平台，石油管道，钢轨等金属构件表面缺陷检测的电磁无损检测技术之一。相比于其它无损检测技术，交流电磁场测量法具有非接触式，耐高温，耐腐蚀，高效快捷，设备小巧，经济实用等特点。一般情况下交流电磁场测量探头沿着裂纹的表面长度进行扫描，从而在金属表面引入垂直于裂纹长度方向的均匀交流电场，裂纹缺陷的存在会扰乱电场的均匀分布，迫使电流向裂纹两端以及裂纹面流动，同时探头检测到由该电场引起磁场的变化来判断裂纹的存在以及尺寸大小。由于电流沿裂纹面流动，造成穿过裂纹的磁场强度降低，使得交流电磁场测量法Bx信号出现波谷；通过x方向的磁场变化(Bx信号)可以测量出裂纹的扩展深度，既口袋深度，见附图1，附图2。电流顺时针及逆时针流过裂纹两端，造成磁场在z方向的波动，形成一正一负的磁场分布，使得交流电磁场测量法Bz信号出现波峰和波谷；通过Bz信号波峰波谷的距离可以测量裂纹的表面长度，附图2。

现有的交流电磁场测量方法只能检测出裂纹的表面长度以及口袋深度，而对于铁路维护来说，钢轨需要定期打磨消除滚动接触疲劳裂纹，迫切需要知道的测量参数是垂直扩展深度，附图1。本发明基于现有的交流电磁场测量技术，结合有限元模拟，提出测量裂纹垂直角度的方法，从而结合裂纹的口袋深度计算出裂纹的垂直深度，为钢轨打磨提供定量分析，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