基于涡流脉冲热成像的钢轨滚动接触疲劳裂纹检测

摘要

列车在钢轨上高速行进时，轮轨100m2的实际接触面积却要承受数十吨的载荷，加上轮轨之间的摩擦，很容易产生滚动接触疲劳裂纹，钢轨的滚动接触疲劳裂纹初始阶段只是表面开口的微裂纹，长度约1~2mm，逐渐会发展成斜向内的裂纹，最终形成钢轨核伤或隐伤，此时的裂纹长度已经可以达到20~30mm。　　本论文的研究对象为微裂纹和隐伤，基于涡流脉冲热成像的方法，分别从仿真和实验的角度研究了用不同线圈对裂纹的激励，以及不同长度裂纹的热特征差异，对比了试块上某些线段的温度特征，并选用了不同的算法进行了图像增强。　　本文主要开展了两项研究内容：　　(1)对于滚动接触疲劳裂纹的第一阶段，即微裂纹，在仿真中比较了微裂纹在直导线、螺旋导线激励下的温度场分布区别，在不同长度的微裂纹的响应中提取了线段进行对比分析，初步判断位于裂纹旁侧的线段温度的极值可以作为裂纹长度的判断依据。再基于前期搭建的检测平台，制作了裂纹长度为1~2.5mm的U45Mn材料的试块，并对检测结果进行归一化差分、主成分分析等算法进行算法增强，结果表明虽然微裂纹的特征非常弱，但是通过差分处理等算法，微裂纹的信噪比增强了0.5dB。　　(2)疲劳滚动接触裂纹发展到第三阶段，形成剥离掉块之前极有可能伴随隐伤的产生，由于斜裂纹形态被包含在隐伤中，因此第三章的研究对象直接为隐伤，将隐伤抽象为形似“L”的裂纹，并类比成斜裂纹和平面裂纹的组合形态，通过在仿真中对比了L裂纹分别与斜裂纹、平板裂纹的温度响应的区别，对不同深度、不同角度的裂纹进行了对比研究，发现大尺寸裂纹在冷却阶段差异较大的特点，初步确定了平板裂纹的深度与其最小相位呈线性关系，并对裂纹的实验结果进行了算法增强。

目录

声明

缩略词清单

表清单

图清单

符号清单

第 1 章 绪论

1.1 滚动接触疲劳裂纹的形成和发展过程

1.2 电磁无损检测技术的研究现状和热点

1.3 论文的结构安排

第 2 章 电涡流脉冲热成像的热特征理论分析

2.1 ECPT 检测原理

2.2 热成像图像增强算法原理

2.2.1 主成分分析法

2.2.2 独立成分分析法

2.2.3 热信号重构分析法

2.2.4 脉冲相位分析法

2.3 本章小结

第 3 章 RCF 微裂纹检测

3.1 微裂纹仿真研究

3.1.1 人工凹槽对微裂纹的影响

3.1.2 不同激励场对微裂纹的影响

3.1.3 不同深度的微裂纹研究

3.2 试块制备与实验平台搭建

3.2.1 微裂纹试块制备

3.2.2 实验平台搭建

3.3 微裂纹实验结果处理

3.3.1 试块表面线段温度对比

3.3.2 图像算法增强特征

3.4 本章小结

第 4 章 钢轨隐伤检测

4.1 隐伤与单一裂纹的比较

4.2 裂纹量化对比研究

4.2.1 平面裂纹深度量化研究

4.2.2 斜裂纹角度量化研究

4.2.3 隐伤裂纹量化研究

4.3 隐伤试块及实验结果分析

4.4 本章小结

总结与展望

1. 论文总结

2. 研究展望

致谢

参考文献

硕士学位攻读期间文章发表情况