Feature analysis of acoustic emission sources for rail crack detection by the finite element method

The safety of rail is very important for the development of high speed railway, and it is necessary to investigate the features of inner cracks in rail. In order to obtain the features of Acoustic Emission （AE） sources of inner cracks in rail, AE sources with different types, depths and propagation distances are examined for crack in rail. The finite element method is utilized to model the rail with cracks and the results of experiment demonstrate the effectiveness of this model. Wavelet transform and Rayleigh-Lamb equations are utilized to extract the features of crack AE sources. The results illustrate that the intensity ratio among AE modes can identify the AE source types and the AE sources with different frequencies in rail. There are uniform AE mode features existing in the AE signals from AE sources in rail web, however AE signals from AE sources in rail head and rail base have the complex and unstable AE modes. Different AE source types have the different propagation features in rail. It is helpful to understand the rail cracks and detect the rail cracks based on the AE technique.

钢轨轨底裂纹扩展影响因素分析

【目的】为分析钢轨材质、残余应力、温度应力在钢轨使用中的内外因对轨底裂纹扩展的影响开展研究。【方法】基于断裂力学理论结合轨底伤损实测,建立钢轨轨底裂纹扩展模型,对轨底伤损扩展失效时的临界裂纹尺寸、裂纹平均扩展速率、剩余寿命等指标进行量化分析。【结果】结果表明:钢轨材料断裂韧性与轨底初始伤损扩展的剩余寿命存在正相关关系,U95Cr H材质钢轨的轨底裂纹扩展剩余寿命小于U78CrV H材质小于U75V H材质;以某线路实际使用的钢轨材质U78CrV H为例,轨底残余应力由0增加至300 MPa,轨底裂纹扩展的临界尺寸增长约2.5%,剩余寿命下降约6%;残余应力为200 MPa时,温度应力由0增加至200 MPa,轨底裂纹扩展的临界尺寸变化不大,在1%内。【结论】研究结果可为轨底裂纹扩展研究和养护维修提供参考。

某市政大桥人行道石制栏杆开裂原因分析及处理

论文介绍某市政大桥人行道石制栏杆开裂导致大桥暂时停用的工程项目,通过对石制栏杆设计、施工、材料及使用环境等进行调查和检测,具体包括对石材材料的力学性能进行试验,对损伤部位进行统计及规律分析,对构件的连接、构造进行检查,对栏杆在外界温度作用下的应力场进行模拟分析等。经以上技术手段对其开裂原因进行了鉴定分析并提出改造处理方案,按处理方案施工完成后随即进行第二次现场检测及抗倾覆试验,结果表明改造处理后的栏杆能够满足设计使用需求。通过以上现场检测、模拟分析、承载力试验等技术手段,解决了石制栏杆开裂的实际问题,并得出相关结论及展望,以期为类似项目的设计、施工及处理提供部分参考。

交流电磁场钢轨表面裂纹高速检测信号处理模块开发

交流电磁场检测(Alternating Current Field Measuremnt,ACFM)技术因受速度和提离效应影响小,在钢轨裂纹高速检测中具有良好的应用前景,但信号拾取速度会导致裂纹信号频率发生偏移,造成量化误差、漏检和误检。为提高ACFM技术在钢轨裂纹检测中的可靠性,基于现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array,FPGA)研发了交流电磁场钢轨表面裂纹高速检测信号处理模块,采用理论推导方法分析了检测速度对裂纹信号频率偏移的影响,构建了检测速度与裂纹信号有效频率范围之间的关系。采用FPGA开发了具有截止频率自动跟踪检测速度的数字正交锁相放大器,同时,开发了完整的钢轨表面裂纹检测装置和实验系统,最终,通过实验验证了模块的检测能力和稳定性。

采用LED均匀照明成像的机器视觉钢轨裂纹故障检测

对于铁路钢轨上的裂纹故障检测,目前基于机器视觉的检测技术主要存在的问题包括:(1)没有特定照明设计,捕获的图像会因光照导致细节缺失;(2)图像处理技术不完善,导致无法高精度检测故障;(3)传输设备的速度限制,造成图像信息处理不及时。因此,本文根据铁路钢轨图像信息特点,设计适合的特定均匀照明系统,并采用相应的图像裂纹检测技术,形成一套高效的钢轨裂纹检测系统。实验证明:该系统检测的准确率可达98%。

踏面匹配与初始裂纹形态交互作用下车轮多轴疲劳裂纹扩展特性

地铁车辆车轮裂纹常萌生于车轮踏面及亚表面,亚表面裂纹是影响车轮寿命的关键因素之一。借助有限元仿真方法,在轮轨接触三维模型亚表面处插入初始裂纹,研究了不同轮轨匹配形式、不同初始裂纹形态对亚表面疲劳裂纹扩展特性的影响。结果显示,车轮亚表面3 mm处接触应力数值最大,在锥形、LM型、LMA型三种踏面类型中,采用LM型踏面时车轮亚表面等效应力最大,最容易发生疲劳破坏;裂纹扩展均呈现出多轴疲劳裂纹扩展特性,锥形踏面工况下裂纹的扩展速率高于其余两种踏面类型下的裂纹扩展速率;不同初始裂纹角度中,45°初始裂纹角度是最危险的角度;初始裂纹深度对裂纹的扩展路径基本无影响。本研究结果对车轮亚表面埋藏裂纹缺陷评判及剩余寿命预测有一定的工程及理论指导意义。

基于ABAQUS/FRANC3D的钢轨三维表面裂纹的扩展分析

为分析钢轨三维表面裂纹在轮轨载荷作用下的疲劳扩展路径和应力强度因子的变化,研究钢轨剥离掉块的损伤机理。运用Fortran语言编写用户子程序DLOAD和UTRACLOAD施加轮轨接触应力,利用有限元软件ABAQUS和FRANC3D模拟车轮在钢轨上的移动并分析钢轨三维表面裂纹的应力强度因子随车轮移动的变化情况,并基于PARIS公式和最大周向应力准则对钢轨三维表面裂纹的疲劳扩展行为进行分析。结果表明轮轨载荷仅为赫兹接触压力时,车轮在钢轨表面滚过,裂纹前缘距钢轨表面越深,越易发生扩展,裂纹主要在钢轨的深度方向扩展,可使半圆形裂纹变成长轴在深度方向的椭圆形裂纹;轮轨载荷为赫兹接触压力和滑动摩擦力共同作用时,随着车轮循环次数的增加,表面裂纹的等效应力强度因子Keq不断增大。车轮作用会使距钢轨表面越近的裂纹前缘越易发生扩展,裂纹主要向钢轨的宽度方向扩展,使半圆形裂纹变成形状较为复杂的长轴在钢轨宽度方向的近椭圆形裂纹。

钢轨探伤车70°探头反射点群分析及判伤应用

针对钢轨探伤车中心70°探头在轨头处异常出波而影响钢轨伤损判别的问题,文章以探伤车标定线上一处轨底横向裂纹附近的中心70°探头反射点群的B显数据为例,开展了中心70°探头超声传播路径分析、声程计算及软件仿真模拟。结果表明,该类反射点群为中心70°探头发射的超声波经轨底横向裂纹反射后而产生的幻象波。同时,结合该类幻象波的特点,文章对探伤车实际运用中一处钢轨母材轨底横向裂纹及一处焊缝附近的中心70°探头出波给出了伤损判别应用建议。最后,文章总结了该类反射回波点群的特点,以提升钢轨伤损判别的准确性,降低检测误报率。

重轨大方坯角部纵裂原因及控制

针对重轨大方坯生产中出现的铸坯角部纵裂问题,分析了铸坯角部纵裂形成机理,通过加强结晶器使用管理、结晶器对弧精度、优化结晶器冷却制度、改进结晶器保护渣性能等措施,能够有效控制重轨铸坯角部纵裂的发生。

钢轨闪光焊接头近表面裂纹缺陷研究

钢轨闪光焊接推凸裂纹多发生在过热区,与钢轨轧制过程中的夹杂物密切相关。针对钢轨焊接生产中发现的轨头下颚焊缝处超标缺陷进行了断口、微观组织和化学成分分析,发现多处MnS夹杂物富集且主要分布于缺陷及周边焊缝中;在断口孔洞中发现树枝状突起形貌且无表面氧化现象。结合钢轨闪光焊接工艺过程推断,此处存在因推凸牵拉、钢轨夹杂物及合金元素富集共同作用产生的热裂纹,造成超声无损检测反射波超出标准。建议通过调整焊接热输入、顶锻量或者增大下颚处推凸余量等措施,调节推凸时温度场和接头承受的牵拉力及塑性变形量,减少或消除此类缺陷。

内部含裂纹车轮疲劳寿命分析

针对国内普遍采用的LM A磨耗型踏面车轮出现内部裂纹问题,通过有限元软件ABAQUS结合疲劳寿命分析软件nCode DesignLife探究了不同工况对疲劳寿命的影响。结果表明:不同长度的裂纹在裂纹尖端存在明显的应力集中现象,将对车轮损伤和疲劳寿命产生影响,虽有波动,但总体上是先快后慢的趋势;车轮的损伤系数和疲劳寿命在裂纹角0~45°变化较小,但危害较大;轴重是影响车轮疲劳性能的重要因素,避免过载可延长车轮使用寿命;裂纹深度对含裂纹车轮的损伤系数和疲劳寿命影响较大,其中10 mm以内数值变化较大,即疲劳失效更容易发生在接触斑中心位置。

轨道交通用焊接产品典型失效案例分析

为了探究轨道交通焊接产品典型失效原因及其影响因素,采用化学成分分析、机械性能测试、金相检验、扫描电镜及能谱分析等方法,对多种轨道交通用焊接产品失效件进行分析。结果表明:轨道交通用焊接产品的失效主要有焊接制造过程中产生的焊接裂纹,焊修时期引发的焊补缺陷以及结构设计不当导致的各种缺陷。分析认为焊接产品的失效主要受到焊接工艺缺陷、焊接件服役环境、焊接结构设计不当以及焊修措施不良等因素的影响。并梳理出焊接产品失效原因与失效影响因素的鱼骨图,为提升焊接产品的使用寿命和质量控制提供了理论依据。

某型高铁踏面廓形轮轨接触特性的对比分析

针对我国某型高铁踏面存在的疲劳裂纹出现频繁、部分轮对镟修量大等问题进行了研究,通过计算其与现行高速钢轨的接触特性,发现存在轮轨接触应力较大、接触点应力集中的现象。为了解决这一问题,文章介绍了一种可供替代的W01GT3型踏面。通过对比2种踏面在不同轮对横移量下的几何接触特性、轮轨接触应力以及直线运行工况下的疲劳裂纹萌生寿命,结果表明,W01GT3型踏面与钢轨接触范围更宽,轮轨接触应力更小,在直线运行工况下的疲劳裂纹萌生寿命更长。因此,在镟修维护时,建议采用与该型踏面相近的模板,有助于缓解某型高铁踏面的滚动接触疲劳相关问题。

基于交流电磁场的高铁钢轨表面裂纹无损检测研究及展望

针对高铁钢轨表面产生滚动接触疲劳(RCF)裂纹导致对钢轨带来危害的问题,本文分析了钢轨表面滚动接触疲劳裂纹的形成机理及扩展规律,系统归纳了高铁裂纹的无损检测与表征方法。聚焦于交流电磁场检测(ACFM)技术,重点研究了ACFM技术发展及研究现状、理论研究成果以及存在的问题,综述了ACFM技术的特点及应用,通过与其他无损检测方法进行分析比较,阐述了ACFM测量法对钢轨表面裂纹的精准量化表征的优势。结果表明:ACFM探针传感器沿45°方向扫描,通过结合ACFM信号补偿量算法可将非均匀裂纹口袋深度误差降到5.5%,垂直深度误差降到7.1%,裂纹簇误差减小到7.1%;经过人工神经网络训练对钢轨RCF裂纹尺寸进行精准表征,最终计算的误差在10%以内。进一步讨论了融合人工智能技术的钢轨表面裂纹无损检测技术的发展趋势,为后续ACFM技术对钢轨表面RCF裂纹的检测和表征研究提出相关建议和展望。

城市轨道交通折返线道岔典型病害及治理策略研究

随着国内城市轨道交通的快速发展和网络化运营,快速、准时、安全、可靠、平稳、舒适已逐渐成为乘客心中轨道交通的代名词,选乘轨道交通也已是居民出行的主要交通方式之一,随之而来的便是客流的不断攀升、行车密度的不断增大和设备运行的高度疲劳,也给轨道交通养修人员带来了严峻的挑战。本文主要探讨了作为轨道交通行车关键设备之一的终点站折返道岔会出现的主要典型病害类型,多方面分析了病害产生的原因、机理,并现场整改探索,验证总结了多种可行的整治措施。

基于FRANC3D的轮轨疲劳裂纹扩展研究

用有限元软件ABAQUS结合三维断裂力学软件FRANC3D,建立了轮轨裂纹三维有限元模型,依据断裂力学原理对含有裂纹的轮轨模型进行数值模拟,分析了不同工况下的车轮裂纹扩展行为。结果表明,在裂纹的中间段,裂纹扩展速率随着裂纹长度的增大有“先快后慢”的现象,两端段反之;裂纹角为30°时的裂纹尖端应力强度因子(SIF)最大,裂纹更容易扩展;裂纹尖端应力强度因子随着轴重几乎呈线性增加;裂纹深度的增加,应力强度因子先增大,后逐渐减小,且处于接触斑附近的裂纹更容易扩展。

异型轨开裂失效分析

某U75V异型轨在二次热加工的过程中在轨腰处出现纵向裂纹。本文对普通钢轨、一次成形异型轨、热矫形(二次热加工)异型轨分别取样,进行了材料成分检查、力学性能试验及金相组织观察,同时利用扫描电镜、能谱仪对断口进行了分析。结果表明,两次热加工的钢轨晶粒粗大,并有过烧现象,表层有脱碳现象,并形成了网状组织。由于二次加热矫形时采用局部加热,加热区域在冷却时所受的拘束应力较大,导致在冷却过程中出现纵向热裂纹。

U75V重轨钢弯曲疲劳裂纹扩展行为

为明确珠光体钢轨的疲劳裂纹扩展行为,测定U75V重轨钢轧态和热处理态两种条件下的三点弯曲疲劳裂纹扩展速率,采用光学显微镜、扫描电镜、EBSD对钢轨的微观组织、片层、断口形貌及裂纹扩展轨迹进行观察。结果表明:轧态和热处理态钢轨的疲劳辉纹平均间距分别为253,215 nm,轧态钢轨的疲劳断口呈现解理台阶与河流花样形貌,且河流花样趋于合并,而热处理态钢轨的疲劳断口呈现大量的解理台阶及较多的微裂纹和撕裂棱,河流花样以支流为主;热处理态钢轨的疲劳裂纹扩展速率远低于轧态,到达裂纹失稳阶段也较滞后;轧态和热处理态钢轨的疲劳裂纹扩展都是以穿晶断裂为主的穿晶断裂和沿晶断裂混合扩展方式进行,轧态和热处理态钢轨的珠光体片层间距分别为272,148 nm,其中热处理态钢轨的珠光体片层细密且方向多样,存在显著的珠光体团簇,裂纹扩展轨迹中出现较多的分支裂纹和裂纹桥接现象,对扩展起到阻碍作用,是热处理态钢轨抗疲劳裂纹扩展能力优于轧态的重要原因。

钢轨打磨对小半径曲线钢轨滚动接触疲劳的影响研究

为研究钢轨打磨对小半径曲线钢轨滚动接触疲劳的影响,基于国内某重载铁路小半径曲线和运行车辆建立实参数轨道-车辆多体动力学仿真模型,对钢轨打磨前后轮轨接触几何关系、轮轨接触应力和轮轨蠕滑力进行分析,现场测试打磨前后车辆通过该曲线的轮轨力,结合Burstow钢轨损伤函数模型对该曲线轨面裂纹萌生寿命进行分析。结果表明:钢轨打磨后,轮轨接触点集中问题得到缓解,轮轨接触应力、轮轨蠕滑力减小和轨面裂纹法向分力减小,实测轮轨力减小,相同载荷下对应的载荷循环数增大。各项指标较打磨前更有利于抑制钢轨滚动接触疲劳的萌生及扩展,轨面裂纹萌生寿命明显延长。打磨后3.5个月轨面裂纹未见明显发展,仿真计算结果与实际情况吻合良好。