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。

U76CrRE重轨钢的滚动接触疲劳/磨损复杂交互行为

为了明确珠光体钢轨在滚动接触疲劳/磨损交互载荷下的伤损及表层微观组织演变规律.本文以轧态、热处理态的珠光体重轨钢U76CrRE为研究对象,采用滚动摩擦磨损试验机、激光共聚焦显微镜(LSCM)、扫描电镜(SEM)、背散射衍射仪(EBSD)对无预制裂纹和有不同深度预制裂纹的钢轨磨损量、表面伤损、变形层、裂纹萌生及扩展进行测定和观察分析,结果表明,当无预制裂纹或预制裂纹深度小于磨损层时,轧态和热处理态钢轨均以磨损失效为主,但轧态钢轨的磨损量及变形层大于热处理态,其近变形层区域珠光体中的铁素体细化,与同样细化成小颗粒的渗碳体杂糅在一起,铁素体晶粒以小角度晶界为主,但随着距表层距离的增加,铁素体晶粒的大角度晶界比例逐渐增加,其裂纹呈现出角度大、深度深和长度小的特点,而热处理态钢轨的裂纹呈现出角度小、深度浅和长度大的特点,裂纹扩展趋势比轧态钢轨显著.当预制裂纹深度大于磨损变形层时,预制裂纹会使钢轨提前结束磨损机制,促进疲劳裂纹的产生并迅速扩展,导致疲劳失效加快,裂纹呈现出角度大、深度深和长度大的扩展趋势,使得轧态和热处理态钢轨均以疲劳失效为主,其中轧态钢轨的裂纹扩展趋势比热处理态显著.当轧态和热处理态钢轨在与硬度较高的车轮钢匹配时,裂纹角度、深度和长度都比与硬度较低的车轮钢匹配时显著.

高铁气动荷载作用下隧道衬砌开裂体动力响应分析

根据高速铁路隧道衬砌壁面气动荷载特性,在理论分析及模型试验基础上,采用数值模拟对列车风作用下衬砌开裂体固有频率和动力响应进行研究,分析了衬砌开裂体尺寸和气动荷载加载频率及峰值的影响,对气动荷载作用下衬砌裂损处的安全性进行辨识.结果表明:开裂体固有频率与自身厚度之间存在线性关系,并随其长度增加而快速降低,下降幅度最高可达70.29%;开裂体位移响应随外荷载峰值增加而增加,且与荷载加载周期数正相关.外荷载频率接近结构固有频率时,结构的位移和速度均显著增加.当荷载频率为1和5 Hz时,开裂体悬臂端位移峰值分别为荷载频率3 Hz时的10.75%和13.62%.

基于超声平面波成像的钢轨螺孔裂纹检测方法研究

轨道交通在当今社会生产活动中发挥着重要作用。目前在役钢轨大量采用鱼尾板和螺栓联接的方式铺设。钢轨接头在服役过程中会频繁受到冲击载荷作用,容易诱发螺孔裂纹损伤。尽早发现螺孔裂纹,并对裂纹进行定量测量,是保障铁路运输安全,避免发生严重事故的关键。超声相控阵成像检测方法具有精度高、环境适应性强、实施方便的优点,在钢轨在役无损检测中得到了广泛的应用。然而,传统相控阵斜入射扇扫成像方法受裂纹倾斜角度的影响,在工业实践中依赖工人的主观判断和分析能力,难以实现检测的定量化与标准化。基于以上背景,本文提出了一种基于超声平面波全聚焦成像的钢轨螺孔裂纹检测方法。使用复合平面波成像方法对钢轨内部螺孔及附近区域进行高精度重建,获得裂纹伤损的初步检测图像。基于编码器信息,将多个扫查点上的初步检测图像融合,得到合成检测图像,从而覆盖不同倾斜角度的裂纹。基于主成分分析方法,对裂纹倾斜角度进行定量分析,进而借助方向最大强度投影方法,得到裂纹长度的定量检测结果。所述方法在钢轨螺孔裂纹试件检测试验中实现了对[-45°,45°]范围内裂纹的100%检出率;裂纹定位误差最大值为1.47 mm,接近1个波长;长度检测误差最大值1.17 mm,小于1个波长;裂纹角度检测误差最大5.01°。所述方法需要的设备结构简单,可集成于移动式钢轨巡检设备,具备自动化实施的能力。

城市轨道交通地下车站结构自防水关键技术及应用

抑制混凝土开裂是保障城市轨道交通地下车站结构自防水性能的关键。文章首先分析了混凝土抗渗性能以及出现开裂的主要原因,在此基础上,结合相关标准,介绍了包括抗裂性设计、混凝土材料、施工工艺、监测和检验在内的地下车站结构抗裂防渗成套技术以及工程实施效果。研究成果可以为提升地下车站结构自防水性能、解决工程渗漏难题提供有效的技术途径。

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。

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。

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%。

基于高检测灵敏度的钢轨探伤车轨头小核伤出波图形精细化分析方法研究

钢轨探伤车凭借其高效率优势,正逐步替代手推式人工探伤仪,成为国内重要的钢轨探伤检测设备。为保障检测效果推行的高检测灵敏度探伤,在提高探伤车对轨头核伤尤其是小核伤检出能力的同时,也带来了新的难题,检测数据杂波密集,难以区分小核伤波与杂波。针对该情况,通过对比高检测灵敏度探伤前后轨头核伤的出波特点,分析轨头小核伤识别率低的原因,提出精细化分析方法。在大量收集小核伤图谱和杂波图谱、持续推进探伤车与探伤仪小核伤检测数据对比后,极大提升了轨头小核伤的识别率。

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。

轨道交通车站混杂纤维混凝土性能研究

混凝土的抗裂防渗性能直接关系到轨道交通车站结构的安全与服役寿命。基于此,制备了混杂纤维混凝土样品,开展了不同玻璃纤维和聚乙烯醇纤维掺量下混凝土的力学性能、抗裂性能、抗渗性能测试,分析了混凝土抗压强度、劈裂抗拉强度、抗折强度、开裂面积和渗水高度随混杂纤维掺量的变化规律。研究结果表明:(1)玻璃纤维与聚乙烯醇纤维体积掺量分别为0.10%~0.15%时,轨道交通车站混凝土的抗压、抗拉和抗弯性能最好;(2)玻璃纤维及聚乙烯醇纤维体积掺量均为0.15%时,轨道交通车站抗裂防渗混凝土抗裂性能最佳;(3)玻璃纤维及聚乙烯醇纤维总体积掺量小于0.35%时,玻璃-聚乙烯醇混杂纤维的掺入有利于轨道交通车站抗裂防渗混凝土抗渗性能的提高。

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。

高压共轨系统喷油嘴开裂失效分析及优化

为解决某高压共轨系统油嘴开裂故障,通过宏观形貌分析、扫描电镜分析、能谱分析、断口金相分析、硬度测试等查找故障原因,并对油嘴材料、结构和工艺进行优化。分析结果表明:机组用燃油中含有P、K等腐蚀性元素形成酸性环境,安装工艺导致油嘴肩胛处存在非对称拉应力,肩胛圆角过小导致应力集中,油嘴表面马氏体组织粗大、硬度高造成的应力敏感是油嘴开裂的主要原因。采取优化油嘴材料,将油嘴肩胛处圆角半径由0.45 mm加大到1.20 mm,在喷油器和高压连接器最终紧固前增加预紧工序等优化措施,优化后油嘴经过4000 h的耐久试验未开裂,有效解决油嘴开裂故障。

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。