[发明专利]一种电磁无损表征钢轨滚动接触疲劳裂纹簇三维尺寸的方法

说明书

本发明公开了一种电磁无损表征钢轨滚动接触疲劳裂纹簇三维尺寸的方法。该方法借助X方向感应磁场(Bx信号)补偿技术，表征裂纹簇长度，深度，角度以及裂纹间距。该方法基于交流电磁场检测技术，检测探头平行于裂纹长度方向并与水平方向呈45°夹角，扫描过裂纹中心点，得到Bx与Bz电磁信号。利用有限元模型建立电磁信号‑裂纹尺寸数据库，考虑浅裂纹对Bx信号的影响，输入裂纹Bz与Bx信号，得到相应的裂纹簇长度，深度，角度以及裂纹间距信息。该发明解决钢轨维护过程中无法准确判断裂纹簇尺寸导致过度打磨的问题，为钢轨维护提供定量数据，延长钢轨使用寿命，减少铁路维护周期和成本。

技术领域

本发明涉及一种电磁无损表征钢轨滚动接触疲劳裂纹簇三维尺寸的方法，属于电磁无损检测应用范围，同时服务于轨道交通系统。

技术背景

滚动接触疲劳裂纹是导致铁路定期维护打磨的主要原因之一，由钢轨与车轮之间不断重复的多轴应力造成。裂纹通常呈簇状排列(见附图1)，以10-30°夹角向钢轨内部扩展，当扩展到极限深度(5mm)时，裂纹会急速向钢轨内部扩展，造成钢轨断裂；或者向上发展，与相邻裂纹相交，造成钢轨表面剥落。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打磨消除。现有的钢轨打磨方法主要依靠经验性方式，维护成本高，钢轨打磨深度不准确。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。为了防止钢轨过度打磨，需要准确测量滚动接触疲劳裂纹簇的三维尺寸，包括裂纹表面长度、口袋深度、垂直深度、垂直角度以及裂纹间距等(见附图2)，科学制定打磨计划及维护周期。

交流电磁场测量技术基于肌肤效应，具有设备轻巧，非接触，高效快捷，耐高温，耐腐蚀等特点，是广泛应用于深海钻井平台，石油管道，压力容器，大型金属设备，钢轨材料等金属构件表面缺陷检测的电磁无损表征技术。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的磁场变化，产生Bx(可表征裂纹扩展深度，口袋深度)以及Bz(可表征裂纹表面长度及垂直角度)信号，通过反馈信号判断裂纹的位置以及尺寸。

现有的交流电磁场测量方法多应用于单条滚动接触疲劳裂纹的尺寸，对裂纹簇的定量三维尺寸表征技术未见报道；如果将单条裂纹的检测技术和算法运用到裂纹簇的表征上，会导致较大的测量误差，无法提供准确的裂纹尺寸信息；同时，对于浅裂纹(垂直角度小于30°)而言，现有的检测技术没有考虑Bx信号补偿量，无法准确表征其三维尺寸。本发明基于现有的交流电磁场测量技术，利用X方向感应磁场(Bx信号)补偿技术，提出测量滚动接触疲劳裂纹簇的方法，表征裂纹簇长度，深度，角度，裂纹间距等信息，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，测量探头方向与裂纹簇表面长度平行，以与表面长度呈45°夹角方向对裂纹簇进行扫描，并穿过裂纹表面长度中心点，取得Bx与Bz信号，见附图3。建立有限元模型模拟计算不同长度，深度，裂纹间距等裂纹簇的电磁信号响应，建立电磁信号-裂纹簇尺寸数据库。根据实际测量得到的z信号确定裂纹簇的垂直角度，根据垂直角度确定Bx信号补偿量，最终计算得到裂纹簇长度，深度，角度以及裂纹间距等信息，方法流程见附图4。

本发明方法具体实施步骤如下：

1.建立有限元模型，计算不同长度，深度，角度以及裂纹间距的滚动接触疲劳裂纹簇电磁信号，建立电磁信号-裂纹三维尺寸数据库。

2.基于交流电磁场测量技术，测量探头方向与裂纹簇表面长度平行，以与表面长度呈45°夹角方向对裂纹簇进行扫描，并穿过裂纹表面长度中心点，取得Bx与Bz信号。

3.在数据库中，根据Bz信号得到对应的垂直角度，由垂直角度确定Bx信号补偿量，计算得到最终修正的Bx电磁信号。