车轴疲劳裂纹超声波探伤及优化研究

摘要

步入21世纪，世界铁路蓬勃发展，中国更是规划了宏伟的轨道交通蓝图。车轴作为铁路运营的关键部件，长期经受疲劳载荷作用，易在应力集中区域萌生疲劳裂纹，危及行车安全。对在役车轴定期实施无损探伤能有效防止疲劳裂纹导致的断轴事故。本文旨在研究车轴疲劳裂纹超声波探伤技术及工艺，提升车轴压装部位的缺陷检测性能，从而保障车轴运用安全性。
　　本文系统研究了国内外不同检修工艺、不同工况下的实心轴和空心轴超声波探伤技术，设计并优化了相控阵超声技术从轴身和轴端耦合探伤的工艺;通过仿真设计和对比试验，研究采用内凹面晶片自聚焦相控阵超声探头提高车轴缺陷探测性能;通过试验证明存在车轴压装界面反射波，大大降低超声波缺陷检出信噪比，影响缺陷辨识;经分析压装界面反射波成因，采用空域数字图像处理方法实现图像增强和滤除特定的噪声;根据压装部界面反射波与缺陷反射波的特征，提出并优化基于形态特征滤波的小波阈值法去噪和各向异性扩散去噪算法;最后，试验研究形成最优滤波组合方案，经人工裂纹样板轮对和实物轮对测试，证明该算法组合能够在有效保留缺陷信息的前提下削弱轮座压装界面反射波，从而提高缺陷检出信噪比、优化超声成像质量，具有良好的适用性。
　　论文的主要贡献如下:
　　(1)研究了铁路车轴结构、受力、疲劳等特性对车轴损伤的影响，并从多方面给出了预防车轴失效的措施。在研究国内外不同检修工艺、不同检修工况条件下，车轴疲劳裂纹超声波探伤方法基础上，开展了中国HX和谐机车以及普通客、货车车轴探伤技术工艺研究，重点研究了基于相控阵超声技术的实心轴轴身耦合和轴端耦合探伤工艺，率先采用相控阵超声扇形扫查、二次反射和穿透三种检测模式实现轴端耦合全覆盖检测，为实心轴不落轮对情况或车轴存在涂层无法由轴身耦合探伤时提供了新的解决方案。
　　(2)针对车轴压装部这一超声波探伤关注的重点和难点区域，提出采用内凹面晶片自聚焦相控阵超声探头的方法来改善车轴超声波探伤声场聚焦特性，经仿真及实测对比表明，该方法相比使用平面晶片线性相控阵超声探头，对车轴压装部位横向裂纹检测效果明显表现更优，其对轮座部位3例人工缺陷的检测平均灵敏度提高14.7dB，检出缺陷信噪比平均提高8.3dB。在此基础上，试验对比研究了车轴在压装状态下界面回波对缺陷检测的影响，得出同一缺陷在压装后的检出信噪比相比裸轴时平均降低18dB，并分析了造成探伤信噪比降低、缺陷难以辨识的原因。
　　(3)根据车轴压装部超声波探伤信号的时频特性及图像特征，研究数字图像处理技术提升缺陷检出后的信噪比和优化超声波图像质量，重点就次方归一法、S曲线法、同态滤波、中值滤波、维纳滤波等处理方法开展研究，对单点和区域图像信号进行处理来抑制压装界面回波，研究表明该类方法能够在特定的条件下抑制界面回波或能够滤除特定的图像噪声。
　　(4)根据车轴超声波探伤图像中缺陷波和界面回波的特征区别，采用形态特征滤波算法去除压装界面回波，提出并研究了车轴超声探伤图像基于周向相关性的小波自寻优阈值去噪算法和基于区域对比度的各向异性扩散去噪算法，在确保缺陷回波优先保留的基础上实施压装界面回波的滤除，经验证效果明显，可实现安全滤波。
　　(5)最后，根据上述研究成果，试验研究最优滤波算法组合，经人工裂纹样板轮对测试证明算法组合能够有效保留缺陷信息，缺陷波幅平均只削弱0.41dB，压装界面回波能被有效去除，压装带波幅均值削弱平均力度达6.07dB，整体图像信噪比明显提高;经108根实物车轴检测数据进行算法组合测试，报警车轴总数由63根降低为19根，其中3根经人工复核确认的自然缺陷均能有效保留，证明压装界面反射波得到了有效抑制，报警总数大大降低，减轻了现场报警复核工作量。
　　总之，围绕车轴疲劳裂纹检测，系统研究了车轴超声波探伤技术，针对车轴压装部这一关键区域，从提高相控阵超声波探头性能和采用图像滤波算法优化超声图像两方面开展研究，经实际检测数据测试证明，本论文研究成果能有效提升车轴疲劳裂纹超声波探测性能。

目录

声明

摘要

1．1 研究背景及意义

1．2 国内外车轴疲劳失效

1．2．1 车轴损伤及成因

1．2．2 车轴疲劳失效史

1．3 车轴疲劳国内外研究现状

1．3．1 车轴结构及受力分析

1．3．2 车轴疲劳特性研究现状

1．3．3 轮座微动疲劳研究现状

1．4 车轴设计及失效预防

1．4．1 车轴钢及设计标准

1．4．2 车轴失效预防措施

1．5 本文主要研究内容

第2章 车轴超声波探伤技术研究

2．1 超声及无损检测技术

2．2 新造车轴超声波探伤技术

2．3 车轴疲劳缺陷检测技术

2．3．1 空心轴超声波探伤技术

2．3．2 实心轴超声波探伤技术

2．3．3 车轴疲劳缺陷检测新进展

2．4 车轴超声波探伤技术研究

2．4．1 空心轴探伤技术

2．4．2 实心轴落轮探伤研究

2．4．3 实心轴不落轮探伤研究

2．5 小结

第3章 车轴压装部超声探伤研究

3．1 车轴压装界面研究

3．1．1 轮对压装工艺

3．1．2 压装界面研究

3．2 压装部超声探伤研究

3．3 自聚焦相控阵超声探头研究

3．4 测试对象及试验平台

3．4．1 测试轴设计及加工

3．4．2 试验测试平台

3．5 试验测试及结果分析

3．5．1 压装前裸轴测试

3．5．2 压装后测试

3．5．3 试验数据统计

3．6 压装部超声信号分析

3．7 小结

第4章 超声图像滤波算法研究

4．1 超声图像及噪声分析

4．2 图像灰度变换算法

4．2．1 次方归一法

4．2．2 S曲线法

4．3 同态滤波算法

4．4 图像滤波算法

4．4．1 中值滤波

4．4．2 维纳滤波

4．5 小结

第5章 形态特征滤波算法研究

5．1 小波阈值法去噪

5．1．1 小波去噪原理

5．1．2 小波自寻优阈值法

5．1．3 算法流程及效果

5．2 各向异性扩散去噪

5．2．1 各向异性扩散原理

5．2．2 既有改进型PM模型

5．2．3 基于形态学PM改进模型

5．3 小结

第6章 压装界面波滤波验证

6．1．1 最优滤波组合方案

6．1．2 验证试验方案

6．2 样板轴数据验证

6．2．1 数据对比呈现

6．2．2 数据对比分析

6．3 实际检测数据验证

6．3．1 数据对比呈现

6．3．2 算法适应性总结

6．4 小结

结论与展望

致谢

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及科研成果