一种钢轨相交和分叉RCF裂纹尺寸的电磁无损表征方法

摘要

本发明公开了一种钢轨相交和分叉RCF裂纹尺寸的电磁无损表征方法，涉及电磁无损检测应用技术领域，本发明根据实际分叉或者相交裂纹尺寸建立基于ACFM的复杂裂纹尺寸表征有限元模型，模型划分网格，设置磁场边界条件，对模型进行求解，得到裂纹尺寸对应的By信号值。利用ACFM技术，实际测量分叉或者相交裂纹，得到对应的By信号，验证有限元模型结果的准确性。在验证有限元模型准确性后，模拟不同分叉或相交裂纹尺寸，及分叉或相交位置，得到对应的By信号，建立分叉或者相交裂纹与By信号对应数据库。在利用ACFM检测钢轨分叉或相交裂纹时，可根据检测得到的By信号快速得到对应的裂纹尺寸信息。

说明书

技术领域

本发明涉及电磁无损检测应用技术领域，特别是涉及一种钢轨相交和分叉RCF裂纹尺寸的电磁无损表征方法。

背景技术

钢轨表面复杂排列的滚动接触疲劳(RCF)裂纹对高铁行驶存在极大的安全隐患。由于轮轨之间复杂的周期性多轴应力作用，RCF裂纹向钢轨内部扩展时的垂直角度呈非均匀排列，随着裂纹的扩展形成相交或分叉裂纹，易与相邻的裂纹连接，导致裂纹向钢轨内部深处扩展，或者造成钢轨材料脱落。相交滚动接触疲劳裂纹是两条具有不同起始位置的裂纹由于不同垂直角度扩展形成的相交裂纹，由于剪切应力的作用，具有较小垂直角度的裂纹分支从原始裂纹口袋深度方向上某一处开始扩展延伸；而分叉裂纹的垂直角度大多为30-90°，且垂直角度较大的裂纹更易分叉。

目前，钢轨滚动接触疲劳裂纹常用的检测和表征方法主要为超声检测和涡流检测。超声检测技术的原理是利用超声波在钢轨中传播特性，通过检测散射及返回能量的时间和幅值来确定缺陷位置和尺寸，能够检测钢轨内部缺陷，穿透能力强、灵敏度高。但由于存在“遮蔽效应”，垂直角度较大的表面破碎裂纹的超声信号会被垂直角度较浅的小表面裂纹覆盖。涡流检测技术的原理是在交流电作用下，材料表面涡流产生磁场检测线圈阻抗和电感变化，表征不需要耦合剂，但是只能检测金属样品表面及亚表面缺陷。

交流电磁场测量(ACFM)是一种基于趋肤效应原理的新型电磁技术，能有效识别和表征表面和浅表面裂纹。ACFM技术主要采用实验测量和有限元模拟的方法进行RCF裂纹的研究。ACFM检测的原理是当均匀电流通过裂纹的末端时，电流顺时针和逆时针流动，在Bz信号中产生峰值和谷值，可用于裂纹表面长度的表征；沿着裂纹面流动的电流线逐渐稀疏，在Bx信号中产生波谷，波谷深度可用于裂纹口袋深度的表征，如图1所示。利用ACFM技术对RCF裂纹进行尺寸表征是目前钢轨表面缺陷无损检测的研究重点。目前ACFM技术用来检测单条和均匀裂纹簇有较好的准确性，但是对于复杂裂纹，例如非均匀裂纹簇、相交和分叉裂纹尚不能准确表征。目前研究的ACFM的Bx和Bz信号只能与裂纹的表面长度和口袋深度对应，还无法提供复杂滚动接触疲劳裂纹的尺寸信息。

目前基于ACFM的Bx和Bz信号定量表征RCF裂纹尺寸的研究和应用较多。RCF裂纹通常以不规则、非均匀排列的裂纹簇形式存在，裂纹以不同垂直角度扩展，极易发展形成相交或分叉裂纹。使用基于规则形状和均匀排列裂纹模型算法的ACFM信号无法有效识别、表征该类复杂裂纹，预测结果容易与单条RCF裂纹混淆。

发明内容

本发明的目的是提供一种钢轨相交和分叉RCF裂纹尺寸的电磁无损表征方法，基于非均匀裂纹簇有限元模型，提出利用ACFM的By信号表征相交和分叉RCF裂纹，可以将结果数据加入到ACFM定量表征算法中，扩展现有ACFM信号对钢轨RCF裂纹的识别范围，提高对复杂裂纹的表征精度。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种钢轨相交和分叉RCF裂纹尺寸的电磁无损表征方法，包括以下步骤：

S1.建立分叉或相交裂纹有限元模型，并通过网格划分来模拟计算分叉或相交裂纹，求解得到By特征模拟信号；

S2.利用交流电磁场测量探头以与裂纹表面长度呈设定夹角方向对裂纹进行扫描，并穿过裂纹表面长度中心点，得到By信号，提取By信号的特征波峰值；

S3.分析By特征模拟信号与步骤S2实验测量得到By信号的差异，当信号特征波峰值差异小于设定阈值时，确定有限元模型准确；

S4.在有限元模型中通过分叉或相交裂纹的变量参数，得到对应By信号特征波峰值，建立裂纹尺寸信息、分叉或相交位置与By信号特征值数据库；

S5.对于任意分叉或相交裂纹，利用交流电磁场测量探头进行表征，重复步骤S2，得到实际测量的By特征波峰值；

S6.在建立的By信号特征值数据库中输入实际测量得到的By特征波峰值，可直接输出分叉或相交裂纹尺寸信息，以及裂纹分叉或者相交位置。

进一步的，所述变量参数包括：分叉或相交裂纹尺寸，分叉或相交的位置。

进一步的，所述S4具体有两种情况：一是固定两个裂纹的分叉或相交位置，改变夹角；二是固定夹角，改变两个裂纹的分叉或相交位置。

进一步的，所述步骤S2中，所述设定夹角为135°。

进一步的，所述步骤S3中，所述设定阈值为5％。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明提供的钢轨相交和分叉RCF裂纹尺寸的电磁无损表征方法，可以快速、准确、全面地判别相交裂纹和分叉裂纹的扩展尺寸和位置信息，解决了目前使用Bx和Bz信号无法对相交裂纹和分叉裂纹进行有效表征的问题，且确保尺寸预测误差范围在5％以内；通过By信号进行检测表征，对于存在相交裂纹和分叉裂纹的钢轨，减少了更为复杂繁琐的步骤和部分钢轨磨削过程，大大提高了检测效率和准确性；进一步减少铁路运行人力维护成本和资金成本，保证铁路运输安全。本发明能够代替现有的以经验性判断为主的相交裂纹和分叉裂纹形状尺寸表征方法。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明交流电磁场Bx、Bz信号测量技术原理图；

图2a为本发明的轨道表面磁感应强度(Y分量)等值线图；

图2b为本发明的交流电磁场By信号测量相交裂纹磁感应强度的示意图；

图3a为本发明实施例铁轨相交裂纹模型的立体结构示意图；

图3b为本发明实施例铁轨相交裂纹模型的侧面结构示意图；

图4为本发明实施例的钢轨相交和分叉RCF裂纹尺寸的电磁无损表征方法的流程图；

图5(a)和(b)分别为采用常规进行Bx和Bz检测信号测量的相交裂纹、分叉裂纹和单条裂纹形貌结果；

图6为本发明通过By信号测量的相交裂纹、分叉裂纹和单条裂纹形貌结果；

图7为本发明实施例选取的相交裂纹(相交夹角1为：30、40、50、60°)与改变相交位置(1/5、2/5、3/5、4/5)的扩展形貌示意图；

图8为本发明实施例的分叉裂纹(分叉夹角2为：30、50、70、90°)与改变分叉位置扩展(1/5、2/5、3/5、4/5)形貌示意图；

图9中(a)和(b)为本发明实施例中改变相交夹角和相交位置下的相交裂纹形貌结果；

图10中(a)和(b)为本发明实施例中改变分叉夹角和分叉位置下的分叉裂纹形貌结果；

附图标记说明：1、电流流过裂纹底部形成的Bx磁场信号和波谷；2、产生畸变的电流；3、RCF裂纹；4、均匀电流；5、电流流过裂纹两端形成的Bz磁场信号和波谷。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种钢轨相交和分叉RCF裂纹尺寸的电磁无损表征方法，可以将结果数据加入到ACFM定量表征算法中，扩展现有ACFM信号对钢轨RCF裂纹的识别范围，提高对复杂裂纹的表征精度。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图2a-b所示，ACFM的By信号的磁感应强度呈中心对称分布，分别有正负两个区域，当电流流线被裂纹扰动并存在与y轴平行流动的电流分量时，会产生磁感应强度的y分量。By信号对裂纹的形状比较敏感，穿过相交裂纹的电流流线会在相交的两个裂纹之间集中分布。分叉裂纹的次裂纹会进一步分散电流流线，但整体流线分布仍比单条裂纹更密集。因为By信号能够反映裂纹在YZ投影面的几何特征(Bx信号反映裂纹在XZ投影面的几何特征，Bz信号反映裂纹在XY投影面的几何特征)，所以By信号对分叉和相交裂纹尺寸变化比Bx和Bz信号更为灵敏。

如图4所示，本发明实施例提供的一种钢轨相交和分叉RCF裂纹尺寸的电磁无损表征方法，包括以下步骤：

S1.根据实际情况建立分叉或相交裂纹有限元模型，并通过网格划分来模拟计算分叉或相交裂纹，求解得到By特征模拟信号。

S2.利用交流电磁场测量探头以与裂纹表面长度呈设定夹角方向对裂纹进行扫描，并穿过裂纹表面长度中心点，得到By信号，提取By信号的特征波峰值。

S3.分析By特征模拟信号与步骤S2实验测量得到By信号的差异，当信号特征波峰值差异小于设定阈值时，确定有限元模型准确。

S4.在有限元模型中改变分叉或相交裂纹尺寸，改变分叉或相交位置，得到对应By信号特征波峰值，建立裂纹尺寸信息，分叉或相交位置与By信号特征值数据库。

S5.对于任意分叉或相交裂纹，利用交流电磁场测量探头进行表征，重复步骤S2，得到实际测量的By特征波峰值。

S6.在建立的By信号特征值数据库中输入实际测量得到的By特征波峰值，可直接输出分叉或相交裂纹尺寸信息，以及裂纹分叉或者相交位置。

在本实施例中，所述变量参数包括：分叉或相交裂纹尺寸，分叉或相交的位置。

在本实施例中，S4具体有两种情况：一是固定两个裂纹的分叉或相交位置，改变夹角；二是固定夹角，改变两个裂纹的分叉或相交位置。

在本实施例中，步骤S2中，所述设定夹角为135°。

在本实施例中，所述步骤S3中，所述设定阈值为5％。

实施例1

根据实际情况针对单条相交裂纹、分叉裂纹和单条裂纹建立有限元模型。模型中，相交裂纹、分叉裂纹和单条裂纹的主裂纹垂直角度为30°，表面长度为15mm，口袋深度为6mm；相交裂纹的相交夹角1为20°，分叉裂纹的分叉夹角2为70°，通过交流电磁场测量探头以与裂纹表面长度呈45°夹角方向对裂纹进行扫描，并穿过裂纹表面长度中心点，得到Bx和Bz信号。

如图5所示，相交裂纹和分叉裂纹的归一化Bx值分别为85.15％和85.47％，与单条裂纹的87.12％相比区别较小，通过对比三种裂纹的信号差异表明，如果使用基于45°测量线得出的Bx和Bz信号，则很难识别铁路检测中相交裂纹和分叉裂纹之间的区别。通过多次实验发现得出的By信号差异明显。首次提出通过交流电磁场测量探头以与裂纹表面长度呈135°夹角方向对裂纹进行扫描，并穿过裂纹表面长度中心点，得到By信号，进而提取By的特征波峰值。结果表明，沿135°测量的By信号可以更有效地区分单条裂纹、相交裂纹和分叉裂纹。相交裂纹和分叉裂纹之间的差异可以通过沿45°或135°测量线得出的By信号，如图6所示，得出在相交裂纹、分叉裂纹和单条裂纹三种By特征峰值分别是8.2μT、7.8μT和3.1μT，由此可以有效区分出相交裂纹和分叉裂纹与单条裂纹。

实施例2

在实施例1的基础上，改变相交裂纹和分叉裂纹变量参数，构建数据库。如图7-8所示，将相交裂纹的相交角设为夹角1，分别通过改变裂纹的相交夹角和相交位置来讨论两裂纹的相交情况：第一种是固定两裂纹的相交位置为裂纹3口袋深度1/5处不变，改变夹角1从30到60°，分别为相交情况1-4；第二种是固定夹角1为30°，改变裂纹3与裂纹4的相交位置，从裂纹3口袋深度的1/5到4/5处，分别为相交情况5-8，裂纹的具体尺寸和相交分叉位置示意图如图8和图9所示。同上，分叉两裂纹之间的夹角设为夹角2，通过改变分叉夹角和分叉位置两个变量来进行研究，首先分叉位置不变，夹角2的垂直角度从30-90°，分为分叉情况1-4进行研究。然后固定夹角2角度为30°，改变裂纹5和裂纹6的分叉位置，分叉点分别定在裂纹5的口袋深度的1/5、2/5、3/5和4/5处，分为分叉情况5-8进行研究。

按照步骤S1-S4得到的结果，得到的不同相交夹角1和交点位置的相交裂纹和分叉裂纹的By信号，如图9和图10所示。当夹角1从30°增加到60°时，By信号的波峰值从7.7μT减小到5.3μT。当夹角1为30°时，随着相交位置从口袋深度的1/5增加到4/5处(相交位置远离表面)，因此通过特征波峰值可以显示不同相交裂纹的By信号的差异，且当相交夹角1度数越小且相交位置越深时，By信号的特征峰值越大。不同分叉夹角2和分叉位置的分叉裂纹的By信号。当分叉位置处在裂纹口袋深度的1/5时，随着夹角2从30°增加到90°，By信号的特征波峰值从7.2μT增加到8.2μT。当夹角2为30°时，随着分叉位置从浅到深，第二个峰值从7.2μT降低到6.5μT。

得出结论：相交裂纹的By信号的特征波峰值与相交位置成正比，与相交夹角1成反比。分叉裂纹的By信号的特征波峰值与分叉夹角2成正比，与分叉位置成反比。通过By信号的特征波峰值可用于表征复杂排列裂纹的相交和分叉夹角和位置。将建模数据合并到ACFM定量算法中，建立裂纹尺寸信息，分叉或相交位置与By信号特征值数据库。对于任意分叉或相交裂纹，利用交流电磁场测量探头进行表征，可重复步骤S2，得到By特征波峰值。最终在建立的数据库中输入实际测量得到By特征波峰值，可直接输出分叉或相交裂纹尺寸信息，以及裂纹分叉或者相交位置，并且能够会大大增加RCF裂纹的尺寸表征准确度。

综上，本发明提供的钢轨相交和分叉RCF裂纹尺寸的电磁无损表征方法，如图3a-b所示，根据实际分叉或者相交裂纹尺寸建立基于ACFM的复杂裂纹尺寸表征有限元模型，将模型划分网格，设置磁场边界条件，对模型进行求解，得到裂纹尺寸对应的By信号值。利用ACFM技术，通过实际测量分叉或者相交裂纹，得到对应的By信号，验证有限元模型结果的准确性。在验证有限元模型准确性后，模拟不同分叉或相交裂纹的尺寸，及分叉或相交位置，得到对应的By信号，建立分叉或者相交裂纹与By信号对应数据库。在利用ACFM检测钢轨分叉或相交裂纹时，可根据检测得到的By信号快速得到对应的裂纹尺寸信息。

在本实施例中的其余技术特征，本领域技术人员均可以根据实际情况进行灵活选用以满足不同的具体实际需求。然而，对于本领域普通技术人员显而易见的是：不必采用这些特定细节来实行本发明，本发明的说明书的文字语言(包括附图)的表达不构成对权利要求的任何单一的限制性解释。

本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。在以上描述中，为了提供对本发明的透彻理解，阐述了大量特定细节。然而，对于本领域普通技术人员显而易见的是：不必采用这些特定细节来实行本发明。在其他实例中，为了避免混淆本发明，未具体描述公知的技术，例如具体的施工细节，作业条件和其他的技术条件等。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。