高速鐵路軌道傷損的金屬磁記憶動態(tài)檢測方法研究

隨著高速列車載重量、行車密度及運行速度的不斷提高，高速鐵路鋼軌滾動接觸疲勞損傷程度不斷加深，直接影響高速列車的運行安全，準確評估在役金屬鋼軌中應力集中以及早期損傷，可以避免由于意外的疲勞損傷發(fā)展而引發(fā)的惡性事故。金屬磁記憶無損檢測可以對構(gòu)件的損傷位置及程度進行早期預警，是一種操作簡單的無源檢測技術，是無損檢測研究領域的前沿課題。本項目針對微弱磁場下鐵磁性材料的力-磁耦合行為的準確刻畫這一科學問題以及高鐵鋼軌金屬磁記憶無損檢測標準的確立和精準的損傷定位這一應用問題展開研究，研究了地磁場范圍內(nèi)鋼軌材料的力-磁耦合特征, 建立了建立了微弱磁場下鐵磁材料的應力磁化本構(gòu)關系，可以預測不同磁化環(huán)境下的應力磁化行為. 所建立的本構(gòu)關系方便在工程實際中的應用。與已有的模型相比，本項目建立的模型預測的應力磁化回線和磁致伸縮曲線與實驗結(jié)果更加吻合。在此基礎上建立了非均勻結(jié)構(gòu)的力-磁耦合有限元模型模擬材料內(nèi)部損傷對應的磁信號, 建立了非線性力-磁耦合模型，采用有限元方法實現(xiàn)了弱磁信號正演分析，可以定量描述應力集中、缺陷和表面磁記憶信號的變化規(guī)律?；谒⒌娜醮判盘栒莘治?，針對微磁檢測中應力和損傷的定量化反演問題開展研究，理論上證實微磁檢測可以對應力集中、缺陷等進行定量化判定，并給出了鋼軌損傷的評判方法, 接著進行了鋼軌動態(tài)磁記憶檢測, 研究了動態(tài)檢測的測量量及評判方法。部分研究進展發(fā)表在無損檢測專業(yè)雜志Nondestructive Testing and Evaluation上。本項目建立了從源于微觀現(xiàn)象的磁化機理建模、到面向宏觀的磁記憶信號定量化分析、最終到面向檢測的殘余應力/缺陷定量化評價的自下而上系統(tǒng)完整的磁記憶檢測理論，為金屬磁記憶方法在高速鐵路鋼軌傷損檢測中應用提供理論基礎和依據(jù)，得到美國物理協(xié)會旗下的國際應用物理著名期刊J. Appl. Phys.的編輯重點推薦(Editor’s Pick，擇優(yōu)推薦<5%的文章）。 2100433B

隨著高速列車載重量、行車密度及運行速度的不斷提高，高速鐵路鋼軌滾動接觸疲勞損傷程度不斷加深，直接影響高速列車的運行安全，準確評估在役金屬鋼軌中應力集中以及早期損傷，可以避免由于意外的疲勞損傷發(fā)展而引發(fā)的惡性事故。金屬磁記憶無損檢測可以對構(gòu)件的損傷位置及程度進行早期預警，是一種操作簡單的無源檢測技術，是無損檢測研究領域的前沿課題。本項目擬針對高速鐵路軌道傷損的動態(tài)預測展開研究，基于金屬磁記憶方法對鋼軌進行動態(tài)檢測，準確采集鋼軌附近有效磁信號并建立力-磁耦合理論模型定量反演鋼軌內(nèi)部損傷，并確定動態(tài)檢驗鋼軌傷損評判標準。本項目的實施擬解決微弱磁場下鐵磁性材料的力-磁耦合行為的準確刻畫這一科學問題以及高鐵鋼軌金屬磁記憶無損檢測標準的確立和精準的損傷定位這一應用問題，為金屬磁記憶方法在高速鐵路鋼軌傷損檢測中應用提供理論基礎和依據(jù)。

本項目研究了鐵磁構(gòu)件在瑞利磁場強度下，受應力釋放磁彈噪訊特征、頻譜。研究1—10Hz頻率可調(diào)磁化器，研發(fā)帶有工作主頻的磁彈噪訊接收器，將接收到的信號放大、濾波，得到了滿足信噪比要求的磁彈噪訊。根據(jù)實驗測量數(shù)據(jù)計算磁彈噪訊隨磁場、外應力變化的非線性關系，標定磁彈噪訊隨應力變化的曲線。研究首次提出控制激勵磁場的“強”、“弱”，來提高磁彈噪訊檢測應力精度的 “臨界磁場”理論，建立了在瑞利磁場作用下疇壁位錯釋放的磁彈噪訊和磁場強度與應力的非線性數(shù)值計算關系。用于指導磁化器的設計，確定“零”應力點，完成非對稱規(guī)律的MBN—σ“對稱”標定，提高MBN技術的檢測精度。 研究在地磁場下，鐵磁構(gòu)件表面遺留磁場和應力場分布的關系。研究受力構(gòu)件表面遺留最大漏磁場隨位形變化的特征，確定磁記憶檢測參數(shù)，確定鐵磁構(gòu)件應力集中程度，進而研究信號的放大、濾波系統(tǒng)。 本研究首次提出以磁記憶技術檢測出構(gòu)件的應力集中區(qū)，以磁彈技術檢測構(gòu)件集中區(qū)應力的大小，兩個檢測技術功能融合，檢測數(shù)據(jù)相互認證、修訂，提高定性檢測的準確度和定量檢測的精度的無損檢測方法。磁彈波、記憶（MBN—MMM）檢測應力技術，是依靠微觀磁疇受力產(chǎn)生位錯釋放的磁彈噪訊和在磁疇壁形成的遺傳特征檢測應力，是目前唯一檢測深度優(yōu)于X射線法，檢測方式優(yōu)于應變片法的新穎檢測技術。 采用該技術可以開展對鍋爐、壓力容器焊接結(jié)構(gòu)件殘余應力檢測及服役應力跟蹤檢測。扭桿、大型構(gòu)件的應力及疲勞檢測。板簧表面的應力檢測，飛機螺旋機翼飛行前、后根部扭轉(zhuǎn)應力的檢測。目前，最具有應用價值的工程檢測應屬無縫線路長鋼軌熱脹冷縮溫度應力的在線檢測。本項目的研究為MBN—MMM檢測應力技術在各領域的應用奠定了良好的理論和技術基礎。 2100433B

研究鐵磁構(gòu)件在瑞利磁場強度下，受應力釋放磁彈噪訊特征、頻譜。研究1-10Hz頻率可調(diào)磁化器，研發(fā)帶有工作主頻的磁彈噪訊接收器，將接收到的信號放大、濾波，得到滿足信噪比要求的磁彈噪訊，根據(jù)實驗測量，數(shù)值計算磁彈噪訊隨磁場、外應力變化的非線性關系，標定磁彈噪訊隨應力變化的曲線。修訂在瑞利磁場條件下磁彈噪訊隨應力變化的關系式，進而提出用控制激勵磁場的強、弱，來提高磁彈噪訊檢測應力精度的近似磁化理論。研究在地磁場下，受力構(gòu)件表面遺留磁場和應力場分布的關系。研究受力構(gòu)件表面遺留最大漏磁場隨位形變化的特征，確定磁記憶檢測參數(shù)，確定鐵磁構(gòu)件應力集中程度，進而研究信號的放大、濾波系統(tǒng)。以磁記憶技術檢測出構(gòu)件的應力集中區(qū)，以磁彈技術檢測構(gòu)件集中區(qū)應力的大小，兩個檢測技術功能融合，檢測數(shù)據(jù)相互認證、修訂，提高定性檢測的準確度和定量檢測的精度,將該技術用于工程構(gòu)件應力的在線檢測。

第1章金屬磁檢測記憶技術概述

1.1金屬磁記憶檢測技術的基本原理

1.2金屬磁記憶檢測技術的特點

1.3金屬磁記憶檢測技術的研究現(xiàn)狀

1.3.1金屬磁記憶機理研究

1.3.2力磁耦合關系的研究

1.3.3磁記憶信號表征損傷的應用研究

第2章磁記憶檢測參量及影響因素

2.1法向信號Hp(y)零值點及K值意義的試驗研究

2.1.1光滑靜載拉伸試件的檢測結(jié)果分析

2.1.2含預制缺陷靜載拉伸試件檢測結(jié)果分析

2.1.3光滑疲勞試件檢測結(jié)果分析

2.1.4預制缺陷疲勞試件檢測結(jié)果分析

2.2磁記憶技術表征缺陷、應力集中及殘余應力

2.2.1缺陷、應力集中及殘余應力之間的關系

2.2.2缺陷的磁記憶信號特征

2.2.3磁記憶信號對應力集中程度的表征

2.2.4磁記憶信號對殘余應力的表征

2.3磁記憶技術檢測參量的影響因素研究

2.3.1零件制造工藝的影響

2.3.2磁記憶信號的時間效應

2.3.3探頭提離值對磁記憶信號的影響

第3章磁記憶信號表征光滑件損傷行為

3.1靜載拉伸試件損傷行為表征

3.1.1靜載拉伸光滑件

3.1.2退磁靜載光滑件

3.2疲勞光滑件損傷行為表征

3.2.145鋼光滑疲勞件

3.2.218CrNiWA鋼光滑疲勞件

第4章磁記憶信號表征缺陷件損傷行為

4.1含預制切口的靜載拉伸試件

4.2含預制切口的拉拉疲勞試件

4.2.145鋼預制表面裂紋的拉拉疲勞試件

4.2.2含中心穿透裂紋拉拉疲勞試件

第5章金屬磁記憶檢測技術的檢測機理

5.1金屬磁記憶現(xiàn)象的物理機制

5.1.1金屬磁記憶信號的實質(zhì)

5.1.2地磁場及載荷的作用

5.2微觀磁疇結(jié)構(gòu)分析

5.2.1磁疇的觀測方法比較

5.2.2熱處理對磁疇結(jié)構(gòu)的影響

5.2.3拉應力對磁疇結(jié)構(gòu)的影響

5.3鐵磁材料斷裂發(fā)射磁記憶信號的模式

5.3.1靜載拉伸斷裂模式

5.3.2疲勞裂紋擴展斷裂模式

第6章金屬磁記憶檢測設備研制

6.1水平分量Hp(x)磁記憶檢測儀器

6.1.1儀器的功能設計

6.1.2儀器的結(jié)構(gòu)設計

6.1.3儀器的軟件設計

6.1.4儀器的操作規(guī)程

6.2三維磁磁記憶信號檢測儀器

6.2.1RM-3DM金屬磁記憶檢測儀的硬件結(jié)構(gòu)

6.2.2RM-3DM金屬磁記憶檢測儀的軟件設計

6.3CRLE-1曲軸疲勞損傷的金屬磁記憶評估設備

6.3.1曲軸疲勞損傷評估設備的總體設計

6.3.2曲軸疲勞損傷評估設備的硬件設計

6.3.3曲軸疲勞損傷評估設備的軟件設計

第7章再制造工程的質(zhì)量控制要求

7.1再制造工程的內(nèi)涵

7.2再制造工藝流程特點

7.3再制造質(zhì)量控制的要求

7.3.1再制造質(zhì)量控制的前提

7.3.2再制造質(zhì)量控制與制造質(zhì)量控制的區(qū)別

7.3.3再制造質(zhì)量控制的要求

7.4金屬磁記憶檢測技術與再制造質(zhì)量控制的關系

第8章再制造工程質(zhì)量控制中的應用實例

8.1車體裂紋的磁記憶檢測

8.2離心式壓縮機葉輪的磁記憶檢測

8.3汽車發(fā)動機曲軸的磁記憶檢測

8.3.1曲軸疲勞失效分析

8.3.2磁記憶評估曲軸損傷

8.4混凝土泵車臂架的磁記憶檢測

8.4.1臂架疲勞臺架試驗設計

8.4.2檢測位置的確定

8.4.3臂架檢測結(jié)果分析

參考文獻 2100433B