高速鐵路軌道傷損的金屬磁記憶動(dòng)態(tài)檢測(cè)方法研究結(jié)題摘要

隨著高速列車載重量、行車密度及運(yùn)行速度的不斷提高，高速鐵路鋼軌滾動(dòng)接觸疲勞損傷程度不斷加深，直接影響高速列車的運(yùn)行安全，準(zhǔn)確評(píng)估在役金屬鋼軌中應(yīng)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(wú)損檢測(cè)可以對(duì)構(gòu)件的損傷位置及程度進(jìn)行早期預(yù)警，是一種操作簡(jiǎn)單的無(wú)源檢測(cè)技術(shù)，是無(wú)損檢測(cè)研究領(lǐng)域的前沿課題。本項(xiàng)目針對(duì)微弱磁場(chǎng)下鐵磁性材料的力-磁耦合行為的準(zhǔn)確刻畫這一科學(xué)問(wèn)題以及高鐵鋼軌金屬磁記憶無(wú)損檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)的確立和精準(zhǔn)的損傷定位這一應(yīng)用問(wèn)題展開研究，研究了地磁場(chǎng)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(chǎng)下鐵磁材料的應(yīng)力磁化本構(gòu)關(guān)系，可以預(yù)測(cè)不同磁化環(huán)境下的應(yīng)力磁化行為. 所建立的本構(gòu)關(guān)系方便在工程實(shí)際中的應(yīng)用。與已有的模型相比，本項(xiàng)目建立的模型預(yù)測(cè)的應(yīng)力磁化回線和磁致伸縮曲線與實(shí)驗(yàn)結(jié)果更加吻合。在此基礎(chǔ)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(duì)應(yīng)的磁信號(hào), 建立了非線性力-磁耦合模型，采用有限元方法實(shí)現(xiàn)了弱磁信號(hào)正演分析，可以定量描述應(yīng)力集中、缺陷和表面磁記憶信號(hào)的變化規(guī)律?；谒⒌娜醮判盘?hào)正演分析，針對(duì)微磁檢測(cè)中應(yīng)力和損傷的定量化反演問(wèn)題開展研究，理論上證實(shí)微磁檢測(cè)可以對(duì)應(yīng)力集中、缺陷等進(jìn)行定量化判定，并給出了鋼軌損傷的評(píng)判方法, 接著進(jìn)行了鋼軌動(dòng)態(tài)磁記憶檢測(cè), 研究了動(dòng)態(tài)檢測(cè)的測(cè)量量及評(píng)判方法。部分研究進(jìn)展發(fā)表在無(wú)損檢測(cè)專業(yè)雜志Nondestructive Testing and Evaluation上。本項(xiàng)目建立了從源于微觀現(xiàn)象的磁化機(jī)理建模、到面向宏觀的磁記憶信號(hào)定量化分析、最終到面向檢測(cè)的殘余應(yīng)力/缺陷定量化評(píng)價(jià)的自下而上系統(tǒng)完整的磁記憶檢測(cè)理論，為金屬磁記憶方法在高速鐵路鋼軌傷損檢測(cè)中應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)和依據(jù)，得到美國(guó)物理協(xié)會(huì)旗下的國(guó)際應(yīng)用物理著名期刊J. Appl. Phys.的編輯重點(diǎn)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(yùn)行速度的不斷提高，高速鐵路鋼軌滾動(dòng)接觸疲勞損傷程度不斷加深，直接影響高速列車的運(yùn)行安全，準(zhǔn)確評(píng)估在役金屬鋼軌中應(yīng)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(wú)損檢測(cè)可以對(duì)構(gòu)件的損傷位置及程度進(jìn)行早期預(yù)警，是一種操作簡(jiǎn)單的無(wú)源檢測(cè)技術(shù)，是無(wú)損檢測(cè)研究領(lǐng)域的前沿課題。本項(xiàng)目擬針對(duì)高速鐵路軌道傷損的動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)展開研究，基于金屬磁記憶方法對(duì)鋼軌進(jìn)行動(dòng)態(tài)檢測(cè)，準(zhǔn)確采集鋼軌附近有效磁信號(hào)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(dòng)態(tài)檢驗(yàn)鋼軌傷損評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)。本項(xiàng)目的實(shí)施擬解決微弱磁場(chǎng)下鐵磁性材料的力-磁耦合行為的準(zhǔn)確刻畫這一科學(xué)問(wèn)題以及高鐵鋼軌金屬磁記憶無(wú)損檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)的確立和精準(zhǔn)的損傷定位這一應(yīng)用問(wèn)題，為金屬磁記憶方法在高速鐵路鋼軌傷損檢測(cè)中應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)和依據(jù)。

本項(xiàng)目研究了鐵磁構(gòu)件在瑞利磁場(chǎng)強(qiáng)度下，受應(yīng)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(hào)放大、濾波，得到了滿足信噪比要求的磁彈噪訊。根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)計(jì)算磁彈噪訊隨磁場(chǎng)、外應(yīng)力變化的非線性關(guān)系，標(biāo)定磁彈噪訊隨應(yīng)力變化的曲線。研究首次提出控制激勵(lì)磁場(chǎng)的“強(qiáng)”、“弱”，來(lái)提高磁彈噪訊檢測(cè)應(yīng)力精度的 “臨界磁場(chǎng)”理論，建立了在瑞利磁場(chǎng)作用下疇壁位錯(cuò)釋放的磁彈噪訊和磁場(chǎng)強(qiáng)度與應(yīng)力的非線性數(shù)值計(jì)算關(guān)系。用于指導(dǎo)磁化器的設(shè)計(jì)，確定“零”應(yīng)力點(diǎn)，完成非對(duì)稱規(guī)律的MBN—σ“對(duì)稱”標(biāo)定，提高M(jìn)BN技術(shù)的檢測(cè)精度。 研究在地磁場(chǎng)下，鐵磁構(gòu)件表面遺留磁場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)分布的關(guān)系。研究受力構(gòu)件表面遺留最大漏磁場(chǎng)隨位形變化的特征，確定磁記憶檢測(cè)參數(shù)，確定鐵磁構(gòu)件應(yīng)力集中程度，進(jìn)而研究信號(hào)的放大、濾波系統(tǒng)。 本研究首次提出以磁記憶技術(shù)檢測(cè)出構(gòu)件的應(yīng)力集中區(qū)，以磁彈技術(shù)檢測(cè)構(gòu)件集中區(qū)應(yīng)力的大小，兩個(gè)檢測(cè)技術(shù)功能融合，檢測(cè)數(shù)據(jù)相互認(rèn)證、修訂，提高定性檢測(cè)的準(zhǔn)確度和定量檢測(cè)的精度的無(wú)損檢測(cè)方法。磁彈波、記憶（MBN—MMM）檢測(cè)應(yīng)力技術(shù)，是依靠微觀磁疇受力產(chǎn)生位錯(cuò)釋放的磁彈噪訊和在磁疇壁形成的遺傳特征檢測(cè)應(yīng)力，是目前唯一檢測(cè)深度優(yōu)于X射線法，檢測(cè)方式優(yōu)于應(yīng)變片法的新穎檢測(cè)技術(shù)。 采用該技術(shù)可以開展對(duì)鍋爐、壓力容器焊接結(jié)構(gòu)件殘余應(yīng)力檢測(cè)及服役應(yīng)力跟蹤檢測(cè)。扭桿、大型構(gòu)件的應(yīng)力及疲勞檢測(cè)。板簧表面的應(yīng)力檢測(cè)，飛機(jī)螺旋機(jī)翼飛行前、后根部扭轉(zhuǎn)應(yīng)力的檢測(cè)。目前，最具有應(yīng)用價(jià)值的工程檢測(cè)應(yīng)屬無(wú)縫線路長(zhǎng)鋼軌熱脹冷縮溫度應(yīng)力的在線檢測(cè)。本項(xiàng)目的研究為MBN—MMM檢測(cè)應(yīng)力技術(shù)在各領(lǐng)域的應(yīng)用奠定了良好的理論和技術(shù)基礎(chǔ)。 2100433B

研究鐵磁構(gòu)件在瑞利磁場(chǎng)強(qiáng)度下，受應(yīng)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(hào)放大、濾波，得到滿足信噪比要求的磁彈噪訊，根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)量，數(shù)值計(jì)算磁彈噪訊隨磁場(chǎng)、外應(yīng)力變化的非線性關(guān)系，標(biāo)定磁彈噪訊隨應(yīng)力變化的曲線。修訂在瑞利磁場(chǎng)條件下磁彈噪訊隨應(yīng)力變化的關(guān)系式，進(jìn)而提出用控制激勵(lì)磁場(chǎng)的強(qiáng)、弱，來(lái)提高磁彈噪訊檢測(cè)應(yīng)力精度的近似磁化理論。研究在地磁場(chǎng)下，受力構(gòu)件表面遺留磁場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)分布的關(guān)系。研究受力構(gòu)件表面遺留最大漏磁場(chǎng)隨位形變化的特征，確定磁記憶檢測(cè)參數(shù)，確定鐵磁構(gòu)件應(yīng)力集中程度，進(jìn)而研究信號(hào)的放大、濾波系統(tǒng)。以磁記憶技術(shù)檢測(cè)出構(gòu)件的應(yīng)力集中區(qū)，以磁彈技術(shù)檢測(cè)構(gòu)件集中區(qū)應(yīng)力的大小，兩個(gè)檢測(cè)技術(shù)功能融合，檢測(cè)數(shù)據(jù)相互認(rèn)證、修訂，提高定性檢測(cè)的準(zhǔn)確度和定量檢測(cè)的精度,將該技術(shù)用于工程構(gòu)件應(yīng)力的在線檢測(cè)。

第1章金屬磁檢測(cè)記憶技術(shù)概述

1.1金屬磁記憶檢測(cè)技術(shù)的基本原理

1.2金屬磁記憶檢測(cè)技術(shù)的特點(diǎn)

1.3金屬磁記憶檢測(cè)技術(shù)的研究現(xiàn)狀

1.3.1金屬磁記憶機(jī)理研究

1.3.2力磁耦合關(guān)系的研究

1.3.3磁記憶信號(hào)表征損傷的應(yīng)用研究

第2章磁記憶檢測(cè)參量及影響因素

2.1法向信號(hào)Hp(y)零值點(diǎn)及K值意義的試驗(yàn)研究

2.1.1光滑靜載拉伸試件的檢測(cè)結(jié)果分析

2.1.2含預(yù)制缺陷靜載拉伸試件檢測(cè)結(jié)果分析

2.1.3光滑疲勞試件檢測(cè)結(jié)果分析

2.1.4預(yù)制缺陷疲勞試件檢測(cè)結(jié)果分析

2.2磁記憶技術(shù)表征缺陷、應(yīng)力集中及殘余應(yīng)力

2.2.1缺陷、應(yīng)力集中及殘余應(yīng)力之間的關(guān)系

2.2.2缺陷的磁記憶信號(hào)特征

2.2.3磁記憶信號(hào)對(duì)應(yīng)力集中程度的表征

2.2.4磁記憶信號(hào)對(duì)殘余應(yīng)力的表征

2.3磁記憶技術(shù)檢測(cè)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(hào)的時(shí)間效應(yīng)

2.3.3探頭提離值對(duì)磁記憶信號(hào)的影響

第3章磁記憶信號(hào)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(hào)表征缺陷件損傷行為

4.1含預(yù)制切口的靜載拉伸試件

4.2含預(yù)制切口的拉拉疲勞試件

4.2.145鋼預(yù)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(cè)技術(shù)的檢測(cè)機(jī)理

5.1金屬磁記憶現(xiàn)象的物理機(jī)制

5.1.1金屬磁記憶信號(hào)的實(shí)質(zhì)

5.1.2地磁場(chǎng)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(cè)方法比較

5.2.2熱處理對(duì)磁疇結(jié)構(gòu)的影響

5.2.3拉應(yīng)力對(duì)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(hào)的模式

5.3.1靜載拉伸斷裂模式

5.3.2疲勞裂紋擴(kuò)展斷裂模式

第6章金屬磁記憶檢測(cè)設(shè)備研制

6.1水平分量Hp(x)磁記憶檢測(cè)儀器

6.1.1儀器的功能設(shè)計(jì)

6.1.2儀器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

6.1.3儀器的軟件設(shè)計(jì)

6.1.4儀器的操作規(guī)程

6.2三維磁磁記憶信號(hào)檢測(cè)儀器

6.2.1RM-3DM金屬磁記憶檢測(cè)儀的硬件結(jié)構(gòu)

6.2.2RM-3DM金屬磁記憶檢測(cè)儀的軟件設(shè)計(jì)

6.3CRLE-1曲軸疲勞損傷的金屬磁記憶評(píng)估設(shè)備

6.3.1曲軸疲勞損傷評(píng)估設(shè)備的總體設(shè)計(jì)

6.3.2曲軸疲勞損傷評(píng)估設(shè)備的硬件設(shè)計(jì)

6.3.3曲軸疲勞損傷評(píng)估設(shè)備的軟件設(shè)計(jì)

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(diǎn)

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(cè)技術(shù)與再制造質(zhì)量控制的關(guān)系

第8章再制造工程質(zhì)量控制中的應(yīng)用實(shí)例

8.1車體裂紋的磁記憶檢測(cè)

8.2離心式壓縮機(jī)葉輪的磁記憶檢測(cè)

8.3汽車發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸的磁記憶檢測(cè)

8.3.1曲軸疲勞失效分析

8.3.2磁記憶評(píng)估曲軸損傷

8.4混凝土泵車臂架的磁記憶檢測(cè)

8.4.1臂架疲勞臺(tái)架試驗(yàn)設(shè)計(jì)

8.4.2檢測(cè)位置的確定

8.4.3臂架檢測(cè)結(jié)果分析

參考文獻(xiàn) 2100433B