高速鐵路軌道傷損的金屬磁記憶動態(tài)檢測方法研究項目摘要

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(zhǔn)確評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。金屬磁記憶無損檢測可以對構(gòu)件的損傷位置及程度進行早期預(yù)警，是一種操作簡單的無源檢測技術(shù)，是無損檢測研究領(lǐng)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(yù)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(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)。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(zhǔn)確刻畫這一科學(xué)問題以及高鐵鋼軌金屬磁記憶無損檢測標(biāo)準(zhǔn)的確立和精準(zhǔn)的損傷定位這一應(yīng)用問題，為金屬磁記憶方法在高速鐵路鋼軌傷損檢測中應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)和依據(jù)。

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(zhǔn)確評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。金屬磁記憶無損檢測可以對構(gòu)件的損傷位置及程度進行早期預(yù)警，是一種操作簡單的無源檢測技術(shù)，是無損檢測研究領(lǐng)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(zhǔn)確刻畫這一科學(xué)問題以及高鐵鋼軌金屬磁記憶無損檢測標(biāo)準(zhǔn)的確立和精準(zhǔn)的損傷定位這一應(yīng)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(yīng)力磁化本構(gòu)關(guān)系，可以預(yù)測不同磁化環(huán)境下的應(yīng)力磁化行為. 所建立的本構(gòu)關(guān)系方便在工程實際中的應(yīng)用。與已有的模型相比，本項目建立的模型預(yù)測的應(yīng)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(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)部損傷對應(yīng)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(yīng)力集中、缺陷和表面磁記憶信號的變化規(guī)律。基于所建立的弱磁信號正演分析，針對微磁檢測中應(yīng)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(yīng)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(yīng)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(yīng)用提供理論基礎(chǔ)和依據(jù)，得到美國物理協(xié)會旗下的國際應(yīng)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

本項目研究了鐵磁構(gòu)件在瑞利磁場強度下，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(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磁場的“強”、“弱”，來提高磁彈噪訊檢測應(yīng)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(yīng)力的非線性數(shù)值計算關(guān)系。用于指導(dǎo)磁化器的設(shè)計，確定“零”應(yīng)力點，完成非對稱規(guī)律的MBN—σ“對稱”標(biāo)定，提高MBN技術(shù)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(yīng)力場分布的關(guān)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(yīng)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(shù)檢測出構(gòu)件的應(yīng)力集中區(qū)，以磁彈技術(shù)檢測構(gòu)件集中區(qū)應(yīng)力的大小，兩個檢測技術(shù)功能融合，檢測數(shù)據(jù)相互認(rèn)證、修訂，提高定性檢測的準(zhǔn)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(yīng)力技術(shù)，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(yīng)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(yīng)變片法的新穎檢測技術(shù)。 采用該技術(shù)可以開展對鍋爐、壓力容器焊接結(jié)構(gòu)件殘余應(yīng)力檢測及服役應(yīng)力跟蹤檢測。扭桿、大型構(gòu)件的應(yīng)力及疲勞檢測。板簧表面的應(yīng)力檢測，飛機螺旋機翼飛行前、后根部扭轉(zhuǎn)應(yīng)力的檢測。目前，最具有應(yīng)用價值的工程檢測應(yīng)屬無縫線路長鋼軌熱脹冷縮溫度應(yīng)力的在線檢測。本項目的研究為MBN—MMM檢測應(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)件在瑞利磁場強度下，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(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。修訂在瑞利磁場條件下磁彈噪訊隨應(yīng)力變化的關(guān)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(yīng)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(yīng)力場分布的關(guān)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(yīng)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(shù)檢測出構(gòu)件的應(yīng)力集中區(qū)，以磁彈技術(shù)檢測構(gòu)件集中區(qū)應(yīng)力的大小，兩個檢測技術(shù)功能融合，檢測數(shù)據(jù)相互認(rèn)證、修訂，提高定性檢測的準(zhǔn)確度和定量檢測的精度,將該技術(shù)用于工程構(gòu)件應(yīng)力的在線檢測。

第1章金屬磁檢測記憶技術(shù)概述

1.1金屬磁記憶檢測技術(shù)的基本原理

1.2金屬磁記憶檢測技術(shù)的特點

1.3金屬磁記憶檢測技術(shù)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(guān)系的研究

1.3.3磁記憶信號表征損傷的應(yīng)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(yù)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(yù)制缺陷疲勞試件檢測結(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缺陷的磁記憶信號特征

2.2.3磁記憶信號對應(yīng)力集中程度的表征

2.2.4磁記憶信號對殘余應(yīng)力的表征

2.3磁記憶技術(shù)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(yīng)

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(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章金屬磁記憶檢測技術(shù)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(yīng)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(shè)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(shè)計

6.1.2儀器的結(jié)構(gòu)設(shè)計

6.1.3儀器的軟件設(shè)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(shè)計

6.3CRLE-1曲軸疲勞損傷的金屬磁記憶評估設(shè)備

6.3.1曲軸疲勞損傷評估設(shè)備的總體設(shè)計

6.3.2曲軸疲勞損傷評估設(shè)備的硬件設(shè)計

6.3.3曲軸疲勞損傷評估設(shè)備的軟件設(shè)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(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(shè)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(xiàn) 2100433B