机械工程学报 ›› 2021, Vol. 57 ›› Issue (18): 75-85.doi: 10.3901/JME.2021.18.075
• 特邀专栏:高速铁路钢轨检测监测与应用 • 上一篇 下一篇
严俨1, 刘怡1, 朱俊臻2, 苗玲1, 陈笑天3, 周宇4, 卢艳平5, 高斌1, 田贵云1,3
收稿日期:
2021-01-14
修回日期:
2021-06-05
出版日期:
2021-09-20
发布日期:
2021-11-30
通讯作者:
田贵云(通信作者),男,1965年出生,博士,教授,博士研究生导师。主要研究方向为电磁传感器、无损检测与评估、结构健康状态监测。E-mail:g.y.tian@uestc.edu.cn;g.y.tian@newcastle.ac.uk
作者简介:
严俨,男,1986年出生,博士,助理研究员。主要研究方向为电磁无损检测,深度神经网络,强化学习。E-mail:yan.y@uestc.edu.cn;刘怡,女,1992年出生,博士研究生。主要研究方向为电涡流脉冲热成像检测。E-mail:liuyi1024@std.uestc.edu.cn;朱俊臻,男,1990年出生,博士,讲师。主要研究方向为主动热成像技术。E-mail:junzhen_zhu@foxmail.com;苗玲,女,1991年出生,博士研究生。主要研究方向为电涡流脉冲热成像检测。E-mail:1558725860@qq.com;陈笑天,男,1991年出生,博士研究生。主要研究方向为电涡流脉冲热成像检测。E-mail:c.xiaotian1@newcastle.ac.uk;周宇,男,1977年出生,博士,副教授,博士研究生导师。主要研究方向为钢轨伤损、轨道结构、轮轨关系、轮轨养护维修。E-mail:yzhou2785@tongji.edu.cn;卢艳平,男,1979年出生,博士,讲师。主要研究方向为工业CT无损检测技术。E-mail:luyp_cqu@126.com;高斌,男,1983年出生,博士,教授,博士研究生导师。主要研究方向为电磁多物理传感无损检测,非监督/监督机器学习。E-mail:bin_gao@uestc.edu.cn
基金资助:
YAN Yan1, LIU Yi1, ZHU Junzhen2, MIAO Ling1, CHEN Xiaotian3, ZHOU Yu4, LU Yanping5, GAO Bin1, TIAN Guiyun1,3
Received:
2021-01-14
Revised:
2021-06-05
Online:
2021-09-20
Published:
2021-11-30
摘要: 钢轨在服役过程中长期承受列车轮对的压力和冲击载荷,会使其表面及浅层区域产生滚动接触疲劳裂纹。该种裂纹具有典型的三维空间特征,常规无损检测方法难以对裂纹的三维特征进行量化评估。以不同承载的钢轨试件中含有的滚动接触疲劳裂纹为研究对象,采用基于多物理场耦合的电涡流脉冲热成像检测技术,分析钢轨车轮踏面加热及冷却阶段的热图像序列偏度分布,表征裂纹三维特征,并与工业计算机层析成像扫描得到的裂纹形貌进行校验。试验结果表明,热图像序列的偏度特征能有效表征钢轨滚动接触疲劳裂纹的位置、走向、长度以及深度信息,偏度表征的裂纹沿钢轨表面走向角度与工业计算机层析成像扫描所得的结果线性相关,相关系数约0.97;偏度表征裂纹沿钢轨内部纵向扩展的空间角度与工业计算机层析成像扫描空间角度相关系数约0.89;偏度表征的钢轨内部闭合裂纹长度值与工业计算机层析成像扫描结果相关系数约0.94;偏度值与对应裂纹深度呈近似线性关系,相关系数约0.98。因此,基于电涡流脉冲热成像技术的偏度特征提取可用于钢轨滚动接触疲劳裂纹的量化评估,并得到工业层析成像结果校验。电涡流热成像及偏度量化评估方法对在役钢轨滚动接触疲劳裂纹的早期诊断、量化评估、三维可视化以及运营维护具有广阔的应用前景。
中图分类号:
严俨, 刘怡, 朱俊臻, 苗玲, 陈笑天, 周宇, 卢艳平, 高斌, 田贵云. 基于电涡流脉冲热成像偏度特征的钢轨自然裂纹量化评估[J]. 机械工程学报, 2021, 57(18): 75-85.
YAN Yan, LIU Yi, ZHU Junzhen, MIAO Ling, CHEN Xiaotian, ZHOU Yu, LU Yanping, GAO Bin, TIAN Guiyun. Quantification of Rolling Contact Fatigue Cracks in Rails Based on Eddy Current Pulsed Thermography with Skewness Feature[J]. Journal of Mechanical Engineering, 2021, 57(18): 75-85.
[1] GRASSIE S L. Rolling contact fatigue on the British railway system:treatment[J]. Wear,2005,258(7-8):1310-1318. [2] GROHMANN H D,HEMPELMANN K,GROß-THEBING A. A new type of RCF,experimental investigations and theoretical modelling[J]. Wear,2002,253(1-2):67-74. [3] 周清跃,张建峰,郭战,等. 重载铁路钢轨的伤损及预防对策研究[J]. 中国铁道科学,2010,31(1):27-31.ZHOU Qingyue,ZHANG Jianfeng,GUO Zhan,et al. Research on the rail damages and the preventive counter measures in heavy haul railways[J]. China Railway Science,2010,31(1):27-31. [4] 黄洁,周琰,彭金方,等. 不同法向载荷条件下车轮与钢轨间的滚动摩擦磨损及损伤行为[J]. 机械工程材料,2016,40(06):88-92.HUANG Jie,ZHOU Yan,PENG Jinfang,et al. Rolling friction and wear,and damage behavior of wheel/rail at high rotation speed and different normal loads[J]. Materials for Mechanical Engineering,2016,40(6):88-92. [5] 刘启跃,张波,周仲荣. 铁路钢轨损伤机理研究[J]. 中国机械工程,2002,13(18):1596-1599. LIU Qiyue,ZHANG Bo,ZHOU Zhongrong. The research of wear characteristics on steel rail[J]. China Mechanical Engineering. 2016,40(6):88-92. [6] MA L,HE C G,ZHAO X J,et al. Study on wear and rolling contact fatigue behaviors of wheel/rail materials under different slip ratio conditions[J]. Wear,2016,366:13-26. [7] MASOUDI N,MAHMOUD S,KHALIL F. Effect of wear on rolling contact fatigue crack growth in rails[J]. Tribology International,2016(94):118-125. [8] AMINFAR E,SAEED M,HAMED F. Phased array ultrasonic phased array technique in rail for crack-like discontinuity detection[J]. Materials Evaluation,2015,73(3):360-367. [9] SONG Zenglu. Detection of damage and crack in railhead by using eddy current testing[J]. Journal of Electromagnetic Analysis and Applications,2011,3(12):546-550. [10] NICHOLSON G,ROWSHANDEL H,HAO X J. Measurement and modelling of ACFM response to multiple RCF cracks in rail and wheels[J]. Ironmaking & Steelmaking,2013,40(2):87-91. [11] PALMER S B,STEVE D,RACHEL S E,et al. Transverse and longitudinal crack detection in the head of rail tracks using rayleigh wave-like wideband guided ultrasonic waves[J]. Nondestructive Evaluation and Health Monitoring of Aerospace Materials,Composites,and Civil Infrastructure IV,2005,5767(1):70-80. [12] LIU Peipei,JANG Jinho,YANG Suyoung,et al. Fatigue crack detection using dual laser induced nonlinear ultrasonic modulation[J]. Optics and Lasers in Engineering,2018(110):420-430. [13] 田贵云,高斌,高运来,等. 铁路钢轨缺陷伤损巡检与监测技术综述[J]. 仪器仪表学报,2016,37(8):1763-1780.TIAN Guiyun, GAO Bin,GAO Yunlai,et al. Review of railway rail defect non-destructive testing and monitoring[J]. Chinese Journal of Scientific Instrument. 2016,37(8):1763-1780. [14] LI X,GAO B,WOO W L,et al. Quantitative surface crack evaluation based on eddy current pulsed thermography[J]. IEEE Sensors Journal,2017,17(2):412-421. [15] OSWALD-TRANTA B,WALLE G,OSWALD J. A semi-analytical model for the temperature distribution of thermo inductive heating[C/CD]//Quantitative InfraRed Thermography,Italy,2006. [16] WILSON J,TIAN G,ABIDIN I Z,et al. Pulsed eddy current thermography:System development and evaluation[J]. Insight:Non-Destructive Testing & Condition Monitoring,2010,52(2):87-90. [17] WALLE G,NETZELMANN U,STUMM C,et al. Low frequency induction thermography for the characterization of hidden cracks in ferromagnetic steel components[C]//Proc. 11th Int. Conf. on Quantitative Infrared Thermography(QIRT). Greenville,USA,2012. [18] YIN A,GAO B,TIAN G Y,et al. Physical interpretation and separation of eddy current pulsed thermography[J]. Journal of Applied Physics,2013,113(6):064101-064111. [19] YANG R,HE Y,GAO B,et al. Lateral heat conduction-based eddy current thermography for detection of parallel cracks and rail tread oblique cracks[J]. Measurement,2015,66(1-2):54-61. [20] PENG J,TIAN G,WANG L,et al. Investigation into eddy current pulsed thermography for rolling contact fatigue detection and characterization[J]. NDT & E International,2015,74(6):72-80. [21] ZHU Junzhen,WITHERS P J,WU Jianbo,et al.,Characterization of rolling contact fatigue cracks in rails by eddy current pulsed thermography[J]. IEEE Transactions on Industrial Informatics,2021,17(4):2307-2315. [22] 周宇,木东升,韩延彬,等. 基于X射线断层扫描的钢轨滚动接触疲劳裂纹形状建模方法[J]. 华东交通大学学报,2019,36(1):41-48.ZHOU Yu,MU Dongsheng,HAN Yanbin,et al. Modeling method for rolling contact fatigue crack shape of rail based on X-ray tomography[J]. Journal of East China Jiaotong University,2019,36(1):41-48. [23] 周宇,邝迪峰,郑晓峰,等. 基于三维重构的钢轨滚动接触疲劳裂纹扩展预测[J]. 机械工程学报,2018,54(4):158-166.ZHOU Yu,KUANG Difeng,ZHENG Xiaofeng,et al. Prediction of the rail head checks propagation based on three dimensional reconstruction[J]. Journal of Mechanical Engineering,2018,54(4):158-166. [24] 周宇,张杰,杨新文,等. U75V热处理钢轨滚动接触疲劳裂纹和磨耗试验[J]. 同济大学学报,2015,43(6):877-881.ZHOU Yu,ZHANG Jie,YANG Xinwen,et al Experiment on the rolling contact fatigue crack and wear of U75V heat-treated rail[J]. Journal of Tongji University,2015,43(6):877-881. [25] PARK J H,KIYOSHI T,PAYAM O. 3-Dimensional cone-beam computed tomography superimposition:A review[J]. Seminars in Orthodontics,2015,21(4):263-273. [26] 王珏,徐利兵,卢艳平. 边缘检测在工业CT图像中的应用[J]. 无损检测,2007(2):61-65.WANG Jun,XU Libing,LU Yanping. Application of edge extraction on image measurement of industrial computed tomography[J]. Nondestructive Testing,2007(2):61-65. [27] 卢艳平,王珏,喻洪麟. 工业CT三维图像处理与分析系统[J]. 仪器仪表学报,2009(2):444-448.LU Yanping,WANG Jue,YU Honglin. 3D image processing and analyzing system for industrial computed tomography[J]. Chinese Journal of Scientific Instrument,2009(2):444-448. [28] 陈炼,吴志芳,王钦娅. 锥束CT的分区短扫描FDK重建算法[J]. 清华大学学报,2009,49(6):860-863,867.CHEN Lian,WU Zhifang,WANG Qinya. Segmentation short scan FDK reconstruction algorithm for cone-beam CT[J]. Journal of Tsinghua University,2009,49(6):860-863,867. [29] LIU Z,GAO B,TIAN Guiyun. Natural cracks diagnosis system based on novel l-shaped electromagnetic sensing thermography[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics,2020,67(11):9703-9714. [30] CHEN X,TIAN G,DING S,et al. Investigation of skewness feature for evaluation of defects using eddy current pulsed thermography[J]. IEEE Sensors Journal,2019,19(24):12118-12125. |
[1] | 方续东, 邓武彬, 吴祖堂, 李进, 吴晨, 前田龙太郎, 田边, 赵立波, 林启敬, 张仲恺, 韩香广, 蒋庄德. 基于惯性传感器的呼吸测量技术综述[J]. 机械工程学报, 2024, 60(20): 1-23. |
[2] | 傅杨, 张跃, 毛颖, 唐小华, 陈祖高, 徐和武, 杨雨沛, 高斌, 田贵云. 基于Feature Boosting的管道电磁内检测多传感信号缺陷解析算法[J]. 机械工程学报, 2024, 60(20): 51-67. |
[3] | 吴洁, 沈以赴, 黄国强. 2024铝合金填丝TIG焊接头搅拌摩擦加工组织和性能研究[J]. 机械工程学报, 2024, 60(20): 153-161. |
[4] | 张志勇, 王宇翔, 黄彩霞, 吴悠, 杜荣华. 融合灰色预测和卡尔曼滤波的车辆侧向碰撞预警[J]. 机械工程学报, 2024, 60(20): 240-250. |
[5] | 廖贵文, 张毅, 魏凯, 刘小君, 王伟. 受限润滑界面液固二相流场结构与颗粒运动行为耦合特性分析[J]. 机械工程学报, 2024, 60(20): 351-360. |
[6] | 王旭, 姜兴宇, 杨国哲, 孙猛, 于沈弘, 毕凯航, 赵日铮, 刘伟军. 基于PSO-SSA的激光清洗装备人机界面布局优化研究[J]. 机械工程学报, 2024, 60(20): 372-387. |
[7] | 王德祥, 张宇, 江京亮, 刘新福, 刘国梁. 离子液基和棕榈油基纳米流体在镍基高温合金微量润滑磨削界面的摩擦学机理研究[J]. 机械工程学报, 2024, 60(19): 159-171. |
[8] | 李浦, 逯代兴. 协同仿真算法研究综述[J]. 机械工程学报, 2024, 60(19): 172-186. |
[9] | 王晓宇, 魏兆成, 王学勤, 王栋. 整体叶轮双列开槽五轴插铣加工的残留材料建模[J]. 机械工程学报, 2024, 60(19): 310-317. |
[10] | 王高见, 刘丽, 康丹丹, 叶延洪, 邓德安. Ni含量对高速列车转向架耐候钢焊缝金属微观组织、力学性能及腐蚀行为的影响[J]. 机械工程学报, 2024, 60(18): 163-172. |
[11] | 张明康, 师文庆, 徐梅珍, 王迪, 陈杰. 隐式曲面多孔结构压缩性能与流体压降性能研究[J]. 机械工程学报, 2024, 60(18): 394-406. |
[12] | 马伟佳, 朱小龙, 刘青瑶, 段星光, 李长胜. 人工智能在机器人辅助手术中的应用[J]. 机械工程学报, 2024, 60(17): 22-39. |
[13] | 袁小庆, 吴涛, 原勋, 王文东. 基于GSO-RF意图识别算法的全身助力外骨骼控制方法研究[J]. 机械工程学报, 2024, 60(17): 91-101. |
[14] | 张禹泽, 赵竞夫, 赵振伟, 康荣杰, 戴建生, 宋智斌. 面向多关节训练的并联柔索驱动下肢康复机器人设计与分析[J]. 机械工程学报, 2024, 60(17): 111-122. |
[15] | 梁旭, 张建勇, 李国涛, 苏婷婷, 何广平, 侯增广. 面向骨折复位手术的冗余并联机构:设计、建模与性能分析[J]. 机械工程学报, 2024, 60(17): 133-146. |
阅读次数 | ||||||
全文 |
|
|||||
摘要 |
|
|||||