一种道岔转辙机内部斜裂纹定量检测的方法

技术领域

本发明属于无损检测技术领域，具体涉及一种道岔转辙机内部斜裂纹定量检测的方法。

背景技术

转辙机是铁路系统中一种重要设备，其主要作用是拖动尖轨改变道岔的通路方向。近年来随着列车提速，转辙机的需求量被不断地提升，列车轨道对道岔转辙机的安全性要求越来越高。目前我国对转辙机的检测方式依然依靠目视检测，虽然目视检测结果良好，但无法对内部裂纹进行及时检出，铁路道岔转辙机动作杆内部裂纹在力的作用下容易产生扩张，因此内部裂纹检测非常重要。目前根据使用达到规定年限的转辙机的关键部件会直接采取更换措施，总体成本高，效率低。相对人类视觉，现代无损检测技术在检测速度、精度、范围以及检测环境要求等方面都有巨大优势，尤其针对转辙机恶劣工作环境下的重复性检测工作。其中，超声检测通过超声波与试件的相互作用，通过对接收到的回波信号进行分析研究，得到被测件内部结构特征，具有分辨率高、成本低、操作简便等诸多优点。

目前超声检测已广泛应用于材料的性质表征，裂纹检测，厚度检测等领域。但是目前在转辙机的关键部件多为矩形截面的板件或杆件，对这类关键部件的内部裂纹检测中，还没有采用超声波检测的相关技术。而且现有技术中超声波进行损伤检测还缺少对斜裂纹进行重构成像的技术，因此难以准确定位裂纹的端点，无法进行定量检测，测量精度不足。

发明内容

本发明的目的是提供一种道岔转辙机内部斜裂纹定量检测的方法，用于解决现有技术中缺少对转辙机的关键部件的超声波检测技术，且现有检测技术难以准确定位裂纹的端点，无法进行定量检测，测量精度不足的技术问题。

所述的一种道岔转辙机内部斜裂纹定量检测的方法，包括下列步骤：

S1：分析材料力学性能，计算转辙机的关键部件的临界裂纹理论长度，并以此为基础在与转辙机的关键部件对应的试件上设计人工刻槽裂纹模拟实际裂纹。

S2：建立仿真模型，分析声场特点并选取最优的超声探头参数。

S3：搭建实验平台，采用A型脉冲反射式单晶直探头对试件进行周向扫查检测，采集完整的脉冲超声信号。

S4：对扫查实验结果进行图像重构，并结合能量阈值法及二值法提取图像特征，通过线段最短原则实现内部斜裂纹定量检测。

优选的，所述步骤S4中，将周向扫查的检测结果进行图像重构，设定能量阈值，保留能量高于该能量阈值的信号信息，之后在对结果进行二值化处理，寻找最大连接分量，最后通过路径最短原则，取各分量间距离最小且非零的两点进行连接，连接线段即为斜裂纹大小和形状。

优选的，所述步骤S1中，所述关键部件的疲劳裂纹属于I型张开型，根据针对I型裂纹的应力强度因子K的计算公式和断裂评判准则式，计算道岔转辙机的临界裂纹尺寸准确值；将临界裂纹尺寸作为参考设计人工裂纹，在所述试件上设计若干倾斜刻槽用以模拟实际内部斜裂纹，所述倾斜刻槽垂直设于试件上模拟关键部件截面的平面。

优选的，所述步骤S2中，在CIVA仿真软件中建立试件模型，采用纵波直探头模拟扫查，采用汉宁窗调制，在模拟计算过程中，裂纹上下端点回波时间差来计算裂纹高度，通过仿真获得不同探头频率与晶片直径下的试件中的裂纹响应结果来判断最优超声探头参数。

优选的，所述步骤S3中，采用窄脉冲直探头沿试件的四条边依次进行周向扫查，检测结果为A扫信号，在A扫信号中，裂纹波与底波之间出现的回波即为裂纹波。

优选的，所述步骤S4中，寻找最大连接分量的方法包括，二值化的检测结果图处理时按照8邻域连接方式计算出所有连接分量，同时给其内部连接像素分配一个唯一整数，此时，若途中共有n组连接分量，那么其标注范围即为1到n，并且背景像素标记为0，对二值化图像内所有连通区域覆盖范围内信号信息进行保留，经分组对比取当前连通域内最大值的信号信息作为目标对象。

优选的，所述步骤S1中，针对I型裂纹的应力强度因子K的计算公式为：

其中，γ为形状修正因子，其值由裂纹的形状和加载的方式决定；K

根据断裂评判准则式K

根据机械工程材料性能数据手册可知转辙机材料的断裂韧性，关键部件在循环荷载作用下裂纹周边应力根据实际情况确定，计算出a

以a

优选的，所述步骤S2中，模拟扫查采用的激励信号为2.5MHz、5MHz、7.5MHz 的纵波，晶片直径分别为6mm、8mm、10mm、12mm。

优选的，所述步骤S3中，周向扫查采用的激励脉冲宽度为30ns，增益为 64dB，回波抑制为3％，探头零点为0.12μs，声程取110mm。

本发明具有以下优点：1、本发明提出基于A型脉冲反射式超声技术对道岔转辙机内部的关键部件进行内部裂纹检测的方法，该检测方法成本低、精度高，能有效解决工程中转辙机关键部件的裂纹检测不便的问题。

2、本发明提出的信号处理方法和图像处理方法可以实现转辙机内部斜裂纹的重构成像，通过二值化处理和8邻域连接方式对图像进行处理，再提取图像特征进而实现内部斜裂纹定量检测，对倾斜刻槽的截面两端检测准确，具有较好的测量精度。

附图说明

图1为本发明一种道岔转辙机内部斜裂纹定量检测的方法的流程示意图。

图2为本发明实施例中采用的试件的结构图。

图3为本发明实施例中采用的试件的实物图。

图4为本发明实施例中不同探头频率与晶片直径下关键部件的裂纹响应结果图。

图5为本发明实施例中超声波扫查方式的示意图。

图6为为本发明实施例中周向扫查信号的重构图像。

图7为本发明实施例通过保留能量高于设定阈值的处理方法得到的图像。

图8为本发明实施例通过二值法的处理方法得到的图像。

图9为本发明实施例对内部斜裂纹定量检测的结果图。

具体实施方式

下面对照附图，通过对实施例的描述，对本发明具体实施方式作进一步详细的说明，以帮助本领域的技术人员对本发明的发明构思、技术方案有更完整、准确和伸入的理解。

如图1所示，本发明提供一种道岔转辙机内部斜裂纹定量检测的方法，包括下列步骤：

S1：分析材料力学性能，计算转辙机的关键部件的临界裂纹理论长度，并以此为基础在试件上设计人工刻槽裂纹模拟实际裂纹。该试件与转辙机中对应的关键部件材质相同形状相近。在本实施例中，关键部件为截面为正方形的动作杆，根据其尺寸形状切割100mm×100mm×40mm的试件为检测对象。

(1)由于转辙机的关键部件的疲劳裂纹属于I型张开型，故可以根据针对I 型裂纹的应力强度因子K的计算公式和断裂评判准则式，计算道岔转辙机的临界裂纹尺寸准确值；将临界裂纹尺寸作为参考设计人工裂纹，在100mm×100mm ×40mm的试件上设计了三个倾斜刻槽(对应图2中倾斜线条①、②、③)用以模拟实际内部斜裂纹，倾斜刻槽垂直设于试件上模拟关键部件截面的平面。其中本研究采用的针对I型裂纹的应力强度因子K的计算公式为：

其中，γ为形状修正因子，其值由裂纹的形状和加载的方式决定；K

根据断裂评判准则式K

根据机械工程材料性能数据手册可知转辙机材料的断裂韧性

(2)以a

S2：建立仿真模型，分析声场特点并选取最优的超声探头参数。

本实施例中在CIVA仿真软件中建立100mm×100mm×40mm的试件模型，模型内部裂纹如实际设置裂纹一致。采用纵波直探头模拟扫查，激励信号为 2.5MHz、5MHz、7.5MHz的纵波，晶片直径分别为6mm、8mm、10mm、12mm，如表1所示。仿真获得不同探头频率与晶片直径下的动作杆对应的试件中的裂纹响应结果来判断最优超声探头参数，如图4所示。

表1仿真中心频率和晶片直径参数选择

通过仿真获得不同探头频率与晶片直径下的动作杆板状试件中的裂纹响应结果，如图4(a-l)所示。其中，图4(a-c)为6mm直径的不同频率探头的裂纹响应结果，图4(d-f)为8mm直径的不同频率探头的裂纹响应结果，图4(g-i)为10mm 直径的不同频率探头的裂纹响应结果，图4(j-l)为12mm直径的不同频率探头的裂纹响应结果。图4(a-c)显示，当晶片直径为6mm不变时，随着探头频率增大，裂纹的回波能量变弱，但由低频产生的裂纹横向，纵向的变形失真情况明显改善，裂纹成像分辨率提高。图4(b)、(e)、(h)、(k)显示，当探头频率不变均为5MHz 时，随着晶片尺寸的增加，不同深度裂纹的回波能量提高，同时裂纹也出现了拉长变形的失真情况。因此，通过声场分析优化得到的5MHz的中频以及10mm 晶片尺寸能够满足动作杆试件的裂纹检测，有较好的检测灵敏度的同时能够获得较高的裂纹成像分辨率。

S3：搭建实验平台，采用A型脉冲反射式单晶直探头对试件进行周向扫查检测，采集完整的脉冲超声信号。

本实施例中使用基于脉冲反射法的超声波检测仪，检测仪器参数如表2所示，基于仿真研究，选用中心频率5MHz、晶片直径10mm的探头，对试件进行周向扫查实验检测结果为A扫信号，可以实时呈现对应的上位机波形显示窗口中，通过上位机的参数设置，可以进行声速、声程、脉冲宽度、增益、回波抑制、探头零点等设置，其中，声速、声程由被测件的材料和厚度决定，一般留8mm至 10mm的余量；脉冲宽度和增益主要是调节信号宽度和幅值；回波抑制主要用于滤除噪声、提高信噪比百分比越大滤除的信号幅值越大；探头零点用于补偿探头由于声束从换能器到被测工件这段声程所产生的延时。

表2超声检测仪参数

初始参数设置完毕后，可通过对已知厚度无裂纹试件进行检测，在屏幕中找到底波的位置并调整声速令底面回波位置与理论位置一致，从而完成对声速校准。在针对本发明的道岔试件进行超声检测时，通过测试校准将最佳仪器参数取值如下：声速为6030m/s，激励脉冲宽度为30ns，增益为64dB，回波抑制为3％，探头零点为0.12μs，声程取110mm。调整完毕之后即可开始进行检测，当裂纹波与底波之间出现的回波即为裂纹波。

单边扫查能够定位裂纹深度及大致范围，若通过单边扫查结果直接将裂纹回波信号幅值最大处定义为裂纹端点，从而进行裂纹定量，会产生误差导致测量结果不准确。因此，为了准确定位同一个裂纹的具体位置及大小信息，本发明基于超声检测仪器对被测试件进行周向扫查实验，即分别从试件模拟关键部件截面的平面周侧的四条边A、B、C、D进行扫查，整体扫查方向为逆时针，如图5所示。

S4：对扫查信号进行图像重构，提取图像特征进而实现内部斜裂纹定量检测。

(1)将四边的检测结果进行图像重构，加强信噪比凸显裂纹周围信息，如图6所示。为了对检测到的裂纹信号进行量化，设最大能量的47％为能量阈值，保留能量高于该能量阈值的信号信息，如图7，然后对该结果进行二值化处理，寻找最大连接分量，如图8所示。连接分量源于路径，而邻接方式决定了路径。实验数据(二值化的检测结果图)处理时按照8邻域连接方式计算出所有连接分量，同时给其内部连接像素分配一个唯一整数，此时，若途中共有n组连接分量，那么其标注范围即为1到n，并且背景像素标记为0。对二值化图像内所有连通区域覆盖范围内信号信息进行保留，经分组对比取当前连通域内最大值的信号信息作为目标对象，遍历计算每点间的距离，取距离为非零最小的两点(即目标对象)进行连接，即线段最短原则，连接线段即为斜裂纹大小和形状，如图9所示。

最后，对比试件中1至3号裂纹位置的真实值与实验结果，参照公式计算真值与实验结果的相对误差，公式为：

式中，δ

表3检测与实际的三个裂纹位置及范围对比

表4检测结果计算得到裂纹的大小

由此可见，采用本方法对转辙机的关键部件进行超声波检测，能准确可靠地检测出该关键部件的内部裂纹，同时采用周侧环绕扫查的方式，利用扫查得到的结果对四个边的扫查信号进行图像重构，通过二值化处理和8邻域连接方式对图像进行处理，再提取图像特征进而实现内部斜裂纹定量检测，由于取当前连通域内最大值的信号信息作为目标对象，因此对内部斜裂纹的端点检测准确，并能重构成形状可靠的斜裂纹图像，从而保证定量检测的精确性和可靠性，具有检测成本低而精度高的优点。

上面结合附图对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的发明构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，或未经改进将本发明构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明保护范围之内。