轨道列车制动毂齿根部的裂纹状态检测方法及系统与流程

本发明实施例涉及轨道列车检修技术领域，尤其涉及一种轨道列车制动毂齿根部的裂纹状态检测方法及系统。

背景技术：

随着轨道列车速度不断的提高，对保证车辆安全行驶至关重要的基础制动装置提出了更高的性能要求。其中，制动装置中的制动毂作为制动盘与车轴的连接件，起着至关重要的作用。由于高速轨道列车与以往机车相比较，承受的动态载荷更加复杂，在制动毂疲劳裂纹的萌生扩展分析中，应力状态及其裂纹机理、检测方法的研究技术难度大。

目前轨道列车零部件的无损检测领域中通常采用磁粉探伤、超声波探伤技术。由于电磁探伤技术只能检测轨道列车关键部件在某一状态下的表面裂纹，而不能进行在线的动态检测；而超声波探伤技术则需要外加激励，不能实时检测出整个轮轴上的裂纹。因此，现有技术中不能实现对轨道列车制动毂齿根部的裂纹状态的有效检测。

技术实现要素：

本发明提供一种轨道列车制动毂齿根部的裂纹状态检测方法及系统，以实现轨道列车制动毂齿根部的裂纹状态的检测。

本发明的一个方面是提供一种轨道列车制动毂齿根部的裂纹状态检测方法，其中，所述制动毂用于连接制动盘与轮轴，包括：

对制动毂齿根部加载载荷；

接收所述制动毂齿根部产生的弹性波信号；

获取所述弹性波信号中的声发射表征参数；

根据预先获取的声发射表征参数与制动毂齿根部的裂纹状态及里程的映射关系，获取与所述声发射表征参数对应的所述制动毂齿根部的裂纹状态。

进一步的，所述对制动毂齿根部加载载荷，具体为：

沿所述制动盘径向施加载荷，以对所述制动毂齿根部施加径向拉力；

或沿垂直制动盘的方向施加载荷，以对所述制动毂齿根部施加轴向弯矩。

进一步的，所述沿垂直制动盘的方向施加载荷，具体为：

在所述制动盘上的一虚拟圆上与所述制动毂齿根部对应的位置，沿垂直于所述制动盘的方向加载载荷，并保持至预定时长。

进一步的，所述载荷大小为4.4t～5.6t。

进一步的，所述获取所述弹性波信号中的声发射表征参数，包括：

对制动毂齿根部加载至少两次载荷，并获取每次加载过程接收的所述弹性波信号中的所述声发射表征参数，以其平均值作为所述声发射表征参数。

进一步的，所述预先获取的声发射表征参数与制动毂齿根部的裂纹状态及里程的映射关系，其获取过程包括：

获取运行不同里程的所述制动毂齿根部的所述声发射表征参数，建立声发射表征参数与里程的映射关系；

获取所述制动毂所用材料的疲劳强度与疲劳寿命曲线，根据所述疲劳强度与疲劳寿命曲线，获取制动毂齿根部的裂纹状态与应力循环次数的映射关系；

根据所述声发射表征参数与里程的映射关系及所述制动毂齿根部的裂纹状态与应力循环次数的映射关系，获取声发射表征参数与齿根部的裂纹状态及里程的映射关系。

本发明的另一个方面是提供一种轨道列车制动毂齿根部的裂纹状态检测系统，包括：

加载装置，用于对制动毂齿根部加载载荷；

声发射传感器，用于接收所述制动毂齿根部产生的弹性波信号，可拆卸的设置于所述制动毂齿根部上；

采集卡，与所述声发射传感器电连接，用于采集所述声发射传感器发送的所述弹性波信号；

处理器，与所述采集卡电连接，用于接收所述采集卡发送的所述弹性波信号，并获取所述弹性波信号中的声发射表征参数；

所述处理器还用于，根据预先获取的声发射表征参数与制动毂齿根部的裂纹状态及里程的映射关系，获取与所述声发射表征参数对应的所述制动毂齿根部的裂纹状态。

进一步的，所述加载装置包括：

液压千斤顶及用于控制所述液压千斤顶的控制装置，所述液压千斤顶可拆卸的设置于同一轴的相邻两个所述制动盘之间，用于沿垂直所述制动盘的方向施加载荷。

进一步的，所述声发射传感器上设置有磁性安装座，用于与所述制动毂齿根部可拆卸连接。

进一步的，在所述声发射传感器和所述采集卡间还包括：

放大器，用于放大所述声发射传感器接收的所述弹性波信号，并发送给所述采集卡。

本发明提供的轨道列车制动毂齿根部的裂纹状态检测方法及系统，通过对制动毂齿根部加载载荷，并接收制动毂齿根部产生的弹性波信号，从弹性波信号中获取声发射表征参数，根据预先获取的声发射表征参数与制动毂齿根部的裂纹状态及里程的映射关系，获取与声发射表征参数对应的制动毂齿根部的裂纹状态，从而实现轨道列车制动毂齿根部的裂纹状态的检测。本发明提供的方法可在线对轨道列车制动毂齿根部进行检测，不需要对制动毂进行拆卸，且可以检测到轨道列车制动毂齿根部整体的裂纹状态，且检测过程方便快捷，可提高检测效率，节约了大量的人力、物力及运输成本，可为机车厂和铁路公司带来良好的经济与社会效益。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。

图1为本发明实施例中的轨道列车制动毂的结构图；

图2为本发明实施例一提供的轨道列车制动毂齿根部的裂纹状态检测方法流程图；

图3为本发明实施例二提供的轨道列车制动毂齿根部的裂纹状态检测方法中声发射表征参数与制动毂齿根部的裂纹状态及里程的映射关系获取过程的流程图；

图4为本发明实施例三提供的轨道列车制动毂齿根部的裂纹状态检测系统的示意图；

图5为本发明实施例三提供的轨道列车制动毂齿根部的裂纹状态检测系统的载荷加载方式的示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要注意的是，除非另有说明，本申请使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域技术人员所理解的通常意义。

图1为本发明实施例中的轨道列车制动毂的结构图，轨道列车制动毂100是连接制动盘与轨道列车轮轴的零部件，其中制动毂与制动盘的连接是通过制动毂齿根部101与制动盘间的螺栓连接实现的。当轨道列车制动时，制动盘的热应力对制动毂作用，制动毂齿根部承受一个交变热拉应力；当轨道列车运行时，轮轴受到路谱振动与冲击、惯性力的作用，制动盘每转动一周，制动毂每个齿的径向力会发生一个周期的交变动载荷变化，即在运行中制动毂齿根部承受一个交变拉应力。综合两方面分析，轨道列车在运行与制动时，制动毂齿根部长期承受交变载荷的作用，发生累积损伤，强度下降，当剩余强度等于制动毂齿根部最大拉应力幅值时，齿根部出现疲劳裂纹。

本发明中针对现有无损检测技术，如磁粉探伤、超声波探伤存在不能对轨道列车制动毂齿根部的裂纹状态进行有效检测的缺陷，采用声发射检铡技术实现该部位的裂纹状态的检测，从而确保轨道列车的稳定安全运行。其中，材料或构件在受力过程中产生变形或裂纹时，以弹性波形式释放出应变能的现象，称为声发射。利用接收声发射信号，对材料或构件进行动态无损检铡的技术，称为声发射检铡技术。

实施例一

图2为本发明实施例一提供的轨道列车制动毂齿根部的裂纹状态检测方法流程图。如图2所示，本实施例提供一种轨道列车制动毂齿根部的裂纹状态检测方法，其中，制动毂用于连接制动盘与轮轴，包括：

S101、对制动毂齿根部加载载荷。

由于声发射为材料或构件在受力过程中产生变形或裂纹时以弹性波形式释放出应变能，因此需要对制动毂齿根部加载载荷，以提供驱动制动毂齿根部释放弹性波的能量。因此，在对制动毂齿根部进行声发射检测时，对制动毂齿根部加载载荷，具体可为：沿制动盘径向施加载荷，以对制动毂齿根部施加径向拉力；或沿垂直制动盘的方向施加载荷，以对制动毂齿根部施加轴向弯矩。

其中，沿制动盘径向施加载荷可采用夹持制动盘后沿径向施加拉力，通过制动盘将拉力施加给制动毂齿根部；而沿垂直制动盘的方向施加载荷则可直接在制动盘表面施加垂直制动盘方向的压力或拉力，从而对制动毂齿根部施加轴向弯矩。当然，加载载荷并不仅限于上述的加载方式，本实施例中以任何方式施加载荷均可实现提供声发射所需的能量。

S102、接收制动毂齿根部产生的弹性波信号。

当制动毂齿根部存在裂纹时，以弹性波形式释放出应变能，因此可采用声发射传感器采集弹性波信号，声发射传感器可布置于制动毂齿根部附近位置。其中，声发射传感器可实时对弹性波信号进行采集，也可多次对弹性波信号进行采集，具体可根据实际情况进行设置。

S103、获取弹性波信号中的声发射表征参数。

弹性波信号中的声发射表征参数包括撞击数、最大幅值及能量，能够反映裂纹的萌生扩展规律。例如，若撞击数与最大幅值随加载力提高无显著变化，撞击数均值与相对误差较小时，制动毂齿根部无裂纹的可能性大；而随载荷变化的撞击数或最大幅值变化率有显著变化，撞击数均值或相对误差很大，均是制动毂齿根部可能存在裂纹的标志；不同程度的裂纹，随载荷变化的声发射参数(尤其撞击数个数)变化存在一定的规律，在获取该规律后即可根据声发射参数判断制动毂齿根部的裂纹程度。

可选的，在获取弹性波信号中的声发射表征参数时，可采取对制动毂齿根部加载至少两次载荷，并获取每次加载过程接收的弹性波信号中的声发射表征参数，以其平均值作为声发射表征参数，以提高准确性，避免误差或噪音对结果的影响。

S104、根据预先获取的声发射表征参数与制动毂齿根部的裂纹状态及里程的映射关系，获取与声发射表征参数对应的制动毂齿根部的裂纹状态。

在本实施中，获取弹性波信号中的声发射表征参数后，根据预先获取的声发射表征参数与制动毂齿根部的裂纹状态及里程的映射关系，即可查找到与该获取到的声发射表征参数相对应的制动毂齿根部的裂纹状态，从而完成对轨道列车制动毂齿根部进行检测。其中，声发射表征参数与制动毂齿根部的裂纹状态及里程的映射关系可通过获取不同裂纹程度的轨道列车制动毂齿根部的声发射表征参数，并结合材料的疲劳损伤理论进行建模而获得。

本实施例的轨道列车制动毂齿根部的裂纹状态检测方法，通过对制动毂齿根部加载载荷，并接收制动毂齿根部产生的弹性波信号，从弹性波信号中获取声发射表征参数，根据预先获取的声发射表征参数与制动毂齿根部的裂纹状态及里程的映射关系，获取与声发射表征参数对应的制动毂齿根部的裂纹状态，从而实现轨道列车制动毂齿根部的裂纹状态的检测。本实施例提供的方法可在线对轨道列车制动毂齿根部进行检测，不需要对制动毂进行拆卸，且可以检测到轨道列车制动毂齿根部整体的裂纹状态，且检测过程方便快捷，可提高检测效率，节约了大量的人力、物力及运输成本，可为机车厂和铁路公司带来良好的经济与社会效益。

需要进一步说明的是，在本实施例中，对制动毂齿根部加载载荷是制动毂齿根部产生的弹性波信号的基础，也是影响检测结果准确性的关键。

本实施例中，对制动毂齿根部的加载方式优选为沿垂直制动盘的方向施加载荷，以对制动毂齿根部施加轴向弯矩。具体可采用：在制动盘上的一虚拟圆上与制动毂齿根部对应的位置，沿垂直于制动盘的方向加载载荷，并保持至预定时长。

由于轨道列车同一根轮轴上通常至少设置有两个制动盘，因此垂直于制动盘的方向加载载荷可采用加载装置设置于相邻两个制动盘之间，通过加载装置对该两个制动盘分别施加方向相反的垂直于制动盘的压力，从而实现对制动毂齿根部施加轴向弯矩，该加载方式方便便捷，容易实现，且若压力作用位置越靠近制动盘的外边缘则所需要的压力越小。

考虑到高效性、经济性及可行性，每个制动盘可选择多个加载位置同时进行加载，加载位置可均布在制动盘上的一虚拟圆上与制动毂齿根部对应的位置，因此可同时对多个制动毂齿根部进行裂纹状态的检测。

此外，所加载的载荷优选为静载荷，静载荷可减少加载过程中的摩擦噪声，例如螺栓紧固摩擦噪声。

进一步的，载荷大小为4.4t～5.6t。经过多次试验测试，当每一载荷的大小在4.4t～5.6t范围内时，摩擦噪声例如螺栓紧固摩擦噪声最小，可提高检测信号的信噪比，提高裂纹状态检测的准确性。

需要说明的是，加载过程需要加载到目标载荷后保持至预定时长，以确保足够的数据采集时间。当然，载荷加载过程也可以为加载到一目标载荷后以缓慢的速度增加到另一目标载荷，例如从4.4t缓慢加载到5.6t，更有利于制动毂齿根部弹性波的释放，有利于接收制动毂齿根部产生的弹性波信号。

实施例二

图3为本发明实施例二提供的轨道列车制动毂齿根部的裂纹状态检测方法中声发射表征参数与制动毂齿根部的裂纹状态及里程的映射关系获取过程的流程图。如图3所示，上述实施例中的预先获取的声发射表征参数与制动毂齿根部的裂纹状态及里程的映射关系，其获取过程包括：

S201、获取运行不同里程的制动毂齿根部的声发射表征参数，建立声发射表征参数与里程的映射关系。

其中，声发射表征参数可包括撞击数、最大幅值及能量，能够反映裂纹的萌生扩展规律。本实施例通过检测多个运行不同里程的制动毂齿根部，获取对应的的声发射表征参数，从而可建立声发射表征参数与里程的映射关系。

S202、获取制动毂所用材料的疲劳强度与疲劳寿命曲线，根据疲劳强度与疲劳寿命曲线，获取制动毂齿根部的裂纹状态与应力循环次数的映射关系。

疲劳强度与疲劳寿命曲线为材料所承受的应力幅水平与该应力幅下发生疲劳破坏时所经历的应力循环次数的关系曲线。结合剩余强度理论，可获取制动毂齿根部的裂纹状态与应力循环次数的映射关系，具体例如，制动毂齿根部的剩余强度与应力循环次数的应力循环次数的关系、制动毂齿根部的损伤因子与应力循环次数的应力循环次数的关系等。

S203、根据声发射表征参数与里程的映射关系及制动毂齿根部的裂纹状态与应力循环次数的映射关系，获取声发射表征参数与齿根部的裂纹状态及里程的映射关系。

由于制动毂齿根部在制动盘每转动一周，制动毂每个齿的径向力会发生一个周期的交变动载荷变化，可知制动毂齿根部应力循环次数与里程存在一对应的关系。因此结合声发射表征参数与里程的映射关系及制动毂齿根部的裂纹状态与应力循环次数的映射关系，即可得到获取声发射表征参数与齿根部的裂纹状态及里程的映射关系。当然此处可以仅仅是声发射表征参数与齿根部的裂纹状态的映射关系，也可以是声发射表征参数、齿根部的裂纹状态及里程三者的映射关系。

本实施通过获取运行不同里程的制动毂齿根部的声发射表征参数，并结合理论，通过建模，获取声发射表征参数与制动毂齿根部的裂纹状态及里程的映射关系，以为后续的制动毂齿根部的裂纹状态检测提供依据和指导。

实施例三

图4为本发明实施例三提供的轨道列车制动毂齿根部的裂纹状态检测系统的示意图。如图4所示，本实施例提供一种轨道列车制动毂齿根部的裂纹状态检测系统，包括：加载装置300、声发射传感器400、采集卡500及处理器600。

其中，加载装置300用于对制动毂齿根部101加载载荷；

声发射传感器400用于接收制动毂齿根部101产生的弹性波信号，可拆卸的设置于制动毂齿根部101上；

采集卡500与声发射传感器400电连接，用于采集声发射传感器400发送的弹性波信号；

处理器600与采集卡500电连接，用于接收采集卡500发送的弹性波信号，并获取弹性波信号中的声发射表征参数；

处理器600还用于根据预先获取的声发射表征参数与制动毂齿根部的裂纹状态及里程的映射关系，获取与声发射表征参数对应的制动毂齿根部101的裂纹状态。

本实施的轨道列车制动毂齿根部的裂纹状态检测系统，可以具体用于执行上述实施例所提供的方法，具体功能此处不再赘述。

本实施例的轨道列车制动毂齿根部的裂纹状态检测系统，通过对制动毂齿根部加载载荷，并接收制动毂齿根部产生的弹性波信号，从弹性波信号中获取声发射表征参数，根据预先获取的声发射表征参数与制动毂齿根部的裂纹状态及里程的映射关系，获取与声发射表征参数对应的制动毂齿根部的裂纹状态，从而实现轨道列车制动毂齿根部的裂纹状态的检测。本实施例提供的系统可在线对轨道列车制动毂齿根部进行检测，不需要对制动毂进行拆卸，且可以检测到轨道列车制动毂齿根部整体的裂纹状态，且检测过程方便快捷，可提高检测效率，节约了大量的人力、物力及运输成本，可为机车厂和铁路公司带来良好的经济与社会效益。

进一步的，本实施例中，加载装置300包括：液压千斤顶及用于控制液压千斤顶的控制装置，液压千斤顶可拆卸的设置于同一轴的相邻两个制动盘200之间，用于沿垂直制动盘200的方向施加载荷，如图5所示。

由于轨道列车同一根轮轴上通常至少设置有两个制动盘200，因此液压千斤顶可拆卸的设置于相邻两个制动盘200之间，液压千斤顶的两端分别抵顶在两个制动盘200上，通过控制装置控制液压千斤顶对该两个制动盘200分别施加方向相反的垂直于制动盘200的压力，从而实现对制动毂齿根部101施加轴向弯矩，该加载方式方便便捷，容易实现，且若压力作用位置越靠近制动盘200的外边缘则所需要的压力越小。

考虑到高效性、经济性及可行性，每个制动盘200上可选择多个加载位置同时进行加载，例如图4中所示的三个加载位置，加载位置可均布在制动盘200上的一虚拟圆上与制动毂齿根部101对应的位置，因此可同时采用多个液压千斤顶同步加载，并通过在制动毂齿根部101设置多个声发射传感器400接收多个制动毂齿根部101产生的弹性波信号，从而实现对多个制动毂齿根部裂纹状态的同步检测。

此外，控制装置可控制液压千斤顶的载荷大小和加载速度，以使所加载的载荷为静载荷，从而减少加载过程中的摩擦噪声，例如螺栓紧固摩擦噪声；载荷大小为4.4t～5.6t，可保证摩擦噪声最小，从而提高检测信号的信噪比，提高裂纹状态检测的准确性。

需要说明的是，加载过程需要加载到目标载荷后保持至预定时长，以确保足够的数据采集时间。当然，载荷加载过程也可以为加载到一目标载荷后以缓慢的速度增加到另一目标载荷，例如从4.4t缓慢加载到5.6t，更有利于制动毂齿根部弹性波的释放，有利于接收制动毂齿根部产生的弹性波信号。

当然，加载装置300并不仅限于液压千斤顶，其他加载装置也在本发明的保护范围内。

进一步的，声发射传感器400上设置有磁性安装座，用于与制动毂齿根部101可拆卸连接，以使声发射传感器400可以便捷的拆卸，提高制动毂齿根部的裂纹状态检测过程的便捷性。

进一步的，在声发射传感器400和采集卡500间还包括放大器，用于放大声发射传感器400接收的弹性波信号，并发送给采集卡500。其中，放大器可采用增益可调前置放大器，能够适当的调整弹性波信号幅值的门槛值。

另外液压千斤顶作用在制动盘200上时，激发制动毂齿根部的裂纹产生20KHz-400KHz的弹性波信号，因此可采用频响特性为300KHz的声发射传感器布置于制动毂齿根部附近位置，来采集弹性波信号。

在本发明所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的方法和系统，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的系统实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。

另外，在本发明实施例中的各功能单元如放大器、采集卡和处理器等可集成到一个单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用硬件加软件功能单元的形式实现。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。