钢轨缺陷的超声导波检测方法研究

铁路是国民经济的重要命脉，铁路的快速检测目前已成为我国铁路高速发展中亟待解决的重要课题。本项目针对当前铁路安全性检测的需要，开展钢轨的超声导波检测研究：在声波传播理论的基础上，利用有限元数值计算方法，研究钢轨中的导波传播、缺陷对导波的散射（或反射）及导波模式转换特性；根据钢轨表面的特定导波模式的振动位移与应力分布特征，研究钢轨中超声导波的激励和接收方法；利用时频分析等信号处理方法，研究多个导波模式混叠中特定导波模式的识别与提取；通过研究超声导波与钢轨中典型缺陷作用前、后的信号时域和频域特征，获得缺陷对不同频率的特定模式导波反射（或透射）系数谱；利用这些反射（或透射）系数谱特征，通过模式识别技术，对钢轨中缺陷的类型（位置、方向）和大小进行识别。本项目的研究可望为钢轨缺陷的超声快速检测探索一种新途径。

随着高速铁路的快速发展，迫切需要提供高效、灵敏的铁路快速检测方法。针对目前在役钢轨损伤的超声检测中，因采用体波（横波或纵波）而存在的检测速度低、表面剥离时内部缺陷的漏检及横断面方向裂纹缺陷漏检等问题，本项目开展了钢轨缺陷的超声导波快速检测研究。研究内容主要包括：钢轨中导波传播模式研究、钢轨超声导波快速检测方法研究、钢轨导波检测实验研究及超声导波检测系统的集成研究等。 . 导波模式研究表明，在10KHz频率以下，钢轨中存在一些比较简单的导波模式，这类模式，激励较为困难，且接收灵敏度低；对于一些较高频的导波模式，由于存在多种传播速度不同的模态，它们互为干扰，对于信号的准确识别较为困难。由于钢轨的损伤主要位于轨头部位，在钢轨损伤检测中，轨头部位振动较强的模式对损伤具有较高的灵敏度，可以有效地应用于钢轨检测。. 分别从工作频率范围与超声波模式、超声能量产生方式、接收检测灵敏度、检测速度、换能器的放置与角度、检测范围（深度）、正确检测的概率等几个方面对电磁超声导波检测、空气耦合超声共振检测、脉冲激光超声导波检测、轮式探头导波检测等导波检测方法进行研究。结果表明，电磁超声导波检测、脉冲激光超声导波检测以及它们的组合可以实现高速铁路钢轨损伤的快速检测。. 采用电磁超声导波检测方法进行实验研究。多种频率的导波反射和透射实验研究结果表明，超声导波信号能较好识别钢轨中是否存在缺陷。在244KHz和405KHz频率导波激励下，缺陷越深，透射导波强度越弱，缺陷越浅，透射导波强度越强。在频率244KHz下，测得深度为2mm, 3mm, 5mm, 7mm, 10mm的人工缺陷透射超声导波信号的最大幅值分别为21，8.3，6.7，4.9，4；在频率405KHz下，透射导波信号幅值分别为21.9，20.8，19.2，11.8，11.2。本项目研究结果可以有效地应用于钢轨缺陷的快速定量检测。