高速铁路铁轨缺陷电磁超声导波检测方法研究

铁路运输是交通运输的重要形式，其安全事关重大。铁轨缺陷是铁路事故的主要原因之一，因而应及时检出铁轨缺陷以保障铁轨安全。目前高速铁路发展迅速，我国已建成通车速度为350 km/h 的高速铁路，而以传统超声检测为代表的已有铁轨检测技术的检测速度范围一般在40 km/h~100 km/h 之间，因而对于快速高效的新的检测方法的需求迫切。.本项目拟研究用于铁轨缺陷检测的电磁超声导波检测方法，超声导波的长距离传播的特点将有效提高检测速度。主要研究内容包括：研究用于激发铁磁性铁轨中超声导波的电磁超声换能器机理；研究铁轨中超声导波传播特性；研究铁轨中超声导波与缺陷的作用机制，并建立铁轨缺陷的定位和量化方法；研制高信噪比和可靠性的电磁超声导波铁轨检测实验装置，验证理论研究结果。项目研究成果对于基于超声导波的高速铁路铁轨检测具有重要的理论和实践指导意义，应用前景广阔。

本项目基本完成了预期研究目标。本项目的工作中，首先完成了铁轨轨头中超声导波传播和与缺陷作用的数值仿真研究，给出了横向槽形缺陷和圆形缺陷的尺寸与导波反射系数之间的定量关系，这些标准形状的横向缺陷用于仿真本项目所主要关注的可能引起铁轨断裂严重事故的实际横向裂纹缺陷。反射系数与缺陷尺寸的定量关系为缺陷尺寸量化逆问题的求解建立了必要的基础。除铁轨导波外，还建立了管道周向、轴向和平板导波的三维仿真模型并获得了定量化的结果。导波的优势是可以长距离传播，检测效率高，但与此同时导波具有多模态和频散特性，因而其信号非常复杂，为此研究基于解析小波尺度图和重排尺度图以及同步压缩小波变换的时频分析方法。通过参数化分析，明确了解析Gabor小波的σ和ω0参数的乘积决定了解析小波尺度图和重排尺度图的总体频率和时间分辨率，针对仿真的宽带导波信号，对参数乘积值σω0进行了遍历优选。研究发现，基于解析小波的同步压缩小波变换能够得到与重排尺度图相似的时频分析性能，且具有可分割、重建的独特优势，因而可用于多模态宽带导波信号的特定模式的分析和提取，以及宽带电磁超声检测系统的理论研究。设计了用于铁轨检测的折线线圈换能器，以及产生全向SH导波的电磁超声换能器新结构，可用于建立电磁超声换能器网络。基于所研制的全向换能器，研究了射线追踪式导波层析成像检测方法。在这些理论研究成果的指导下，结合现代电力电子技术，研制了大功率、高效能的用于铁轨电磁超声导波检测的设备，所研制设备能够以较大的电压等级激励通常能量转换效率较低的电磁超声发射换能器，提高整体的检测性能，适合应用于现场检测的复杂环境。用于铁磁材料铁轨检测的换能器机理较为复杂，其全过程仿真模型的建立还未完成，将作为今后研究工作的主要方向之一。