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原文传递超声导波在钢轨中衰减特性研究

论文题名：	超声导波在钢轨中衰减特性研究
关键词：	钢轨;衰减特性;超声导波;幅值表达式
摘要：	随着高速铁路的快速发展，无缝钢轨在铁路上的应用越来越广泛，但是当钢轨实际温度小于锁定轨温时，无缝钢轨内部产生巨大的拉应力，极易发生断轨。因此实时准确的无缝线路断轨与裂缝检测是确保高速铁路安全运营的重要技术手段。由于超声导波具有方向性好、不受电气及电磁干扰、传播距离远等优点，基于超声导波的无缝线路断轨在线监测技术受到越来越大的关注。目前超声导波无缝线路断轨监测系统在设计时存在诸多问题，一方面，由于钢轨过孔和距离对超声导波衰减的影响，铁路现场安装断轨监测系统时需要多次试验确定断轨检测区间，安装过程繁琐;另一方面，由于温度、应力等诱因对超声导波衰减的影响，现有的无缝线路断轨监测系统在运营过程中存在误报率高的问题。因此，需要对超声导波在钢轨中的衰减特性进行研究，进而指导断轨监测系统的现场安装并降低其误报率。本文借助ANSYS仿真与现场实验相结合分别研究超声导波在完整钢轨和缺陷钢轨中的衰减特性，提出了超声导波在钢轨中传播的幅值表达式，对于无缝线路断轨在线监测技术有重要意义。　　首先针对超声导波的仿真方法进行了研究。在ANSYS中建立了钢轨有限元模型，并对仿真过程中的各项参数进行了设置，通过理论推导出ANSYS中钢轨的Rayleigh阻尼，同时进行实验对比分析，验证了钢轨Rayleigh阻尼的正确性。　　其次使用控制变量法有规律地改变诱因条件，通过ANSYS仿真分析与现场实验相结合分别研究了完整钢轨中超声导波衰减与温度、距离、应力的关系，发现现场实验结果与ANSYS仿真结果较为吻合，确定了超声导波衰减与各诱因间的定量关系。　　紧接着研究了超声导波在缺陷钢轨中的衰减特性，得到了超声导波衰减与钢轨过孔的定量关系。通过现场实验研究了缺陷钢轨中超声导波的反射规律，分析了发射与接收换能器分别位于轨头、轨腰、轨底时，接收换能器是否可以接收到各孔的反射波，对接收信号进行处理计算出不同实验条件下各孔的测量间距及误差并进行比较。　　最后总结了超声导波在钢轨中传播的幅值表达式，并在北京市环形铁路试验线指导了无缝线路断轨监测系统的现场安装，确定断轨检测区间为500m。在48小时的测试时间内，两个信号接收节点的误报率分别为0.21％和0.08％，验证了钢轨中超声导波幅值表达式的正确性。
作者：	赵云飞
专业：	机械电子工程
导师：	余祖俊
授予学位：	硕士
授予学位单位：	北京交通大学
学位年度：	2017
正文语种：	中文