详情

原文传递基于阵列超声导波的钢轨缺陷检测技术研究

论文题名：	基于阵列超声导波的钢轨缺陷检测技术研究
关键词：	高铁轨道;缺陷检测;超声导波;阵列换能器
摘要：	目前我国的高铁运行里程和运行速度位居世界第一，其中约80%的轨道服役时间已超过两年，受环境和列车运行状况的影响，轨道裂纹的产生不可避免。轨道缺陷无损检测方法，包括涡流检测、电磁检测、超声检测、视觉检测等，其中超声检测由于检测深度大、性价比高、操作简单等而受到广泛应用。当前钢轨的超声检测主要是通过扫查方式实现钢轨不同位置的缺陷检测，检测效率低且无法实现长期在线监测。超声导波由于具有传播速度快、覆盖范围广等优点，已经开始应用于钢轨超声检测和监测，但现有导波频率较低，无法检测钢轨中的微小缺陷，且通常局限于均匀的直轨部分。针对以上存在的问题，本课题提出基于阵列技术开展高频超声导波激励和缺陷检测方法研究，通过理论和实验研究，实现钢轨中微小缺陷的检测，为钢轨道岔等关键区域的在线监测提供理论与技术支撑。主要内容如下：　　1）由于钢轨截面形状的不规则，其导波频散特性比较复杂，现有钢轨超声导波技术研究和应用主要集中在相对低频范围，从而导致其对微小缺陷的分辨力不足。为提高钢轨中超声导波的缺陷检测能力，提出基于阵列传感技术实现高频范围的单模态超声导波激励。首先基于半解析有限元法研究钢轨超声导波的传播特性，得到CHN60型直轨的频散曲线和模态振型，根据模态振型信息选取出对特定位置敏感的导波模态并确定其激励位置。通过三维有限元仿真，对激励传感器的阵元间距、阵列总长、激励周期和窗函数等参数进行学习和优化，实现了轨底100kHz单模态超声导波的激励，该模态对轨底内部和表面缺陷（小至3mm）都具有较高灵敏度。　　2）尖轨作为一种典型的变截面波导，超声导波的频散特性与直轨有明显区别，无法有效地激励出单模态超声导波。本文提出阵列超声导波激励与基于导波能量的主成分分析方法相结合，实现尖轨区域微小缺陷的高灵敏检测方法。首先通过频散分析各模态对轨底缺陷的敏感程度，选择特定的高频导波模态，并利用阵列传感技术激励该导波模态。然后对接收到的超声导波信号，分别从时频域中提取与能量有关的7个时域特征和2个频域特征，计算特征之间的相关系数矩阵及其特征矢量，根据特征值进行排序计算主成分的贡献值和累积贡献率，从而构建综合评分检测方法。三维有限元仿真结果验证了综合评分检测法处理缺陷导波信号和量化缺陷长度的可行性。　　3）阵列超声导波超声检测实验研究。基于压电阵列搭建阵列超声导波检测系统。首先根据直轨仿真结果和优化参数在CHN60型钢轨中激励100kHz单模态超声导波，并通过时频分析方法验证所激励模态。在此基础上开展尖轨中缺陷检测研究。尖轨中超声导波信号复杂且难以识别缺陷响应，而采用主成分分析方法得到的主分量综合得分与缺陷长度之间存在良好的线性关系，验证了利用导波时频域能量的综合评分法检测变截面波导缺陷长度的可行性。
作者：	廖林
专业：	机械工程
导师：	纪轩荣
授予学位：	硕士
授予学位单位：	广东工业大学
学位年度：	2022