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原文传递高速铁路道岔钢轨损伤电磁超声高阶SH导波检测方法研究

论文题名：	高速铁路道岔钢轨损伤电磁超声高阶SH导波检测方法研究
关键词：	高速铁路;道岔钢轨损伤;电磁超声换能器;水平剪切导波;原位快速检测
摘要：	高速铁路道岔是铁路轨道系统中列车变轨的重要组成部分，高速行驶的列车在变轨时，会给道岔钢轨带来巨大的横向冲击力，同时道岔钢轨还要承受列车的重量以及竖向冲击力，在冲击、挤压的作用下，道岔钢轨易产生磨耗、剥离、裂纹等多种损伤。在列车轮毂重复载荷挤压下，道岔基本轨踏面容易产生横向疲劳裂纹，横向疲劳裂纹会向下扩展，导致基本轨存在断轨风险。道岔尖轨属于有效截面变窄的结构，其工作时处于开合可移动状态，使得道岔尖轨在道岔结构中处于最薄弱环节，尖轨在开合过程中轨底会产生应力集中，此外还受列车轮毂的弯矩作用，所以尖轨轨底更容易产生损伤。由于道岔中的尖轨和心轨等的变截面结构，钢轨探伤车技术不能用于道岔钢轨的原位在线检测，道岔钢轨的原位在线检测仍是铁路线路检测的难题。超声导波检测技术具有单点激励长远距离传播，检测可达性强的特点。考虑到道岔钢轨上的连接板、牵引杆和轨底垫片等部件的影响，本文研究采用水平剪切(ShearHorizontal,SH)模式导波的检测方法，并重点讨论高阶SH波的电磁超声换能器(Electromagneticacoustictransducer,EMAT)的设计和高阶SH导波检测方法的应用，以实现高速铁路道岔基本轨踏面裂纹、尖轨轨底裂纹及轨底腐蚀的原位快速检测。　　本文首先研究了道岔基本轨踏面裂纹电磁超声SH表面波成像检测。利用Floquet周期性边界的有限元特征频率法，求解了基本轨轨头类SH导波频散曲线，在此基础上确定了所设计电磁超声SH表面波换能器的最佳检测频率。采用有限元方法建立SH表面波在基本轨轨头中的传播模型，分析了SH表面波在轨头踏面裂纹上的反射及透射规律。为实现原位快速的基本轨踏面裂纹B扫成像检测且得到高信噪比的检测结果，实验对比了同步提取变换(SynchroextractingTransform,SET)和同步压缩变换(SynchrosqueezingTransform,SST)对检测回波信号处理的效果。结果表明：SET的处理效果优于SST方法，将SET用于基本轨踏面电磁超声SH表面波B扫成像检测，可以减少数据采集的同步平均次数以实现快速准确的B扫成像检测。　　其次，研究了道岔尖轨轨底裂纹的高阶SH导波检测。将尖轨轨底等效成变截面窄板结构，采用Floquet边界条件的有限元特征频率法，获得了尖轨轨底结构的SH导波频散曲线，在频散曲线的基础上确定了合适的检测频率。基于尖轨轨底结构有限元模型，研究了单侧激励和双侧反对称激励方式下的SH导波激励和传播特性，并制作了双侧反对称激励主模式为SH1导波的EMAT，通过实验验证了上述两种激励方式对尖轨轨底SH导波模态成分的影响。在尖轨轨底中采用双侧反对称EMAT激励SH导波，该方式能够抑制SH0和SH2模式导波，增强主模式SH1导波，在EMAT提离为4mm时，仍可以获得较高信噪比的裂纹检测回波，将SET应用到尖轨轨底的大提离SH1导波检测实验，实验结果表明该方法可以实现尖轨轨底裂纹的快速检测。　　最后，研究了道岔尖轨轨底腐蚀缺陷电磁超声SH导波检测方法。由于道岔尖轨轨底腐蚀减薄的形态特点，使得腐蚀的导波检测比裂纹更为复杂，SH1导波在腐蚀缺陷处的反射和透射容易发生模态转换，有限元分析和实验表明轨底腐蚀会使反射的SH1导波向SH0和SH2导波转换，透射的SH1导波会向SH0导波转换，腐蚀缺陷角度和深度都会严重影响SH1导波的模态转换程度。SH1导波模态转换的存在，使得其只能对腐蚀缺陷大致的检测，难以对腐蚀缺陷做出定量分析。采用双侧对称EMAT激励SH导波，抑制了SH1导波，得到了增强的SH0和SH2导波混合检测回波信号，通过SST对检测信号中的SH0导波和SH2导波进行模态分离，利用分离后的SH0导波信号对腐蚀缺陷长度定量，定量的误差基本在5%以内。　　由于道岔钢轨结构和工况的复杂性，注定对其损伤的原位快速检测受到许多不便利之处。本文开展了高速铁路道岔钢轨损伤的原位快速导波检测技术的研究，为工程应用提供了有益的参考。
作者：	钟芳桃
专业：	仪器仪表工程
导师：	卢超;石文泽
授予学位：	硕士
授予学位单位：	南昌航空大学
学位年度：	2022