鋼軌軌底斜裂紋及焊縫的導波檢測方法研究.pdf

1、鋼軌是鐵路軌道的重要部件，隨著列車速度的提升和重載列車的開行，對軌道的破壞不斷加劇，從而影響著行車安全。目前，鐵路鋼軌的檢測采用以縱波和橫波方法為主的鋼軌探傷車技術(shù),此技術(shù)只能對鋼軌的軌頭和軌腰及其伸展部位進行檢測。由于鋼軌的截面呈“工”字型，軌底兩邊區(qū)域則無法進行檢測。鋼軌軌底截面形狀結(jié)構(gòu)不規(guī)則，受力不均勻，一旦存在缺陷容易導致軌底斷裂威脅到行車安全，有必要研究出針對鋼軌軌底缺陷的無損檢測新方法。近年來，超聲導波檢測技術(shù)在管道和板材的

2、長距離檢測上得到廣泛應用，與常規(guī)超聲波檢測方法相比，新型的超聲導波技術(shù)具有沿傳播路徑衰減小、傳播距離遠、檢測速度快等優(yōu)點。本文研究超聲導波在鋼軌軌底的傳播特性及在軌底上的散射特性，為線路鋼軌軌底的導波檢測技術(shù)研究提供理論依據(jù)和方法基礎(chǔ)。
　　本文采用有限元軟件建立鋼軌三維數(shù)值模型并模擬超聲導波在鋼軌軌底傳播,分析其導波傳播模態(tài)特征及頻散特性。通過與實驗檢測相對比,研究其在軌底中存在有缺陷時的傳播特性和散射特性。通過軌底導波頻散曲線

3、中可以看出，鋼軌軌底存在橫向振動模態(tài)、垂直振動模態(tài)、縱向振動模態(tài)三種導波模態(tài)，其中橫向振動模態(tài)和垂直振動模態(tài)雖然由眾多分導波組合而成，但呈現(xiàn)出良好的傳播特性，模態(tài)頻散小，適用于軌底檢測，而縱向振動模態(tài)頻散特性大，不利于作為檢測模式波。
　　其次，通過應用有限元軟件ABAQUS對鋼軌進行模擬仿真和實驗測試，分別研究分析了不同激勵頻率和不同脈沖周期數(shù)對軌底的橫向振動模態(tài)和垂直振動模態(tài)導波傳播的影響，通過分析反射回波波形的波包寬度和回波

4、幅值，確定了合適的激勵頻率和脈沖周期數(shù)的選擇依據(jù)。
　　再其次，實驗研究了軌底不同缺陷形狀及不同深度對缺陷導波反射回波的影響,結(jié)果表明缺陷回波幅值受到缺陷傾角的影響,因此進一步對軌底不同角度斜裂紋進行導波檢測的數(shù)值模擬，通過不同角度斜裂紋缺陷回波的反射和透射系數(shù)關(guān)系分析斜裂紋角度對斜裂紋缺陷反射回波幅值和透射波幅值的影響。為了驗證有限元數(shù)值模擬的正確性,設(shè)計加工了一組試樣對鋼軌軌底不同角度斜裂紋進行了導波檢測實驗研究。實驗結(jié)果表明

5、軌底斜裂紋角度對斜裂紋缺陷反射回波幅值的影響與數(shù)值模擬結(jié)果符合，橫向振動模態(tài)比垂直振動模態(tài)更適合。
　　最后，通過導波檢測實驗分析了導波對軌底鋁熱焊縫中缺陷檢測的可行性，對鋼軌軌底鋁熱焊縫的導波檢測實驗結(jié)果表明，雖然軌底鋁熱焊縫的余高會反射回波，但當焊縫中存在缺陷時，其導波反射回波具有與余高不同的信號頻譜特征， 而且采用橫向振動模態(tài)軌底導波比垂直振動模態(tài)導波更容易檢測出焊縫中的缺陷，這些工作為實際鐵路鋼軌軌底鋁熱焊焊縫的