基于聲發(fā)射技術(shù)的鋼軌傷損檢測與判別研究.pdf

1、我國的高速鐵路正由大規(guī)模建設(shè)時(shí)期逐漸走向安全運(yùn)營時(shí)期，如何保障鐵路安全、穩(wěn)定、可靠的長期運(yùn)行將會(huì)成為我國鐵路運(yùn)輸面臨的重大問題。在鐵路鋼軌傷損的檢測上，傳統(tǒng)的超聲探傷方法受到了檢測速度和檢測效率的限制，大量研究者都在努力尋找新的方法來彌補(bǔ)超聲檢測的不足。與其他無損檢測方法相比，聲發(fā)射技術(shù)能夠檢測對象的動(dòng)態(tài)裂紋、裂紋萌生及裂紋生長等，即它檢測到的信息是缺陷本身發(fā)出的信息，無需外部輸入信號對缺陷進(jìn)行掃描，因此，可以通過聲發(fā)射技術(shù)來實(shí)現(xiàn)鋼軌裂

2、紋傷損的檢測。但聲發(fā)射技術(shù)在鋼軌傷損的檢測上仍處于初步研究階段，僅從理論和實(shí)驗(yàn)上驗(yàn)證了該技術(shù)在鋼軌傷損檢測上的可行性，需要進(jìn)一步深入的研究。針對上述情況，本文圍繞著基于聲發(fā)射技術(shù)的鋼軌傷損檢測與判別問題，從鋼軌中聲發(fā)射源特征及其可分析性條件、高速下聲發(fā)射信號的檢測方法以及鋼軌不同傷損階段的判別規(guī)則三個(gè)方面進(jìn)行了研究。本文的主要研究內(nèi)容和創(chuàng)新成果如下：
　　研究了聲發(fā)射的有限元建模仿真方法。為了建立能夠有效解決聲發(fā)射傳播問題的三維有

3、限元模型，本文給出了裂紋聲發(fā)射源的表示方法，研究了利用有限元進(jìn)行聲發(fā)射建模仿真的條件和方法，對二維空間中聲發(fā)射的傳播情況進(jìn)行了建模仿真，并通過相速度曲線、群速度曲線以及傳播過程的分析，驗(yàn)證了所述建模仿真方法的正確性?；谌鹄?蘭姆方程的群速度曲線和時(shí)頻圖，給出了聲發(fā)射的模態(tài)分析方法，為后續(xù)三維鋼軌模型中聲發(fā)射問題的研究奠定了基礎(chǔ)。
　　研究了鋼軌中的聲發(fā)射源特征以及特征的可分析性條件。鋼軌中聲發(fā)射源特征的研究，能夠指導(dǎo)我們更好地檢

4、測和識別裂紋聲發(fā)射源，本文在合理的聲發(fā)射建模仿真條件上，建立了帶裂紋聲發(fā)射源的鋼軌三維有限元模型，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該模型的有效性，提出了鋼軌中聲發(fā)射源的模態(tài)特征分析方法。通過仿真結(jié)果研究了鋼軌中不同深度和不同傳導(dǎo)距離的聲發(fā)射源特征，并通過實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)一步研究了鋼軌中瑞利-蘭姆方程曲線的適用范圍，以及不同測量點(diǎn)對信號特征的影響。研究結(jié)果不僅給出了鋼軌中不同類型、不同深度以及不同傳導(dǎo)距離的聲發(fā)射源特征及其分析方法，還提出了鋼軌中聲發(fā)射信號具有

5、可分析性的條件。
　　研究了高速條件下聲發(fā)射信號的檢測問題。本文基于赫茲接觸原理建立了高速輪軌及傷損信號模擬實(shí)驗(yàn)設(shè)備平臺，最高時(shí)速177km/h，并設(shè)計(jì)了高速下利用Hsu-Nielsen源模擬傷損信號的傷損模擬裝置，為高速情況下聲發(fā)射信號檢測的研究創(chuàng)造了條件。詳細(xì)分析了噪聲信號與傷損信號的特征區(qū)別，并以此特征來確定小波變換的層數(shù)以及傷損信號的特征頻率范圍，給出了利用時(shí)間-香農(nóng)熵方法進(jìn)行傷損信號檢測的步驟。結(jié)合聲發(fā)射信號本身的特點(diǎn)，

6、研究了不同長度的時(shí)間窗口對噪聲的抑制作用，為了進(jìn)一步抑制高速下的噪聲干擾，提出了高速下基于時(shí)間窗口特征的傷損信號檢測方法，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了該方法在124km/h下檢測聲發(fā)射信號的有效性。
　　研究了鋼軌不同傷損階段的判別規(guī)則。本文通過鋼軌材料的拉伸實(shí)驗(yàn)獲得了材料從初始到完全斷裂的各個(gè)過程，結(jié)合應(yīng)力-應(yīng)變曲線分析了各個(gè)階段下鋼軌材料的安全狀態(tài)，并從中提取了相應(yīng)階段的聲發(fā)射信號?；诼暟l(fā)射活動(dòng)強(qiáng)度和聲發(fā)射信號頻譜研究了不同傷損階段下聲發(fā)