基于声发射技术的钢轨伤损检测与判别研究

摘要

我国的高速铁路正由大规模建设时期逐渐走向安全运营时期，如何保障铁路安全、稳定、可靠的长期运行将会成为我国铁路运输面临的重大问题。在铁路钢轨伤损的检测上，传统的超声探伤方法受到了检测速度和检测效率的限制，大量研究者都在努力寻找新的方法来弥补超声检测的不足。与其他无损检测方法相比，声发射技术能够检测对象的动态裂纹、裂纹萌生及裂纹生长等，即它检测到的信息是缺陷本身发出的信息，无需外部输入信号对缺陷进行扫描，因此，可以通过声发射技术来实现钢轨裂纹伤损的检测。但声发射技术在钢轨伤损的检测上仍处于初步研究阶段，仅从理论和实验上验证了该技术在钢轨伤损检测上的可行性，需要进一步深入的研究。针对上述情况，本文围绕着基于声发射技术的钢轨伤损检测与判别问题，从钢轨中声发射源特征及其可分析性条件、高速下声发射信号的检测方法以及钢轨不同伤损阶段的判别规则三个方面进行了研究。本文的主要研究内容和创新成果如下：
　　研究了声发射的有限元建模仿真方法。为了建立能够有效解决声发射传播问题的三维有限元模型，本文给出了裂纹声发射源的表示方法，研究了利用有限元进行声发射建模仿真的条件和方法，对二维空间中声发射的传播情况进行了建模仿真，并通过相速度曲线、群速度曲线以及传播过程的分析，验证了所述建模仿真方法的正确性。基于瑞利-兰姆方程的群速度曲线和时频图，给出了声发射的模态分析方法，为后续三维钢轨模型中声发射问题的研究奠定了基础。
　　研究了钢轨中的声发射源特征以及特征的可分析性条件。钢轨中声发射源特征的研究，能够指导我们更好地检测和识别裂纹声发射源，本文在合理的声发射建模仿真条件上，建立了带裂纹声发射源的钢轨三维有限元模型，并通过实验验证了该模型的有效性，提出了钢轨中声发射源的模态特征分析方法。通过仿真结果研究了钢轨中不同深度和不同传导距离的声发射源特征，并通过实验方法进一步研究了钢轨中瑞利-兰姆方程曲线的适用范围，以及不同测量点对信号特征的影响。研究结果不仅给出了钢轨中不同类型、不同深度以及不同传导距离的声发射源特征及其分析方法，还提出了钢轨中声发射信号具有可分析性的条件。
　　研究了高速条件下声发射信号的检测问题。本文基于赫兹接触原理建立了高速轮轨及伤损信号模拟实验设备平台，最高时速177km/h，并设计了高速下利用Hsu-Nielsen源模拟伤损信号的伤损模拟装置，为高速情况下声发射信号检测的研究创造了条件。详细分析了噪声信号与伤损信号的特征区别，并以此特征来确定小波变换的层数以及伤损信号的特征频率范围，给出了利用时间-香农熵方法进行伤损信号检测的步骤。结合声发射信号本身的特点，研究了不同长度的时间窗口对噪声的抑制作用，为了进一步抑制高速下的噪声干扰，提出了高速下基于时间窗口特征的伤损信号检测方法，实验结果证明了该方法在124km/h下检测声发射信号的有效性。
　　研究了钢轨不同伤损阶段的判别规则。本文通过钢轨材料的拉伸实验获得了材料从初始到完全断裂的各个过程，结合应力-应变曲线分析了各个阶段下钢轨材料的安全状态，并从中提取了相应阶段的声发射信号。基于声发射活动强度和声发射信号频谱研究了不同伤损阶段下声发射信号的特征规律，建立了钢轨材料中不同伤损阶段与声发射信号特征之间的关系，并分别基于波击数目和频率特征提出了钢轨不同伤损阶段的判别规则。该判别规则与声发射信号在高速条件下的检测方法紧密结合，形成了完整的钢轨伤损检测方法与判别规则，应用于钢轨安全性的监测和评估。

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第1章 绪 论

1.1 课题研究的背景及意义

1.2 声发射技术的发展现状

1.3 声发射技术的应用

1.4 本文的主要内容及结构安排

第2章 声发射的建模仿真和特征分析方法

2.1 裂纹声发射源的表示

2.2 弹性波动方程

2.3 声发射仿真条件的分析

2.4 声发射仿真方法的验证

2.5 声发射的模态特征分析方法

2.6 本章小结

第3章 钢轨中声发射源的特征研究

3.1 钢轨及声发射源的建模

3.2 钢轨中声发射源特征的仿真分析

3.3 钢轨中声发射源特征的实验分析

3.4 本章小结

第4章 轮轨实验设备的构建及伤损信号检测的研究

4.1 轮轨实验设备的构建

4.2 基于小波和香农熵的伤损信号检测方法

4.3 实验方案及实验过程

4.4 伤损信号检测方法的实验研究

4.5 本章小结

第5章 钢轨不同伤损阶段下的声发射及判别规则研究

5.1 金属材料中的声发射

5.2 钢轨材料拉伸破坏实验

5.3 不同伤损阶段下的声发射特征研究

5.4 不同伤损阶段的判别规则研究

5.5 本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及其它成果

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