近年来,高速铁路飞速发展,随之带来安全的巨大挑战。而为满足高铁列车高速运行的要求,高铁列车必须进行轻量化的设计,其中车轴的空心化就是其重要的一环。但是,车轴是铁路列车最为重要的承载和导向部件,其质量直接影响列车安全及其运行效率,并且空心化的结构设计势必会带来车轴机械强度的弱化,空心轴在加工和装配时,也不可避免地会产生损伤和内部缺陷。同时,在高速运行过程中,空心轴必然会遭受高频的冲击和巨大的震动,加之行车环境的腐蚀及天气温度交替带来交变热应力的作用,疲劳损伤十分严重。因此,空心轴不仅是高铁列车最关键的部件,也是高铁列车中最为薄弱的部分,必须采用无损检测技术对其质量实施监控。但令人遗憾的是,相关技术和高性能的检测设备都被工业发达国家所垄断。基于以上背景,在国家自然科学基金项目"圆柱类部件高性能自动化相控阵超声成像检测理论与技术的研究"(No.51675480)资助下,本文提出开展高铁空心轴潜入式超声成像检测关键技术的研究。在系统了解高铁空心轴结构及其超声成像检测机理以及相关技术研究现状及其发展趋势的基础上,建立了超声成像理论基础,确定了潜入式超声成像检测系统总体方案,完成了螺旋机械扫查的运动跟踪与控制、潜入式内扫查超声成像及其结果表征等关键技术的研究,研发了一套高铁空心轴潜入式超声成像检测系统原型样机,初步运行表明达到了预期研发目标。主要的研究工作包括:第一章,阐述了高速铁路发展的意义及空心轮轴对高铁列车安全运行的影响,分析了高铁空心轴超声无损检测相关技术的研究现状及其发展趋势,明确了目前高铁空心轴在线超声成像检测所需解决的问题,为本文研究指明了方向。第二章,研究了圆柱体内的超声波传播机理,分析了超声成像原理以及影响成像性能的因素,为后续的研究奠定了理论基础。同时,在介绍高铁空心轴结构及明确检测目标的基础上,完成了高铁空心轴潜入式超声成像检测系统总体方案的设计,明确了有待解决的关键技术。第三章,完成了高铁空心轴自动化扫查装置的设计与开发。该装置主要由搭载超声换能器的扫查头、基于链条的伸缩折叠直线推拉机构以及适配器和储线器等三大功能模块组成,通过结合扫查头局部旋转运动与推拉机构的全局直线运动,实现自动化螺旋扫查,并使得检测设备具有大范围扫查及紧凑型存储的能力。同时,采用了基于PXI总线的多轴运动控制卡对扫查装置进行控制,实现了以不同运动参数的螺旋扫查。第四章,实现了一种液浸环境和内扫查方式下的空心轴频域合成孔径超声成像技术。以圆柱坐标系下波动方程为基础,进行针对圆柱体内扫查超声检测信号的建模,根据傅立叶变换,得到均匀介质圆柱体的声场重建公式。采用频域相位迁移原理,综合考虑圆柱界面声学效应对超声成像分辨率的影响因素,发展一种针对空心轴的叠层圆柱结构声场逐级递推重建技术,并实现内扫査方式下空心轴频域合成孔径成像,有效提高了潜入式超声成像的横向分辨率。同时,开展仿真实验研究,证实了该技术的可行性和有效性。第五章,采用分布式的体系结构、模块化的设计策略,以超声换能器与高铁空心轴相对螺旋运动的内扫查方式,研发了一套潜入式高铁空心轴在线超声成像检测系统原型样机。初步运行表明,达到了研发目标。第六章,总结了本文的研究内容及获得的成果,并对下一阶段的研究方向进行了展望。