随着我国高速铁路的飞速发展,列车轮轨相互作用导致的钢轨踏面滚动接触疲劳(RCF)裂纹呈现新的发展状态。这类滚动接触疲劳损伤从钢轨边缘向行车方向以一定角度向前扩张,发展到一定程度时向下弯折,导致钢轨断裂,严重威胁铁路的安全运行。目前,我国铁路钢轨探伤车主要采用超声纵、横波组合探头的检测技术对线路钢轨进行巡检。由于超声探头盲区以及钢轨踏面滚动疲劳裂纹的走向及形貌特点,使得该类损伤缺陷难以识别而漏检。超声表面波能够有效定量检测出1~2个波长深度范围的表面开口裂纹,是判识钢轨踏面RCF裂纹的有效检测方法。本文采用电磁超声方法,通过优化设计换能器激励表面波对钢轨踏面的RCF裂纹进行检测,具有非接触、快速并且容易实现自动检测的优点。与压电超声方法相比,电磁超声换能效率不高,信噪比较低,如何优化设计电磁超声表面波换能器,提高探头的激励与接收性能十分关键。本文应用有限元方法,建立电磁超声表面波激励与接收的二维多物理场有限元模型。数值分析给出了偏置磁场的磁场强度和磁力线分布。依据表面波在钢轨踏面中的传播云图,可以调节模型参数,实现模型优化。为提高换能器设计效率,采用数学统计分析软件建立正交试验表,分析激励与接收换能器相关组合参数对其性能的影响,得出激励与接收的最佳组合参数。最佳组合参数下的仿真结果与数学统计分析软件的预测基本一致,误差较小,证明数学统计分析软件建立的正交试验表是正确有效的。在此基础上分析了分裂不同根数的曲折线圈分别对激励与接收性能的影响,并研究了三种不同形式的永磁铁对接收电压幅值的影响,将这些仿真规律进行了实验验证,最终得到适合检测钢轨踏面的换能器设计组合参数。线路钢轨在长时间的运行使用中,钢轨踏面表层材料组织结构会发生变化,会在踏面形成硬化层。硬化层与钢轨轨头基体具有不同声阻抗。通过建立分层介质的钢轨踏面表面波传播数值模型,研究了硬化层厚度、横波声阻抗对表面波传播的影响,为后续实验检测提供理论和方法指导。在以上数值模拟和换能器优化设计的基础上,开展对钢轨踏面裂纹的检测实验验证。分别选用激励频率为0.9MHz、0.5MHz和0.3MHz的电磁超声换能器激励表面波,对钢轨踏面边缘直裂纹和斜裂纹进行B扫成像检测。实验结果表明:对于钢轨踏面的单个直裂纹和斜裂纹,采用所设计的电磁超声表面波换能器可以准确的识别和测量。踏面斜裂纹的形貌和开口方向对表面波检测带来较大干扰,容易形成波型转换和耦合,导致斜裂纹的反射回波波包较宽,缺陷定位不够准确,需进一步增强信号处理。对于密集型斜裂纹,由于裂纹之间的干扰影响,难以逐个有效识别和进行检测评价。