钢轨轨底超声导波无损检测技术是一种新兴的钢轨轨底长距离在线无损检测技术,解决了常规无损检测技术无法检测钢轨轨底的问题,为我国铁路朝“客运高速化,货运重载化”发展提供了有力的保障。本文结合国家自然科学基金项目、浙江省重大科技专项和中国铁道科学研究院行业服务技术创新项目,以钢轨轨底超声导波检测的关键技术为研究对象,总结了超声导波技术的研究现状及其在钢轨检测中的应用,分析了将超声导波技术应用到钢轨轨底检测的可行性。在此基础上,开展了频散特性分析、换能器设计、信号处理和检测系统开发等研究工作。本文的研究为超声导波技术在钢轨轨底检测中的应用奠定了基础。论文的主要研究内容和章节安排包括:第一章介绍了论文的研究背景,阐述了开展论文研究工作的意义。综述了钢轨无损检测技术和超声导波无损检测技术的研究现状,提出了基于超声导波的钢轨轨底检测技术。在评述国内外钢轨超声导波检测研究成果的基础上,确定了本文的研究内容和论文框架。第二章建立了钢轨超声导波的SAFEM模型,并计算了自由状态下60kg/m钢轨的频散曲线。鉴于本文对钢轨轨底的超声导波传播开展研究,故本文利用SAFEM模型计算了钢轨轨底的频散曲线以剔除钢轨中非轨底的超声导波模态。根据实际工况下轴向载荷远大于超声导波激励的情况,考虑了力学参数的非线性因素,建立了轴向载荷作用下钢轨的SAFEM模型,并研究了不同轴向载荷对钢轨轨底频散特性的影响。第三章研究了钢轨轨底超声导波换能器的激励形式,分析了通过Wiedemann效应激励剪切波族的原理,设计了简易式和小型化超声导波换能器。设计了梳状超声导波换能器阵列并对其频率特性进行了分析。结合钢轨轨底的频散特性,揭示了梳状超声导波换能器阵列在钢轨轨底激励特定工作点导波的原理。第四章采用短时Fourier变换、小波变换和Wigner-Ville分布分别对钢轨轨底超声导波信号进行了时频分析,分析了不同参数对超声导波时频分析的影响,结合群速度频散特性曲线研究了的钢轨轨底超声导波信号的时频域分布情况。由于超声导波信号的噪声与超声导波信号的频率相近,故采用了小波阈值降噪算法和基于匹配追踪的降噪算法对钢轨轨底超声导波信号进行降噪处理,对比了上述算法的降噪效果。第五章开发了钢轨轨底超声导波检测系统,采用试验方法验证了理论计算得到的钢轨轨底超声导波梳状换能器阵列的工作点,对比了简易式超声导波换能器和小型化超声导波换能器的检测效果,研究了超声导波对钢轨轨底不同位置、不同类型的损伤以及修补焊缝等典型特征的检测能力,分析了横向载荷和轴向载荷对钢轨轨底超声导波传播的影响,检验了钢轨轨底超声导波检测系统在铁路现场工况下的工作能力。第六章总结了本论文取得研究成果,对后续的研究工作进行展望。