基于弹性波传播的高速道岔尖轨断裂检测研究

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随着中国高速铁路网的逐步成形,道岔作为高速铁路线路的薄弱环节及养护维修的重点,道岔尖轨的损伤及断裂检测成了亟待解决的技术难题。弹性波检测作为一种在波导结构中进行传播,通过对其信号分析可以对结构完整性进行判断的无损检测方法,开展基于弹性波传播的高速铁路道岔尖轨断裂检测研究可以得到切实可行的应用方案,具有实际的现实意义。本文以对实际上道的高速铁路道岔尖轨断裂检测为目的,通过有限元仿真模拟与现场试验结合的方式对弹性波的基本性质及其在道岔尖轨断裂检测的应用可行性进行研究,结合本文所提出的弹性波信号特征量提取及识别方法分析弹性波检测的识别精度及识别效率。具体研究结论如下:(1)基于半解析有限元方法对60D40钢轨截面进行频散曲线的绘制,可以得出,对称截面与非对称截面频散曲线存在一定差异。60D40钢轨初始模态一共有四种,随着频率的提高,钢轨的模态数逐渐增加,且频散曲线出现耦合现象,容易造成弹性波模式转换。(2)结合实际尖轨切削及压制过程,通过定义铣刀形状及路径建立尖轨模型,考虑尖轨螺栓孔、间隔铁、曲基本轨及轨下基础等边界条件,建立18号高速道岔转辙器区模型。在尖轨完全断裂的情况下,对尖轨跟端施加位移激励,仍能在尖轨尖端处提取有效信号,说明弹性波可以通过尖基轨密贴区、间隔铁及轨下基础进行传递,在进行弹性波断裂检测时需考虑到尖轨边界条件。(3)通过有限元仿真模拟及试验验证,研究低频30k Hz、中频60k Hz、高频90k Hz三种不同激励频率,轨底垂向、横向,轨头垂向、横向四种不同激励方式在尖轨中的传播特性。随着激励频率的提高,弹性波的频散及衰减程度逐渐提高,难以将激励波与伤损回波进行区分,轨底垂向激励可以激发出模式单一、能量集中的弹性波,轨头垂向激励可以激发出能量集中在轨头处进行传播的弹性波。以30k Hz轨底垂向激励为轨底断裂检测的有效激励方式,30k Hz轨头垂向激励为轨头断裂检测的有效激励方式(4)提出了一种基于信号时域、频域及时频域的信号特征量提取及识别方法,通过对道岔转辙器区有限元模型的仿真研究表明,该方法可有效地对占据轨底面积2.43%及占据轨头面积4.90%以上断裂程度的尖轨进行识别,且随着断裂程度的加深,信号特征量出现有规律的变化,可以根据对信号特征量的识别对尖轨断裂程度及断裂位置进行定位分析。
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