机械工程学报

作者：廖林, 袁懋诞, 纪轩荣, 戴安帮

单位：广东工业大学省部共建精密电子制造技术与装备国家重点实验室 广州 510006

关键词：钢轨,超声导波,单模态,阵列传感器,缺陷检测；

基金：广东省“珠江人才计划”引进创新创业团队（2016ZT06G375）、国家自然科学基金（51805097，51975131，11804059）和国家重点研发计划（2018YFF 01010500）资助项目。

超声导波由于其长程传播和全截面覆盖等特性而在铁路轨道结构安全检测和监测领域中受到密切关注。而由于其频散和多模态特性，现有钢轨超声导波技术研究和应用主要集中于0～90 kHz的相对低频范围，从而导致其对微小缺陷的分辨力不足。对钢轨中的道岔等关键位置的检测，通常不需要长距离监测，对微小缺陷的灵敏度有更高要求。为提高钢轨中超声导波的缺陷检测能力，故提出基于阵列传感技术激励高频范围的单模态超声导波。首先基于半解析有限元法研究钢轨超声导波的传播特性，得到CHN60型钢轨的频散曲线和模态振型。根据模态振型信息选取出对特定位置敏感的导波模态并确定其激励位置。通过三维有限元仿真，对激励传感器的阵元间距、阵列总长、激励周期和窗函数等参数进行学习和优化，实现了轨底100 kHz单模态超声导波的激励。该模态对轨底内部和表面缺陷（小至3 mm）都具有较高灵敏度。试验测试也表明，利用优化的激励条件可以在钢轨中激励出高信噪比的单模态超声导波。本研究所提出的钢轨高频单模态导波技术，可以实现多模态交错复杂高频区（高于100 kHz）模态的选择性激励，将为铁路轨道的关键区域（如道岔）微小缺陷的检测和监测提供理论基础和技术支撑。

来源：2021年第18期

《机械工程学报》期刊编辑部

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