用于軌道裂縫識別的軌道導波波動特性研究

軌道結構的完整狀況決定了高速、大負荷列車的行駛安全性，而傳統(tǒng)鐵路的人工巡檢和現(xiàn)代高鐵的檢測車定期巡檢方式都不能滿足實時監(jiān)測軌道結構安全狀況的需要。本項目開展基于高頻導波的長距離、大范圍結構無損檢測技術的機理研究，探索包括鋼軌、扣件和軌下支承在內的軌道結構在線結構健康檢測新技術。主要研究內容包括：在波導結構中尋找長距離傳播的“檢測導波”；研究導波在典型不連續(xù)處的波動特性；實現(xiàn)波導結構不連續(xù)定位；辨識不連續(xù)的類型和尺寸；以及收集軌道振動能量用于在線監(jiān)測傳感器。研究結果表明國內普遍使用的UIC60鋼軌中，存在20種能有效傳播1 km以上的軌道導波，其中一種軌頭對稱縱波在44 kHz附近衰減率最低，為0.04 dB/m，對應有效傳播距離在1.5 km左右，可以用于長距離檢測軌頭裂縫；基于導波在不連續(xù)處的波動特性，發(fā)明了反射系數(shù)結構不連續(xù)定位方法，該方法不受導波低頻散性要求的限制，比目前普遍采用的脈沖-回波法具有更好的定位精度和更強的抗噪聲能力，不但適于軌道裂縫、扣件和軌下彈性支撐等不連續(xù)的檢測，而且適用于管道、線材等其它重要工程結構；建立了通用結構不連續(xù)的高階動力學模型和參數(shù)識別方法，利用識別到的不連續(xù)高階參數(shù)實現(xiàn)對不同裂縫和扣件等的識別；在實驗室條件下，3 m長的UIC60鋼軌上實現(xiàn)了1 cm裂縫的精確定位和識別；成功研制了一種基于壓電換能材料的寬頻振動能量收集裝置，可利用軌道上的寬頻振動能量對低功耗無線加速度傳感器在線供能，為軌道在線監(jiān)測提供了關鍵技術。在項目資助下發(fā)表學術論文14篇，包括高影響因子的SCI期刊源論文4篇，國內EI期刊源論文4篇，以及國內外會議論文6篇。申請發(fā)明專利3項，已授權1項。 2100433B

軌道結構中存在一些高頻導波，它們具有傳播距離遠，受軌下彈性支承影響小的特點，符合長距離、大范圍地識別軌道裂縫的基本要求，具備實現(xiàn)軌道裂縫在線檢測的可能。本研究旨在通過建立軌道高頻振動分析模型，對10～80 kHz范圍內的軌道導波的波動特性進行分析，尋找出波動衰減小、傳播距離遠的導波模態(tài)；利用波動解析法研究這些導波在軌道裂縫處的反射、透射特性，分析這些導波的裂縫識別敏感性；探索在已知激勵導波條件下，通過測取反射波或透射波信息，運用最小二乘迭代識別軌道裂縫的可行性，并用實驗驗證識別效果。本研究將為波動法用于軌道裂縫檢測提供理論支撐和關鍵技術。研究過程中需要發(fā)展的高頻振動分析方法和相關實驗驗證手段也可為其它復雜結構的高頻波動研究提供參考。