用于軌道裂縫識(shí)別的軌道導(dǎo)波波動(dòng)特性研究項(xiàng)目摘要

軌道結(jié)構(gòu)中存在一些高頻導(dǎo)波，它們具有傳播距離遠(yuǎn)，受軌下彈性支承影響小的特點(diǎn)，符合長距離、大范圍地識(shí)別軌道裂縫的基本要求，具備實(shí)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(dòng)分析模型，對(duì)10～80 kHz范圍內(nèi)的軌道導(dǎo)波的波動(dòng)特性進(jìn)行分析，尋找出波動(dòng)衰減小、傳播距離遠(yuǎn)的導(dǎo)波模態(tài)；利用波動(dòng)解析法研究這些導(dǎo)波在軌道裂縫處的反射、透射特性，分析這些導(dǎo)波的裂縫識(shí)別敏感性；探索在已知激勵(lì)導(dǎo)波條件下，通過測取反射波或透射波信息，運(yùn)用最小二乘迭代識(shí)別軌道裂縫的可行性，并用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證識(shí)別效果。本研究將為波動(dòng)法用于軌道裂縫檢測提供理論支撐和關(guān)鍵技術(shù)。研究過程中需要發(fā)展的高頻振動(dòng)分析方法和相關(guān)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證手段也可為其它復(fù)雜結(jié)構(gòu)的高頻波動(dòng)研究提供參考。

軌道結(jié)構(gòu)的完整狀況決定了高速、大負(fù)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(shí)時(shí)監(jiān)測軌道結(jié)構(gòu)安全狀況的需要。本項(xiàng)目開展基于高頻導(dǎo)波的長距離、大范圍結(jié)構(gòu)無損檢測技術(shù)的機(jī)理研究，探索包括鋼軌、扣件和軌下支承在內(nèi)的軌道結(jié)構(gòu)在線結(jié)構(gòu)健康檢測新技術(shù)。主要研究內(nèi)容包括：在波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中尋找長距離傳播的“檢測導(dǎo)波”；研究導(dǎo)波在典型不連續(xù)處的波動(dòng)特性；實(shí)現(xiàn)波導(dǎo)結(jié)構(gòu)不連續(xù)定位；辨識(shí)不連續(xù)的類型和尺寸；以及收集軌道振動(dòng)能量用于在線監(jiān)測傳感器。研究結(jié)果表明國內(nèi)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(dǎo)波，其中一種軌頭對(duì)稱縱波在44 kHz附近衰減率最低，為0.04 dB/m，對(duì)應(yīng)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(dǎo)波在不連續(xù)處的波動(dòng)特性，發(fā)明了反射系數(shù)結(jié)構(gòu)不連續(xù)定位方法，該方法不受導(dǎo)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(qiáng)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(jié)構(gòu)；建立了通用結(jié)構(gòu)不連續(xù)的高階動(dòng)力學(xué)模型和參數(shù)識(shí)別方法，利用識(shí)別到的不連續(xù)高階參數(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)不同裂縫和扣件等的識(shí)別；在實(shí)驗(yàn)室條件下，3 m長的UIC60鋼軌上實(shí)現(xiàn)了1 cm裂縫的精確定位和識(shí)別；成功研制了一種基于壓電換能材料的寬頻振動(dòng)能量收集裝置，可利用軌道上的寬頻振動(dòng)能量對(duì)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(guān)鍵技術(shù)。在項(xiàng)目資助下發(fā)表學(xué)術(shù)論文14篇，包括高影響因子的SCI期刊源論文4篇，國內(nèi)EI期刊源論文4篇，以及國內(nèi)外會(huì)議論文6篇。申請(qǐng)發(fā)明專利3項(xiàng)，已授權(quán)1項(xiàng)。 2100433B