用于轨道裂缝识别的轨道导波波动特性研究

轨道结构的完整状况决定了高速、大负荷列车的行驶安全性，而传统铁路的人工巡检和现代高铁的检测车定期巡检方式都不能满足实时监测轨道结构安全状况的需要。本项目开展基于高频导波的长距离、大范围结构无损检测技术的机理研究，探索包括钢轨、扣件和轨下支承在内的轨道结构在线结构健康检测新技术。主要研究内容包括：在波导结构中寻找长距离传播的“检测导波”；研究导波在典型不连续处的波动特性；实现波导结构不连续定位；辨识不连续的类型和尺寸；以及收集轨道振动能量用于在线监测传感器。研究结果表明国内普遍使用的UIC60钢轨中，存在20种能有效传播1 km以上的轨道导波，其中一种轨头对称纵波在44 kHz附近衰减率最低，为0.04 dB/m，对应有效传播距离在1.5 km左右，可以用于长距离检测轨头裂缝；基于导波在不连续处的波动特性，发明了反射系数结构不连续定位方法，该方法不受导波低频散性要求的限制，比目前普遍采用的脉冲-回波法具有更好的定位精度和更强的抗噪声能力，不但适于轨道裂缝、扣件和轨下弹性支撑等不连续的检测，而且适用于管道、线材等其它重要工程结构；建立了通用结构不连续的高阶动力学模型和参数识别方法，利用识别到的不连续高阶参数实现对不同裂缝和扣件等的识别；在实验室条件下，3 m长的UIC60钢轨上实现了1 cm裂缝的精确定位和识别；成功研制了一种基于压电换能材料的宽频振动能量收集装置，可利用轨道上的宽频振动能量对低功耗无线加速度传感器在线供能，为轨道在线监测提供了关键技术。在项目资助下发表学术论文14篇，包括高影响因子的SCI期刊源论文4篇，国内EI期刊源论文4篇，以及国内外会议论文6篇。申请发明专利3项，已授权1项。 2100433B

轨道结构中存在一些高频导波，它们具有传播距离远，受轨下弹性支承影响小的特点，符合长距离、大范围地识别轨道裂缝的基本要求，具备实现轨道裂缝在线检测的可能。本研究旨在通过建立轨道高频振动分析模型，对10～80 kHz范围内的轨道导波的波动特性进行分析，寻找出波动衰减小、传播距离远的导波模态；利用波动解析法研究这些导波在轨道裂缝处的反射、透射特性，分析这些导波的裂缝识别敏感性；探索在已知激励导波条件下，通过测取反射波或透射波信息，运用最小二乘迭代识别轨道裂缝的可行性，并用实验验证识别效果。本研究将为波动法用于轨道裂缝检测提供理论支撑和关键技术。研究过程中需要发展的高频振动分析方法和相关实验验证手段也可为其它复杂结构的高频波动研究提供参考。