在线高速铁路钢轨电磁集成检测技术的仿真与实现研究

高速及重载钢轨线路的裂纹和应力容易造成故障并引发重大安全事故。现有的无损超声等探伤手段需采用耦合剂，无法实现高速巡检，存在表面探测盲区，并且无法检测钢轨应力集中等现象。本课题以电磁检测原理，采用仿真和实际实验结合的方法，针对高速运动条件下的铁磁性材料磁化特性进行研究，对高速运动状态激励和传感结构进行优化，并针对运动产生的涡流效应进行分析和利用，最终得到高速条件下非接触方式进行钢轨裂纹巡检检测方法。包括： （1）本项目采用有限元技术对高速巡检条件下的漏磁现象、涡流现象、磁化效果、激励方式与信号之间的关系等进行了仿真，并据此对高速运动状态激励和传感结构进行霍尔效应、线圈和磁阻等多种方式的优化和组合，得到高速条件下非接触的方式进行钢轨裂纹巡检检测的测量结构，并在实际的试验验证平台上进行了验证。 （2）本项目针对不同速度条件下的不同宽度、深度和倾斜角度等缺陷特征与检测信号之间的关系进行了仿真，得到了采用神经网络进行巡检速度补偿和缺陷特征提取的方法，并在实际试验验证平台上进行了验证。 （3）本项目设计了高速漏磁检测试验和验证平台，验证了最高200km/h速度下的最小0.1mm宽度钢轨裂纹的快速巡检的有效性。 此外，项目采用巴克豪森原理，对钢轨的应力分布微观隐性缺陷等信息进行检测。包括： （1）项目实现了巴克豪森原理针对钢轨进行应力检测，并提出和实现了“峰宽比”以及小波变换等方法等多种新特征值的提取方法； （2）项目针对巴克豪森检测方法的温度效应进行了研究，并采用神经网络等方法对温度效应进行了补偿。 （3）开发了手推式钢轨应力巡检原理样车，并在上海铁路局实际线路上得到了验证。 如上所述，本课题研究以高速和非接触的方式进行钢轨裂纹巡检的方法，得出被测钢轨裂纹特征、应力分布和微观隐性缺陷等信息。项目具有非接触测量，适合高速巡检、能够检测不同深度情况下的裂纹，并能检测钢轨一定深度的应力分布和微观结构，从而进行故障预报的优势。对钢轨的服役情况进行安全监控、故障检测、预警和寿命分析，突破国外同行业的技术垄断，满足铁路运营部门的重大需求。 2100433B

高速铁路损伤的缺陷主要表现为斜线状接触疲劳裂纹，具有很大的隐蔽性和危险性，对其巡检已成为世界各国无损检测的重大课题。现有铁轨巡测设备通常采用接触式超声测量技术，具有检测盲区，故障识别率和巡检速度均不理想，且不能检测钢轨的应力情况而做出故障预报，无法真正解决我国高速铁路巡检问题。.本项目采用电磁检测方法，通过仿真及试验研究，并结合钢轨实际案例进行分析验证，建立起在高速运动的交直流激励作用下，被测钢轨材料及其表面、亚表面一定深度下的钢轨裂纹、应力和微观结构变化等多种因素与被测材料表面三维等效脉冲涡流电磁场、磁泄漏和剩磁、巴克毫森噪声信号响应的关系模型，并分析其响应磁场时域、频域的特征，得出被测钢轨裂纹特征、应力分布，微观隐性缺陷等信息。.项目具有非接触测量，适合高速巡检、能够同时检测不同深度情况下的裂纹，并能检测钢轨一定深度的应力分布和微观结构从而进行故障预报的优势，解决这一难题。

《电磁场数值计算与仿真分析》主要讨论基于时域有限差分方法的电磁场仿真分析技术，依次介绍了有限差分方法的基本概念、电磁场时域有限差分法的原理与实现、电磁场仿真计算平台的构建、电磁场理论与微波工程问题的仿真计算、电磁场并行计算方法研究等内容。书中注重理论和实践的结合，在阐明算法原理的基础上，详细介绍了自行建立仿真系统的方法，并用丰富的计算实例说明了如何进行实际的仿真计算与分析。在附录中列出了相关的计算机知识，以供需要时查阅。

《电磁场数值计算与仿真分析》可以作为电磁场与微波技术专业有关课程的教学用书，也可供从事电磁场理论研究和微波工程设计的相关人员参考。