高速鐵路

   近年來, 我國的高速鐵路發展迅速, 高速列車的安全運行也因此變得愈發重要. 高速列車在加速和制動過程中以及通過鋼軌接縫、彎道和道岔時,長期對鋼軌產生強烈摩擦、擠壓、彎曲和沖擊, 使鋼軌產生疲勞缺陷. 缺陷一旦產生就易于快速擴展, 造成鋼軌折斷從而導致車毀人亡等重大惡性事故, 直接影響著行車的安全.

   在影響鋼軌材料和構件質量和安全性的諸多因素中, 表面裂紋的危害性極大, 而隱藏在材料和構件近表面的裂紋往往又是致命裂紋的起點, 更具隱蔽性和危險性, 所以無損檢測技術的一個重要方面就是對材料和構件表面和近表面缺陷的檢測.

   在高鐵鋼軌表面缺陷檢測中, 常規的無損檢測方法是磁粉檢測、射線檢測、渦流檢測和超聲檢測等, 其中超聲檢測方法在我國鋼軌探傷中應用非常廣泛. 超聲檢測具有準確度高、操作簡單等特點. 然而, 對于表面或者近表面的微裂紋, 由于受到鋼軌表面幾何形狀、粗糙度等因素的影響, 超聲檢測效果不佳甚至無法進行檢測.

   光聲檢測技術是近年來發展起來的一種基于材料特性的無損檢測評價方法,光聲檢測的基本原理是光聲效應產生光聲信號,物體在吸收激光能量后產生瞬時的溫度升高, 導致局部壓力的升高, 繼而以壓力波的形式傳播出去形成超聲波的現象.

鋼軌檢測

   當鋼軌表面存在缺陷時, 由于材料特性的不同, 產生的初始聲場會與無缺陷的鋼軌不同, 并且不同的表面缺陷會產生不同的聲場. 采集光聲信號并通過重建算法可以繪制出不同表面缺陷鋼軌的聲壓分布圖, 從而達到觀察和識別表面傷損的目的.

   由于鋼軌對超聲的衰減散射遠小于材料對光的衰減和散射, 用寬帶超聲探測器檢測超聲波代替光學成像中檢測散射光子, 可以提供高分辨率和高對比度的影像, 能夠克服光學技術在成像深度以及超聲技術在成像分辨率方面的不足. 同時光聲檢測技術所成圖像主要是依據試件表面光能量吸收分布不同, 這可以有效克服超聲成像在成像對比度方面的不足.

   國內外學者對該技術在表面缺陷檢測上的應用展開了研究: 南京大學王敬時等根據表面缺陷深度對激光聲表面波的低通濾波效應對材料表面微裂紋進行了檢測; 南京航空航天大學的曾偉等研究了激光聲表面波與材料近表面之間的振蕩效應,為近表面缺陷的定量檢測提供了一種理論基礎; 浙江大學楊世錫等利用有限元研究了材料表面裂紋的寬度和深度對激光超聲信號的影響; Kende-rian 等采用空氣耦合探頭接收激光超聲信號, 檢測了鋼軌的垂直裂紋以及車輪缺陷;Cavuto 等利用表面缺陷會衰減激光聲表面波的現象, 通過比較有無缺陷情況下的波形, 來檢測火車輪軸的表面缺陷.

   考慮傳統超聲技術在鋼軌表面缺陷檢測上的不足, 以及光聲技術在鋼軌表面缺陷檢測上的優勢, 最新研究成果提出了一種基于光聲信號的高鐵鋼軌表面缺陷的檢測方法. 首先, 使用有限元及K-wave 方法建立了鋼軌模型并獲得了模擬光聲信號, 然后利用時間反演的方法對鋼軌表面的光聲圖像進行了重建, 并研究了不同傳感器參數對成像結果的影響,最后設計實驗采集了鋼軌表面的光聲信號并進行了處理和分析.

   該方法具有巨大優越的應有實際應用優勢:

   1) 激光脈沖作為激發源, 可以非接觸地在各種材料中直接激發光聲信號, 并且產生的信號便于被傳感器接收, 因此能夠在各種惡劣環境進行檢測作業;

   2) 激光源的控制十分靈活, 可以很方便地移到缺陷近場附近,為鋼軌缺陷檢測提供便利;

   3) 激光脈沖可以激發出寬頻帶的、多模式的超聲信號, 并且便于和光纖技術集成, 可以實現快速、自動化的在線監測, 是一種很有應用背景的新型無損檢測技術.

責任編輯：周婭

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