高速铁路

近年来, 我国的高速铁路发展迅速, 高速列车的安全运行也因此变得愈发重要. 高速列车在加速和制动过程中以及通过钢轨接缝、弯道和道岔时,长期对钢轨产生强烈摩擦、挤压、弯曲和冲击, 使钢轨产生疲劳缺陷. 缺陷一旦产生就易于快速扩展, 造成钢轨折断从而导致车毁人亡等重大恶性事故, 直接影响着行车的安全.

在影响钢轨材料和构件质量和安全性的诸多因素中, 表面裂纹的危害性极大, 而隐藏在材料和构件近表面的裂纹往往又是致命裂纹的起点, 更具隐蔽性和危险性, 所以无损检测技术的一个重要方面就是对材料和构件表面和近表面缺陷的检测.

在高铁钢轨表面缺陷检测中, 常规的无损检测方法是磁粉检测、射线检测、涡流检测和超声检测等, 其中超声检测方法在我国钢轨探伤中应用非常广泛. 超声检测具有准确度高、操作简单等特点. 然而, 对于表面或者近表面的微裂纹, 由于受到钢轨表面几何形状、粗糙度等因素的影响, 超声检测效果不佳甚至无法进行检测.

光声检测技术是近年来发展起来的一种基于材料特性的无损检测评价方法,光声检测的基本原理是光声效应产生光声信号,物体在吸收激光能量后产生瞬时的温度升高, 导致局部压力的升高, 继而以压力波的形式传播出去形成超声波的现象.

钢轨检测

当钢轨表面存在缺陷时, 由于材料特性的不同, 产生的初始声场会与无缺陷的钢轨不同, 并且不同的表面缺陷会产生不同的声场. 采集光声信号并通过重建算法可以绘制出不同表面缺陷钢轨的声压分布图, 从而达到观察和识别表面伤损的目的.

由于钢轨对超声的衰减散射远小于材料对光的衰减和散射, 用宽带超声探测器检测超声波代替光学成像中检测散射光子, 可以提供高分辨率和高对比度的影像, 能够克服光学技术在成像深度以及超声技术在成像分辨率方面的不足. 同时光声检测技术所成图像主要是依据试件表面光能量吸收分布不同, 这可以有效克服超声成像在成像对比度方面的不足.

国内外学者对该技术在表面缺陷检测上的应用展开了研究: 南京大学王敬时等根据表面缺陷深度对激光声表面波的低通滤波效应对材料表面微裂纹进行了检测; 南京航空航天大学的曾伟等研究了激光声表面波与材料近表面之间的振荡效应,为近表面缺陷的定量检测提供了一种理论基础; 浙江大学杨世锡等利用有限元研究了材料表面裂纹的宽度和深度对激光超声信号的影响; Kende-rian 等采用空气耦合探头接收激光超声信号, 检测了钢轨的垂直裂纹以及车轮缺陷;Cavuto 等利用表面缺陷会衰减激光声表面波的现象, 通过比较有无缺陷情况下的波形, 来检测火车轮轴的表面缺陷.

考虑传统超声技术在钢轨表面缺陷检测上的不足, 以及光声技术在钢轨表面缺陷检测上的优势, 最新研究成果提出了一种基于光声信号的高铁钢轨表面缺陷的检测方法. 首先, 使用有限元及K-wave 方法建立了钢轨模型并获得了模拟光声信号, 然后利用时间反演的方法对钢轨表面的光声图像进行了重建, 并研究了不同传感器参数对成像结果的影响,最后设计实验采集了钢轨表面的光声信号并进行了处理和分析.

该方法具有巨大优越的应有实际应用优势:

1) 激光脉冲作为激发源, 可以非接触地在各种材料中直接激发光声信号, 并且产生的信号便于被传感器接收, 因此能够在各种恶劣环境进行检测作业;

2) 激光源的控制十分灵活, 可以很方便地移到缺陷近场附近,为钢轨缺陷检测提供便利;

3) 激光脉冲可以激发出宽频带的、多模式的超声信号, 并且便于和光纤技术集成, 可以实现快速、自动化的在线监测, 是一种很有应用背景的新型无损检测技术.