钢轨表面缺陷检测方法

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.

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, 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, 然而, 这些已有的研究成果基本都是从一维信号的角度对钢轨缺陷进行定性的分析, 所得到的检测结果并不足以详细描述缺陷的实际状态.

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, 本文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. 本方法具有以下优点:

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.