[发明专利]尖轨轨腰螺栓孔疲劳裂纹非线性表面波检测装置及方法

说明书

本发明公开了一种尖轨轨腰螺栓孔疲劳裂纹非线性表面波检测装置及方法，所述装置包括信号发生器、非线性高能超声测试系统、激励EMAT阵列、接收EMAT、机械臂、计算机。本发明通过对尖轨轨腰接收的表面波检测信号进行同步提取变换，提取表面波检测信号中的二次谐波，对尖轨轨腰螺栓孔进行B扫成像检测，实现尖轨轨腰螺栓孔早期疲劳裂纹位置及当量大小的直观识别，具有高分辨率、远距离快速自动检测等优点，可以用于在役高速道岔尖轨轨腰螺柱孔早期疲劳裂纹的原位快速检测，是一种新的表面波成像检测方法。

技术领域

本发明涉及一种利用非线性电磁超声表面波进行道岔尖轨轨腰螺栓孔早期疲劳裂纹成像检测的装置及方法。

背景技术

铁路运输是我国经济发展的大动脉，在我国交通运输中具有重要的战略地位。随着客运列车的提速和重载货运列车的开行，列车的车轮对道岔尖轨产生巨大竖向和横向冲击力，道岔尖轨更易出现损伤。列车车轮反复冲击道岔尖轨的过程中，尖轨轨腰螺栓孔和螺栓之间产生巨大的交变应力，极易产生疲劳裂纹，对铁路运输安全造成重大隐患。由于尖轨是变截面声波导，钢轨探伤车无法对尖轨进行检测。同时，尖轨轨腰螺栓孔被牵引杆的连接板覆盖，传统的无损检测技术无法对尖轨轨腰螺栓孔进行原位不拆卸检测。超声表面波具有一点激励、长距离大范围检测的优势，不受连接板的影响。传统线性表面波受波长限制，很难发现早期的疲劳裂纹。非线性表面波技术对早期疲劳裂纹非常敏感，适合对尖轨轨腰螺栓孔进行高精度检测。

压电式表面波探头需要使用耦合剂(水、甘油)才能将声波导入被检工件，耦合效果对检测精度影响较大。道岔尖轨在野外受雨水侵蚀生锈，导致压电式表面波探头耦合效果差，难以对尖轨轨腰螺栓孔进行有效检测。与采用压电式表面波探头进行接触式检测相比，电磁超声换能器(Electromagnetic Acoustic Transducer，EMAT)不需要耦合剂，较粗糙的表面也能直接探伤。采用EMAT在尖轨轨腰激励表面波，利用表面波与早期疲劳裂纹的非线性效应，可实现道岔尖轨轨腰螺栓孔的在线原位检测。

非线性效应产生的二次谐波信号非常微弱，传统的硬件滤波难以有效的提取二次谐波信号；同时，现场环境带来的噪声干扰导致二次谐波的识别困难，需要有效的信号处理方法提取二次谐波信号。同步提取变换(Synchroextracting Transform，SET)具有极高的时频分辨率，适合对表面波检测信号进行分析。基于SET，采用简单线性迭代聚类和区域生长算法，可实现二次谐波的精准提取，实现尖轨轨腰螺栓孔早期疲劳裂纹的远距离快速成像检测。

目前没有关于道岔尖轨轨腰螺栓孔疲劳裂纹成像检测的文献及专利，关于钢轨电磁超声检测技术主要如下：

NDTE International(2014,65:1-7)所发表的文章“A new electromagneticacoustic transducer(EMAT)design for operation on rail”涉及一种钢轨踏面快速检测的表面波EMAT装置，该装置采用线性表面波技术对钢轨踏面裂纹进行检测，不涉及早期疲劳裂纹检测，不涉及基于SET的二次谐波提取方法。

CN107941921A公开了一种钢轨轨腰电磁超声检测探头及电磁超声检测装置，该专利采用电磁超声直入射体波/斜入射体波/表面波技术实现对钢轨轨腰的非接触检测，未涉及非线性表面波技术，不能对尖轨轨腰螺栓孔的早期疲劳裂纹进行检测。

仪器仪表学报(2020,41(01):35-46)所发表的文章“钢轨踏面裂纹电磁超声表面波同步挤压小波快速成像检测研究”涉及一种电磁超声表面波装置用于钢轨踏面裂纹快速成像检测，其采用同步挤压小波变换，对线性表面波信号进行去噪处理，该论文提出的检测方法不涉及非线性表面波技术和EMAT阵列，不涉及基于SET的二次谐波提取方法，不能用于道岔轨腰螺栓孔的早期疲劳裂纹检测。

CN111426756A公开了一种钢轨轨底裂纹高阶SH导波成像检测方法及系统，该专利采用高阶SH导波实现对钢轨轨底的缺陷成像检测，未涉及基于SET的二次谐波提取方法，不能检测早期疲劳裂纹。