[發明專利]尖軌軌腰螺栓孔疲勞裂紋非線性表面波檢測裝置及方法

有效

• 申請號: 202111111686.8
• 申請日: 2021-09-18
• 公開（公告）號: CN113655124B
• 公開（公告）日: 2022-06-10
• 發明（設計）人: 翟國富;胡松濤;李策;李永虔
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工業大學
• 主分類號: G01N29/04
• 分類號: G01N29/04;G01N29/34;G01N29/44
• 代理公司: 哈爾濱龍科專利代理有限公司 23206
• 代理人: 李智慧

本發明公開了一種尖軌軌腰螺栓孔疲勞裂紋非線性表面波檢測裝置及方法，所述裝置包括信號發生器、非線性高能超聲測試系統、激勵EMAT陣列、接收EMAT、機械臂、計算機。本發明通過對尖軌軌腰接收的表面波檢測信號進行同步提取變換，提取表面波檢測信號中的二次諧波，對尖軌軌腰螺栓孔進行B掃成像檢測，實現尖軌軌腰螺栓孔早期疲勞裂紋位置及當量大小的直觀識別，具有高分辨率、遠距離快速自動檢測等優點，可以用于在役高速道岔尖軌軌腰螺柱孔早期疲勞裂紋的原位快速檢測，是一種新的表面波成像檢測方法。

技術領域

本發明涉及一種利用非線性電磁超聲表面波進行道岔尖軌軌腰螺栓孔早期疲勞裂紋成像檢測的裝置及方法。

背景技術

鐵路運輸是我國經濟發展的大動脈，在我國交通運輸中具有重要的戰略地位。隨著客運列車的提速和重載貨運列車的開行，列車的車輪對道岔尖軌產生巨大豎向和橫向沖擊力，道岔尖軌更易出現損傷。列車車輪反復沖擊道岔尖軌的過程中，尖軌軌腰螺栓孔和螺栓之間產生巨大的交變應力，極易產生疲勞裂紋，對鐵路運輸安全造成重大隱患。由于尖軌是變截面聲波導，鋼軌探傷車無法對尖軌進行檢測。同時，尖軌軌腰螺栓孔被牽引桿的連接板覆蓋，傳統的無損檢測技術無法對尖軌軌腰螺栓孔進行原位不拆卸檢測。超聲表面波具有一點激勵、長距離大范圍檢測的優勢，不受連接板的影響。傳統線性表面波受波長限制，很難發現早期的疲勞裂紋。非線性表面波技術對早期疲勞裂紋非常敏感，適合對尖軌軌腰螺栓孔進行高精度檢測。

壓電式表面波探頭需要使用耦合劑(水、甘油)才能將聲波導入被檢工件，耦合效果對檢測精度影響較大。道岔尖軌在野外受雨水侵蝕生銹，導致壓電式表面波探頭耦合效果差，難以對尖軌軌腰螺栓孔進行有效檢測。與采用壓電式表面波探頭進行接觸式檢測相比，電磁超聲換能器(Electromagnetic Acoustic Transducer，EMAT)不需要耦合劑，較粗糙的表面也能直接探傷。采用EMAT在尖軌軌腰激勵表面波，利用表面波與早期疲勞裂紋的非線性效應，可實現道岔尖軌軌腰螺栓孔的在線原位檢測。

非線性效應產生的二次諧波信號非常微弱，傳統的硬件濾波難以有效的提取二次諧波信號；同時，現場環境帶來的噪聲干擾導致二次諧波的識別困難，需要有效的信號處理方法提取二次諧波信號。同步提取變換(Synchroextracting Transform，SET)具有極高的時頻分辨率，適合對表面波檢測信號進行分析。基于SET，采用簡單線性迭代聚類和區域生長算法，可實現二次諧波的精準提取，實現尖軌軌腰螺栓孔早期疲勞裂紋的遠距離快速成像檢測。

目前沒有關于道岔尖軌軌腰螺栓孔疲勞裂紋成像檢測的文獻及專利，關于鋼軌電磁超聲檢測技術主要如下：

NDTE International(2014,65:1-7)所發表的文章“A new electromagneticacoustic transducer(EMAT)design for operation on rail”涉及一種鋼軌踏面快速檢測的表面波EMAT裝置，該裝置采用線性表面波技術對鋼軌踏面裂紋進行檢測，不涉及早期疲勞裂紋檢測，不涉及基于SET的二次諧波提取方法。

CN107941921A公開了一種鋼軌軌腰電磁超聲檢測探頭及電磁超聲檢測裝置，該專利采用電磁超聲直入射體波/斜入射體波/表面波技術實現對鋼軌軌腰的非接觸檢測，未涉及非線性表面波技術，不能對尖軌軌腰螺栓孔的早期疲勞裂紋進行檢測。

儀器儀表學報(2020,41(01):35-46)所發表的文章“鋼軌踏面裂紋電磁超聲表面波同步擠壓小波快速成像檢測研究”涉及一種電磁超聲表面波裝置用于鋼軌踏面裂紋快速成像檢測，其采用同步擠壓小波變換，對線性表面波信號進行去噪處理，該論文提出的檢測方法不涉及非線性表面波技術和EMAT陣列，不涉及基于SET的二次諧波提取方法，不能用于道岔軌腰螺栓孔的早期疲勞裂紋檢測。

CN111426756A公開了一種鋼軌軌底裂紋高階SH導波成像檢測方法及系統，該專利采用高階SH導波實現對鋼軌軌底的缺陷成像檢測，未涉及基于SET的二次諧波提取方法，不能檢測早期疲勞裂紋。