周小乐 车辉
新疆新正检测技术有限责任公司
摘要：在社会经济快速发展的时代背景下，铁路、高铁等交通运输领域也得到了飞速发展，其中钢轨是承载列车运行的基础，是车辆运行安全的保障。在钢轨的日常应用过程中，很容易受各种外界因素的影响而导致其出现一定的损坏和质量安全隐患，一旦出现未及时发现的钢轨损坏会严重影响后期的交通运行安全。超声导波无损检测技术中钢轨超声导波的波结构能够在远距离、无损坏的基础上完成钢轨损坏部位的精准检测，因此本文通过简析超声导波技术，分析超声导波技术在钢轨无损检测中的价值体现，探讨钢轨无损检测中超声导波技术的应用方法，以帮助人们正确认识、深入研究、高效应用超声导波无损检测技术，从而在保障轨道运行安全的基础上，进一步推动我国轨道运输行业的持续发展。
关键词：钢轨；无损检测；超声导波技术
引言
随着城市交通运输网络的形成与完善，轨道交通在为人们出行带来便利的同时，交通运输安全事故也频发。城市环境复杂多变，铁路因其自身特性导致其在运行过程中线路长、承重大、耗时多，而钢轨作为保证整个铁路交通运行安全的基础，虽然我国工业生产水平的不断提高使得钢轨性能得到了优化和完善，但目前钢轨损伤数量依旧逐年上涨，因此如何及时并精准定位发现钢轨损伤，已成为当前轨道交通行业领域需要关注的重要问题。超声导波无损检测技术能够根据不同介质反射传导的波形不同而完成轨头、轨腰和轨底的无损探伤，可以实现全截面的覆盖式检测，其检测距离长、耗时短、结果精准，因此采用超声导波无损检测技术检测钢轨的损伤情况对保障轨道交通运输安全具有重要作用【1】。
1、简析超声导波技术
超声导波技术是指利用大于20kHz频率声波具有的独特反射特性和传导特性，来实现探测对象的物理特性检测，以帮助人们明确检测对象存在的损伤。因超声导波技术的探测范围较广、传播效果衰减小、检测效率较高、经济成本较低等特性而被广泛应用在管道、钢轨等大型构件的损伤检测中【2】。
超声导波技术相比其他超声波能够实现在固体、液体以及气体中的相对稳定传播，因此其对检测环境的要求较小且传导特性良好；由于不同介质的密度不同使得其产生的反射现象也不同，而超声导波的反射特性更加优秀，尤其是在钢轨等固体对象的检测过程中，其检测效果更加明显和精准；但超声导波通过介质之后会因为被介质吸收自身能量而出现一定的衰减特性，因此在实际检测过程中需要严格控制超声导波的衰减程度才能保证检测结果的有效性。
2、超声导波技术在钢轨无损检测中的价值体现
2.1减轻操作人员工作压力
传统钢轨损伤检测时需要进行大量的人工操作，如采用传统人工推动的方式，利用超声检测完成钢轨损伤部位的检测，这不仅会使工人的工作量巨大且由于存在检测盲区很难保证检测结果的精准有效，容易造成钢轨损伤遗漏，从而增加轨道交通运输的危险性。因此，在钢轨无损检测中引入超声导波技术，利用科学的应用原理和先进的技术支撑既能深入探测钢轨内部存在的损伤，有效保证检测结果的精准性，又能最大限度减轻操作人员的工作压力，提高检测效率。
2.2保障轨道交通运输安全
随着社会经济的快速发展以及人们出行需求的增多，使得铁路、高铁等轨道交通行业面临着严峻挑战。钢轨是保证轨道交通运输安全的基础，但钢轨本身是一种消耗品，其自身长期暴露在自然环境中，很容易受到腐蚀，还由于火车运行时带来的承重直接与钢轨产生摩擦，在长时间的使用之后极易导致钢轨出现不同程度的损伤，这时采用超声导波无损检测技术在不破坏钢轨自身特性的基础上，完成钢轨损伤的精准检测能够帮助人们及时排查钢轨存在的安全隐患，有利于进一步保障轨道交通运输安全，避免出现不必要的安全事故。
3、钢轨无损检测中超声导波技术的应用方法
3.1导波的频散及多模态特性
钢轨中超声导波相比其他常见的超声波具有明显的频散特征，钢轨的轨头、轨腰和轨底在导波传播过程中受波导截面、形状和尺寸的影响，使得导波的相速度随着频率的不同而发生变化，但严重的导波模态会降低超声导波无损检测的精准性，因此在选择超声导波技术检测钢轨损伤时应首先明确钢轨中超声导波的频散现象。多模态是指波导结构在某一频率下存在的多种以不同群速度传播的导波模态，钢轨中的超声导波具有典型的多模态特征，因此在实际检测过程中为降低数据信号解析的难度，需要根据钢轨的不同部位和类型合理选择模态【3】。
3.2导波传播特性的数值计算
钢轨超声导波具有频散及多模态特性，这时为有效降低多模态特性综合分析的数据信号解析难度，通常情况下人们选择将不同模态特性进行单独分析，以在降低人们工作压力的基础上保证检测结果的精准有效。在超声导波传播特性的数值计算过程中，综合考虑钢轨异面截面和波导频率，综合采用多种数值计算方式能够进一步保证钢轨传播特性数据计算结果的准确性。如半解析有限元法计算钢轨横截面离散值和谐波指数函数解析钢轨频散程度的计算方法以及三维固有频率分析法中频散曲线计算方法、振动模态分析法等的综合运用。
3.3激励频率及导波模态的选择
针对钢轨中多元化的导波模态，要科学、合理地选择最佳的激励频率及导波模态，在保证探测作业顺利进行的基础上，确保超声导波无损检测技术的检测结果精准。在建立三维有限元模型的基础上明确钢轨中8种导波模态，其中F3、T2、F2这三种导波模态的导波相速度基本一致且能量大多集中在轨头、轨腰、轨底等单一部位，通过结合70kHz主要激励频率，能够成功检测出位于轨头和轨底位置的损伤，由此可见在选用超声导波技术作为钢轨损伤检测的主要技术时，需要在避免对钢轨自身造成质量损伤的基础上，根据实际检测需求科学选择较低的激励频率和传播能力强、灵敏度高的导波模态。
3.4导波信号处理方法
超声导波技术的主要应用原理是通过分析导波回传信号，明确超声波的介质传播特性，完成不同模态下超声波的导波表现形式判断，以此得出钢轨损伤的类型、位置、形状和大小等结果。当前常用的导波信号处理方法主要包括小波变换、时频分析、频域分析等，由于钢轨超声波具有频散的多模态特性，因此采用单一的导波信号处理方法很难保证检测结果的准确性，因此人们大多根据实际的检测需求选择多种导波信号处理方法，以减少频散波带来的影响，在达到最佳处理效果的同时，采用信号增强的方法来增强信号目标强度，以避免实验环境对检测信号带来干扰，从而提高检测结果的精确性、全面性【4】。
4、总结
超声导波无损检测技术作为一种新型的钢轨损伤检测技术，其在实际检测过程中受钢轨导波频散及多模态特性等因素的影响而导致检测具有一定局限性，因此在科学技术快速发展的时代背景下，为进一步提高超声导波无损检测技术对钢轨损伤检测结果的精准性，拓宽超声无损检测技术的覆盖范围，人们要在正确认识超声无损检测技术的基础上，深入研究并逐步完善超声无损检测技术，有效解决包括激励频率和模态选择等在内的科学问题，保证其能更全面地反应钢轨损伤类型，从而更好地保障我国的轨道交通运输安全。
参考文献：
[1]周建民,徐清瑶,李鹏,万琪,廖晓苏. 钢轨无损检测中的超声导波技术[J]. 仪表技术与传感器,2015(06):99-102+106.
[2]杨尚. 钢轨无损检测中的超声导波技术分析[J]. 中国设备工程,2020(04):137-138.
[3]沈斐扬. 钢轨超声导波动态检测关键技术研究[D].浙江大学,2018.
[4]邢博. 基于超声导波的钢轨裂纹检测方法研究[D].北京交通大学,2020.