中文摘要：

随着我国高速铁路事业的快速发展，轮轨接触疲劳导致的钢轨踏面斜裂纹已成为威胁行车安全的重要因素，目前缺少对踏面斜裂纹进行快速定量无损检测的有效手段。本项目提出开展高速铁路钢轨踏面斜裂纹的低频超声表面波检测的理论与方法研究。考虑运行线路钢轨表面冷作层的影响，建立新的物理模型，并建立钢轨踏面3D斜裂纹数值和实验模型。以理论分析、数值计算、动态光弹实验、测试信号处理等多种手段相结合，研究低频超声表面波在钢轨表面中的激发、传播机理，掌握检测模式波的激发控制方法，研究检测模式波在踏面斜裂纹上的散射特性，研究由散射回波信号获得钢轨踏面斜裂纹参数的手段与方法，建立起钢轨踏面斜裂纹低频超声表面波检测技术的理论和方法基础。本项目服务于高速铁路安全的迫切需求，其研究内容、研究方案都具有很强的创新性，是一项开拓性的、探索性的研究，具有在该领域的关键技术上形成自主创新技术的可能，具有重要的学术意义和重大应用价值。

结论摘要：

随着我国高速铁路事业的快速发展，轮轨接触疲劳导致的钢轨踏面斜裂纹已成为威胁行车安全的重要因素，铁路无损检测部门迫切需要有效的在线检测技术和仪器。项目组具体工作包括以我国高速线路铺设的60kg/m型钢轨为研究对象，采用有限差分和有限元数值方法，模拟了低频超声表面波在钢轨踏面的传播过程，并与Rayleigh波的传播特性进行了比较；采用压电晶片探头激发—激光干涉测量的实验方法研究了钢轨踏面的低频超声表面波传播特性，对钢轨踏面的表面波的导波传播特征与传播模式进行了分析；采用动态光弹技术观测了低频超声表面波在玻璃钢轨试样中的传播过程；研究了带冷作层钢轨踏面中高阶模式表面波的传播特性；研究了稳定激发低频表面波对称型模式的激励方法。以8晶片阵列探头模型为例模拟了阵列探头在钢轨踏面激发低频超声表面波的过程，为阵列低频超声表面波探头的设计提供理论和方法基础；采用数值和实验方法分析了低频超声表面波在表面开口斜裂纹上的散射特性，对裂纹近场的信号增强效应进行了讨论；研制了多通道动态光弹实验仪器，以观测相控阵低频表面波探头辐射声场；开展了钢轨踏面斜裂纹的阵列低频超声表面波反演成像算法研究和数值模拟。在以上研究基础上，开展钢轨踏面斜裂纹超声表面波检测方法研究。设计和加工了表面边沿开口斜裂纹标定试样和钢轨试样，采用低频超声表面波脉冲反射回波法对试样的斜裂纹进行了B成像检测；建立了表面开口斜裂纹模型，研究表面波反射波幅度、透射波幅度和透射波频谱特性与裂纹深度和角度的关系。重要结论有（1）与平界面中的Rayleigh波相比，钢轨轨头中的传播的低频超声表面波传播声速略低。在200~300mm短距离范围，钢轨踏面传播的低频超声表面波可看成是经典的Rayleigh波；（2）利用高阶模式表面波（Sezawa模式）截止频率可以定量测量钢轨踏面冷作层厚度；（3）低频超声表面波脉冲反射回波法可以快速检测出斜裂纹，但难以对斜裂纹进行定量检测，透射回波频谱可以定量检测斜裂纹深度。将反射回波和透射回波法结合，采用阵列探头检测可以定量检测踏面斜裂纹形状和深度。本文的研究工作对高速铁路钢轨踏面的低频超声表面波传播特性的认识具有重要的意义，为线路钢轨踏面斜裂纹的超声表面波无损检测提供了一定的理论依据和方法基础。