铁路轨道板结构内部病害车载无损检测系统及方法技术方案

本发明专利技术属于工程无损检测技术领域，公开了铁路轨道板结构内部病害车载无损检测系统及方法，包括非接触声发射阵列检测系统布置，电磁冲击锤激发信号，声发射多通道主机进行数据采集，小车移动、信号再次激发、数据再采集，数据合成，数据成像，缺陷差异分析，成果输出。本发明专利技术从轨道板上方进行阵列检测，能够无损地检测轨道板内病害情况，识别轨道板内病害位置、深度及砂浆脱空情况；传感器阵列以非接触方式与轨道板保持恒距，便于移动检测，传感器阵列具有扩展性，可根据检测精度要求增加减少传感器数量，同时以轨道电动车为载体、多通道主机接收数据，采集效率高。采集效率高。采集效率高。

【技术实现步骤摘要】
铁路轨道板结构内部病害车载无损检测系统及方法


[0001]本专利技术属于工程无损检测
，尤其涉及一种铁路轨道板结构内部病害车载非接触阵列无损检测系统及方法。

技术介绍

[0002]目前，轨道板状态对于高速行驶的列车安全至关重要，但受列车荷载、振动、风雨侵蚀及温度变化等因素影响，轨道板难免会出现裂缝、脱空的缺陷，这些缺陷会引起混凝土结构钢筋锈蚀，导致耐久性变差，在维修之前如何快速、准确、无损查明缺陷位置及规模是非常有必要。
[0003]对于混凝土裂缝的检测，多是人工肉眼识别或裂缝刻度尺近距离检测，精度低，人为影响大，近年来，有人采用图像识别技术进行裂缝检测，虽然平面检测精度高，但是无法检测裂缝深度；当前，对于裂缝深度检测，有超声波检测方案，但是多为一发一收模式，需要逐步扩大收发距，效率较低，而且高速铁路天窗在夜间、时间短，对于传统裂缝检测技术难度大。铁路轨道板内脱空多发生于轨道板与支承层之间，属于隐伏缺陷，外观检查类方法难以检测，必须采用弹性波反射的方法进行检测。目前，多采用接触式加速度计进行脱空检测，并且多是单通道发射、单通道接收模式，存在分辨率差、效率低的问题，所以需要研发高效率、高精度的无损检测方法及装备。

技术实现思路

[0004]为克服相关技术中存在的问题，本专利技术公开实施例提供了一种铁路轨道板结构内部病害车载非接触阵列无损检测系统及方法，可以解决轨道板及下方砂浆病害的检测难题，同时提高检测效率。所述技术方案如下：
[0005]该铁路轨道板结构内部病害车载非接触阵列无损检测方法包括以下步骤：
[0006]步骤一、非接触声发射阵列检测系统布置；
[0007]将电动轨道小车搬运至铁路轨道之上，然后将供电电瓶、声发射多通道主机放置在电动轨道小车之上，并固定；利用供电电缆将供电电瓶与声发射多通道主机连接，然后利用激发源控制电缆、信号传输电缆将电磁冲击锤、声发射传感器阵列分别与声发射多通道主机进行连接；
[0008]步骤二、电磁冲击锤激发信号，声发射多通道主机进行数据采集；
[0009]由声发射多通道主机控制电磁冲击锤向下方的无砟轨道板进行一次锤击，电动轨道小车每次行进的过程中，电磁冲击锤将进行一次锤击，激发的弹性波信号沿无砟轨道板向前传播；声发射多通道主机开始接收声发射传感器阵列采集的弹性波信号；
[0010]步骤三、小车移动、信号再次激发、数据再采集；
[0011]在完成数据采集后，电动轨道小车持续向前移动，在上一次锤击后，声发射多通道主机实时接收测距编码器测距信息，当移动距离每次达到设定距离时，声发射多通道主机控制电磁冲击锤再次向下方的无砟轨道板进行锤击，声发射多通道主机再次接收声发射传
感器阵列采集的信号，每完成一次数据采集，数据文件继续保存于声发射多通道主机项目目录；
[0012]步骤四、数据合成；
[0013]对经过步骤二、步骤四中采集的数据文件进行合成，构建弹性波合成数据，数据中包含：激发点位置、接收点位置，采样间隔、采样点数、信号幅值；
[0014]步骤五、数据成像；
[0015]对合成后的数据进行成像，数据成像包含四部分内容：建立弹性纵波速度模型、重构弹性纵波信号序列、信号序列互相关叠加成像和信号序列振幅聚焦成像；
[0016]步骤六、缺陷差异分析；
[0017]在数据成像完成后，首先将时间成像剖面纵向时间与信号序列振幅聚焦成像中计算的ν做相乘，换算为深度；然后，将时间叠加成像剖面与振幅聚焦成像剖面进行叠加，形成最终成像剖面，横向为位置，纵向为深度；最后，依据步骤五中的成像结果，与无缺陷模型的成像剖面进行做差ε
‑
ε0，形成差异剖面，ε为信号振幅；
[0018]步骤七、成果输出；
[0019]依据步骤六种分析结果，绘制沿线路方向的铁路无砟轨道板检测断面，包含结构内部病害的位置、规模及定量评价结果。
[0020]在一个实施例中，在步骤二中，完成一次数据采集，数据以二进制文件形式保存于声发射多通道主机建立的项目目录，数据文件内包含文件头和采集信号，文件头存放工程名称、激发点位置(x
s
,y
s
)、接收点位置(x
r
,y
r
)，采样间隔Δt、采样点数N，信号序列ξ按采样点次序存放。
[0021]在一个实施例中，在步骤四中，数据合成的方法为：读取全部数据文件，文件头为总激发数、采样间隔Δt、采样点数N、每一次的激发点位置(x
s
,y
s
)和接收点位置(x
r
,y
r
)，信号序列ξ按激发次序、采样次序依次按行存放，合成后数据文件仍以二进制文件存放。
[0022]在一个实施例中，在步骤五中，建立弹性纵波速度模型包括：
[0023]根据结构尺寸和强度建立弹性纵波层状速度模型，铁路的结构从上至下依次为无砟轨道板、砂浆垫层、下伏混凝土基础；根据轨道结构建立二维空间模型，设定弹性纵波速度，完成了二维纵波速度模型的建立。
[0024]在一个实施例中，在步骤五中，重构弹性纵波信号序列包括：
[0025]基于无砟轨道板层状结构弹性纵波速度模型和观测位置，计算源点激发、接收点不同时刻的弹性波信号序列，为与观测数据进行相关成像做准备，由于计算依据反射原理，所以该序列主要反映层界面；重构弹性纵波信号序列步骤实施方式是加载步骤四采集的数据，获取激发点、接收点位置，基于无砟轨道板结构弹性纵波速度模型，通过求解弹性波位移方程和速度应力方程其中，u为位移场，v为介质中声波的传播速度，p为应力，v
x
和v
z
分别为质点在横纵两个方向上的弹性纵波速度，本模型采用各向同性，所以v
x
＝v
z
。
[0026]在一个实施例中，在步骤五中，信号序列互相关叠加成像包括：
[0027]在弹性纵波信号序列重构完成之后，开展信号序列互相关叠加成像，用于识别层界面的变化；
[0028]信号序列互相关叠加成像实施方式为对同时刻的重构纵波信号序列与步骤四采集的数据序列进行互相关计算，表达式：S(x,t)R(x,t)，S(x,t)和R(x,t)分别代表空间位置x、外推时刻为t的重构信号与实测信号，在对同时刻的重构信号与实测信号互相关运算之后，然后将所有时刻的值叠加成像，T为总时间长度，如果深部层界面不明显，可采用归一化计算公式进行叠加成像：或最终形成时间序列相关成像剖面，横向为位置，纵向为时间。
[0029]在一个实施例中，在步骤五中，信号序列振幅聚焦成像包括：
[0030]在对信号序列随时间变化相关叠加之后，开展随位置变化的信号序列振幅聚焦成像，振幅聚焦成像主要是通过多通道阵列识别内部缺陷点，用于识别目标体内部缺陷点；
[0031]首先进行走时的计算：其中，t
m
为无砟轨道板内目标点与观测点间的走时，r...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种铁路轨道板结构内部病害车载非接触阵列无损检测方法，其特征在于，所述铁路轨道板结构内部病害车载非接触阵列无损检测方法包括以下步骤：步骤一、非接触声发射阵列检测系统布置；将电动轨道小车(1)搬运至铁路轨道之上，然后将供电电瓶(3)、声发射多通道主机(2)放置在电动轨道小车(1)之上，并固定；利用供电电缆(6)将供电电瓶(3)与声发射多通道主机(2)连接，然后利用激发源控制电缆(7)、信号传输电缆(8)将电磁冲击锤(4)、声发射传感器阵列(5)分别与声发射多通道主机(2)进行连接；步骤二、电磁冲击锤(4)激发信号，声发射多通道主机(2)进行数据采集；由声发射多通道主机(2)控制电磁冲击锤(4)向下方的无砟轨道板(15)进行一次锤击，电动轨道小车(1)每次行进的过程种，电磁冲击锤(4)将进行一次锤击，激发的弹性波信号沿无砟轨道板(15)向前传播；声发射多通道主机(2)开始接收声发射传感器阵列(5)采集的信号；步骤三、小车移动、信号再次激发、数据再采集；在完成数据采集后，电动轨道小车(1)持续向前移动，在上一次锤击后，声发射多通道主机(2)实时接收测距编码器(16)测距信息，当移动距离每次达到设定距离时，声发射多通道主机(2)控制电磁冲击锤(4)再次向下方的无砟轨道板(15)进行锤击，声发射多通道主机(2)再次接收声发射传感器阵列(5)采集的信号，每完成一次数据采集，数据文件继续保存于声发射多通道主机(2)项目目录；步骤四、数据合成；对经过步骤二、步骤四中采集的数据文件进行合成，构建弹性波合成数据，数据中包含：激发点位置、接收点位置，采样间隔、采样点数、信号幅值；步骤五、数据成像；对合成后的数据进行成像，数据成像包含四部分内容：建立弹性纵波速度模型、重构弹性纵波信号序列、信号序列互相关叠加成像和信号序列振幅聚焦成像；步骤六、缺陷差异分析；在数据成像完成后，首先将时间成像剖面纵向时间与信号序列振幅聚焦成像中计算的ν做相乘，换算为深度；然后，将时间叠加成像剖面与振幅聚焦成像剖面进行叠加，形成最终成像剖面，横向为位置，纵向为深度；最后，依据步骤五中的成像结果，与无缺陷模型的成像剖面进行做差ε
‑
ε0，形成差异剖面，ε为信号振幅；步骤七、成果输出；依据步骤六种分析结果，绘制沿线路方向的铁路无砟轨道板(15)检测断面，包含结构内部病害的位置、规模及定量评价结果。2.根据权利要求1所述的铁路轨道板结构内部病害车载非接触阵列无损检测方法，其特征在于，在步骤二中，完成一次数据采集，数据以二进制文件形式保存于声发射多通道主机(2)建立的项目目录，数据文件内包含文件头和采集信号，文件头存放工程名称、激发点位置(x
s
,y
s
)、接收点位置(x
r
,y
r
)，采样间隔Δt、采样点数N，信号序列ξ按采样点次序存放。3.根据权利要求1所述的铁路轨道板结构内部病害车载非接触阵列无损检测方法，其特征在于，在步骤四中，数据合成的方法为：读取全部数据文件，文件头为总激发数、采样间隔Δt、采样点数N、每一次的激发点位置(x
s
,y
s
)和接收点位置(x
r
,y
r
)，信号序列ξ按激发次
序、采样次序依次按行存放，合成后数据文件仍以二进制文件存放。4.根据权利要求1所述的铁路轨道板结构内部病害车载非接触阵列无损检测方法，其特征在于，在步骤五中，建立弹性纵波速度模型包括：根据结构尺寸和强度建立弹性纵波层状速度模型，铁路的结构从上至下依次为无砟轨道板(15)、砂浆垫层、下伏混凝土基础；根据轨道结构建立二维空间模型，设定弹性纵波速度，完成了二维纵波速度模型的建立。5.根据权利要求1所述的铁路轨道板结构内部病害车载非接触阵列无损检测方法，其特征在于，在步骤五中，重构弹性纵波信号序列包括：基于无砟轨道板(15)层状结构弹性纵波速度模型和观测位置，计算源点激发、接收点不同时刻的弹性波信号序列，为与观测数据进行相关成像做准备，由于计算依据反射原理，所以该序列主要反映层界面；重构弹性纵波信号序列步骤实施方式是加载步骤四采集的数据，获取激发点、接收点位置，基于无砟轨道板(15)结构弹性纵波速度模型，通过求解弹性波位移方程和速度应力方程其中，u为位移场，v为介质中声波的传播速度，p为应力，v
x
和v
z
分别为质点在横纵两个方向上的弹性纵波速度，本模型采用各向同性，所以v
...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵广茂，王官超，陈承申，王少林，胡文林，齐春雨，周海滨，
申请(专利权)人：中国铁路设计集团有限公司，
类型：发明
国别省市：