用于钢轨系统螺栓松动的超声非线性边带检测方法技术方案

本发明专利技术提供一种用于钢轨系统螺栓松动的超声非线性边带检测方法，其包括以下步骤：S1、确定钢轨螺栓接头松动指数；S2、计算钢轨接头螺栓松动指数BI

【技术实现步骤摘要】
用于钢轨系统螺栓松动的超声非线性边带检测方法


[0001]本专利技术涉及超声波检测领域，具体地涉及一种用于钢轨系统螺栓松动的超声非线性边带检测方法。

技术介绍

[0002]钢轨是铁路运输系统的重要组成部分，其安全性对于保障铁路安全运营具有重要意义。钢轨系统中一般有两类螺栓：一是用在两段钢轨的连接处，通过夹板将两根钢轨连接起来；二是用在钢轨轨底，通过扣件将钢轨固定的枕木上。目前，螺栓松动仍依赖于人工检查，工作量大，检测维修的及时性和可靠性低。而无论是作为钢轨连接使用，还是扣件禁锢使用，螺栓松动对严重的危害着钢轨的运营安全，严重时会造成脱轨事故。因此，发展一套便捷、有效的钢轨螺栓松动的检测方法，对于提升我国铁路的管理水平具有重要意义。
[0003]现有的检测方法均较为复杂，并且忽略检测信号的非线性部分，导致检测结果判断不准确，不能很好的评判钢轨螺栓是否松动。因此，急需研究一种针对钢轨接头进行方便快速检测并且能保证检测结果准确度的方法。

技术实现思路

[0004]为了解决上述现有技术的不足，本专利技术的目的在于提供一种用于钢轨系统螺栓松动的超声非线性边带检测方法，该方法在螺孔正上方的钢轨踏面上激励高频探测波和低频的泵浦波，通过对接收到的响应信号进行傅里叶变换，得到响应信号的低频组分、高频组分及其边带，通过定义与边带幅值相关的非线性损伤指标螺栓松动指数，结合线性的高频和低频的幅值能量来检测钢轨接头螺栓松动所处的阶段，获取以预紧扭矩表征的螺栓松动程度与螺栓松动指数之间的关联模型，通过输入螺栓松动程度得出螺栓松动指数，并对螺栓松动指数进行评价，完成钢轨接头螺栓松动检测方法。
[0005]具体地，本专利技术提供一种用于钢轨系统螺栓松动的超声非线性边带检测方法，其包括以下步骤：
[0006]S1、确定钢轨螺栓接头松动指数，其包括以下子步骤：
[0007]S11、安装钢轨接头螺栓松动检测装置，向钢轨试样分别激励低频泵浦波信号和高频探测信号，并接收反射波，获取测量数据信号；
[0008]S12、通过扭矩扳手施加不同工况下的扭矩，对不同工况的钢轨螺栓进行测试，采集并记录每种工况下的多组测量数据信号；
[0009]S13、对各组数据信号进行傅里叶变换，分析数据信号的高频响应信号、低频响应信号及高频响应信号调制边带，得到线性指标高频波频幅HF、线性指标低频波频幅LF、非线性指标二次谐波频幅SOH以及非线性指标三次谐波频幅TOH；
[0010]S14、定义螺栓松动指数BI
SD
，根据高频响应信号和低频响应信号的信号特征，对线性指标和非线性指标进行分析，以高频响应信号的调制边带的调制强度定义钢轨接头螺栓松动指数BI
SD
；
[0011]S2、计算钢轨接头的螺栓松动指数BI
SD
，钢轨接头螺栓松动指数具体表达式如下式(1)所示：
[0012][0013]其中，BI
SD
指钢轨接头螺栓松动指数；A指高频信号，L指左边带，R指右边带，1指调制1阶调制边带，2指调制2阶调制边带，n指调制n阶调制边带信号，HF指高频响应信号；
[0014]S3、建立螺栓松动指数与螺栓松动程度之间的关联模型并确定指标阈值，其具体包括以下子步骤：
[0015]S31、以螺栓松动程度为x轴，非线性指标TOH三次谐波的幅值为y轴，建立非线性指标TOH与螺栓松动程度的关联公式如下式(2)所示：
[0016]y0＝|
‑
164.96+0.07006x|；
ꢀꢀꢀꢀꢀ
0＜x＜220 (2)
[0017]式中，y0为三次谐波的幅值；x为螺栓松动程度，以预紧扭矩表征；
[0018]S32、对钢轨接头螺栓松动指数进行分析，钢轨接头螺栓松动指数变化包括三个阶段，三个阶段分别为第一阶段、第二阶段和第三阶段，第一阶段的预紧扭矩为0
‑
100N
·
m，第二阶段的预紧扭矩为100
‑
140N
·
m，第三阶段的预紧扭矩为140
‑
220N
·
m；
[0019]S33、以螺栓松动程度为x轴，螺栓松动指数为y轴，分别对三阶段的数据进行多项式拟合得到螺栓松动指数与螺栓松动程度之间的关联模型如下式(3)所示：
[0020][0021]式中，y为螺栓松动指数，x为螺栓松动程度，1指第一阶段，2指第二阶段，3指第三阶段；定义x＝140N.m为螺栓松动的阈值，即当求得螺栓扭矩小于140N.m时，则判断螺栓出现松动；
[0022]S4、对待测钢轨进行超声波检测并根据步骤S3得到的螺栓松动指数与螺栓松动程度之间的关联模型对钢轨系统螺栓松动状态进行检测，具体包括以下子步骤：
[0023]S41、利用钢轨接头螺栓松动检测装置对待测钢轨进行超声非线性边带检测，并根据公式(1)计算钢轨接头螺栓松动指数；
[0024]S42、将三次谐波幅值代入公式(2)求解螺栓扭矩，通过求解的扭矩对比螺栓松动指数拟合曲线，确定螺栓扭矩范围，并在公式(3)中选择具体拟合函数；
[0025]S43、基于步骤S41求得的螺栓松动指数，根据步骤S33中确定的公式(3)中的其中一个具体拟合函数，求解螺栓扭矩x，如果结果与S42中结果一致，则接受该计算结果；如果不一致，则需重新选择公式(3)中的其它拟合函数进行求解，直到螺栓扭矩结果与S42中的结果一致；
[0026]S44、根据上述步骤得到的螺栓扭矩数值，即能够判断此时螺栓松动指数所处阶段，若螺栓扭矩小于螺栓松动的阈值即螺栓松动指数对应的螺栓扭矩处于第一阶段或第二阶段，则判断螺栓出现松动。
[0027]优选地，利用步骤S41计算得到螺栓松动指数BI
SD
，然后将其作为y代入到由步骤S33中确定的公式(3)中的具体拟合函数中，并利用步骤S42得到的计算结果进行验证，如步
骤S43中三个拟合函数求解得到的预紧扭矩与步骤S42中求解的预紧扭矩数值偏差均不一致，则需要重新识别。
[0028]优选地，步骤S11中所述的低频泵浦波激励信号为24KHz正弦信号，高频探测信号为300KHz。
[0029]优选地，钢轨分为I区域、II区域和III区域，钢轨试样包括顶部的I区域、中间的II区域以及底部的Ⅲ区域，步骤S11中所述的激励信号高频探测波在I区域的螺孔正上方钢轨踏面激励；低频泵浦波激励信号在II区域的螺孔正上方钢轨踏面激励；信号接收在高频探测波激励点左8mm处。
[0030]优选地，所述试验装置包括双通道任意信号发生器、双通道高电压放大器、示波器、钢轨试样、轨道夹板、激发传感器、接收传感器和PC机，所述钢轨试样设置在轨道夹板上，所述双通道任意信号发生器的输出端连接双通道高电压放大器，所述双通道高电压放大器向钢轨试样上的激发传感器分别激励低频泵浦波信号和高频探测信号，所述接收传感器接收反射波后输出至示波器，示波器的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于钢轨系统螺栓松动的超声非线性边带检测方法，其特征在于：其包括以下步骤：S1、确定钢轨螺栓接头松动指数，其包括以下子步骤：S11、安装钢轨接头螺栓松动检测装置，向钢轨试样分别激励低频泵浦波信号和高频探测信号，并接收反射波，获取测量数据信号；S12、通过扭矩扳手施加不同工况下的扭矩，对不同工况的钢轨螺栓进行测试，采集并记录每种工况下的多组测量数据信号；S13、对各组数据信号进行傅里叶变换，分析数据信号的高频响应信号、低频响应信号及高频响应信号调制边带，得到线性指标高频波频幅HF、线性指标低频波频幅LF、非线性指标二次谐波频幅SOH以及非线性指标三次谐波频幅TOH；S14、定义螺栓松动指数BI
SD
，根据高频响应信号和低频响应信号的信号特征，对线性指标和非线性指标进行分析，以高频响应信号的调制边带的调制强度定义钢轨接头螺栓松动指数BI
SD
；S2、计算钢轨接头的螺栓松动指数BI
SD
，钢轨接头螺栓松动指数具体表达式如下式(1)所示：其中，BI
SD
指钢轨接头螺栓松动指数；A指高频信号，L指左边带，R指右边带，1指调制1阶调制边带，2指调制2阶调制边带，n指调制n阶调制边带信号，HF指高频响应信号；S3、建立螺栓松动指数与螺栓松动程度之间的关联模型并确定指标阈值，其具体包括以下子步骤：S31、以螺栓松动程度为x轴，非线性指标TOH三次谐波的幅值为y轴，建立非线性指标TOH与螺栓松动程度的关联公式如下式(2)所示：y0＝|
‑
164.96+0.07006x|；
ꢀꢀꢀꢀꢀ
0＜x＜220 (2)式中，y0为三次谐波的幅值；x为螺栓松动程度，以预紧扭矩表征；S32、对钢轨接头螺栓松动指数进行分析，钢轨接头螺栓松动指数变化包括三个阶段，三个阶段分别为第一阶段、第二阶段和第三阶段，第一阶段的预紧扭矩为0
‑
100N
·
m，第二阶段的预紧扭矩为100
‑
140N
·
m，第三阶段的预紧扭矩为140
‑
220N
·
m；S33、以螺栓松动程度为x轴，螺栓松动指数为y轴，分别对三阶段的数据进行多项式拟合得到螺栓松动指数与螺栓松动程度之间的关联模型如下式(3)所示：式中，y为螺栓松动指数，x为螺栓松动程度，1指第一阶段，2指第二阶段，3指第三阶段；定义x＝140N.m为螺栓松动的阈值，即当求得螺栓扭矩小于140N.m时，则判断螺栓出现松动；S4、对待测钢轨进行超声波检测并根据步骤S3得到的螺栓松动指数与螺栓松动程度之间的关联模型对钢轨系统螺栓松动状态进行检测，具体包括以下子步骤：
S41、利用钢轨接头螺栓松动检测装置对待测钢轨进行超声非线性边带检测，并根据公式(1)计算钢轨接头螺栓松动指数；S42、将三次谐波幅值代入公式(2)求解螺栓扭矩，通过求解的扭矩对比螺栓松动指数拟合曲线，确定螺栓扭矩范围，并在公式(3)中选择具体拟合函数；S43、基于步骤S41求得的螺栓松动指数，根据步骤S33中确定的公式(3)中的其中一个具体拟合函数，求解螺栓扭矩x，如果结果与S42中结果一致，则接受该计算结果；如果不一致，则需重新选择公式(3)中的其它拟合函数进行求解，直...

【专利技术属性】
技术研发人员：张伟伟，林荣，赵兵强，武静，马宏伟，
申请(专利权)人：东莞理工学院，
类型：发明
国别省市：