基于超声波的轮轨接触斑及应力检测系统研究

针对目前轮轨接触斑及接触应力分布难以有效检测的问题，基于接触面的准静态弹簧模型与超声波反射法，设计一种适用于静态轮轨接触状态检测的系统。系统采用水浸式点聚焦超声探头进行检测，主要由机械结构部分、超声波激励采集系统和接触斑及应力分析显示系统组成。机械结构部分包括轮轨加载机构和两轴扫描机构，分别实现对轮轨的固定与加载，以及夹持超声探头进行平面扫描运动；超声波激励采集系统实现对扫描机构的运动控制以及超声波信号的激励、采集和传输，并与接触斑及应力分析显示系统通过以太网通信，实现命令接收与超声波数据的上传；接触斑及应力分析显示系统实现超声数据的接收与处理，并实时显示和存储检测结果。利用所搭建的检测系统首先进行标定实验，建立超声声压反射系数与接触应力之间的关系，然后进行轮轨接触斑与应力分布检测实验，获得了20～70 kN载荷下车轮试件与钢轨的接触斑及应力分布云图，最后采用3次样条插值处理优化了检测效果。实验结果表明：所提出的检测方法与系统能够有效检测静态轮轨接触斑几何形状与接触应力的分布情况，反映真实的轮轨接触状态。对于轮轨的优化设计、寿命预测和轨道维护等研究都具有重要作用和意义。