[01272301]电化铁路承力索结构多维损伤穿透式导波反演成像监测理论与方法研究

课题来源与背景：课题属于广州市科技计划项目。承力索作为电化铁路接触网主要承载部件，若出现损伤则容易引发接触网停电故障，损伤严重（或断裂）时甚至会造成承力索缠绕受电弓而引发大面积塌网危险。我国长度达上千公里的电化铁路线路（如武广线），包含承力索结点就可达数十万个以上，一方面由于结点结构在服役期间大部分不可拆卸使得包围着承力索区域成为目前检测盲区；另一方面，结点在同一承力索（不同金属材料组成）不同表面位置上施加挤压力大小不同以及振动和噪声等环境影响，给损伤检测信号带来复杂干扰因素，现有检测方法受到了极大挑战。

研究目的与意义：面对大范围电化铁路承力索结点结构损伤监测出现的新型测量问题，研究承力索结点结构多维损伤成像监测理论与方法具有重要科学意义和实际价值。

主要论点与论据：传统承力索结构损伤检测主要采用人工目视挂纱法，但这种方法效率较低，已经不能满足电化铁路高速发展下承力索结构损伤检测需求。承力索属于金属绞线结构，要求在不破坏绞线结构情况下，应用一定物理检测方法对承力索结构机械性质、内部结构、工作状态进行检测，并依据检测结果做出评估。

目前按是否采用应力波进行损伤检测，分为非应力波损伤检测方法和应力波损伤检测方法两大类。

非应力波检测方法主要有光学法、电流法、电磁法、X射线法和电涡流法等，能够对承力索裸露部分进行缺陷检测，尤其是电磁法，已为降低绞线损伤事故做出很大贡献，然而电化铁路承力索结点结构大大降低了非应力波损伤检测需采用与绞线间相对运动方式来实现检测，被结点结构覆盖区域成为检测盲区，研究应用受到很大限制。

应力波检测方法主要有声发射法、超声波反射法、穿透式导波法。穿透式导波法主要采用压电换能器在材料表面激发应力波，该应力波在内部与材料的微结构（材料基体和损伤区域）相互作用后继续传播，到达置于大型结构另一端的一个或多个接收透射波信号换能器。该法由于激励信号可设可控、传播距离远、接收信号覆盖面广等，在结构健康监测领域越来越受重视，特别适用于杆、管等长状类特殊结构缺陷检测。

创见与创新：项目研究承力索结构损伤穿透式导波成像监测理论与新方法，解决目前承力索结点结构损伤检测盲区瓶颈问题，有助于加强监管部门检测手段，对保证生命和财产安全具有重要实际意义。

本项目的创新性与特色主要体现在如下几个方面：

1. 提出基于 PZT 多点对多点穿透式应力导波监测新方式，有效补充现有检测方法难以在大范围承力索结点结构实施损伤检测的不足。

2. 提出承力索结点结构多维损伤协同反演成像监测新模型，确定应力导波检测频率和模态，克服应力波传输过程中的频散、多模态及多途径延迟影响。

3. 研制面向承力索绞线结构专用新型装卸式针状柔性压电传感探头，解决传统粘贴 PZT 片法低效、易对绞线结构产生负载问题。

4. 使用非线性声波混频同侧激励方式，接收穿透缺陷的混频信号判定其位置，改善传统方法利用缺陷回波信号太弱难以实现多维损伤准确定位问题。

5. 提出基于导波反演时域聚焦成像方法，解决传统空间聚焦方法受限于接收单元个数和传播路径损耗等方面影响，克服传统方法只容易发现散射信号较大的目标，而散射信号较小的目标往往被忽略掉的问题，适应压力不均匀结点结构、承力索振动和环境噪声等客观环境下不同损伤类型成像。

⑤社会经济效益，存在的问题;1.项目的应用可使电化铁路承力索结构损伤检测更加便捷化、减少人力投入及提高检测效率;2.项目成果实现电化铁路承力索结点结构损伤直观成像，可促进相关产业发展;3.项目已申请发明专利3项，授权发明专利4项;申请实用新型专利1项，授权实用新型专利2项;授权软件版权1项，拥有自主知识产权技术

⑥历年获奖情况：“一种面向绞线结构损伤监测超声导波传感器与系统”，中国（国际）传感器创新创业大赛全国二等奖， 2018 （洪晓斌，周建熹，周孜毅等）。