钢轨是铁路轨道的重要部件,随着列车速度的提升和重载列车的开行,对轨道的破坏不断加剧,从而影响着行车安全。目前,铁路钢轨的检测采用以纵波和横波方法为主的钢轨探伤车技术,此技术只能对钢轨的轨头和轨腰及其伸展部位进行检测。由于钢轨的截面呈“工”字型,轨底两边区域则无法进行检测。钢轨轨底截面形状结构不规则,受力不均匀,一旦存在缺陷容易导致轨底断裂威胁到行车安全,有必要研究出针对钢轨轨底缺陷的无损检测新方法。近年来,超声导波检测技术在管道和板材的长距离检测上得到广泛应用,与常规超声波检测方法相比,新型的超声导波技术具有沿传播路径衰减小、传播距离远、检测速度快等优点。本文研究超声导波在钢轨轨底的传播特性及在轨底上的散射特性,为线路钢轨轨底的导波检测技术研究提供理论依据和方法基础。本文采用有限元软件建立钢轨三维数值模型并模拟超声导波在钢轨轨底传播,分析其导波传播模态特征及频散特性。通过与实验检测相对比,研究其在轨底中存在有缺陷时的传播特性和散射特性。通过轨底导波频散曲线中可以看出,钢轨轨底存在横向振动模态、垂直振动模态、纵向振动模态三种导波模态,其中横向振动模态和垂直振动模态虽然由众多分导波组合而成,但呈现出良好的传播特性,模态频散小,适用于轨底检测,而纵向振动模态频散特性大,不利于作为检测模式波。其次,通过应用有限元软件ABAQUS对钢轨进行模拟仿真和实验测试,分别研究分析了不同激励频率和不同脉冲周期数对轨底的横向振动模态和垂直振动模态导波传播的影响,通过分析反射回波波形的波包宽度和回波幅值,确定了合适的激励频率和脉冲周期数的选择依据。再其次,实验研究了轨底不同缺陷形状及不同深度对缺陷导波反射回波的影响,结果表明缺陷回波幅值受到缺陷倾角的影响,因此进一步对轨底不同角度斜裂纹进行导波检测的数值模拟,通过不同角度斜裂纹缺陷回波的反射和透射系数关系分析斜裂纹角度对斜裂纹缺陷反射回波幅值和透射波幅值的影响。为了验证有限元数值模拟的正确性,设计加工了一组试样对钢轨轨底不同角度斜裂纹进行了导波检测实验研究。实验结果表明轨底斜裂纹角度对斜裂纹缺陷反射回波幅值的影响与数值模拟结果符合,横向振动模态比垂直振动模态更适合。最后,通过导波检测实验分析了导波对轨底铝热焊缝中缺陷检测的可行性,对钢轨轨底铝热焊缝的导波检测实验结果表明,虽然轨底铝热焊缝的余高会反射回波,但当焊缝中存在缺陷时,其导波反射回波具有与余高不同的信号频谱特征,而且采用横向振动模态轨底导波比垂直振动模态导波更容易检测出焊缝中的缺陷,这些工作为实际铁路钢轨轨底铝热焊焊缝的导波检测技术研究提供了有意义的参考。