基于磁致伸縮導波的尖軌缺陷檢測技術研究

陳 阮，栗霞飛，劉 堯，李佳明

(1.廣東省特種設備檢測研究院茂名檢測院，廣東茂名 525000；2.北京工業(yè)大學，北京 100124；3.北京格創(chuàng)精儀科技有限公司，北京 102629)

0 引言

高鐵是世界許多國家快速發(fā)展的重要基礎設施，高鐵系統(tǒng)中存在著數(shù)以萬計的尖軌結(jié)構[1]。尖軌又分為基本軌和道岔尖軌，道岔尖軌結(jié)構是高速鐵路系統(tǒng)中最薄弱的部分，直接影響列車的安全穩(wěn)定[2]，常規(guī)無損評價(Non-Destructive Evaluation)方法，難以適用于尖軌軌底區(qū)域。此外，可供尖軌現(xiàn)場檢查的時間很少。導波技術是近年來尖軌結(jié)構健康監(jiān)測的一個發(fā)展方向，由于導波可以在較長的距離上傳播，對缺陷比較敏感，使得可以從單個測試點對尖軌完整性進行遠程評估[3]。

Rose等[4]利用實驗與仿真的方法驗證了導波檢測技術在尖軌檢測中的可行性。Zumpano等[5]采用商用的ABAQUS仿真軟件研究了導波在尖軌中的傳播特性。LOVEDAY等[6]、盧超等[7]利用半解析有限元方法對尖軌軌底的導波檢測進行了研究，并對尖軌軌底導波的模態(tài)進行了識別分析。楊臻垚[8]、胡劍虹[9]等利用磁致伸縮效應在尖軌軌底激勵超聲導波，研究了超聲導波軌底監(jiān)測中的影響因素并開發(fā)了多通道超聲導波尖軌軌底檢測系統(tǒng)。

考慮尖軌的實際工作情況以及測量方法，將傳感器垂直于尖軌軸線位置放置，一方面可避開軌頭與車輪輪緣接觸位置，另一方面可使傳感器激勵的導波沿尖軌縱向傳播。因此，傳感器激勵出來的導波位移與其傳播方向垂直，類似于板結(jié)構中的SH波[8]。SH波的模態(tài)比較簡單，且零階模態(tài)SH0是非頻散的，更利于進行信號處理和缺陷識別。因此本文開展基于SH波的尖軌中導波傳播特性能力研究。

1 磁致伸縮檢測原理

1.1 超聲導波檢測原理

通常將頻率大于20 kHz的聲波稱為超聲波，當超聲波在諸如管道，鋼板等波導介質(zhì)中傳播時，將會在波導界面發(fā)生來回多次的反射，從而產(chǎn)生較為復雜的波形轉(zhuǎn)換以及波形耦合。這種經(jīng)介質(zhì)邊界傳播的超聲波稱為超聲導波[10]。

超聲導波在板中傳播時，板中主要的超聲導波包括蘭姆(Lamb)波和水平剪切(SH)波。Lamb波傳播過程中會發(fā)生頻散，導致缺陷回波在時域上變寬，對缺陷的定位精度下降[10]。水平剪切模態(tài)導波中的SH0模態(tài)速度不隨頻率變化而變化，具有非頻散的特性。而且模態(tài)數(shù)量也不隨頻率變化而變化，非常適用于波導結(jié)構的缺陷檢測。

1.2 磁致伸縮導波檢測原理

如圖1所示為磁致伸縮傳感器工作原理圖。一般采用永磁磁路對磁致伸縮帶材進行單向靜態(tài)偏置磁化，檢測線圈中通入高頻交變或?qū)拵}沖電流以提供與靜態(tài)磁場Hd方向相垂直的動態(tài)磁場Hs[10]。由維德曼效應可知，磁致伸縮帶材在正交的動、靜磁場作用下將產(chǎn)生高頻剪切形變，通過橫波耦合劑等耦合至待測鋼板中，沿鋼板傳播過程中將形成SH模態(tài)導波[10]。

圖1 磁致伸縮傳感器工作原理Fig.1 Working principle of magnetostrictive sensor

2 導波傳播特性有限元仿真研究

針對本次檢測實驗，為了能夠更好地預測實驗結(jié)果，對尖軌根端進行仿真。主要通過數(shù)值模擬研究不同頻率的導波在尖軌根端的軌頭、軌腰、軌底等三個位置的傳播特性。如圖2所示為尖軌根端模型示意圖。該模型的彈性模量為206 GPa，密度為7 890 g·cm-3，泊松比為0.3，激勵方式采用底部線激勵，激勵信號為漢寧窗調(diào)制的5周期正弦信號。

圖2 仿真模型Fig.2 Simulation model

2.1 尖軌根端無缺陷模擬

激勵頻率范圍為20～150 kHz，為了能夠更好地對比頻率對導波的影響，這里只展示了頻率為32、45、64、90 kHz的仿真結(jié)果，如圖3所示。從圖3(a)中可以看到，低頻超聲導波大部分能量集中在軌底；隨著頻率的提高，超聲導波能量逐漸向軌腰和軌頭擴散，留在軌底區(qū)域的超聲導波能量減少。

從時域圖3(b)也可以看出，由于高頻導波能量逐漸向軌腰和軌頭擴散，導致在短時間內(nèi)出現(xiàn)了來自軌腰和軌頭的端面回波。低頻導波大部分能量只在軌底傳播，所以沒有很明顯的軌腰和軌頭的端面回波。

將得到的仿真信號進行短時傅里葉變換得到圖3(c)。從圖3(c)可以直觀地看出，頻率為32 kHz、45 kHz時沒有來自尖軌軌頭和軌腰的反射，隨著頻率的增大(64、90 kHz)，來自尖軌軌頭和軌腰的反射越來越明顯了。

通過仿真分析可以得到一個結(jié)論，低頻導波大部分能量在軌底傳播，而高頻則相反。這個現(xiàn)象的出現(xiàn)可為后續(xù)的軌道缺陷監(jiān)測提供一個參考，目前認為這個現(xiàn)象的出現(xiàn)是由于導波的波長不同導致的。

2.2 尖軌根端有缺陷模擬

在上述模型的基礎上，利用有限元仿真軟件ABAQUS人為設置了缺陷，缺陷的尺寸為73.8 mm×5 mm×89 mm,如圖4所示。為了保證計算結(jié)果的精確性，缺陷處采用以六面體為主的網(wǎng)格劃分模式。超聲導波在有缺陷尖軌中的仿真結(jié)果，如圖5所示。從圖5可以看出低頻導波依舊能檢測到缺陷的存在，說明低頻導波能量不完全在軌底傳播，有很少一部分會傳播到軌頭和軌腰上。

圖4 缺陷模型Fig.4 Defect model

圖5 超聲導波在有缺陷尖軌中傳播的仿真結(jié)果Fig.5 Simulation results of ultrasonic guided wave propagation in the defective switch rail at different frequencies

對圖5中頻率為32、90 kHz的信號進行短時傅里葉時頻域分析，如圖6所示。從圖6可以清晰地看到，隨著頻率的增大，缺陷回波的幅值逐漸變小。通過仿真結(jié)果可以進一步證實，低頻導波大部分能量在軌底傳播，高頻導波大部分能量在軌頭和軌腰傳播。

圖6 缺陷分析結(jié)果Fig.6 Results of defect analysis

3 實驗研究

3.1 導波在尖軌中的傳播

針對實際場地中的多種尖軌，選擇1條尖軌作為檢測對象。磁致伸縮導波檢測儀器的設置參數(shù)如下，激勵頻段為20～150 kHz，波速為3 000 m·s-1，周波數(shù)(猝發(fā)激勵時激勵波形的重復次數(shù))為2，重復頻率為2 Hz，采樣頻率為10 MHz，平均10次。

對緊挨基本軌的尖軌進行導波檢測實驗，在2個不同的位置安裝磁致伸縮傳感器分別進行導波自激自收實驗，2個傳感器分別記作“B1、B2”傳感器。圖7為尖軌上的結(jié)構以及2個傳感器安裝的位置信息，同樣給出了激勵導波的傳播路徑。

圖7 尖軌結(jié)構及傳感器安裝位置Fig.7 Structure of switch rail and installation positions of sensors

如圖8所示為距離尖軌端面2.25 m的“B1”傳感器在90 kHz頻率下采集的信號。圖8中觀察到尖軌的端面反射信號明顯，該結(jié)果說明磁致伸縮導波同樣能應用到尖軌的檢測。

圖8 B1傳感器自激自收90 kHz信號的包絡曲線Fig.8 Self-excited and self-received envelope curve of B1sensor at 90 kHz

同樣，增加傳感器與尖軌端面的距離進行實驗，設置激勵頻率為70 kHz，得到如圖9所示B2傳感器采集得到的包絡曲線。由圖9可知，尖軌的端面反射信號同樣也能采集到，且低頻導波在附屬物處的反射較大。因此，所激勵的磁致伸縮超聲導波在尖軌中同樣能傳遞12 m的有效檢測距離，且超聲導波在尖軌和基本軌中的傳播特性基本一致。

圖9 B2傳感器自激自收70 kHz信號的包絡曲線Fig.9 Self-excited and self-received envelope curve of B2sensor at 70 kHz

3.2 導波對尖軌上附屬件的檢測

利用同樣的方法，對尖軌上的附屬件進行檢測實驗。選取B1傳感器以自激自收方式采集得到的檢測結(jié)果，如圖10所示，其中激勵頻率為30 kHz。

從圖10可以觀測到，導波依舊可以檢測到分布在尖軌上附屬件，實現(xiàn)了2組扣件、1個連接板和2個螺栓機構的檢測。相比基本軌而言，尖軌的軌頭形狀相對特殊，在距離傳感器4 m的有效距離以內(nèi)，只能檢測到2組扣件，其他附屬件都能被檢測到。

圖10 B1傳感器對附屬件的檢測結(jié)果Fig.10 Results of accessories detection by B1sensor

3.3 導波對尖軌中缺陷的檢測

為了驗證磁致伸縮導波對尖軌中缺陷開口的檢測能力，選擇一條有開口缺陷的尖軌進行實驗，記為空尖軌。圖11給出了該尖軌中各種結(jié)構及傳感器的位置信息，相比3.2節(jié)中實驗中的待測尖軌，該尖軌沒有扣件、連接板和連接件等結(jié)構，與仿真模型一致。有缺陷的尖軌結(jié)構及傳感器安裝位置如圖11所示。缺口位于距尖軌的根端3.4 m處，傳感器距離缺陷開口2.6 m，左側(cè)有3個大型的螺栓機構。

圖11 有缺陷尖軌結(jié)構及傳感器安裝位置Fig.11 Structure of defective switch rail and installation positions of sensors

圖12為激勵頻率為30 kHz時，尖軌缺陷檢測的結(jié)果，能明顯分辨出3號螺栓機構和尖軌右端面處的反射波包信號。尖軌上的缺陷開口對應的波包同樣有較大的幅值。導波經(jīng)過缺陷開口和螺栓機構的反射后，會在尖軌中發(fā)生多次反射。

圖12 尖軌缺陷檢測結(jié)果Fig.12 Detection results of switch rail defects

4 結(jié)論

通過本文的研究，得出了以下結(jié)論：

(1)所研發(fā)的磁致伸縮導波檢測系統(tǒng)在尖軌上的檢測是可行有效的。使用該檢測系統(tǒng)在尖軌底面激勵的水平剪切導波在尖軌上可傳播的有效距離至少為12 m，在空尖軌中至少能傳播16 m。

(2)針對尖軌中的附屬件結(jié)構，導波在這些結(jié)構處的反射特性也不一樣。在尖軌中，距離傳感器4 m以內(nèi)的附屬件能被檢測，但只能檢測出2組扣件。

(3)在空尖軌(無扣件結(jié)構的尖軌)上，成功地檢測到了距離傳感器2.6 m的缺陷開口以及距離傳感器6 m右端面的波包，且缺陷幅值較大，說明該檢測系統(tǒng)具有實現(xiàn)更小缺陷檢測的能力。

(4)低頻導波主要沿軌底傳播，高頻導波主要沿軌腰和軌頭傳播，多頻導波結(jié)合能更加準確實現(xiàn)對尖軌的檢(監(jiān))測。