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.北京工業大學，北京 100124；3.北京格創精儀科技有限公司，北京 102629)

0 引言

高鐵是世界許多國家快速發展的重要基礎設施，高鐵系統中存在著數以萬計的尖軌結構[1]。尖軌又分為基本軌和道岔尖軌，道岔尖軌結構是高速鐵路系統中最薄弱的部分，直接影響列車的安全穩定[2]，常規無損評價(Non-Destructive Evaluation)方法，難以適用于尖軌軌底區域。此外，可供尖軌現場檢查的時間很少。導波技術是近年來尖軌結構健康監測的一個發展方向，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測中的影響因素并開發了多通道超聲導波尖軌軌底檢測系統。

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，類似于板結構中的SH波[8]。SH波的模態比較簡單，且零階模態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，鋼板等波導介質中傳播時，將會在波導界面發生來回多次的反射，從而產生較為復雜的波形轉換以及波形耦合。這種經介質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]。水平剪切模態導波中的SH0模態速度不隨頻率變化而變化，具有非頻散的特性。而且模態數量也不隨頻率變化而變化，非常適用于波導結構的缺陷檢測。

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偏置磁化，檢測線圈中通入高頻交變或寬帶脈沖電流以提供與靜態磁場Hd方向相垂直的動態磁場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果，對尖軌根端進行仿真。主要通過數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，導致在短時間內出現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論，低頻導波大部分能量在軌底傳播，而高頻則相反。這個現象的出現可為后續的軌道缺陷監測提供一個參考，目前認為這個現象的出現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。為了保證計算結果的精確性，缺陷處采用以六面體為主的網格劃分模式。超聲導波在有缺陷尖軌中的仿真結果，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如下，激勵頻段為20～150 kHz，波速為3 000 m·s-1，周波數(猝發激勵時激勵波形的重復次數)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，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構及傳感器的位置信息，相比3.2節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構，與仿真模型一致。有缺陷的尖軌結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，左側有3個大型的螺栓機構。

圖11 有缺陷尖軌結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。導波經過缺陷開口和螺栓機構的反射后，會在尖軌中發生多次反射。

圖12 尖軌缺陷檢測結果Fig.12 Detection results of switch rail defects

4 結論

通過本文的研究，得出了以下結論：

(1)所研發的磁致伸縮導波檢測系統在尖軌上的檢測是可行有效的。使用該檢測系統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構，導波在這些結構處的反射特性也不一樣。在尖軌中，距離傳感器4 m以內的附屬件能被檢測，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，說明該檢測系統具有實現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，多頻導波結合能更加準確實現對尖軌的檢(監)測。