圖 1 頻率為64 kHz下道岔尖軌的導波模態示意
分享：基于超聲導波的高速鐵路道岔尖軌軌底傷損檢測
道岔是指使列車由一條線路轉入或跨越另一條線路的連接及交叉設備，是鐵路軌道結構的重要組成。尖軌是道岔結構的重要部件，其構造復雜且狀態多變，容易產生裂紋、掉塊等不同程度的傷損，傷損嚴重時會導致尖軌斷裂，給鐵路運輸安全帶來極大威脅[1]。現有的尖軌軌底探傷采用手工檢查與目視檢測相結合的方式，效率低下，漏檢可能性大。因此，研究實現道岔尖軌軌底快捷有效探傷的方法，開發適用于現場使用的便攜設備，及早發現尖軌傷損部位，成為了鐵路無損檢測工作的新課題。
目前，超聲導波技術具有傳播距離遠、速度快，檢測效率高、范圍大[2-4]等特點，受到越來越多的國內外學者關注，并將其應用到基本軌的傷損監測、檢測中。盧超等[3]采用半解析有限元法求解了鋼軌中的頻散曲線，得到了適合鋼軌軌底檢測的垂直振動模態。胡辰陽等[4]研究了鋼軌中單一模態的激勵方法，并驗證了該激勵方法的缺陷檢測能力，但是由于道岔尖軌沿長度方向具有變截面的特性，無法求解其頻散曲線。陳嶸等[5]提出了考慮截面信息的三維頻散曲面，并找到了受截面變化影響較小的模態。為探究溫度對導波的影響規律，粟霞飛等[6]通過試驗，發現信號幅值與溫度呈近似線性關系。LEE等[7]利用壓電傳感器采集導波信號，分析了較大溫度范圍內蘭姆波的溫度效應，發現隨著溫度升高信號聲速和振幅均下降。
文章采用超聲導波技術開展尖軌傷損檢測研究，選取高速道岔尖軌中長度長、結構復雜的60-18號單開道岔直線尖軌為研究對象，通過模態分析求解受截面變化影響較小的模態振型，并仿真設置不同尺寸的傷損來驗證該模態的檢測能力。針對溫度對導波檢測的影響研究，文章擴大了溫度范圍，對-35 ℃~55 ℃內得到的實測信號進行分析，并擬合出線性關系式。最后，使用自主研發的手持式超聲導波探傷儀采集導波信號，采取補償算法對信號進行處理，驗證了溫度補償效果，提高了傷損定位精度。
1. 導波模態激勵分析
為明確超聲導波在道岔尖軌中的傳播特性，對道岔尖軌的頻散曲線和模態振型進行求解。宋文濤等[8]發現道岔尖軌截面的變化并未對模態振型能量分布產生明顯影響。文章使用COMSOL軟件的模式分析功能對道岔尖軌任意截面進行了參數化掃描，該截面距道岔尖軌尖端10 847 mm。在軟件中將材料設置為鋼，其密度為7 850 kg·m−3，彈性模量為210 GPa，泊松比為0.3。求解的頻率為64 kHz下道岔尖軌的模態如圖1所示。模態名稱按照波數由大到小命名，并標注其波數。模式分析后得出，垂直彎曲模態1（VB-M1）和垂直彎曲模態3（VB-M3）的模態振型能量集中于軌底，適合軌底無損檢測使用（圖1中灰色部位代表模態振型能量集中的部位）。
進一步求解上述截面在頻率為0~100 kHz時的頻率-波數曲線和相速度頻散曲線，其結果如圖2所示。
圖 2 頻率為0~100 kHz時的頻率-波數曲線和相速度頻散曲線
每條曲線代表不同頻率下的模態振型，從圖2中可以發現，隨頻率的增加，超聲導波的模態數量也呈現增加的趨勢。VB-M1、VB-M3模態在40~100 kHz頻率內相速度變化較為平緩。在該頻率段進行檢測時，導波的頻散特性對信號的影響較小，并標注了頻率64 kHz下VB-M1、VB-M3模態對應曲線中的位置。在常溫20 ℃環境下，VB-M1、VB-M3模態的相速度和群速度值如表1所示。由模態振型圖可以看出VB-M3模態檢測范圍優于VB-M1模態的范圍，故選擇VB-M3模態的范圍為激勵模態。
Table 1. VB-M1、VB-M3模態的相速度和群速度
| 頻率/kHz | 模態 | 波數/rad·m−1 | 相速度/m·s−1 | 群速度/m·s−1 |
|---|---|---|---|---|
| 64 | VB-M1 | 161.69 | 2 494.81 | 3 165.56 |
| 64 | VB-M3 | 149.18 | 2 703.91 | 3 011.12 |
2. 仿真模型建立
建立道岔尖軌三維模型，模擬導波在尖軌中的傳播，并設置傷損驗證模態對傷損的檢測能力。模型總長設置為3 m，在道岔尖軌模型靠近根端的軌底工作面上坡面通過設置點激勵信號的方式激勵導波，傷損位置距離激勵位置2 m，道岔尖軌仿真模型如圖3所示。激勵信號選用漢寧窗調制的64 kHz的5周期正弦波信號，可有效減少能量泄漏，導波激勵信號如圖4所示。激勵函數為
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式中：f為頻率；t為時間；π為波數。
圖 3 道岔尖軌仿真模型示意
圖 4 導波激勵信號示意
依據國家標準GB/T 31211.1—2024《無損檢測 超聲導波檢測 第1部分：總則》，設置了截面損失率分別為3，6，9%的三種不同傷損，傷損尺寸如表2所示。
Table 2. 尖軌軌底傷損設置參數
| 占比/% | 長/mm | 寬/mm | 深/mm | 體積/mm3 |
|---|---|---|---|---|
| 3 | 10.30 | 2.00 | 8.63 | 177.78 |
| 6 | 16.50 | 2.00 | 10.77 | 355.41 |
| 9 | 20.20 | 2.00 | 13.19 | 532.88 |
3. 仿真結果分析
以截面損失率9%的傷損為例，得到的不同時間下的波場如圖5所示。圖5中，在7.291 7×10−4 s前，導波在軌底以入射波的形式向遠端傳播。7.291 7×10−4 s后，導波傳播到傷損位置，部分能量以反射波的形式返回，其余能量以透射波的形式繼續向遠端傳播。可以看到，道岔尖軌復雜的截面形狀導致了部分能量散射到軌腰和軌頭位置，但大部分能量仍集中在軌底區域。
圖 5 9%傷損不同時間下的波場示意
提取導波時域信號進行分析，得到不同截面損失率的導波時域信號，結果如圖6所示。由圖6可以發現，隨著傷損截面損失率的增大，傷損回波的幅值也在相應增加；同時，傷損的存在使得導波傳播到傷損區域時損失了部分能量，端面回波幅值隨著傷損回波幅值的增加而下降。為對傷損進行定量分析，定義入射波強度（以幅值表示）為AL，反射波強度為AR，透射波強度為
| (2) |
圖 6 不同截面損失率傷損的時域信號曲線
透射系數表示為
| (3) |
由此可以得到反射系數、透射系數與傷損大小的關系，其結果如圖7所示。
圖 7 反射、透射系數與傷損大小的關系示意
4. 溫度影響試驗
4.1 試驗設備
試驗設備包括高低溫交變濕熱試驗箱、自研手持式超聲導波探傷儀、探頭和尖軌軌底試塊。壓電換能器楔塊角度設計為40°。探頭由兩個換能器和固定底座組成，固定底座為200 mm×50 mm×10 mm（長×寬×高）的長方體，探頭外形參數如圖8所示。探傷儀基于ARM（精簡指令集架構處理器）和FPGA結構（現場可編程門陣列），包含2路超聲波發射/接收模擬通道、1路溫度采集通道，可以通過USB和計算機系統無縫集成，輔以后臺輔助軟件分析檢測數據，其主要技術參數如表3所示。壓電換能器中心頻率64 kHz，直徑為45 mm，峰值電壓<1 500 VPP（峰峰值電壓）。
圖 8 探頭外形參數示意
Table 3. 探傷儀主要技術參數
| 項目 | 參數 | 項目 | 參數 |
|---|---|---|---|
| 工作模式 | 單晶模式、雙晶模式 | 檢波模式 | 全檢波、射頻（RF） |
| 阻抗匹配 | 50 Ω | 觸發模式 | 脈沖觸發 |
| 重復頻率 | 10~50 Hz（由檢測距離確認） | 脈沖發射電壓 | 500~1 500 V可調、1 V步進 |
| 檢測范圍 | 最大500 m（取決于重復頻率） | A/D頻率及精度 | 最大20 MHz、8位 |
| 工作頻率 | 30 kHz~500 kHz | 增益 | 總共60 dB（放大），0.1 dB步進 |
| 觸發同步信號 | 具有2路光纖同步輸出接口 | 溫度采集精度 | ±0.5 ℃ |
4.2 試驗平臺與試驗過程
搭建的高低溫試驗平臺實物如圖9所示。導波探頭布置于尖軌軌底工作邊的上坡面，其由兩個壓電換能器和一個軌溫傳感器組成，其中一個壓電換能器用于發射導波，放置于離尖軌尖端0.94 m處；另一個壓電換能器用于接收導波反射回波，放置于離尖軌尖端0.87 m處；軌溫傳感器帶有磁性，緊密吸合在尖軌表面。探傷儀可通過高頻電路產生64 kHz、5周期脈沖電信號，激勵壓電換能器產生超聲波，并通過斜入射楔塊耦合進入尖軌形成所選VB-M3模態導波；導波傳播到尖軌尖端后反射，被另一壓電換能器接收形成電信號，探傷儀以1.2 MHz的采樣頻率進行電信號采集。試塊為截取的一段長度為0.98 m的60-18號單開道岔直線尖軌。導波探頭與試塊置于高低溫交變濕熱試驗箱內，使用航空機油作為耦合劑，以確保溫度變化時具有良好的耦合效果。
圖 9 高低溫試驗平臺實物
4.3 試驗結果
采集到的-32.8 ℃、10.1 ℃和54.5 ℃導波回波信號如圖10所示，可見尖軌軌溫越高，峰值點越向右偏移，即導波群速度隨溫度升高而降低。對導波信號進行時頻分析，其結果如圖11所示，可以看出信號的主要能量集中在64 kHz，與目標激勵導波模態的頻率吻合。利用希爾波特變換，求取不同溫度下的信號包絡線并提取端面回波時間，得到多次重復試驗后超聲導波群速度V與溫度T的關系，如圖12所示，擬合關系式為
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圖 10 不同溫度下的導波信號
圖 11 信號時頻分析示意
圖 12 導波群速度與溫度擬合關系曲線
式（4）表明，軌溫每降低1 ℃，導波群速度V升高2.55 m·s−1。在常溫20 ℃時，通過溫度補償后的VB-M3模態導波實際群速度為3 051.5 m·s−1，與理論群速度誤差在1.32%左右。
5. 模擬現場試驗
以自由狀態下高速鐵路60-18號單開道岔直線尖軌為模擬現場試驗的檢測對象，檢測時尖軌軌溫為5 ℃。該尖軌在距尖端17 m位置加工有彈性可彎段區，為避開可彎段區對導波能量的損耗，試驗時導波探頭放置在距尖軌尖端13 m處。尖軌的轉轍機構部位容易出現疲勞傷損，因此在距離尖軌尖端4.5 m處，預制尺寸為21 mm×10 mm×15 mm（長×寬×深），約占尖軌軌底截面積9%的裂縫傷損。導波探頭與傷損的位置如圖13所示。
圖 13 導波探頭及傷損位置示意
預制傷損前后，探傷儀采集的導波回波信號如圖14所示，預制傷損與尖軌尖端回波時間分別為5 496.7 μs和8 138.3 μs。目標激勵導波模態VB-M3的理論群速度為3 011.12 m·s−1，若不考慮溫度影響，計算得到的傷損距探頭處距離分別為8.27 m和12.25 m；若考慮溫度影響，對回波信號按式（4）進行溫度補償算法處理，得到補償后的導波群速度為3 089.75 m·s−1，進而計算出傷損與尖端位置距探頭處距離分別為8.49 m和12.57 m，預制傷損的定位誤差由±230 mm縮小到±10 mm。此時的傷損定位誤差控制在較小范圍內，可方便探傷人員對傷損進行快速復核。
圖 14 預制傷損前后現場采集的導波信號
6. 結論
開展了超聲導波尖軌檢測的模態激勵分析、模型仿真計算、溫度影響研究以及模擬現場試驗，得到如下結論。
（1）選取道岔尖軌特定截面進行模態分析，求解得到VB-M3導波模態適合道岔尖軌軌底探傷檢測使用。
（2）建立尖軌有限元模型，通過仿真計算得到了尖軌傷損的反射系數、透射系數與傷損大小三者之間的關系，驗證了VB-M3導波模態的缺陷檢測能力，其可以實現傷損大小的定量檢測。
（3）通過高低溫試驗得到導波回波聲速的補償算法，當尖軌軌溫每降低1 ℃，VB-M3導波群速度升高約2.55 m·s−1。
（4）利用自研手持式超聲導波探傷儀開展模擬現場試驗，結果表明，在對導波回波信號進行補償算法處理后，傷損的定位誤差可控制在較小范圍。該探傷儀有望實現道岔尖軌傷損的快速篩查和準確定位。
文章來源——材料與測試網
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