分享：基于超声导波的高速铁路道岔尖轨轨底伤损检测

道岔是指使列车由一条线路转入或跨越另一条线路的连接及交叉设备，是铁路轨道结构的重要组成。尖轨是道岔结构的重要部件，其构造复杂且状态多变，容易产生裂纹、掉块等不同程度的伤损，伤损严重时会导致尖轨断裂，给铁路运输安全带来极大威胁[1]。现有的尖轨轨底探伤采用手工检查与目视检测相结合的方式，效率低下，漏检可能性大。因此，研究实现道岔尖轨轨底快捷有效探伤的方法，开发适用于现场使用的便携设备，及早发现尖轨伤损部位，成为了铁路无损检测工作的新课题。 

目前，超声导波技术具有传播距离远、速度快，检测效率高、范围大[2-4]等特点，受到越来越多的国内外学者关注，并将其应用到基本轨的伤损监测、检测中。卢超等[3]采用半解析有限元法求解了钢轨中的频散曲线，得到了适合钢轨轨底检测的垂直振动模态。胡辰阳等[4]研究了钢轨中单一模态的激励方法，并验证了该激励方法的缺陷检测能力，但是由于道岔尖轨沿长度方向具有变截面的特性，无法求解其频散曲线。陈嵘等[5]提出了考虑截面信息的三维频散曲面，并找到了受截面变化影响较小的模态。为探究温度对导波的影响规律，粟霞飞等[6]通过试验，发现信号幅值与温度呈近似线性关系。LEE等[7]利用压电传感器采集导波信号，分析了较大温度范围内兰姆波的温度效应，发现随着温度升高信号声速和振幅均下降。 

文章采用超声导波技术开展尖轨伤损检测研究，选取高速道岔尖轨中长度长、结构复杂的60-18号单开道岔直线尖轨为研究对象，通过模态分析求解受截面变化影响较小的模态振型，并仿真设置不同尺寸的伤损来验证该模态的检测能力。针对温度对导波检测的影响研究，文章扩大了温度范围，对-35 ℃~55 ℃内得到的实测信号进行分析，并拟合出线性关系式。最后，使用自主研发的手持式超声导波探伤仪采集导波信号，采取补偿算法对信号进行处理，验证了温度补偿效果，提高了伤损定位精度。 

1.   导波模态激励分析

为明确超声导波在道岔尖轨中的传播特性，对道岔尖轨的频散曲线和模态振型进行求解。宋文涛等[8]发现道岔尖轨截面的变化并未对模态振型能量分布产生明显影响。文章使用COMSOL软件的模式分析功能对道岔尖轨任意截面进行了参数化扫描，该截面距道岔尖轨尖端10 847 mm。在软件中将材料设置为钢，其密度为7 850 kg·m−3，弹性模量为210 GPa，泊松比为0.3。求解的频率为64 kHz下道岔尖轨的模态如图1所示。模态名称按照波数由大到小命名，并标注其波数。模式分析后得出，垂直弯曲模态1（VB-M1）和垂直弯曲模态3（VB-M3）的模态振型能量集中于轨底，适合轨底无损检测使用（图1中灰色部位代表模态振型能量集中的部位）。 

图  1  频率为64 kHz下道岔尖轨的导波模态示意

进一步求解上述截面在频率为0~100 kHz时的频率-波数曲线和相速度频散曲线，其结果如图2所示。 

图  2  频率为0~100 kHz时的频率-波数曲线和相速度频散曲线

每条曲线代表不同频率下的模态振型，从图2中可以发现，随频率的增加，超声导波的模态数量也呈现增加的趋势。VB-M1、VB-M3模态在40~100 kHz频率内相速度变化较为平缓。在该频率段进行检测时，导波的频散特性对信号的影响较小，并标注了频率64 kHz下VB-M1、VB-M3模态对应曲线中的位置。在常温20 ℃环境下，VB-M1、VB-M3模态的相速度和群速度值如表1所示。由模态振型图可以看出VB-M3模态检测范围优于VB-M1模态的范围，故选择VB-M3模态的范围为激励模态。 

2.   仿真模型建立

建立道岔尖轨三维模型，模拟导波在尖轨中的传播，并设置伤损验证模态对伤损的检测能力。模型总长设置为3 m，在道岔尖轨模型靠近根端的轨底工作面上坡面通过设置点激励信号的方式激励导波，伤损位置距离激励位置2 m，道岔尖轨仿真模型如图3所示。激励信号选用汉宁窗调制的64 kHz的5周期正弦波信号，可有效减少能量泄漏，导波激励信号如图4所示。激励函数为 

式中：f为频率；t为时间；π为波数。 

图  3  道岔尖轨仿真模型示意

图  4  导波激励信号示意

依据国家标准GB/T 31211.1—2024《无损检测 超声导波检测 第1部分：总则》，设置了截面损失率分别为3，6，9%的三种不同伤损，伤损尺寸如表2所示。 

3.   仿真结果分析

以截面损失率9%的伤损为例，得到的不同时间下的波场如图5所示。图5中，在7.291 7×10−4 s前，导波在轨底以入射波的形式向远端传播。7.291 7×10−4 s后，导波传播到伤损位置，部分能量以反射波的形式返回，其余能量以透射波的形式继续向远端传播。可以看到，道岔尖轨复杂的截面形状导致了部分能量散射到轨腰和轨头位置，但大部分能量仍集中在轨底区域。 

图  5  9%伤损不同时间下的波场示意

提取导波时域信号进行分析，得到不同截面损失率的导波时域信号，结果如图6所示。由图6可以发现，随着伤损截面损失率的增大，伤损回波的幅值也在相应增加；同时，伤损的存在使得导波传播到伤损区域时损失了部分能量，端面回波幅值随着伤损回波幅值的增加而下降。为对伤损进行定量分析，定义入射波强度（以幅值表示）为AL，反射波强度为AR，透射波强度为${\mathrm{<span\; style="font-size:\; 16px;\; color:\; rgb(0,\; 0,\; 0);">?</span>}}_{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 16px;\; color:\; rgb(0,\; 0,\; 0);">?</span>}}\text{<span style="font-size: 16px; color: rgb(0, 0, 0);">=</span>}{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 16px;\; color:\; rgb(0,\; 0,\; 0);">?</span>}}_{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 16px;\; color:\; rgb(0,\; 0,\; 0);">?</span>}}\text{<span style="font-size: 16px; color: rgb(0, 0, 0);">-</span>}{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 16px;\; color:\; rgb(0,\; 0,\; 0);">?</span>}}_{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 16px;\; color:\; rgb(0,\; 0,\; 0);">?</span>}}$，则反射系数可表示为 

图  6  不同截面损失率伤损的时域信号曲线

透射系数表示为 

由此可以得到反射系数、透射系数与伤损大小的关系，其结果如图7所示。 

图  7  反射、透射系数与伤损大小的关系示意

4.   温度影响试验

4.1   试验设备

试验设备包括高低温交变湿热试验箱、自研手持式超声导波探伤仪、探头和尖轨轨底试块。压电换能器楔块角度设计为40°。探头由两个换能器和固定底座组成，固定底座为200 mm×50 mm×10 mm（长×宽×高）的长方体，探头外形参数如图8所示。探伤仪基于ARM（精简指令集架构处理器）和FPGA结构（现场可编程门阵列），包含2路超声波发射/接收模拟通道、1路温度采集通道，可以通过USB和计算机系统无缝集成，辅以后台辅助软件分析检测数据，其主要技术参数如表3所示。压电换能器中心频率64 kHz，直径为45 mm，峰值电压<1 500 VPP（峰峰值电压）。 

图  8  探头外形参数示意

4.2   试验平台与试验过程

搭建的高低温试验平台实物如图9所示。导波探头布置于尖轨轨底工作边的上坡面，其由两个压电换能器和一个轨温传感器组成，其中一个压电换能器用于发射导波，放置于离尖轨尖端0.94 m处；另一个压电换能器用于接收导波反射回波，放置于离尖轨尖端0.87 m处；轨温传感器带有磁性，紧密吸合在尖轨表面。探伤仪可通过高频电路产生64 kHz、5周期脉冲电信号，激励压电换能器产生超声波，并通过斜入射楔块耦合进入尖轨形成所选VB-M3模态导波；导波传播到尖轨尖端后反射，被另一压电换能器接收形成电信号，探伤仪以1.2 MHz的采样频率进行电信号采集。试块为截取的一段长度为0.98 m的60-18号单开道岔直线尖轨。导波探头与试块置于高低温交变湿热试验箱内，使用航空机油作为耦合剂，以确保温度变化时具有良好的耦合效果。 

图  9  高低温试验平台实物

4.3   试验结果

采集到的-32.8 ℃、10.1 ℃和54.5 ℃导波回波信号如图10所示，可见尖轨轨温越高，峰值点越向右偏移，即导波群速度随温度升高而降低。对导波信号进行时频分析，其结果如图11所示，可以看出信号的主要能量集中在64 kHz，与目标激励导波模态的频率吻合。利用希尔波特变换，求取不同温度下的信号包络线并提取端面回波时间，得到多次重复试验后超声导波群速度V与温度T的关系，如图12所示，拟合关系式为 

图  10  不同温度下的导波信号

图  11  信号时频分析示意

图  12  导波群速度与温度拟合关系曲线

式（4）表明，轨温每降低1 ℃，导波群速度V升高2.55 m·s−1。在常温20 ℃时，通过温度补偿后的VB-M3模态导波实际群速度为3 051.5 m·s−1，与理论群速度误差在1.32%左右。 

5.   模拟现场试验

以自由状态下高速铁路60-18号单开道岔直线尖轨为模拟现场试验的检测对象，检测时尖轨轨温为5 ℃。该尖轨在距尖端17 m位置加工有弹性可弯段区，为避开可弯段区对导波能量的损耗，试验时导波探头放置在距尖轨尖端13 m处。尖轨的转辙机构部位容易出现疲劳伤损，因此在距离尖轨尖端4.5 m处，预制尺寸为21 mm×10 mm×15 mm（长×宽×深），约占尖轨轨底截面积9%的裂缝伤损。导波探头与伤损的位置如图13所示。 

图  13  导波探头及伤损位置示意

预制伤损前后，探伤仪采集的导波回波信号如图14所示，预制伤损与尖轨尖端回波时间分别为5 496.7 μs和8 138.3 μs。目标激励导波模态VB-M3的理论群速度为3 011.12 m·s−1，若不考虑温度影响，计算得到的伤损距探头处距离分别为8.27 m和12.25 m；若考虑温度影响，对回波信号按式（4）进行温度补偿算法处理，得到补偿后的导波群速度为3 089.75 m·s−1，进而计算出伤损与尖端位置距探头处距离分别为8.49 m和12.57 m，预制伤损的定位误差由±230 mm缩小到±10 mm。此时的伤损定位误差控制在较小范围内，可方便探伤人员对伤损进行快速复核。 

图  14  预制伤损前后现场采集的导波信号

6.   结论

开展了超声导波尖轨检测的模态激励分析、模型仿真计算、温度影响研究以及模拟现场试验，得到如下结论。 

（1）选取道岔尖轨特定截面进行模态分析，求解得到VB-M3导波模态适合道岔尖轨轨底探伤检测使用。 

（2）建立尖轨有限元模型，通过仿真计算得到了尖轨伤损的反射系数、透射系数与伤损大小三者之间的关系，验证了VB-M3导波模态的缺陷检测能力，其可以实现伤损大小的定量检测。 

（3）通过高低温试验得到导波回波声速的补偿算法，当尖轨轨温每降低1 ℃，VB-M3导波群速度升高约2.55 m·s−1。 

（4）利用自研手持式超声导波探伤仪开展模拟现场试验，结果表明，在对导波回波信号进行补偿算法处理后，伤损的定位误差可控制在较小范围。该探伤仪有望实现道岔尖轨伤损的快速筛查和准确定位。

文章来源——材料与测试网