陈 阮，栗霞飞，刘 尧，李佳明
(1.广东省特种设备检测研究院茂名检测院，广东茂名 525000；
2.北京工业大学，北京 100124；
3.北京格创精仪科技有限公司，北京 102629)
高铁是世界许多国家快速发展的重要基础设施，高铁系统中存在着数以万计的尖轨结构[1]。尖轨又分为基本轨和道岔尖轨，道岔尖轨结构是高速铁路系统中最薄弱的部分，直接影响列车的安全稳定[2]，常规无损评价(Non-Destructive Evaluation)方法，难以适用于尖轨轨底区域。此外，可供尖轨现场检查的时间很少。导波技术是近年来尖轨结构健康监测的一个发展方向，由于导波可以在较长的距离上传播，对缺陷比较敏感，使得可以从单个测试点对尖轨完整性进行远程评估[3]。
Rose等[4]利用实验与仿真的方法验证了导波检测技术在尖轨检测中的可行性。Zumpano等[5]采用商用的ABAQUS仿真软件研究了导波在尖轨中的传播特性。LOVEDAY等[6]、卢超等[7]利用半解析有限元方法对尖轨轨底的导波检测进行了研究，并对尖轨轨底导波的模态进行了识别分析。杨臻垚[8]、胡剑虹[9]等利用磁致伸缩效应在尖轨轨底激励超声导波，研究了超声导波轨底监测中的影响因素并开发了多通道超声导波尖轨轨底检测系统。
考虑尖轨的实际工作情况以及测量方法，将传感器垂直于尖轨轴线位置放置，一方面可避开轨头与车轮轮缘接触位置，另一方面可使传感器激励的导波沿尖轨纵向传播。因此，传感器激励出来的导波位移与其传播方向垂直，类似于板结构中的SH波[8]。SH波的模态比较简单，且零阶模态SH0是非频散的，更利于进行信号处理和缺陷识别。因此本文开展基于SH波的尖轨中导波传播特性能力研究。
1.1 超声导波检测原理
通常将频率大于20 kHz的声波称为超声波，当超声波在诸如管道，钢板等波导介质中传播时，将会在波导界面发生来回多次的反射，从而产生较为复杂的波形转换以及波形耦合。这种经介质边界传播的超声波称为超声导波[10]。
超声导波在板中传播时，板中主要的超声导波包括兰姆(Lamb)波和水平剪切(SH)波。Lamb波传播过程中会发生频散，导致缺陷回波在时域上变宽，对缺陷的定位精度下降[10]。水平剪切模态导波中的SH0模态速度不随频率变化而变化，具有非频散的特性。而且模态数量也不随频率变化而变化，非常适用于波导结构的缺陷检测。
1.2 磁致伸缩导波检测原理
如图1所示为磁致伸缩传感器工作原理图。一般采用永磁磁路对磁致伸缩带材进行单向静态偏置磁化，检测线圈中通入高频交变或宽带脉冲电流以提供与静态磁场Hd方向相垂直的动态磁场Hs[10]。由维德曼效应可知，磁致伸缩带材在正交的动、静磁场作用下将产生高频剪切形变，通过横波耦合剂等耦合至待测钢板中，沿钢板传播过程中将形成SH模态导波[10]。
图1 磁致伸缩传感器工作原理Fig.1 Working principle of magnetostrictive sensor
针对本次检测实验，为了能够更好地预测实验结果，对尖轨根端进行仿真。主要通过数值模拟研究不同频率的导波在尖轨根端的轨头、轨腰、轨底等三个位置的传播特性。如图2所示为尖轨根端模型示意图。该模型的弹性模量为206 GPa，密度为7 890 g·cm-3，泊松比为0.3，激励方式采用底部线激励，激励信号为汉宁窗调制的5周期正弦信号。
图2 仿真模型Fig.2 Simulation model
2.1 尖轨根端无缺陷模拟
激励频率范围为20～150 kHz，为了能够更好地对比频率对导波的影响，这里只展示了频率为32、45、64、90 kHz的仿真结果，如图3所示。从图3(a)中可以看到，低频超声导波大部分能量集中在轨底；
随着频率的提高，超声导波能量逐渐向轨腰和轨头扩散，留在轨底区域的超声导波能量减少。
从时域图3(b)也可以看出，由于高频导波能量逐渐向轨腰和轨头扩散，导致在短时间内出现了来自轨腰和轨头的端面回波。低频导波大部分能量只在轨底传播，所以没有很明显的轨腰和轨头的端面回波。
将得到的仿真信号进行短时傅里叶变换得到图3(c)。从图3(c)可以直观地看出，频率为32 kHz、45 kHz时没有来自尖轨轨头和轨腰的反射，随着频率的增大(64、90 kHz)，来自尖轨轨头和轨腰的反射越来越明显了。
通过仿真分析可以得到一个结论，低频导波大部分能量在轨底传播，而高频则相反。这个现象的出现可为后续的轨道缺陷监测提供一个参考，目前认为这个现象的出现是由于导波的波长不同导致的。
2.2 尖轨根端有缺陷模拟
在上述模型的基础上，利用有限元仿真软件ABAQUS人为设置了缺陷，缺陷的尺寸为73.8 mm×5 mm×89 mm,如图4所示。为了保证计算结果的精确性，缺陷处采用以六面体为主的网格划分模式。超声导波在有缺陷尖轨中的仿真结果，如图5所示。从图5可以看出低频导波依旧能检测到缺陷的存在，说明低频导波能量不完全在轨底传播，有很少一部分会传播到轨头和轨腰上。
图4 缺陷模型Fig.4 Defect model
图5 超声导波在有缺陷尖轨中传播的仿真结果Fig.5 Simulation results of ultrasonic guided wave propagation in the defective switch rail at different frequencies
对图5中频率为32、90 kHz的信号进行短时傅里叶时频域分析，如图6所示。从图6可以清晰地看到，随着频率的增大，缺陷回波的幅值逐渐变小。通过仿真结果可以进一步证实，低频导波大部分能量在轨底传播，高频导波大部分能量在轨头和轨腰传播。
图6 缺陷分析结果Fig.6 Results of defect analysis
3.1 导波在尖轨中的传播
针对实际场地中的多种尖轨，选择1条尖轨作为检测对象。磁致伸缩导波检测仪器的设置参数如下，激励频段为20～150 kHz，波速为3 000 m·s-1，周波数(猝发激励时激励波形的重复次数)为2，重复频率为2 Hz，采样频率为10 MHz，平均10次。
对紧挨基本轨的尖轨进行导波检测实验，在2个不同的位置安装磁致伸缩传感器分别进行导波自激自收实验，2个传感器分别记作“B1、B2”传感器。图7为尖轨上的结构以及2个传感器安装的位置信息，同样给出了激励导波的传播路径。
图7 尖轨结构及传感器安装位置Fig.7 Structure of switch rail and installation positions of sensors
如图8所示为距离尖轨端面2.25 m的“B1”传感器在90 kHz频率下采集的信号。图8中观察到尖轨的端面反射信号明显，该结果说明磁致伸缩导波同样能应用到尖轨的检测。
图8 B1传感器自激自收90 kHz信号的包络曲线Fig.8 Self-excited and self-received envelope curve of B1sensor at 90 kHz
同样，增加传感器与尖轨端面的距离进行实验，设置激励频率为70 kHz，得到如图9所示B2传感器采集得到的包络曲线。由图9可知，尖轨的端面反射信号同样也能采集到，且低频导波在附属物处的反射较大。因此，所激励的磁致伸缩超声导波在尖轨中同样能传递12 m的有效检测距离，且超声导波在尖轨和基本轨中的传播特性基本一致。
图9 B2传感器自激自收70 kHz信号的包络曲线Fig.9 Self-excited and self-received envelope curve of B2sensor at 70 kHz
3.2 导波对尖轨上附属件的检测
利用同样的方法，对尖轨上的附属件进行检测实验。选取B1传感器以自激自收方式采集得到的检测结果，如图10所示，其中激励频率为30 kHz。
从图10可以观测到，导波依旧可以检测到分布在尖轨上附属件，实现了2组扣件、1个连接板和2个螺栓机构的检测。相比基本轨而言，尖轨的轨头形状相对特殊，在距离传感器4 m的有效距离以内，只能检测到2组扣件，其他附属件都能被检测到。
图10 B1传感器对附属件的检测结果Fig.10 Results of accessories detection by B1sensor
3.3 导波对尖轨中缺陷的检测
为了验证磁致伸缩导波对尖轨中缺陷开口的检测能力，选择一条有开口缺陷的尖轨进行实验，记为空尖轨。图11给出了该尖轨中各种结构及传感器的位置信息，相比3.2节中实验中的待测尖轨，该尖轨没有扣件、连接板和连接件等结构，与仿真模型一致。有缺陷的尖轨结构及传感器安装位置如图11所示。缺口位于距尖轨的根端3.4 m处，传感器距离缺陷开口2.6 m，左侧有3个大型的螺栓机构。
图11 有缺陷尖轨结构及传感器安装位置Fig.11 Structure of defective switch rail and installation positions of sensors
图12为激励频率为30 kHz时，尖轨缺陷检测的结果，能明显分辨出3号螺栓机构和尖轨右端面处的反射波包信号。尖轨上的缺陷开口对应的波包同样有较大的幅值。导波经过缺陷开口和螺栓机构的反射后，会在尖轨中发生多次反射。
图12 尖轨缺陷检测结果Fig.12 Detection results of switch rail defects
通过本文的研究，得出了以下结论：
(1)所研发的磁致伸缩导波检测系统在尖轨上的检测是可行有效的。使用该检测系统在尖轨底面激励的水平剪切导波在尖轨上可传播的有效距离至少为12 m，在空尖轨中至少能传播16 m。
(2)针对尖轨中的附属件结构，导波在这些结构处的反射特性也不一样。在尖轨中，距离传感器4 m以内的附属件能被检测，但只能检测出2组扣件。
(3)在空尖轨(无扣件结构的尖轨)上，成功地检测到了距离传感器2.6 m的缺陷开口以及距离传感器6 m右端面的波包，且缺陷幅值较大，说明该检测系统具有实现更小缺陷检测的能力。
(4)低频导波主要沿轨底传播，高频导波主要沿轨腰和轨头传播，多频导波结合能更加准确实现对尖轨的检(监)测。
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