鋼軌軌頭淺表面缺陷的空氣耦合超聲導(dǎo)波檢測

，，

(1.南昌航空大學(xué) 無損檢測技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南昌 330063; 2.日本探頭株式會社，橫濱 2320033；3.中北大學(xué) 信息與通信工程學(xué)院，太原 030051)

隨著近年來高鐵建設(shè)的高速發(fā)展以及鐵路運(yùn)輸?shù)娜找娣泵Γ撥?尤其是軌頭部分)的缺陷日益增多[1]，嚴(yán)重影響行車安全。高速鐵路運(yùn)行速度快、運(yùn)行時間長，由于車輪硬度大于軌道表面，在運(yùn)行過程中，車輪與軌道在交變應(yīng)力的作用下會產(chǎn)生應(yīng)力集中，當(dāng)應(yīng)力累積到一定程度后會形成向四周擴(kuò)散的裂紋，嚴(yán)重時可導(dǎo)致軌道斷裂事故的發(fā)生，嚴(yán)重威脅著行車的安全[2]。常規(guī)的無損檢測方法如渦流法、漏磁法、傳統(tǒng)超聲法等，在完成鋼軌軌頭缺陷的檢測時均存在一定的缺點(diǎn)。渦流法干擾因素較多，自動化程度不高；漏磁法操作復(fù)雜，不適合在役檢測；傳統(tǒng)的超聲波檢測方法主要是利用鋼軌探傷車下安裝的輪式超聲探頭對鋼軌的缺陷進(jìn)行檢測[3-4],探傷車的檢測速度、鋼軌表面幾何形狀及表面粗糙度等都會影響檢測效果,尤其對軌頭表面和近表面缺陷的檢出效果較差,甚至無法檢出。

鑒于以上情況，重點(diǎn)介紹了采用空氣耦合超聲類瑞利波檢測技術(shù)對軌頭缺陷進(jìn)行檢測的方法。空氣耦合超聲檢測技術(shù)具有無需耦合劑、檢測效率高、檢測速度快、探頭壽命長等優(yōu)點(diǎn)[5],采用該方法即可對鋼軌軌頭淺表面缺陷進(jìn)行檢測。采用對向類瑞利波、串聯(lián)類瑞利波的檢測方法，利用回波信號在不同頻率、不同缺陷深度下幅值的變化來評估鋼軌軌頭的缺陷。通過對檢測過程的仿真和試驗(yàn)，驗(yàn)證了該方法在鋼軌軌頭缺陷檢測方面的可行性和可靠性。

1 檢測方法及原理

1.1 超聲類瑞利波檢測技術(shù)

沿著大型棒狀或板狀結(jié)構(gòu)長距離傳播的超聲波稱為導(dǎo)波，在無損檢測領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用，導(dǎo)波的檢測精度、檢測范圍都與導(dǎo)波的頻率有關(guān)。頻率越高，導(dǎo)波波長越短，能檢測到的缺陷越小，檢測精度越高，但檢測范圍越小；反之，頻率越低，導(dǎo)波波長越長，檢測精度就越低，但檢測范圍越大。瑞利波是一種常見的界面彈性波，是沿半無限彈性介質(zhì)自由表面?zhèn)鞑サ钠癫?速度與介質(zhì)的泊松比及橫波速度有關(guān)，但被檢測的鋼軌軌頭并非半無限大彈性介質(zhì)，因此認(rèn)為在檢測過程中使用的是一種沿鋼軌淺表面?zhèn)鞑サ念愃朴谌鹄ǖ牟?通常稱為類瑞利波。類瑞利波與瑞利波類似，質(zhì)點(diǎn)振動位移的軌跡是前進(jìn)的橢圓，在均勻各向同性的彈性介質(zhì)中使用類瑞利波檢測時，一般認(rèn)為類瑞利波能量主要集中在距試件表面深度一個波長的范圍內(nèi)[6]。超聲檢測方法按照原理可以分為脈沖反射法、時差衍射法、穿透法、共振法等，其中，脈沖反射法是將脈沖波發(fā)射到被檢測工件的內(nèi)部，通過觀察來自內(nèi)部缺陷或者工件底面反射波的情況來對工件進(jìn)行檢測的方法；衍射時差法的原理是將探頭對稱分布在工件兩側(cè)，發(fā)射超聲脈沖后，首先到達(dá)接收探頭的是直通波，然后是底面反射波，若有缺陷會在兩者之間接收到缺陷處產(chǎn)生的衍生波；穿透法是采用一發(fā)一收雙探頭分別放置在工件相對的兩側(cè)，依據(jù)脈沖波或者連續(xù)穿透工件之后的能量變化來檢測工件缺陷的方法。

文中采用的空氣耦合檢測方法，與上述方法定義都不一樣，因此筆者根據(jù)其探頭擺放特點(diǎn)，提出了兩種檢測方法。兩種空氣耦合檢測方法原理示意如圖1所示,由于鋼軌厚度較大，類瑞利波能量主要集中在距試件表面深度一個波長的范圍內(nèi)，因此定義底面為無限邊界，即無底面反射波產(chǎn)生。假定類瑞利波的傳播深度為圖中虛線以上部分，實(shí)際試驗(yàn)中會加入真空以排除發(fā)射探頭直接從空氣傳遞到接收探頭的波。

圖1 兩種空氣耦合檢測方法原理示意

方法一是將探頭對向放置，發(fā)射探頭S、接收探頭R位于鋼軌上表面，且分別放置于缺陷兩側(cè)。方法一中的發(fā)射探頭發(fā)射超聲脈沖后，波在檢測試件中的傳遞過程如圖1(a)中箭頭所示，一部分超聲波被缺陷反射，忽略其他衰減情況下，另一部分超聲波穿過缺陷并發(fā)生泄漏被接收探頭接收。方法二是將探頭同側(cè)放置，發(fā)射探頭S，接收探頭R位于鋼軌上表面，并同時放置于缺陷同側(cè)。方法二的接收探頭所接收到的是發(fā)射波傳遞過程中經(jīng)工件上表面泄漏出來的波，以及缺陷的反射回波泄漏出來的波，該方法中有效接收波形是缺陷反射過程中的泄漏波。

1.2 頻散曲線分析及發(fā)射探頭入射角計(jì)算

半解析有限元法[7-8]是求解三維任意橫向截面彈性聲波中超聲類瑞利波傳播的有效數(shù)值方法，其將橫截面進(jìn)行有限元劃分，類瑞利波在鋼軌長度方向使用函數(shù)exp(ikz)(k為波數(shù)；z為鋼軌長度方向)來描述，從總體運(yùn)動方程特征值系統(tǒng)中得到k1，獲得頻散關(guān)系[9-12]。我國高鐵鐵軌使用的CHN60型鋼軌，參考周源等[13]利用半解析有限元法對CHN60型鋼軌軌頭部分的研究，采用ABAQUS軟件對圖2(a)所示的鋼軌軌頭橫截面上的淺表面節(jié)點(diǎn)的超聲類瑞利波傳播特性進(jìn)行了分析，得到了圖2(b)所示CHN60型高鐵鐵軌軌頭的頻散曲線。通過改變黃色光標(biāo)的位置，可以得到不同頻率的超聲波在鋼材中的群速度(見表1)。

表1 不同頻率超聲波在鋼材中的群速度

圖2 鋼軌截面劃分與鋼軌軌頭淺表面的頻散曲線

當(dāng)采用斜探頭來激勵和接收軌頭垂直振動模態(tài)類瑞利波時，發(fā)射探頭入射角度θ在滿足式(1)的條件下，可以產(chǎn)生類瑞利波，入射角θ可以根據(jù)Snell定律[13]計(jì)算得出

θ=arcsin(cair/cp)

(1)

式中：cair為超聲波在空氣中的傳播速度，340 m·s-1；cp為超聲類瑞利波在鋼中的群速度。

圖3 400 kHz探頭靜置在空氣中的聲壓分布

2 模擬試驗(yàn)數(shù)值分析

2.1 兩種方法的檢測模型

空氣耦合超聲檢測技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)非接觸檢測，不會對被測物產(chǎn)生污染，不存在探頭磨損的問題。但換能器材料與空氣聲阻抗相差較大，要實(shí)現(xiàn)鋼軌軌頭的非接觸式空氣耦合超聲檢測，需要優(yōu)化相關(guān)試驗(yàn)參數(shù)，以接收足夠強(qiáng)度的信號，因此使用聲壓分布計(jì)算軟件得出400 kHz探頭靜置在空氣中的聲壓分布(見圖3)。由圖3可知：當(dāng)探頭距離聲源位置小于20 mm時，聲壓較大，聲波能量衰減較小;當(dāng)探頭距離聲源位置超過40 mm時，聲壓衰減較大。因此,將探頭置于距離鋼軌軌頭小于20 mm處，聲波進(jìn)入鋼軌的能量適合對鋼軌軌頭進(jìn)行檢測。

在試驗(yàn)開始之前，先利用WAVE 2000軟件建立了兩種方法的檢測模型，已知使用的頻率范圍，根據(jù)式(1)可得出入射角范圍為6.13°～6.18°;由于其差值較小，故試驗(yàn)中取固定平均角度6.15°。利用此模型檢測不同條件下兩種方法的回波對缺陷的敏感程度,仿真模型示意如圖4所示。

圖4 兩種檢測方法的仿真模型示意

2.2 頻率與幅值的關(guān)系

仿真環(huán)境為探頭尺寸14 mm，入射角6.15°，人工缺陷方向與鋼軌表面垂直，缺陷長度2 mm。仿真環(huán)境下，兩種方法檢測時頻率與幅值的關(guān)系如圖5所示，橫坐標(biāo)為檢測頻率，縱坐標(biāo)為缺陷信號歸一化處理后的幅值。由圖5可以看出，使用空氣耦合方法檢測同一鋼軌的相同缺陷時，檢測頻率越高，接收到的缺陷信號幅值越低。在超聲波通過空氣進(jìn)入鋼軌進(jìn)行傳播的過程中，頻率越高，超聲波的衰減也就越大，因此無論是對向放置探頭還是在同側(cè)放置探頭，缺陷信號的幅值都會隨著頻率的增加而衰減。

圖5 仿真環(huán)境下，兩種方法檢測時頻率與幅值的關(guān)系

2.3 缺陷深度對幅值的影響

圖6 仿真環(huán)境下，兩種方法檢測時缺陷深度與幅值的關(guān)系

仿真環(huán)境為探頭頻率0.4 MHz，探頭尺寸14 mm，入射角6.15°。仿真環(huán)境下，兩種方法檢測時缺陷深度與幅值的關(guān)系如圖6所示，橫坐標(biāo)為缺陷深度，縱坐標(biāo)為缺陷信號歸一化處理后的幅值。由圖6可知，使用方法一進(jìn)行檢測時，頻率不變，接收波形的幅值隨著缺陷深度的增加而逐漸衰減并趨向平緩，無缺陷鋼軌與有缺陷鋼軌幅值差較大，容易區(qū)分；使用方法二進(jìn)行檢測時，頻率不變，信號幅值隨著缺陷深度的增加而增加且趨向于平緩，無缺陷鋼軌與有缺陷鋼軌幅值差較小，但能夠區(qū)分。

用方法一檢測時，發(fā)射探頭發(fā)射超聲波，一部分超聲波被缺陷反射，忽略其他衰減情況下，另一部分超聲波穿過缺陷發(fā)生泄漏并被接收探頭接收，缺陷的長度越大，被阻擋的超聲波越多，則繞過缺陷到達(dá)接收探頭的波越少，缺陷信號對應(yīng)幅值降低;用方法二檢測時，發(fā)射探頭發(fā)射超聲波，一部分超聲波被缺陷反射，所反射的超聲波在傳播的過程中發(fā)生泄漏并被接收探頭接收，因此忽略其他衰減情況下，缺陷的長度越大，被反射的超聲波越多，缺陷信號對應(yīng)幅值增加。

圖7 對向放置探頭方法檢測現(xiàn)場

3 試驗(yàn)結(jié)果及數(shù)據(jù)分析

CHN60型鋼軌軌頭缺陷存在于軌頭中心，并形成向四周擴(kuò)散的裂紋，與傳統(tǒng)鐵路形成的魚鱗紋缺陷不同，該缺陷是由于高速鐵路所運(yùn)行的飛輪硬度大于軌道，飛輪與軌道上的雜物相沖擊而形成的。檢測系統(tǒng)由型號為JPR-600C的超聲發(fā)射接收器、計(jì)算機(jī)、前置放大器、空氣耦合超聲發(fā)射探頭組成，利用對向放置探頭的方法和同側(cè)放置探頭的方法對不同的缺陷進(jìn)行了檢測，試驗(yàn)中使用帶特制角度卡槽的塑料板對空氣耦合探頭進(jìn)行固定。

對向放置探頭方法檢測現(xiàn)場如圖7所示，空氣耦合探頭的底端距鋼軌表面3 mm，發(fā)射探頭和接收探頭的中心距離為100 mm。發(fā)射探頭和接收探頭對向排列在缺陷的兩側(cè)，兩探頭與缺陷間的距離都為50 mm，發(fā)射探頭的入射角為6.15°，接收探頭向相反方向傾斜6.15°。檢測試件為鋼軌試件，在鋼軌軌頭有寬度1 mm,深度分別為3,6,10 mm的人工缺陷，另有無缺陷鋼軌。使用探頭頻率分別為0.4 MHz，0.6 MHz，0.8 MHz，晶片大小為14 mm×20 mm(長×寬)。

同側(cè)放置探頭方法檢測現(xiàn)場如圖8所示，空氣耦合探頭的底端距鋼軌表面3 mm，發(fā)射探頭和接收探頭的中心距離為50 mm。發(fā)射探頭和接收探頭排列在缺陷的同側(cè)，發(fā)射探頭與缺陷間的距離為65 mm，發(fā)射探頭的入射角為6.15°，接收探頭向相同的方向傾斜6.15°。檢測試件為鋼軌，在鋼軌軌頭有寬度為1 mm,深度分別為3,6,10 mm的人工缺陷，另有無缺陷鋼軌。使用探頭頻率分別為0.4 MHz,0.6 MHz,0.8 MHz，晶片大小為14 mm×20 mm(長×寬)。

圖8 同側(cè)放置探頭方法檢測現(xiàn)場

3.1 頻率與幅值的關(guān)系

使用0.4 MHz,0.6 MHz,0.8 MHz頻率的探頭對深度為10 mm的人工缺陷鋼軌進(jìn)行檢測，檢測結(jié)果如圖9所示。

圖9 兩種方法檢測時的頻率與幅值的關(guān)系

由圖9可知，使用空氣耦合方法檢測同一鋼軌的相同缺陷時，頻率越高，缺陷信號幅值衰減也就越大，與仿真所得結(jié)論相同。

3.2 缺陷的深度對接收波幅值的影響

使用0.4 MHz頻率的探頭對無缺陷鋼軌和含寬度為1 mm,深度分別為3,6,10 mm人工缺陷的鋼軌進(jìn)行檢測，檢測結(jié)果如圖10所示。

圖10 兩種方法檢測時缺陷深度與幅值關(guān)系

由圖10可知，空氣耦合超聲類瑞利波在使用方法一檢測缺陷時，頻率不變，缺陷處的幅值隨著缺陷深度的增加而逐漸衰減并趨向平緩，無缺陷鋼軌與有缺陷鋼軌缺陷處幅值差較大，容易區(qū)分；在使用方法二進(jìn)行檢測時，頻率不變，接收波形的幅值隨著缺陷深度的增加而增加，且趨于平緩，無缺陷鋼軌與有缺陷鋼軌幅值差較小，尚能區(qū)分。試驗(yàn)與仿真模擬結(jié)果相同。

4 結(jié)語

超聲檢測在實(shí)際應(yīng)用中難以達(dá)到理想的耦合狀態(tài)，降低了鋼軌缺陷的檢測精度與效率，而空氣耦合超聲類瑞利波檢測方法無需耦合劑，檢測效率高，目前的技術(shù)下能實(shí)現(xiàn)對鋼軌的檢測；使用對向放置探頭的方法和同側(cè)放置探頭的方法，都能檢測出不同深度的缺陷，檢測靈敏度較好，在運(yùn)輸鐵路的在役檢測中，空氣耦合具有較高的應(yīng)用價(jià)值。

[1] 米武軍. 基于電磁超聲表面波的鋼軌軌頭缺陷檢測方法的研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué),2011.

[2] 周一平,嚴(yán)學(xué)模,戰(zhàn)東平,等. 我國鋼軌鋼的質(zhì)量現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J]. 材料與冶金學(xué)報(bào),2004,3(3):161-167.

[3] 魯國堂.超聲波探傷技術(shù)在鋼軌檢測中的研究[D].沈陽:沈陽理工大學(xué),2015.

[4] 常俊杰,李娟娟.合成孔徑算法在混凝土檢測中的應(yīng)用[J]. 無損檢測, 2017, 39(4):22-25.

[5] CHANG Junjie, TAKAHIRO, HAYASHI. Development of inspection equipment for bottom edges of rails with guided waves[C]∥The 29th Symposium on Ultrasonic Electronics. [S.l.]:[s.n.],2008.

[6] 歐陽凱.基于瑞利波的材料表面缺陷深度檢測數(shù)值研究[D].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué),2014.

[7] 趙振寧,吳迪,張博南,等. 薄板中超聲類瑞利波傳播模態(tài)信號分析方法[J]. 無損檢測,2017,39(1):10-15.

[8] 張博南,霍宇森,吳迪,等. 鈦合金薄板Lamb波檢測的有限元分析[J]. 無損檢測,2015,37(10):64-68.

[9] 單振剛,朱繼洲,翟興耀. 無損檢驗(yàn)新技術(shù)——超聲頻散曲線分析法研究[J]. 西安交通大學(xué)學(xué)報(bào),1989(6):113-122.

[10] CHANG Junjie, KATSUMI O. Development of inspection equipment for bottom edges of rails with guided waves[J]. Proceedings of Symposium on Ultrasonic Electronics, 2009, 30(11):18-20.

[11] 常俊杰，魏強(qiáng). 非接觸空氣耦合超聲波鋼板探傷的應(yīng)用研究[J]. 浙江理工大學(xué)學(xué)報(bào),2015，33(6):102-107.

[12] 常俊杰,盧超, 川嶋紘一郎. 非接觸空氣耦合超聲波的材料無損評價(jià)與檢測[J]. 浙江理工大學(xué)學(xué)報(bào), 2015, 33(4):532-536.

[13] 周源.超聲類瑞利波在軌頭中缺陷檢測的有限元模擬研究[D].成都：西南交通大學(xué),2014.