鋼軌踏面的空氣耦合超聲檢測方法?

常俊杰 李媛媛 胡 宸 鄔瑞峰 盧 超

(1 南昌航空大學(xué) 無損檢測技術(shù)教育部重點實驗室 南昌 330063)

(2 日本探頭株式會社 橫濱 2320033)

(3 中車唐山機車車輛有限公司 唐山 063035)

0 引言

發(fā)展迅速的高速鐵路是我國國力強大的一大表現(xiàn)。但在列車的前行和制動過程中，運行列車車輪對鋼軌軌頭長時間產(chǎn)生擠壓、摩擦、彎曲和沖擊，車輪與鋼軌的接觸是點面積接觸，由于車身的質(zhì)量很高，加載在踏面的小面積上，在接觸面產(chǎn)生接觸應(yīng)力。這種交變載荷產(chǎn)生疲勞應(yīng)力，使局部產(chǎn)生塑性變形，同時致使局部的晶格產(chǎn)生錯位，這些錯位的晶格會在晶粒的邊界堆積起來，最后產(chǎn)生具有隱藏性和危害性的微細裂紋[1?3]。淺表面的細微裂紋肉眼難以分辨，若不進行及時檢測維修則會形成向四周擴散的裂紋，嚴重時軌道會發(fā)生斷裂，極大威脅著列車的運行安全。常用檢測鋼軌踏面缺陷的方法有電磁檢測法、渦流檢測法、敲擊法等[4]，但這些傳統(tǒng)方法均存在一些缺點；常規(guī)超聲檢測適用于在役檢測，對人體無害，但耦合劑的使用會對檢測效率及效果產(chǎn)生影響[5?6]，尤其是對淺表面裂紋的檢測，耦合劑極易填充到淺表面裂紋中，造成漏檢。空氣耦合超聲檢測方法彌補了上述缺點，筆者提出了使用空氣耦合超聲的方法對鐵軌踏面進行檢測。空氣耦合超聲檢測技術(shù)具備非接觸、非破壞、非浸入及安全無害的特點，十分適合在役檢測[7?9]。文中首先利用半有限元法求解了CHN60型鋼軌軌頭踏面部分的振動模式，抽出了鋼軌軌頭踏面的振動模態(tài)結(jié)構(gòu)和頻散曲線；其次設(shè)計了空氣耦合探頭并搭建實驗系統(tǒng)，根據(jù)Snell法則和圓形聲源在空氣中的聲場分布確定了檢測參數(shù)；最后從理論和實驗兩方面著手對鋼軌踏面淺表面裂紋的有無進行了檢測，證明了空氣耦合超聲檢測方法的可行性和可靠性。

1 檢測方法及原理

超聲導(dǎo)波在板材和管道中的研究已經(jīng)進行了成功的應(yīng)用，但鋼軌踏面中的導(dǎo)波不同于無限大平面的經(jīng)典表面波，國內(nèi)外許多學(xué)者已經(jīng)對超聲導(dǎo)波在鋼軌中的傳播做了大量的實驗研究及數(shù)值分析。Wilcox等[10]、Cawley等[11]應(yīng)用導(dǎo)波方法對鋼軌的腐蝕進行了檢測試驗，但未對檢測導(dǎo)波的模式和激發(fā)方法做介紹。Hayashi等[12]不僅通過半解析有限元的方法計算得到導(dǎo)波在鋼軌踏面中的理論相速度及群速度曲線，還使用空氣耦合超聲實驗方法基于二維傅里葉變換得到與計算值基本符合的軌頭踏面頻散曲線。

本文使用的半解析有限元方法，是一種求解三維任意橫截面彈性聲波導(dǎo)中導(dǎo)波傳播有效數(shù)值的方法[13]。該方法的基本原理是對三維鋼軌模型截面劃分成多個網(wǎng)格單元，如圖1所示。導(dǎo)波在鋼軌z傳播方向上采用正交函數(shù)exp(iξz)來表示，其中ξ是導(dǎo)波的波數(shù)，而第m個特征值ξm表示第m個共振模式的波數(shù)。包括鋼軌在內(nèi)的棒狀結(jié)構(gòu)的任意截面，二維截面的縱方向(z方向)上的波由正交函數(shù)exp(iξz)描述。同理，波數(shù)可以作為特征系統(tǒng)的特征值ξm，進而可以描繪出頻散曲線。

圖1 半解析有限元法中鐵軌被分成小的棱柱元素Fig.1 Semi-analytical finite element method in the rail is divided into small prismatic elements

使用上述的半解析有限元法，對我國CHN60型高鐵軌道進行分析，為了獲得頻散曲線，橫截面如圖2所示，橫截面上的節(jié)點數(shù)為671。這些細分網(wǎng)格可能不足以獲得精確的解，但可以粗略估計頻散曲線。導(dǎo)軌與板材和管材略有不同，導(dǎo)軌的基本模式很多[13?14]。通過對所有點的特征向量?Rm進行計算，發(fā)現(xiàn)許多模式在鋼軌中都是沒有實際的振動。因此，使用全部波的結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)提取了主要的模式。這里引入主導(dǎo)模式值(Dominant mode value,DMV)[15]來提取主導(dǎo)模式。

圖2 用于主模式計算的細分和選定節(jié)點Fig.2 Segments and selected nodes for master mode calculation

圖3 鐵軌主要模態(tài)的群速度頻散曲線Fig.3 Group velocity dispersion curves of the main modes of the rail

圖4 與圖3中的箭頭所指位置相對應(yīng)的振動模式Fig.4 Vibration modes corresponding to the position indicated by the arrow in Fig.3

如圖2中所標(biāo)注點所示，抽取鋼軌踏面上部58個節(jié)點的波形結(jié)構(gòu)和頻散曲線，如圖3、圖4所示。圖3(a)～(c)分別是在選定節(jié)點處的x(水平方向)、y(垂直方向)和z(縱方向)方向振動的主模式的群速度頻散曲線，顏色由灰色到黑色表示對應(yīng)的DMV的值由0.2開始逐漸增大，DMV值越大，則在軌頭踏面邊緣有更大的振動。圖3(a)～(c)中對應(yīng)的光標(biāo)位置位于400 kHz時，其振動模式的波形結(jié)構(gòu)如圖4(a)～(c)所示，可以看出，由于軌底截面形狀不規(guī)則，軌底的三種振動模態(tài)都存在著很多種導(dǎo)波模式。

在此研究基礎(chǔ)上，水平振動作為導(dǎo)波檢測的主要模式。平坦頻率區(qū)域在模式的速度頻散曲線(圖3(a))DMV值較小，這意味著水平振動模式在很大程度上在踏面部分的主導(dǎo)模式振動能量很小。

垂直振動模式(圖3(b))和縱向振動模式(圖3(c))平坦頻率區(qū)域分布廣泛。同時考慮圖4中的振動模式波形結(jié)構(gòu)中，水平方向(圖4(a))的振動主要分布在軌道腰部，垂直方向(圖4(b))的振動主要分布在踏面部分且振動較明顯，縱向(圖4(c))振動在整個鋼軌模型中且程度不明顯。可見更多的能量集中在高頻率的垂直方向上，表明此模式對于鋼軌踏面的導(dǎo)波檢測十分適用。這些模態(tài)可以看作是在鋼軌踏面上面?zhèn)鞑サ念惾鹄▊鞑ァＨ鹄ㄊ茄匕霟o限彈性介質(zhì)自由表面?zhèn)鞑サ钠癫ǎ粰z測的鋼軌踏面并非半無限大彈性介質(zhì)，因此在檢測的過程中使用的是這種沿鋼軌淺表面?zhèn)鞑サ念惾鹄ā?/p>

當(dāng)采用斜探頭來激勵和接收鋼軌踏面垂直振動模態(tài)類瑞利波時，發(fā)射探頭入射角度θ關(guān)乎類瑞利波能否出現(xiàn)，入射角度θ可以根據(jù)Snell定律計算得出：

其中，cair為超聲波在空氣中的傳播速340 m/s；cp為超聲類瑞利波在鋼材中的相速度。由我國60型高鐵鐵軌軌頭踏面的頻譜分析，通過改變黃色光標(biāo)的位置，可以得到所使用頻率的超聲波在鋼材中的相速度cp的結(jié)果，由公式(1)得到所使用的入射角。本研究過程中，使用0.4 MHz頻率探頭，選取垂直振動模態(tài)下相應(yīng)相速度為cp=3181 m/s，即由公式(1)可得入射角θ=6.14?。

2 實驗結(jié)果及分析

2.1 實驗過程

首先利用二維超聲波仿真軟件WAVE2000 plus建立對向類瑞利波法檢測的模型，釆用高精度的時域差分方法(Finite-difference time-domain,FDTD)求解完全的黏彈性波動方程，一次求出全程的超聲波傳播。如圖5所示，利用如下模型來研究這種方法中信號在試件中的傳播情況。

使用頻率為0.4 MHz，缺陷角度固定為90?，以缺陷深度為5 mm、寬度為0.5 mm為例，探頭尺寸為 14 mm×20 mm，入射角為6.14?，設(shè)置真空隔板以便對超聲波傳播過程進行研究。圖6為超聲波的傳播過程，白色部分表示超聲波能量較大。如圖6(a)所示，10μs時超聲波以縱波形式在空氣中傳播，能量較大；如圖6(b)所示，在25μs時超聲波開始傳播到鋼軌中，并以類瑞利波形式向前傳播；在圖6(c)中，40μs時超聲波通過缺陷傳播，同樣以類瑞利波形式向兩側(cè)傳播；在圖6(d)中，60μs時由工件向外泄露的超聲波信號被接收傳感器接收。

實驗裝置由鋼軌，JPR-600C信號源處理，計算機，前置放大器，晶片大小為14 mm×20 mm、頻率為0.4 MHz的空氣耦合探頭組成了檢測系統(tǒng)，探頭擺放方式為將探頭置于與缺陷等距離異側(cè)，接收被缺陷阻擋后繞過缺陷的波作為有效信號(圖7)。對實際軌道進行檢測時，采用空氣耦合的方式在激勵軌道垂直振動的方向放置激勵源的測量方法，如圖8所示，利用空氣耦合類瑞利波法對不同的缺陷進行了檢測，實驗中使用的探頭為特制的高信噪比空氣耦合超聲波探頭，并使用帶訂制角度卡槽的塑料板對空氣耦合探頭進行固定。

空氣耦合探頭的底端距鋼軌表面3mm，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均為50 mm，發(fā)射探頭的入射角為6.14?，接收探頭向相反方向傾斜6.14?。檢測試件為鋼軌試件，在鋼軌踏面上有寬度1 mm、深度不同的人工缺陷的試塊(1 mm～6 mm)和無缺陷鋼軌踏面試塊。

圖5 仿真模型Fig.5 Simulation model

圖6 導(dǎo)波在不同時刻在鋼軌中的傳播過程Fig.6 Propagation of guided waves in rail at different times

圖7 檢測鋼軌踏面的擺放方式Fig.7 Detection of rail head placement

圖8 實驗環(huán)境Fig.8 Experimental environment

2.2 結(jié)果分析

使用非接觸空氣耦合超聲波檢測系統(tǒng)對鋼軌軌頭缺陷進行檢測，實驗結(jié)果如表1所示。圖9為檢測無缺陷鋼軌軌頭(圖9(a))、3 mm缺陷鋼軌軌頭(圖9(b))、6 mm缺陷鋼軌軌頭(圖9(c))采集到的波形圖。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并發(fā)生泄漏，在80μs左右時被接收探頭接收，即承載有效缺陷信息的信號。接著，由于實際實驗中發(fā)射探頭與接收探頭之間無真空板阻擋，超聲波會由發(fā)射探頭發(fā)射不經(jīng)過鋼軌從空氣中直接到達接收探頭，在100μs時被接收。從檢測結(jié)果圖9和圖10可以得出：缺陷長度越大，被阻擋的超聲波越多，繞過缺陷到達接收探頭的超聲波越少，進而波形圖對應(yīng)幅度降低。

表1 不同深度缺陷的幅度結(jié)果Table 1 Amplitude with different depth defects results

圖9 實驗波形圖Fig.9 Experimental waveform

圖10 不同深度缺陷信號幅度曲線Fig.10 Amplitude curve of defect signal at different depths

3 結(jié)論

空氣耦合檢測技術(shù)由于不需要使用耦合劑，更容易用于在役檢測，具有一定的研究價值。本文針對鋼軌踏面現(xiàn)有的檢測方式存在的不適合在役檢測、操作不便、受環(huán)境因素較明顯等問題，提出了以空氣耦合超聲波檢測方法為基礎(chǔ)的對鋼軌踏面缺陷的檢測方法。對鋼軌模型的有限元和模態(tài)進行分析，并通過實驗對無缺陷鋼軌軌頭、不同長度缺陷的鋼軌軌頭采集到的波形圖所得結(jié)果進行分析，可知當(dāng)鋼軌軌頭表面有缺陷時，接收到的信號幅度降低，并隨著缺陷深度的增大而減小，能有效區(qū)分缺陷信號。以透射法為原理，主要從類瑞利波透過缺陷的幅度大小來判斷缺陷特性，透射波幅度與缺陷有密切關(guān)系，但決定透射波幅度的因素很多，如換能器響應(yīng)特性、鋼軌材質(zhì)和大小、換能器和鋼軌的相對距離和方位等。因此，在實際檢測時，需制定相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)并使用標(biāo)準(zhǔn)試塊對以上所述無關(guān)影響因素進行規(guī)定。