基于電磁聲表面波的火車車輪踏面裂紋檢測方法研究

夏蓉花，劉春，趙慧娟

（江蘇安全技術職業學院，江蘇徐州 221011）

隨著我國鐵路的大規模提速，鐵路交通成為保障經濟發展與國民生活質量的重要保障。當前較高的運行速度、較大的客運量也對鐵軌的管理帶來了新的挑戰，鐵軌作為鐵路系統的重要組成部分，其質量嚴重影響行車安全[1-3]。

綜合所有已發生的鐵軌故障，車輪踏面損傷與裂紋是鐵路事故的主要原因[4]。由于火車行進主要依靠車輪與鐵軌所接觸的部分，所以長時間的劇烈運動容易導致車輪踏面出現裂紋，并造成火車車輪承重能力下降，進而影響行車安全。近年來，諸多學者采用各種方法進行裂紋檢測，具體涉及了射線、超聲波、漏磁、電渦流等[5-10]，并均取得了一定的效果。但由于火車車輪在行進過程中處于高溫、高速狀態，常規的檢測器具及方法并不適用于裂紋的實時檢測，所以開展針對火車車輪踏面裂紋的檢測方法具有重要意義[11-16]。

綜合上述問題，該文利用靈敏度高、穿透能力強的電磁聲表面波對火車車輪踏面裂紋進行檢測研究。

1 火車輪踏面裂紋檢測原理

考慮到火車車輪在行進過程中具有較高的速度，文中選用電磁聲表面波作為檢測工具。由于電磁聲表面波的傳播速度遠大于火車車輪轉速，這也為檢測車輪踏面提供了時間條件。基于電磁聲表面波(EMAT)的火車車輪踏面裂紋檢測原理框架如圖1所示。

圖1 基于EMAT的火車車輪踏面裂紋檢測原理框架

EMAT 框架的核心在于對電磁聲表面波的利用，其含有電磁聲表面波發射與接收裝置，二者分別用來發射、接收電磁聲表面波。EMAT 被放置在鐵軌上，并與火車車輪踏面接觸。當火車車輪經過EMAT 時，觸發發射裝置使其發射兩路電磁聲表面波信號。這兩路信號沿著車輪表面以相反的方向進行傳播，從而降低裂紋檢測的誤差。接收裝置接收返回的信號，并根據信號功率的強弱來判定車輪踏面是否存在裂紋及檢測裂紋的深度。

2 基于電磁聲表面波的車輪裂紋檢測

2.1 電磁聲表面波收發裝置設計

電磁聲表面波收發裝置由三部分組成：靜磁場、電磁聲表面波傳感器和待測體，其核心在于如何發射和接收電磁聲表面波。如圖2 所示，在該裝置中，靜磁場通過磁場強度穩定的永磁鐵來產生；而電磁聲表面波傳感器則是基于洛倫茲力原理在印制板上采用回折線圈來實現的，其構造如圖3 所示。

圖2 電磁聲表面波收發裝置結構示意圖

圖3 回折線圈結構示意圖

回折線圈作為電磁聲表面波傳感器的核心結構，其長度影響著電磁聲表面波的頻率，且回折線的間距為表面波波長的一半。當頻率為f的交變電流被傳輸至回折線圈時，根據洛倫茲力原理其會在待測體中產生頻率一致、交變方向相反的感應渦流。由于電磁場的集膚效應，感應渦流主要集中在待測體的表層。且在永磁鐵所提供的垂直于待測體表面的靜磁場作用下，其會在回折線圈中產生洛倫茲力。洛倫茲力會帶動質子做前后震動，且相鄰導線的質子震動方向相反。該反向交替運動可激發出表面波，其沿著車輪踏面傳播一周后，經過回折線圈又會感應出電流，進而通過檢測回折線圈感應電壓的情況，即可判斷是否有裂紋。

電磁聲表面波利用電磁之間的耦合產生超聲波，其發射與接收的原理相同。根據電磁感應原理，變化的電場可產生磁場；變化的磁場能產生電場。感應電流可用下式計算得到：

式中，φ為磁場強度，R為系數。回折線圈中通有交變電流，變化的電流會生成變化的磁場，進而在金屬表面產生感應電流，即渦流。距離金屬表面h處的渦流密度大小可用式（2）計算：

式中，J0代表金屬表面的渦流密度；Jh代表距離金屬表面h處的渦流密度；σ代表金屬表面渦流的透入深度。在固定磁場的作用下，金屬內部透入深度σ內的質子會受到洛倫茲力的作用而發生震動，進而產生超聲波。

回折線圈中導線間距會影響表面波的頻率，進而影響車輪踏面裂紋識別精度。圖4 展示了不同導線間距對傳感器表面波頻率的影響。從圖中可以看出，隨著L取值的增大，電磁聲表面波的頻率逐步向低頻偏移。此外，L僅改變了曲線諧振位置，而曲線的形狀并未明顯改變，且3 dB 帶寬保持了良好的穩定性，這表明電磁聲表面波帶寬穩定。

圖4 不同L取值對電磁聲表面波頻率的影響

2.2 電磁聲表面波在車輪面的傳播特性

火車車輪踏面為曲面，當電磁聲表面波沿著踏面傳播時，垂直于踏面的曲率為0。此時，可近似簡化成二維模型進行研究。圖5 為踏面電磁聲表面波仿真模型示意圖。踏面周長為300 mm，設有兩個激勵點，且兩點的間距為3 mm。除踏面所在的外表面，其余表面均為理想邊界。圖6 為踏面電磁聲表面波在傳播方向軸向的仿真結果。

圖5 踏面電磁聲表面波仿真模型示意圖

圖6 踏面電磁聲表面波在傳播方向軸向的仿真結果

從圖6(a)中可以看出，電磁聲表面波的幅度相對平緩，并未隨著傳播距離的增加而改變；而當車輪半徑改變時，也未對電磁聲表面波的幅度產生明顯的影響。由圖6(b)可知，車輪厚度對電磁聲表面波幅度的影響。隨著軸向深度的增加，電磁聲表面波幅度大幅下降。而當軸向深度超過5 mm 時，幅度下降了約80%。圖6(c)說明了隨著傳播距離的增加，電磁聲表面波相位逐漸增大。值得注意的是，當車輪半徑變小時，相位改變量會隨之增大。而當車輪半徑增大到一定程度后，相位則幾乎恒定不變。

3 測試與驗證

為了驗證該文所提方案的有效性與可行性，進行了實驗驗證。測試采用一個回折線圈作為電磁聲表面波的發射和接收傳感器。使用RPR-400 高能脈沖發射接收儀作為激勵信號的生成儀器，并將數字示波器作為結果展示儀器。測試一共設置了三種裂紋進行驗證，具體如表1 所示，且每種裂紋均使用三種頻率分別檢測20 次。

表1 裂紋信息明細表

火車車輪上的裂紋形態復雜，需要對其進行準確地描述和建模分析。文中使用凹槽來模擬裂紋，并分別從凹槽的深度與寬度來分析裂紋對電磁聲表面波傳播的影響，進而形成火車車輪踏面裂紋檢測方法。帶凹槽的面電磁聲表面波傳輸仿真模型，如圖7 所示。圖中，使用H來表示裂紋的寬度或深度。在裂紋后設置監測點Q來檢測電磁聲表面波的幅度變化，進而可得到因裂紋透射的電磁聲表面波的比例。

圖7 帶裂紋的電磁聲表面波傳輸仿真模型

為避免因多次實驗引起的電磁聲表面波的頻率差異而導致的結果不一致，該文將裂紋的深度H與激勵點距離和測試電磁聲表面波頻率乘積的比值作為橫軸；將Q點檢測到的幅度值與激勵點的幅值作比較，得到透射系數作為縱軸。圖8 展示了裂紋深度、頻率與透射系數之間的關系。

從圖8 可以看出，不同頻率電磁聲表面波的透射系數曲線走勢基本一致，并呈現出三種趨勢，將其在圖中分別標注為a、b、c。當H/Lf的數值小于0.8時，即a部分的透射系數迅速下降，為單調曲線；當H/Lf的數值大于0.8 且小于2.0 時，即b部分的透射系數出現小幅度的上升和下降；當H/Lf值大于2.0 時，即c部分的透射系數變化較小。綜合以上分析可知，當H/Lf值小于0.8 時，可根據透射系數的大小推算出裂紋的深度。

圖8 頻率和裂紋深度對電磁聲表面波傳輸的影響

通過進一步分析車輪半徑、電磁聲表面波頻率與車輪周長之間的關系，并引入相對曲率變量。相對曲率變量被定義為電磁聲表面波波長與車輪曲率的比值，由此得到相移速度與相對曲率之間的關系曲線，如圖9 所示。由于火車車輪的直徑相對固定，在所研究的踏面厚度范圍內，電磁聲表面波在單位長度的相位移動與踏面的曲率成正比。因此，可通過相位速度來估計裂紋的位置。

圖9 相移速度與相對曲率的關系曲線

表2 展示了不同類型裂紋的檢測準確率。從表中可以看出，橫向裂紋的準確率最高，而孔的準確率最低。這主要是由于橫向裂紋垂直于電磁聲表面波的傳輸方向，所以此類裂紋對電磁聲表面波的傳輸影響最大；而孔的影響較小，因此準確率較低。綜合三種類型裂紋數據，所提方法的平均檢測準確率為75.25%。

表2 不同類型裂紋的檢測準確率

4 結束語

該文通過仿真分析電磁聲表面波在金屬表面的傳播規律，尤其是存在裂紋時透射系數與相移速度的變化，作為裂紋位置和深度的檢測依據。經驗證，該文所提的基于電磁聲表面波的火車車輪踏面裂紋檢測方法具有良好的準確性和一定的可行性。