道岔尖軌軌底缺陷的磁致伸縮導波監測實驗研究?

劉 堯 吳 斌 劉秀成 栗霞飛 林書毅 李佳明 譚樹林 王鵬躍

(1 北京工業大學材料與制造學部 北京 100124)

(2 北京格創精儀科技有限公司 北京 102629)

(3 北京全路通信信號研究設計院集團有限公司 北京 100073)

0 引言

道岔尖軌是鐵路系統中列車轉向結構的重要組成部分，在服役過程中承受環境溫度變化和列車載荷的作用，致使其表面和內部容易產生各類缺陷，其中軌底缺陷最常見也是傳統超聲探傷方法較難探測的缺陷[1]。

相比超聲體波，超聲導波可在波導結構中進行低衰減和長距離傳播[2?3]。道岔軌底是典型的波導結構，通過選擇合適的超聲導波模態和頻率，可以對道岔尖軌進行大范圍缺陷檢測。在此基礎上，開發導波監測系統，有望實現道岔尖軌缺陷在線監測，為軌道智慧運維提供工程技術方案。

研究道岔尖軌的超聲導波檢監測技術，主要需從導波傳播特性分析、傳感器與系統研制及實驗數據處理等方面開展工作。Hayashi 等[4]、Rose 等[5]和盧超等[6?7]采用半解析有限元法計算了鋼軌中的頻散曲線。半解析有限元法主要適用于等截面波導的頻散特性求解。由于道岔尖軌沿長度方向具有變截面幾何特征，難以準確計算其頻散曲線，目前研究超聲導波在道岔尖軌中的傳播特性主要集中于有限元仿真。范振中[8]在ABAQUS 軟件中對道岔尖軌建模，仿真分析了軌底激勵的Lamb 導波在尖軌中的傳播過程，研究表明選擇激勵頻率為60 kHz的導波可以有效檢測出軌底缺陷。

Burger 等[9]、Loveday 等[10]利用壓電傳感器在軌腰位置激勵超聲導波，實現了1 km 范圍內斷軌的檢測。同時，該團隊還開發了壓電導波監測系統，應用于重載鐵路軌道監測實驗，實現了長距離內軌底粘接質量塊(模擬缺陷)及其與軌底粘接狀態不斷劣化的監測。但是，壓電傳感器在鋼軌中易激勵出多種模態導波，增加了缺陷特征識別難度。相對傳統壓電探頭，磁致伸縮導波傳感器可設計性強，根據待測波導結構可研制適用性強的傳感器，同時磁致伸縮傳感器更易激勵出純凈的單一模態導波。胡劍虹等[11]、付連著等[12]開發了適用于鋼軌的磁致伸縮導波傳感器，可以在軌底激勵出類SH導波，利用該傳感器在道岔尖軌中開展了缺陷監測實驗，可以對截面損失率約3.4%的軌底缺陷進行有效監測。

諸多研究表明導波監測信號特征受溫度影響，為了實現導波信號的溫度補償，Salmanpour 等[13]提出一種基于基線信號拉伸的溫度校正改進方法。Moll 等[14]通過選擇最優基線，利用基線信號拉伸法對采集導波信號進行了溫度補償，實現了裂紋缺陷識別。基線信號拉伸法主要對溫度引起的導波速度變化進行補償[15]，但目前針對幅值變化的溫度補償方法研究較少。

本文研究利用磁致伸縮超聲導波技術對道岔尖軌軌底缺陷進行監測。重點通過實驗分析了溫度變化對導波信號特征的影響，對比研究了兩種溫度補償方法對信號的處理效果。經過溫度補償的導波監測結果可以很好地反映出軌底缺陷尺寸逐步增大過程，驗證了開發的道岔尖軌軌底缺陷導波監測系統的有效性。

1 監測方法

本文選擇將水平剪切模態磁致伸縮傳感器固定安裝在道岔尖軌底面，以激發類SH0模態導波，對道岔尖軌中的缺陷進行監測。傳感器激發的類SH0模態導波沿尖軌向傳感器兩側傳播，經過缺陷、轉轍機構時會發生反射。因尖軌是變截面波導結構，軌底激發的導波在尖軌中擴散傳播時會出現多重邊界反射、頻散和模態轉換等復雜現象，導致多模態波包相互混疊和展寬等，傳感器接收的回波信號中難以直接提取缺陷信息。

此外，環境溫度變化會改變不同模態導波的群速度，導致接收的回波信號在時域上存在漂移。更重要的是，尖軌溫度波動會影響傳感器與軌底的耦合狀態，影響傳感器激發導波性能的穩定性，易造成激發導波幅值隨溫度變化而產生的波動。

復雜的結構噪聲信號和溫度變化引起的傳感器性能波動，均導致傳統的檢測方法難以實現對尖軌缺陷信號的有效識別。基于波形特征變化的導波監測有望解決尖軌缺陷處導波反射信號的識別難題。具體操作步驟為

(1) 參考信號獲取。在無缺陷的尖軌中進行導波信號采集，并確定關注的檢測尖軌區段，以對應地在時域信號中設定觀察時間窗口[ts,te]。

(2) 監測信號分析。在設定的觀察時間窗口內，對不同監測時間采集的導波回波信號進行特征分析，比如波包能量值E，其計算公式為

式(1)中，A(t)為t時刻的信號幅值。

(3) 特征值溫度補償。將統計得到的波包能量值代入溫度補償公式，得到補償后的波包能量值Ec。本文采用了基于標定方程和參考基準的兩種溫度補償方法。

標定方程補償法中，統計轉轍機構反射回波時間段內的波包能量值計為Ez，其隨溫度T的變化規律以線性方程進行擬合，得到標定方程，將其視為波包能量隨溫度變化的理想曲線。計算實驗測試所得的數據Ez(T)和(T)的比值，作為不同溫度下的補償系數

目標位置(Object)觀察時間窗口初始無缺陷態的波包能量為Eobj(T)，經補償后的結果為Ec(T)=Eobj(T)/Q。

基于參考基準的補償法中，將轉轍機構反射信號能量Ez作為基準，對觀察時間窗口內的波包能量E進行歸一化處理，得到參數η=E/Ez用于反映缺陷回波信息。

(4) 分析波包能量值Ec隨監測時間的變化趨勢，通過合理設定判別閾值，即可對尖軌中的缺陷信號進行識別。

2 實驗系統

實驗在天津某工程現場進行，針對長14.28 m的14 號道岔尖軌開展缺陷的導波監測。圖1(a)示出了傳感器在道岔尖軌的安裝位置及與傳感器相近的主要特征結構(轉轍機構、人工加工缺陷)的位置。監測實驗持續約14 h，溫度變化范圍為14.5?C～25.5?C，共采集得到96 組導波信號。監測過程中，采用砂輪切割方式在軌底側面加工槽型缺陷，共分8 次進行加工以模擬缺陷程度的逐步加劇過程。圖1(b)給出了不同等級缺陷的實物照片，依據實測結果，8個等級缺陷的長度分別約為1.2 mm、4.6 mm、7.5 mm、14.6 mm、18.8 mm、22.3 mm、39.4 mm和51.5 mm。

圖1 尖軌結構示意圖及軌底缺陷實物照Fig.1 Schematic diagram of the switch rail structure and the actual photo of the rail bottom defect

圖2(a)為課題組自主研發的磁致伸縮導波監測系統，主要包括安裝于軌底的磁致伸縮傳感器、導波監測設備。導波監測設備采用ARM 主控導波激勵、采集模塊的工作參數。ARM 主控中外接4G模塊和信號天線，作為TCP客戶端將導波檢測數據上傳至云服務器。云服務器運行TCP 和HTTP 兩個服務器，分別用于數據接收和信號監測界面顯示。利用JavaScript 語言編寫基于Node 環境的監測系統軟件。計算機遠程訪問云服務器中的監測系統軟件，實現導波監測設備工作參數的遠程操控、導波監測數據的查看和下載。

圖2 磁致伸縮導波監測系統Fig.2 Magnetostrictive guided wave monitoring system

圖2(b)為磁致伸縮導波傳感器，主要包括線性排布的永磁鐵陣列、導波檢測線圈和鐵鈷合金帶，其中鐵鈷合金帶的寬度為50.8 mm。永磁鐵陣列在鐵鈷合金帶中形成沿寬度方向的靜態偏置磁場Hs，纏繞于鐵鈷合金帶的檢測線圈中通入交變電流以產生沿帶材長度方向的動態交變磁場Hd。基于逆魏德曼效應，鐵鈷合金帶中形成一定頻率的剪切形變，通過耦合劑傳遞至軌底形成沿尖軌傳播的類SH0模態導波。針對道岔尖軌目前沒有準確的頻散曲線，無法得到類SH0模態導波在尖軌中的準確速度，文中以SH0模態導波在鋼板中的傳播速度3260 m/s作為參考。根據半波長控制原理，磁致伸縮導波傳感器激發出的類SH0導波的中心頻率約為30 kHz。導波激勵信號采用周期33.33 μs、占空比為50%的雙極性方波脈沖。導波儀器的采樣頻率設置2 MHz，采樣點數為20000。采集得到的實驗信號都經過帶通濾波處理，濾波范圍為15～70 kHz。

利用所制作的磁致伸縮導波傳感器在厚2 mm的鋼板中開展掃頻實驗，實驗設置如圖3(a)所示。激勵頻率范圍為20～100 kHz，傳感器工作于自激勵、自接收模式。從接收回波信號中提取端面反射回波的峰峰值，繪制其隨激勵頻率的變化曲線，如圖3(b)所示。可以觀察到：當激勵頻率約為30 kHz時，采集得到的回波信號幅值最大。

圖3 磁致伸縮導波傳感器掃頻實驗結果Fig.3 Results of frequency sweep experiment of magnetostrictive guided wave transducer

3 數據分析

圖4(a)給出了無缺陷和缺陷達到第8等級時采集得到的導波信號原始波形，圖中的標識①和②為轉轍機構前后兩個端面的反射信號，③為軌底缺陷反射信號。通過對比可以明顯看出：相比無缺陷時的結果(基準信號)，缺陷存在時觀察窗口內的回波幅值明顯增強。利用希爾伯特變換求取圖4(a)所示波形的包絡，有無缺陷時導波信號包絡線的差值如圖4(b)所示。差值結果表明圖2 所示的導波監測系統可以有效識別道岔尖軌中的缺陷信號。

圖4 有無缺陷時傳感器采集的時域波形信號Fig.4 The time domain waveform signal collected by the sensor with and without defects

從圖4 中可以觀察到轉轍機構的反射信號，其由多個波包混疊而成，主要原因是導波在轉轍機構的兩端面及其中部的螺栓孔處均存在較強的反射。在圖4(b)所示的包絡差值結果中轉轍結構反射波并未完全消除，這與溫度差異引起的波形偏移有關。

3.1 溫度對導波信號的影響

以圖4(a)轉轍機構反射回波中的子波包②為例，分析溫度對導波信號特征的影響。圖5 中給出了不同溫度條件下測得的典型導波反射信號波形。溫度的波動引起了反射回波幅值和相位的變化，主要的內在機制主要包括兩類：(1) 溫度變化會引起材料彈性常數的波動，導致群速度頻散曲線發生偏移[16]；(2) 磁致伸縮傳感器和軌底間耦合層(環氧樹脂)的彈性常數以及耦合界面特性隨溫度而波動，導致耦合至軌底的導波幅值和相位發生變化[17]。

圖5 不同溫度下轉轍機構反射子波包信號波形Fig.5 Waveforms of reflected wavelet packets of switch mechanisms at different temperatures

上述兩種機制同時存在，難以進行解耦分析。這里只探究實驗過程中獲得的變化規律。對圖5 所示的子波包進行波包能量Ez統計，并提取標記區間A 內波包極大值對應的傳播時刻tA，它們隨溫度的變化趨勢分別如圖6(a)和圖6(b)所示。

圖6 監測實驗中參量Ez、參量tA 的變化趨勢Fig.6 Change trend of parameters Ez and tA in monitoring experiments

監測實驗從2020 年10 月20 日 的17 點持續到23 點，環境溫度從最初的21.6?C 持續下降至15.5?C；2020 年10 月21 日的9 點持續到17 點，環境溫度由17.3?C 上升到25.5?C，隨后逐步降溫至14.5?C。在此過程中，轉轍機構反射回波波包能量值變化趨勢與環境溫度變化趨勢基本吻合。參量tA的總體變化趨勢雖也呈現先下降后上升的規律，但總體波動較為劇烈。圖6 所示結果表明：溫度對尖軌導波監測信號的影響不可忽視。

進一步定量分析溫度和參量Ez、參量tA的關系，結果如圖7 所示。轉轍機構反射子波包能量值Ez與溫度近似線性相關，擬合方程為

圖7 參量Ez、參量tA 和溫度的關系Fig.7 The relationship between parameter Ez,parameter tA and temperature

方程擬合確定系數為R2=0.7488。由于監測過程中的溫度波動范圍有限，雖然觀察到參量tA與溫度存在正相關性，但變化趨勢尚難以用方程進行有效擬合，后續不再做進一步分析。

3.2 溫度補償

采用基于標定方程和參考基準的兩種溫度補償方法對導波監測信號進行處理。以缺陷反射回波所在區間B 為例，圖8 給出了補償前后的波形結果。其中，圖中“A1”、“A2”、“A3”和“A4”表示制作缺陷前后及經過不同溫度補償方法處理后的時域信號最大幅值，無缺陷和有缺陷兩組實驗信號所對應的溫度分別為21.1?C和14.5?C。

圖8 補償前后的缺陷回波信號對比Fig.8 Comparison of defect echo signals before and after compensation

在時間窗口0.65～0.85 ms 內統計波包能量值。以無缺陷時該窗口波包能量值Eq作為基準，同時截取目標信號在該窗口的波包能量值Eq1，以增長率β來評價兩種溫度補償方法的效果，其中β=(Eq1?Eq)/Eq。在標定方程補償方法中，增長率可表示為β=(Eq1?Eq/Q)/(Eq/Q)。采用參考基準補償后，目標信號在該窗口的波包能量值表示為Eq2，則增長率為β=(Eq2?Eq)/Eq。如圖9 所示，基于標定方程的補償方法對不同等級缺陷信號的補償效果存在較大波動，例如第3、第4 等級缺陷信號補償后β隨缺陷等級增大而增大(有利于缺陷識別)，但第5、第6 等級缺陷信號補償后β反而下降，也即補償后缺陷信號的識別程度下降。這可以從圖6 所示的結果進行關聯分析，主要原因是波包能量與溫度的關系并不嚴格遵循線性正相關，補償效果隨溫度存在一定波動。

圖9 不同等級缺陷信號的溫度補償效果對比Fig.9 Comparison of temperature compensation effects of different levels of defect signals

相比而言，基于參考基準的溫度補償方法對不同等級缺陷回波信號的補償效果趨于一致。補償后的波包能量增長率β均較未補償時有了明顯提升，一定程度增強了缺陷回波信號。因此，后續將采用參考基準法對導波監測信號進行溫度補償。

4 監測結果與討論

圖10(a)為軌底缺陷等級逐步加劇過程中觀察窗口內的波包能量統計值，并以最后一次測試結果為基準進行歸一化處理，圖中僅展示了第二天實驗數據。在未加工缺陷之前，未經溫度補償的波包能量值出現較大幅度的波動，數據的變異系數約為23.86%。利用參考基準法進行溫度補償后，數據的變異系數下降至約9.65%，驗證了參考基準法具有良好的溫度補償作用。

圖10 軌底缺陷監測結果及缺陷深度與特征參數間的關系Fig.10 Bottom defect monitoring results and the relationship between defect depth and characteristic parameters

當缺陷尺寸d逐步增大后，波包能量值總體呈現上升趨勢。未進行溫度補償前的數據存在較大跳動，難以從波包能量值中對缺陷等級進行區分。經過溫度補償后的曲線區域平滑，可以近似單調地反映出缺陷尺寸的不斷擴大。提取不同等級缺陷導波監測信號的波包能量值，其隨缺陷深度的關系如圖10(b)所示。特征參量η與軌底缺陷尺寸間的關系可以用拋物線方程進行描述：

方程的擬合優度R2=0.8677。這表明經過溫度補償后的導波波包能量值具有對缺陷尺寸進行定量評估的潛力。

5 結論

(1) 開發的道岔尖軌磁致伸縮導波監測系統，可以有效監測到轉轍機構、軌底缺陷等的反射回波信號。特征波包能量值、傳播時間與溫度間總體呈現正相關，特征波包能量值和溫度存在近似線性關系，表明溫度對導波監測信號的影響不可忽視。

(2) 為抑制溫度對導波監測信號的影響，對比分析了基于標定方程和參考基準的兩種信號補償方法。相比標定方程補償法，參考基準法的補償效果更好，補償后的波包能量值可以反映出軌底缺陷尺寸逐步擴大的趨勢。

(3) 補償后的導波監測信號波包能量值與軌底缺陷深度的關系近似服從拋物線方程，表明開發的道岔尖軌磁致伸縮導波監測系統有望實現軌底缺陷的定量評估。