基于超聲波的鋼軌裂縫檢測方法

1、基于超聲波的鋼軌裂縫檢測方法隨著我國鐵路向客運高速化、貨運重載化方向發(fā)展，對軌道結(jié)構的完整性提出了更高的要求，鐵路運輸安全保障工作的重要性越來越高。鋼軌作為軌道結(jié)構的基本組成部分，具有承受車輪的巨大壓力并將其傳遞到軌枕上，同時引導機車車輛車輪前進的功能。鋼軌必須為車輪提供連續(xù)、平順和阻力最小的滾動表面，還應提供較好的粘著牽引力。而鐵路運營線上如果出現(xiàn)鋼軌斷裂就有可能造成列車出軌、傾覆等重大行車安全事故。因此，必須及時檢測并發(fā)現(xiàn)鋼軌中存在的裂縫，確保鐵路運輸?shù)陌踩蜁惩?。本文提出了一種基于超聲導波在鋼軌中傳導與衰減測量技術的新的斷軌檢測方法。該方法采用兩端發(fā)射超聲導波、中央接收的檢測方式，此方法

2、不易受到鋼軌及道床的電氣參數(shù)影響，在道床泄漏阻抗小等一些不適合采用軌道電路的區(qū)段可以替代軌道電路完成斷軌檢測功能，并能通過聲波回波時間、幅值測定法估測鋼軌斷裂位置和裂紋大小。對列車運行時鋼軌中聲波頻譜的特征提取還可以使其具備區(qū)間內(nèi)列車占用檢測的功能。為了闡明該方法的檢測機理，本文詳細分析了超聲導波在鋼軌波導管中的傳播特性和鐵路環(huán)境中激勵聲的特征，然后使用LabviEW編程開發(fā)環(huán)境設計了超聲導波斷軌檢測仿真程序，完成了用戶界面、信號生成、采集、斷軌判斷與報警、波形保存等各部分程序的編寫。最后在理論分析的基礎上，采用仿真平臺分別對軌道完整態(tài)、列車占用態(tài)和斷軌態(tài)進行仿真，提出了斷軌定位及裂紋大小確定

3、方法，為該斷軌檢測方法的實際應用提供了理論和仿真依據(jù)。1 斷軌產(chǎn)生機理及超聲導波斷軌檢測方法的提出1.1斷軌產(chǎn)生的機理分析在軌道交通中由于鋼軌自身材質(zhì)的缺陷和受到各種外力的作用使得鋼軌折斷的現(xiàn)象叫斷軌。最常見斷軌原因有兩種，一種是當有列車在鋼軌上行駛時，鋼軌在列車輪對的反復沖擊力作用下發(fā)生斷裂;另一種情況是當軌道空閑時，受外界人為或自然災害使一段鋼軌缺失造成斷軌。斷軌發(fā)生后如不能及時發(fā)現(xiàn)將給鐵路運輸安全帶來極大的威脅，輕者造成列車晚點，重則導致列車顛覆和人員傷亡，因而對斷軌檢測方法的研究具有重要意義。在研究斷軌檢測方法之前首先有必要對斷軌產(chǎn)生的機理和特點進行分析，只有掌握了斷軌的產(chǎn)生機理才能采

4、取有效措施避免產(chǎn)生斷軌和減少斷軌造成的損失，并能有針對性地對斷軌多發(fā)地點進行重點監(jiān)控。1.2超聲導波斷軌檢測方案設計1.2.1檢測方法設計及超聲波傳感器超聲導波檢測屬于機械波無損檢測的范疇。通常，機械振動在彈性介質(zhì)中的傳播稱為彈性波(聲波)。波在介質(zhì)中的傳播方向與振動源(聲源)在彈性介質(zhì)中的振動方向可以相同也可以不同。因此，在無限均勻介質(zhì)中可以存在兩種傳播的波:縱波(或稱拉壓波、疏密波、P波、無旋波)和橫波(或稱S波、剪切波)，它們均以各自的特征速度傳播而無波形禍合。如果以頻率f來表征聲波并以人可感覺的頻率為分類，則可將聲波劃分為次聲波(f<ZoHz)、可聞聲波(20Hz<f<

5、;20出z)和超聲波 (f>2okHz)。本文研究內(nèi)容主要屬于超聲波范圍。在半無限彈性介質(zhì)表面處，或兩個半無限彈性介質(zhì)交界處，由于介質(zhì)性質(zhì)的不連續(xù)性，超聲波將因為一次反射或透射而發(fā)生波型轉(zhuǎn)換。隨后，各種類型的反射波和透射波及交界面波均以各自恒定的速度傳播，而傳播速度只與介質(zhì)的彈性性質(zhì)和材料密度有關，并不依賴于波動本身的特性。以圖1.1為例，此時介質(zhì)中有兩個交界面存在，而形成了具有一定厚度的“層”。位于層中的超聲波經(jīng)過多次來回反射而沿平行邊界面的方向行進，這些往返的波將會產(chǎn)生復雜的波型轉(zhuǎn)換，而且各種波形之間會發(fā)生復雜的干涉，即兩個平行的邊界制導了超聲波在介質(zhì)傳播。這樣的一個系統(tǒng)稱為超聲波導

6、，在波導中傳播的超聲波稱為超聲導波。完成這一功能的就是超聲波傳感器。圖1.1介質(zhì)中導波傳播示意圖1.2.2總體方案設計使用超聲導波原理進行斷軌檢測的方案如圖1.2所示。該斷軌檢測方法采用兩端發(fā)射、中間接收的檢測方法。圖中左右兩邊為安裝在鋼軌上的兩路超聲波壓電換能器，經(jīng)由高頻振蕩信號發(fā)生器和功率放大電路驅(qū)動后向鋼軌中發(fā)射超聲導波信號，經(jīng)鋼軌傳導后在中間由振動接收探頭接收，探頭將振動信號轉(zhuǎn)換為電信號之后經(jīng)過計算機分析處理，通過檢查在給定窗口時間內(nèi)能否接收到事先設定的超聲波信號，并結(jié)合對所獲得聲波信號的頻譜分布和幅值的判斷來確定接收端與發(fā)射端之間的鋼軌完整情況。圖1.2超聲導波斷軌檢測系統(tǒng)原理圖由于

7、軌下軌枕墊和軌枕具有彈性，通常在振動研究中作為彈簧阻尼單元處理，在高頻振動時彈簧阻尼單元振幅很小，使得軌枕墊和軌枕的振幅也很小，對兩條鋼軌的振動耦合作用不強，因此兩根鋼軌為相互獨立的兩個固體聲傳播介質(zhì)。當檢測區(qū)間內(nèi)發(fā)生鋼軌斷裂時，如圖1.3所示，如果軌2發(fā)生斷軌，斷裂處阻斷了由右端發(fā)射器傳來的超聲導波信號，中間接收器在一定時間間隔內(nèi)沒有接收到事先設定的超聲導波信號，隨即發(fā)出斷軌報警，并將報警信息經(jīng)由通信電纜傳至列控中心，同時記錄斷軌時間和波形數(shù)據(jù)。圖1.3斷軌發(fā)生時原理圖為了使接收器能分辨出信號來源方向，判別檢測信號是由左端還是右端發(fā)射器發(fā)出的，這里對左右兩端的超聲波脈沖信號源分別采用不同的脈

8、寬和間隔時間。其中左端發(fā)射器l發(fā)出的超聲波脈沖信號鏈脈寬為一秒，間隔一秒;右端發(fā)射器2發(fā)出的超聲導波脈沖信號鏈脈寬兩秒，間隔兩秒。接收器通過特定的延遲和疊加方法對接收到的聲波信號進行特征提取，可以辨別出檢測信號是由左路還是右路傳來的。1.2.3超聲導波信號頻率的確定由于鋼軌本身形狀和物理尺寸的原因，其介質(zhì)對聲波的傳導通常會存在一個固有截止頻率。當在鋼軌中傳導的聲波頻率低于鋼軌的截止頻率時，聲波在鋼軌中會以一維平面波的形式傳播，可以通過理論模型進行傳播特性計算;而當鋼軌中有高于截止頻率的聲波傳導時，聲波會在傳播過程中發(fā)生波形轉(zhuǎn)換，形成由表面波、蘭姆波、水平剪切波等各種波形混合組成的復合波形，若要

9、采用理論模型對鋼軌介質(zhì)進行導波傳播特性分析將是十分困難的。國外近年來在超聲導波傳播領域的研究中開始逐漸趨向于通過試驗研究的方法對超聲導波在鋼軌中傳播與衰減的特性進行分析。通過試驗中聲波的發(fā)射和實際測量，可以排除了理論公式的一些局限條件，可以更加真實的反映聲波在鋼軌中的傳播特點。其中較為典型的是 Philipw.Loveday在非州2.5km的spoornet試驗線上進行的導波在鋼軌中的傳導試驗z9】，其基本原理如圖1.4所示。圖1.4超聲導波在鋼軌中傳導的掃頻試驗在試驗中，PhiliP在試驗線上的鋼軌軌腰上安裝焊有壓電發(fā)射探頭的楔形鋁制基座，采用不同的聲波激勵頻率進行掃頻激勵，以 1000V的

10、激勵電壓幅值激勵壓電探頭向鋼軌中發(fā)射超聲導波，在接收端分別測量不同頻率的超聲導波在鋼軌中傳導相同距離后接收傳感器的輸出幅值。按照理論分析，如果接收到的導波信號幅值越大，說明鋼軌聲場對該頻段范圍的聲波機械阻抗小，這種頻率的超聲導波傳播距離遠、傳播相同距離后衰減相對較少、信噪比高，有利于使用其進行斷軌檢測。圖1.5所示為其部分幅值最大頻率范圍內(nèi)的試驗結(jié)果。圖1.5接收端頻率與傳感器輸出電壓幅值關系圖由圖1.5可以發(fā)現(xiàn)，接收端接收到的31.6kHz至33.6kHz的超聲導波幅值較大，說明鋼軌聲場對該頻段范圍的聲波機械阻抗小，有利于聲波的傳導，因此本文斷軌檢測用導波發(fā)射頻率設定在該頻率范圍之內(nèi)。2超聲

11、導波斷軌檢測仿真研究2.1仿真程序設計對超聲導波斷軌檢測方法進行計算機仿真的主要目地是對現(xiàn)場實際檢測過程中將會遇到的鋼軌正常工作態(tài)、列車占用態(tài)、斷軌態(tài)以及可能出現(xiàn)的一些特殊情況進行仿真設計，為今后實際設備的研制開發(fā)中可能會遇到的一些問題進行仿真研究。在仿真之前首先需要建立一個基于LabVIEW開發(fā)環(huán)境的虛擬儀器仿真平臺，編寫的仿真程序需要實現(xiàn)超聲導波斷軌檢測中的檢測信號源的生成、接收端信號接收與處理、斷軌判斷以及報警和記錄等功能。超聲導波斷軌檢測虛擬儀器仿真程序框架結(jié)構如圖2.1所示。圖2.1仿真程序結(jié)構框架圖2.2檢測信號生成程序該部分主要采用LabVIEW函數(shù)選板下的仿真信號發(fā)生器控件，通

12、過設置其參數(shù)及模塊組合產(chǎn)生兩路頻率相同但脈寬相異的高頻脈沖振蕩信號，其中左路信號源為脈寬為1秒、時間間隔1秒、頻率為3IkHz的脈沖電信號，右路信號源為脈寬為2秒、時間間隔2秒、頻率與左路相同的脈沖電信號。由于LabVIEW提供的強大的模塊化功能，從軟件仿真過渡到將來的硬件設計階段可以直接將仿真信號源導入DAQ輸出控件，直接驅(qū)動NI數(shù)據(jù)采集卡的模擬輸出通道產(chǎn)生高頻脈沖振蕩信號，再經(jīng)過放大就可以控制超聲波發(fā)射探頭向鋼軌中發(fā)射超聲導波。2.3數(shù)據(jù)采集程序每個檢測區(qū)段的中間接收點需要完成對兩端傳來的檢測信號的采集工作。接收端數(shù)據(jù)采集程序主要包括采集參數(shù)的設置、物理通道選擇、采樣模式、采樣率、每通道采樣數(shù)、輸入方式的配置和采樣邊界值設置等。在今后的硬件實現(xiàn)中由于NI的數(shù)據(jù)采集卡支持DAQmx驅(qū)動程序，所以程序中預留了DAQmx Data Acquisition硬件驅(qū)動模塊。2.4斷軌判斷與報警程序?qū)τ跀嘬壟袛嗯c報警程序這里采用用戶事件來編寫。當給定時間間隔內(nèi)接