道岔是指使列車(chē)由一條線路轉(zhuǎn)入或跨越另一條線路的連接及交叉設(shè)備，是鐵路軌道結(jié)構(gòu)的重要組成。尖軌是道岔結(jié)構(gòu)的重要部件，其構(gòu)造復(fù)雜且狀態(tài)多變，容易產(chǎn)生裂紋、掉塊等不同程度的傷損，傷損嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致尖軌斷裂，給鐵路運(yùn)輸安全帶來(lái)極大威脅[1]。現(xiàn)有的尖軌軌底探傷采用手工檢查與目視檢測(cè)相結(jié)合的方式，效率低下，漏檢可能性大。因此，研究實(shí)現(xiàn)道岔尖軌軌底快捷有效探傷的方法，開(kāi)發(fā)適用于現(xiàn)場(chǎng)使用的便攜設(shè)備，及早發(fā)現(xiàn)尖軌傷損部位，成為了鐵路無(wú)損檢測(cè)工作的新課題。 

目前，超聲導(dǎo)波技術(shù)具有傳播距離遠(yuǎn)、速度快，檢測(cè)效率高、范圍大[2-4]等特點(diǎn)，受到越來(lái)越多的國(guó)內(nèi)外學(xué)者關(guān)注，并將其應(yīng)用到基本軌的傷損監(jiān)測(cè)、檢測(cè)中。盧超等[3]采用半解析有限元法求解了鋼軌中的頻散曲線，得到了適合鋼軌軌底檢測(cè)的垂直振動(dòng)模態(tài)。胡辰陽(yáng)等[4]研究了鋼軌中單一模態(tài)的激勵(lì)方法，并驗(yàn)證了該激勵(lì)方法的缺陷檢測(cè)能力，但是由于道岔尖軌沿長(zhǎng)度方向具有變截面的特性，無(wú)法求解其頻散曲線。陳嶸等[5]提出了考慮截面信息的三維頻散曲面，并找到了受截面變化影響較小的模態(tài)。為探究溫度對(duì)導(dǎo)波的影響規(guī)律，粟霞飛等[6]通過(guò)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)信號(hào)幅值與溫度呈近似線性關(guān)系。LEE等[7]利用壓電傳感器采集導(dǎo)波信號(hào)，分析了較大溫度范圍內(nèi)蘭姆波的溫度效應(yīng)，發(fā)現(xiàn)隨著溫度升高信號(hào)聲速和振幅均下降。 

文章采用超聲導(dǎo)波技術(shù)開(kāi)展尖軌傷損檢測(cè)研究，選取高速道岔尖軌中長(zhǎng)度長(zhǎng)、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的60-18號(hào)單開(kāi)道岔直線尖軌為研究對(duì)象，通過(guò)模態(tài)分析求解受截面變化影響較小的模態(tài)振型，并仿真設(shè)置不同尺寸的傷損來(lái)驗(yàn)證該模態(tài)的檢測(cè)能力。針對(duì)溫度對(duì)導(dǎo)波檢測(cè)的影響研究，文章擴(kuò)大了溫度范圍，對(duì)-35 ℃~55 ℃內(nèi)得到的實(shí)測(cè)信號(hào)進(jìn)行分析，并擬合出線性關(guān)系式。最后，使用自主研發(fā)的手持式超聲導(dǎo)波探傷儀采集導(dǎo)波信號(hào)，采取補(bǔ)償算法對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，驗(yàn)證了溫度補(bǔ)償效果，提高了傷損定位精度。 

1.   導(dǎo)波模態(tài)激勵(lì)分析

為明確超聲導(dǎo)波在道岔尖軌中的傳播特性，對(duì)道岔尖軌的頻散曲線和模態(tài)振型進(jìn)行求解。宋文濤等[8]發(fā)現(xiàn)道岔尖軌截面的變化并未對(duì)模態(tài)振型能量分布產(chǎn)生明顯影響。文章使用COMSOL軟件的模式分析功能對(duì)道岔尖軌任意截面進(jìn)行了參數(shù)化掃描，該截面距道岔尖軌尖端10 847 mm。在軟件中將材料設(shè)置為鋼，其密度為7 850 kg·m−3，彈性模量為210 GPa，泊松比為0.3。求解的頻率為64 kHz下道岔尖軌的模態(tài)如圖1所示。模態(tài)名稱按照波數(shù)由大到小命名，并標(biāo)注其波數(shù)。模式分析后得出，垂直彎曲模態(tài)1（VB-M1）和垂直彎曲模態(tài)3（VB-M3）的模態(tài)振型能量集中于軌底，適合軌底無(wú)損檢測(cè)使用（圖1中灰色部位代表模態(tài)振型能量集中的部位）。 

圖  1  頻率為64 kHz下道岔尖軌的導(dǎo)波模態(tài)示意

進(jìn)一步求解上述截面在頻率為0~100 kHz時(shí)的頻率-波數(shù)曲線和相速度頻散曲線，其結(jié)果如圖2所示。 

圖  2  頻率為0~100 kHz時(shí)的頻率-波數(shù)曲線和相速度頻散曲線

每條曲線代表不同頻率下的模態(tài)振型，從圖2中可以發(fā)現(xiàn)，隨頻率的增加，超聲導(dǎo)波的模態(tài)數(shù)量也呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)。VB-M1、VB-M3模態(tài)在40~100 kHz頻率內(nèi)相速度變化較為平緩。在該頻率段進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，導(dǎo)波的頻散特性對(duì)信號(hào)的影響較小，并標(biāo)注了頻率64 kHz下VB-M1、VB-M3模態(tài)對(duì)應(yīng)曲線中的位置。在常溫20 ℃環(huán)境下，VB-M1、VB-M3模態(tài)的相速度和群速度值如表1所示。由模態(tài)振型圖可以看出VB-M3模態(tài)檢測(cè)范圍優(yōu)于VB-M1模態(tài)的范圍，故選擇VB-M3模態(tài)的范圍為激勵(lì)模態(tài)。 

2.   仿真模型建立

建立道岔尖軌三維模型，模擬導(dǎo)波在尖軌中的傳播，并設(shè)置傷損驗(yàn)證模態(tài)對(duì)傷損的檢測(cè)能力。模型總長(zhǎng)設(shè)置為3 m，在道岔尖軌模型靠近根端的軌底工作面上坡面通過(guò)設(shè)置點(diǎn)激勵(lì)信號(hào)的方式激勵(lì)導(dǎo)波，傷損位置距離激勵(lì)位置2 m，道岔尖軌仿真模型如圖3所示。激勵(lì)信號(hào)選用漢寧窗調(diào)制的64 kHz的5周期正弦波信號(hào)，可有效減少能量泄漏，導(dǎo)波激勵(lì)信號(hào)如圖4所示。激勵(lì)函數(shù)為 

式中：f為頻率；t為時(shí)間；π為波數(shù)。 

圖  3  道岔尖軌仿真模型示意

圖  4  導(dǎo)波激勵(lì)信號(hào)示意

依據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 31211.1—2024《無(wú)損檢測(cè) 超聲導(dǎo)波檢測(cè) 第1部分：總則》，設(shè)置了截面損失率分別為3，6，9%的三種不同傷損，傷損尺寸如表2所示。 

3.   仿真結(jié)果分析

以截面損失率9%的傷損為例，得到的不同時(shí)間下的波場(chǎng)如圖5所示。圖5中，在7.291 7×10−4 s前，導(dǎo)波在軌底以入射波的形式向遠(yuǎn)端傳播。7.291 7×10−4 s后，導(dǎo)波傳播到傷損位置，部分能量以反射波的形式返回，其余能量以透射波的形式繼續(xù)向遠(yuǎn)端傳播。可以看到，道岔尖軌復(fù)雜的截面形狀導(dǎo)致了部分能量散射到軌腰和軌頭位置，但大部分能量仍集中在軌底區(qū)域。 

圖  5  9%傷損不同時(shí)間下的波場(chǎng)示意

提取導(dǎo)波時(shí)域信號(hào)進(jìn)行分析，得到不同截面損失率的導(dǎo)波時(shí)域信號(hào)，結(jié)果如圖6所示。由圖6可以發(fā)現(xiàn)，隨著傷損截面損失率的增大，傷損回波的幅值也在相應(yīng)增加；同時(shí)，傷損的存在使得導(dǎo)波傳播到傷損區(qū)域時(shí)損失了部分能量，端面回波幅值隨著傷損回波幅值的增加而下降。為對(duì)傷損進(jìn)行定量分析，定義入射波強(qiáng)度（以幅值表示）為AL，反射波強(qiáng)度為AR，透射波強(qiáng)度為${\mathrm{<span\; style="font-size:\; 16px;\; color:\; rgb(0,\; 0,\; 0);">?</span>}}_{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 16px;\; color:\; rgb(0,\; 0,\; 0);">?</span>}}\text{<span style="font-size: 16px; color: rgb(0, 0, 0);">=</span>}{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 16px;\; color:\; rgb(0,\; 0,\; 0);">?</span>}}_{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 16px;\; color:\; rgb(0,\; 0,\; 0);">?</span>}}\text{<span style="font-size: 16px; color: rgb(0, 0, 0);">-</span>}{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 16px;\; color:\; rgb(0,\; 0,\; 0);">?</span>}}_{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 16px;\; color:\; rgb(0,\; 0,\; 0);">?</span>}}$，則反射系數(shù)可表示為 

圖  6  不同截面損失率傷損的時(shí)域信號(hào)曲線

透射系數(shù)表示為 

由此可以得到反射系數(shù)、透射系數(shù)與傷損大小的關(guān)系，其結(jié)果如圖7所示。 

圖  7  反射、透射系數(shù)與傷損大小的關(guān)系示意

4.   溫度影響試驗(yàn)

4.1   試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)設(shè)備包括高低溫交變濕熱試驗(yàn)箱、自研手持式超聲導(dǎo)波探傷儀、探頭和尖軌軌底試塊。壓電換能器楔塊角度設(shè)計(jì)為40°。探頭由兩個(gè)換能器和固定底座組成，固定底座為200 mm×50 mm×10 mm（長(zhǎng)×寬×高）的長(zhǎng)方體，探頭外形參數(shù)如圖8所示。探傷儀基于ARM（精簡(jiǎn)指令集架構(gòu)處理器）和FPGA結(jié)構(gòu)（現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列），包含2路超聲波發(fā)射/接收模擬通道、1路溫度采集通道，可以通過(guò)USB和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)無(wú)縫集成，輔以后臺(tái)輔助軟件分析檢測(cè)數(shù)據(jù)，其主要技術(shù)參數(shù)如表3所示。壓電換能器中心頻率64 kHz，直徑為45 mm，峰值電壓<1 500 VPP（峰峰值電壓）。 

圖  8  探頭外形參數(shù)示意

4.2   試驗(yàn)平臺(tái)與試驗(yàn)過(guò)程

搭建的高低溫試驗(yàn)平臺(tái)實(shí)物如圖9所示。導(dǎo)波探頭布置于尖軌軌底工作邊的上坡面，其由兩個(gè)壓電換能器和一個(gè)軌溫傳感器組成，其中一個(gè)壓電換能器用于發(fā)射導(dǎo)波，放置于離尖軌尖端0.94 m處；另一個(gè)壓電換能器用于接收導(dǎo)波反射回波，放置于離尖軌尖端0.87 m處；軌溫傳感器帶有磁性，緊密吸合在尖軌表面。探傷儀可通過(guò)高頻電路產(chǎn)生64 kHz、5周期脈沖電信號(hào)，激勵(lì)壓電換能器產(chǎn)生超聲波，并通過(guò)斜入射楔塊耦合進(jìn)入尖軌形成所選VB-M3模態(tài)導(dǎo)波；導(dǎo)波傳播到尖軌尖端后反射，被另一壓電換能器接收形成電信號(hào)，探傷儀以1.2 MHz的采樣頻率進(jìn)行電信號(hào)采集。試塊為截取的一段長(zhǎng)度為0.98 m的60-18號(hào)單開(kāi)道岔直線尖軌。導(dǎo)波探頭與試塊置于高低溫交變濕熱試驗(yàn)箱內(nèi)，使用航空機(jī)油作為耦合劑，以確保溫度變化時(shí)具有良好的耦合效果。 

圖  9  高低溫試驗(yàn)平臺(tái)實(shí)物

4.3   試驗(yàn)結(jié)果

采集到的-32.8 ℃、10.1 ℃和54.5 ℃導(dǎo)波回波信號(hào)如圖10所示，可見(jiàn)尖軌軌溫越高，峰值點(diǎn)越向右偏移，即導(dǎo)波群速度隨溫度升高而降低。對(duì)導(dǎo)波信號(hào)進(jìn)行時(shí)頻分析，其結(jié)果如圖11所示，可以看出信號(hào)的主要能量集中在64 kHz，與目標(biāo)激勵(lì)導(dǎo)波模態(tài)的頻率吻合。利用希爾波特變換，求取不同溫度下的信號(hào)包絡(luò)線并提取端面回波時(shí)間，得到多次重復(fù)試驗(yàn)后超聲導(dǎo)波群速度V與溫度T的關(guān)系，如圖12所示，擬合關(guān)系式為 

圖  10  不同溫度下的導(dǎo)波信號(hào)

圖  11  信號(hào)時(shí)頻分析示意

圖  12  導(dǎo)波群速度與溫度擬合關(guān)系曲線

式（4）表明，軌溫每降低1 ℃，導(dǎo)波群速度V升高2.55 m·s−1。在常溫20 ℃時(shí)，通過(guò)溫度補(bǔ)償后的VB-M3模態(tài)導(dǎo)波實(shí)際群速度為3 051.5 m·s−1，與理論群速度誤差在1.32%左右。 

5.   模擬現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

以自由狀態(tài)下高速鐵路60-18號(hào)單開(kāi)道岔直線尖軌為模擬現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的檢測(cè)對(duì)象，檢測(cè)時(shí)尖軌軌溫為5 ℃。該尖軌在距尖端17 m位置加工有彈性可彎段區(qū)，為避開(kāi)可彎段區(qū)對(duì)導(dǎo)波能量的損耗，試驗(yàn)時(shí)導(dǎo)波探頭放置在距尖軌尖端13 m處。尖軌的轉(zhuǎn)轍機(jī)構(gòu)部位容易出現(xiàn)疲勞傷損，因此在距離尖軌尖端4.5 m處，預(yù)制尺寸為21 mm×10 mm×15 mm（長(zhǎng)×寬×深），約占尖軌軌底截面積9%的裂縫傷損。導(dǎo)波探頭與傷損的位置如圖13所示。 

圖  13  導(dǎo)波探頭及傷損位置示意

預(yù)制傷損前后，探傷儀采集的導(dǎo)波回波信號(hào)如圖14所示，預(yù)制傷損與尖軌尖端回波時(shí)間分別為5 496.7 μs和8 138.3 μs。目標(biāo)激勵(lì)導(dǎo)波模態(tài)VB-M3的理論群速度為3 011.12 m·s−1，若不考慮溫度影響，計(jì)算得到的傷損距探頭處距離分別為8.27 m和12.25 m；若考慮溫度影響，對(duì)回波信號(hào)按式（4）進(jìn)行溫度補(bǔ)償算法處理，得到補(bǔ)償后的導(dǎo)波群速度為3 089.75 m·s−1，進(jìn)而計(jì)算出傷損與尖端位置距探頭處距離分別為8.49 m和12.57 m，預(yù)制傷損的定位誤差由±230 mm縮小到±10 mm。此時(shí)的傷損定位誤差控制在較小范圍內(nèi)，可方便探傷人員對(duì)傷損進(jìn)行快速?gòu)?fù)核。 

圖  14  預(yù)制傷損前后現(xiàn)場(chǎng)采集的導(dǎo)波信號(hào)

6.   結(jié)論

開(kāi)展了超聲導(dǎo)波尖軌檢測(cè)的模態(tài)激勵(lì)分析、模型仿真計(jì)算、溫度影響研究以及模擬現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，得到如下結(jié)論。 

（1）選取道岔尖軌特定截面進(jìn)行模態(tài)分析，求解得到VB-M3導(dǎo)波模態(tài)適合道岔尖軌軌底探傷檢測(cè)使用。 

（2）建立尖軌有限元模型，通過(guò)仿真計(jì)算得到了尖軌傷損的反射系數(shù)、透射系數(shù)與傷損大小三者之間的關(guān)系，驗(yàn)證了VB-M3導(dǎo)波模態(tài)的缺陷檢測(cè)能力，其可以實(shí)現(xiàn)傷損大小的定量檢測(cè)。 

（3）通過(guò)高低溫試驗(yàn)得到導(dǎo)波回波聲速的補(bǔ)償算法，當(dāng)尖軌軌溫每降低1 ℃，VB-M3導(dǎo)波群速度升高約2.55 m·s−1。 

（4）利用自研手持式超聲導(dǎo)波探傷儀開(kāi)展模擬現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，結(jié)果表明，在對(duì)導(dǎo)波回波信號(hào)進(jìn)行補(bǔ)償算法處理后，傷損的定位誤差可控制在較小范圍。該探傷儀有望實(shí)現(xiàn)道岔尖軌傷損的快速篩查和準(zhǔn)確定位。

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