何 汽

（重慶旅游職業(yè)學(xué)院 409000）

試論電磁超聲探傷技術(shù)及其在車輪檢測(cè)中的應(yīng)用

何 汽

（重慶旅游職業(yè)學(xué)院 409000）

以往鐵路部門對(duì)列車車輪進(jìn)行檢修都是通過(guò)定期檢修的方式，也就是在規(guī)定的時(shí)間段內(nèi)集中人力檢修車輪，這種方法需要投入很大的物力與人力。為了有效改善這種局面，相關(guān)研究人員研制出自動(dòng)化的車輪探傷系統(tǒng)。本文中主要探討與分析電磁超聲探傷技術(shù)主要的工作機(jī)制，并分析了電磁超聲表面波的探傷原理，從而在此基礎(chǔ)上提出對(duì)部分缺陷波與探傷參數(shù)的相關(guān)處理思路。

電磁超聲 探傷技術(shù) 車輪檢測(cè)

在無(wú)損檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域中，對(duì)金屬進(jìn)行探傷的常規(guī)方法主要包括磁粉探傷與壓電超聲探傷的方式，這兩種方法雖然操作簡(jiǎn)單便捷，但其在車輪探傷應(yīng)用時(shí)也存在不足之處。隨著我國(guó)科學(xué)技術(shù)水平的迅速提升，無(wú)損檢查中電磁超聲技術(shù)正發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。[1]研究證明，電磁超聲技術(shù)的應(yīng)用無(wú)需聲耦合介質(zhì)，該特征十分適用于運(yùn)行時(shí)列車車輪的檢測(cè)，同時(shí)通過(guò)該技術(shù)還能夠充分滿足探測(cè)車輪踏面表面、近表面的相關(guān)需求。

1 電磁超聲表面波的探傷原理

1.1 電磁超聲表面波激發(fā)及接收原理

通過(guò)借助洛倫茲力原理而激發(fā)出來(lái)的超聲波稱之為渦流超聲。如果在金屬表面線圈放上高頻電流時(shí)，其表面趨膚效應(yīng)則能夠?qū)u流進(jìn)行感應(yīng)，并且在磁場(chǎng)作用下該渦流就會(huì)產(chǎn)生出等同于渦流頻率的力，這樣一來(lái)金屬中就會(huì)出現(xiàn)了超聲波。通過(guò)分析線圈結(jié)構(gòu)、磁鐵在線圈中位置的改變，從而可以獲得表面波、橫波以及縱波等各種聲波，并且還能利用電信號(hào)頻率的不同改變聲波傳播方向，以便進(jìn)行波的自由選擇。[2]電磁超聲技術(shù)最大的優(yōu)勢(shì)就是借助不同線圈結(jié)構(gòu)及磁鐵的作用從而對(duì)不同波形的超聲波進(jìn)行激發(fā)與接收。如果利用圖2中的線圈結(jié)構(gòu)，作用在圖1中的式樣上，那么就會(huì)得出圖3中的表面波。λ表示的是表面波波長(zhǎng)，其主要是由圖2所示導(dǎo)線間的距離d決定的。

圖1 表面波的產(chǎn)生原理

圖2 電磁聲換能器接收/發(fā)射聲波的線圈結(jié)構(gòu)

圖3 表面波波形d=λ/2

計(jì)算得出表面波的頻率f=V/2d，V表示的是表面波波速。由于電磁超聲表面波的接收與激發(fā)都是具有可逆性的，因而研究中也是充分利用這一原理來(lái)接收表面波的。

1.2 電磁超聲表面波進(jìn)行車輪探傷的原理分析

通過(guò)洛倫茲力原理的應(yīng)用來(lái)有效激發(fā)超聲波，這種超聲波能夠使電磁聲換能器（EMAT）在車輪踏面表層將超聲表面波激發(fā)出來(lái)，從而使其表面波束會(huì)自動(dòng)沿著踏面表層及近表層進(jìn)行反復(fù)的周內(nèi)傳播，最終使受檢測(cè)區(qū)域得到全面的覆蓋。[3]對(duì)于處在不同位置的超聲表面波來(lái)說(shuō)，當(dāng)其遇到缺陷區(qū)域的時(shí)候，就會(huì)自動(dòng)激發(fā)出相應(yīng)的缺陷回波。研究人員在而充分分析缺陷回波信號(hào)后，就可以對(duì)列車車輪表面發(fā)生缺陷的大致或具體位置進(jìn)行明確的探測(cè)。依據(jù)車輪前進(jìn)速度小于表面波傳播速度這一特點(diǎn)，所以在列車車輪透過(guò)EMAT的一剎那，其實(shí)電磁超聲表面波已經(jīng)順著車輪表面開始了反復(fù)的傳播。因此，即使EMAT不進(jìn)行踏面掃查，依然可以對(duì)整個(gè)踏面區(qū)域中已經(jīng)出現(xiàn)的裂紋狀缺陷情況進(jìn)行準(zhǔn)確的探測(cè)。表面波探傷的工作原理見圖4。

圖4 電磁超聲表面波探傷原理

從表面波的傳播原理能夠看出，由于表面波聲速和橫波、縱波有所不同，其不但受到相關(guān)材料物理性質(zhì)等因素的影響，還受到材料的幾何性質(zhì)。如果材料狀態(tài)為凸曲面，那么曲率越大的話，聲速也是越大的；反之則相反。這也就意味著如果d值確定的話，由于車輪不同所產(chǎn)生的聲波頻率也不相同，然而波長(zhǎng)的值是恒定的。[4]所以可以說(shuō)d值是EMAT波長(zhǎng)的本征參數(shù)。然而在實(shí)際使用的過(guò)程中，激勵(lì)源指的是包括數(shù)個(gè)周期的脈沖信號(hào)，要想得到表面波最大的轉(zhuǎn)換效率，同時(shí)還要其他模式下的聲波產(chǎn)生抑制，就應(yīng)當(dāng)對(duì)激勵(lì)源頻率與d值進(jìn)行合理選擇，從而激勵(lì)源頻率與獲得的表面波頻率保持對(duì)應(yīng)，最終獲得很純的激發(fā)表面波，這樣也能夠有效保證接收到的表面波十分很純。

2 采用回波信號(hào)對(duì)車輪缺陷位置進(jìn)行分析

采用電磁超聲表面波進(jìn)行車輪探傷的過(guò)程中，若表面波遇到缺陷，則就會(huì)出現(xiàn)以下幾個(gè)方面的變化：第一，當(dāng)其中一部分聲波傳播到缺陷所在位置時(shí)，會(huì)以表面波的狀態(tài)被反射出去，并且該類聲波會(huì)被EMAT接收。[5]（由于車輪表面的缺陷回波數(shù)代表著其具體的缺陷情況，因而在下面的分析中筆者均將其假設(shè)為僅有一處缺陷。）；第二，部分聲波傳播到缺陷所在部位時(shí)，依然會(huì)繼續(xù)沿車輪表面?zhèn)鞑?，該類聲波?huì)在車輪表面?zhèn)鞑ヒ恢苤蟊籈MAT接收；第三，還有一部分聲波會(huì)在遇到缺陷時(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)樽冃螜M波或是變形縱波，從而其會(huì)在車輪內(nèi)部繼續(xù)傳播，電磁聲換能器是不能接收這部分聲波的。

我們所要研究的內(nèi)容是被電磁聲換能器所接收的存在時(shí)間間隔的兩部分表面波。筆者首先在調(diào)解激發(fā)波與這兩部分表面波外差之后，將高頻轉(zhuǎn)變?yōu)榈仄海缓髮?duì)激發(fā)波與這兩部分表面波采取相應(yīng)的處理措施，就能將摻雜在其中的噪音有效去除，并且能求出電磁聲換能器在接收到這兩部分表面波的具體時(shí)間T1、T2，從而能夠確定出發(fā)生缺陷的車輪所在位置L：

L=2πR·T1/T2。

L表示的是缺陷距EMAT圓周半徑；R表示的是車輪的半徑。

結(jié)語(yǔ)：

文章主要研究的是通過(guò)電磁超聲探傷技術(shù)進(jìn)行車輪踏面近表面、表面宏觀缺陷展開實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)的探測(cè)原理，并且分析了在探傷時(shí)如何選擇相關(guān)重要參數(shù)，這些參數(shù)對(duì)該系統(tǒng)的現(xiàn)實(shí)設(shè)計(jì)與應(yīng)用意義重大。

[1]戴立新,韓激揚(yáng),王澤勇,王黎,高曉蓉.車輪電磁超聲探傷技術(shù)及自適應(yīng)濾波算法研究[J].鐵道學(xué)報(bào),2010,04:114-118.

[2]朱曉恒,高曉蓉,王黎,王澤勇,周小紅,彭建平.超聲探傷技術(shù)在無(wú)損檢測(cè)中的應(yīng)用[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2010,21:112-116.

[3]陳鵬,韓德來(lái),蔡強(qiáng)富,劉美全.電磁超聲檢測(cè)技術(shù)的研究進(jìn)展[J].國(guó)外電子測(cè)量技術(shù),2012,11:18-21+25.

[4]王雪梅,倪文波,王平.高速鐵路軌道無(wú)損探傷技術(shù)的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)[J].無(wú)損檢測(cè),2013,02:10-17.

[5]李鵬展,王亞坤,汪開燦,康磊,王淑娟.基于電磁超聲的列車輪對(duì)踏面在線探傷裝置[J].無(wú)損檢測(cè),2013,07:70-74.

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1007-6344（2015）04-0237-01