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(yè)大學材料與制造學部 北京 100124)

(2 北京格創(chuàng)精儀科技有限公司 北京 102629)

(3 北京全路通信信號研究設(shè)計院集團有限公司 北京 100073)

0 引言

道岔尖軌是鐵路系統(tǒng)中列車轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)的重要組成部分，在服役過程中承受環(huán)境溫度變化和列車載荷的作用，致使其表面和內(nèi)部容易產(chǎn)生各類缺陷，其中軌底缺陷最常見也是傳統(tǒng)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)，通過選擇合適的超聲導波模態(tài)和頻率，可以對道岔尖軌進行大范圍缺陷檢測。在此基礎(chǔ)上，開發(fā)導波監(jiān)測系統(tǒng)，有望實現(xiàn)道岔尖軌缺陷在線監(jiān)測，為軌道智慧運維提供工程技術(shù)方案。

研究道岔尖軌的超聲導波檢監(jiān)測技術(shù)，主要需從導波傳播特性分析、傳感器與系統(tǒng)研制及實驗數(shù)據(jù)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(xiàn)了1 km 范圍內(nèi)斷軌的檢測。同時，該團隊還開發(fā)了壓電導波監(jiān)測系統(tǒng)，應(yīng)用于重載鐵路軌道監(jiān)測實驗，實現(xiàn)了長距離內(nèi)軌底粘接質(zhì)量塊(模擬缺陷)及其與軌底粘接狀態(tài)不斷劣化的監(jiān)測。但是，壓電傳感器在鋼軌中易激勵出多種模態(tài)導波，增加了缺陷特征識別難度。相對傳統(tǒng)壓電探頭，磁致伸縮導波傳感器可設(shè)計性強，根據(jù)待測波導結(jié)構(gòu)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(tài)導波。胡劍虹等[11]、付連著等[12]開發(fā)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(jiān)測實驗，可以對截面損失率約3.4%的軌底缺陷進行有效監(jiān)測。

諸多研究表明導波監(jiān)測信號特征受溫度影響，為了實現(xiàn)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(yōu)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(xiàn)了裂紋缺陷識別?；€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(shù)對道岔尖軌軌底缺陷進行監(jiān)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(jīng)過溫度補償?shù)膶РūO(jiān)測結(jié)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(fā)的道岔尖軌軌底缺陷導波監(jiān)測系統(tǒng)的有效性。

1 監(jiān)測方法

本文選擇將水平剪切模態(tài)磁致伸縮傳感器固定安裝在道岔尖軌底面，以激發(fā)類SH0模態(tài)導波，對道岔尖軌中的缺陷進行監(jiān)測。傳感器激發(fā)的類SH0模態(tài)導波沿尖軌向傳感器兩側(cè)傳播，經(jīng)過缺陷、轉(zhuǎn)轍機構(gòu)時會發(fā)生反射。因尖軌是變截面波導結(jié)構(gòu)，軌底激發(fā)的導波在尖軌中擴散傳播時會出現(xiàn)多重邊界反射、頻散和模態(tài)轉(zhuǎn)換等復雜現(xiàn)象，導致多模態(tài)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(huán)境溫度變化會改變不同模態(tài)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(tài)，影響傳感器激發(fā)導波性能的穩(wěn)定性，易造成激發(fā)導波幅值隨溫度變化而產(chǎn)生的波動。

復雜的結(jié)構(gòu)噪聲信號和溫度變化引起的傳感器性能波動，均導致傳統(tǒng)的檢測方法難以實現(xiàn)對尖軌缺陷信號的有效識別?；诓ㄐ翁卣髯兓膶РūO(jiān)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(guān)注的檢測尖軌區(qū)段，以對應(yīng)地在時域信號中設(shè)定觀察時間窗口[ts,te]。

(2) 監(jiān)測信號分析。在設(shè)定的觀察時間窗口內(nèi)，對不同監(jiān)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(tǒng)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(tǒng)計轉(zhuǎn)轍機構(gòu)反射回波時間段內(nèi)的波包能量值計為Ez，其隨溫度T的變化規(guī)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(shù)據(jù)Ez(T)和(T)的比值，作為不同溫度下的補償系數(shù)

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

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

(4) 分析波包能量值Ec隨監(jiān)測時間的變化趨勢，通過合理設(shè)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(tǒng)

實驗在天津某工程現(xiàn)場進行，針對長14.28 m的14 號道岔尖軌開展缺陷的導波監(jiān)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(jié)構(gòu)(轉(zhuǎn)轍機構(gòu)、人工加工缺陷)的位置。監(jiān)測實驗持續(xù)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(jiān)測過程中，采用砂輪切割方式在軌底側(cè)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(jù)實測結(jié)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(jié)構(gòu)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(fā)的磁致伸縮導波監(jiān)測系統(tǒng)，主要包括安裝于軌底的磁致伸縮傳感器、導波監(jiān)測設(shè)備。導波監(jiān)測設(shè)備采用ARM 主控導波激勵、采集模塊的工作參數(shù)。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(shù)據(jù)上傳至云服務(wù)器。云服務(wù)器運行TCP 和HTTP 兩個服務(wù)器，分別用于數(shù)據(jù)接收和信號監(jiān)測界面顯示。利用JavaScript 語言編寫基于Node 環(huán)境的監(jiān)測系統(tǒng)軟件。計算機遠程訪問云服務(wù)器中的監(jiān)測系統(tǒng)軟件，實現(xiàn)導波監(jiān)測設(shè)備工作參數(shù)的遠程操控、導波監(jiān)測數(shù)據(jù)的查看和下載。

圖2 磁致伸縮導波監(jiān)測系統(tǒng)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(tài)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(chǎn)生沿帶材長度方向的動態(tài)交變磁場Hd。基于逆魏德曼效應(yīng)，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(tài)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(tài)導波在尖軌中的準確速度，文中以SH0模態(tài)導波在鋼板中的傳播速度3260 m/s作為參考。根據(jù)半波長控制原理，磁致伸縮導波傳感器激發(fā)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(shè)置2 MHz，采樣點數(shù)為20000。采集得到的實驗信號都經(jīng)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(shè)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?？梢杂^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(jié)果Fig.3 Results of frequency sweep experiment of magnetostrictive guided wave transducer

3 數(shù)據(jù)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(zhuǎn)轍機構(gòu)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(jié)果(基準信號)，缺陷存在時觀察窗口內(nèi)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(luò)，有無缺陷時導波信號包絡(luò)線的差值如圖4(b)所示。差值結(jié)果表明圖2 所示的導波監(jiān)測系統(tǒng)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(zhuǎn)轍機構(gòu)的反射信號，其由多個波包混疊而成，主要原因是導波在轉(zhuǎn)轍機構(gòu)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(luò)差值結(jié)果中轉(zhuǎn)轍結(jié)構(gòu)反射波并未完全消除，這與溫度差異引起的波形偏移有關(guān)。

3.1 溫度對導波信號的影響

以圖4(a)轉(zhuǎn)轍機構(gòu)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(nèi)在機制主要包括兩類：(1) 溫度變化會引起材料彈性常數(shù)的波動，導致群速度頻散曲線發(fā)生偏移[16]；(2) 磁致伸縮傳感器和軌底間耦合層(環(huán)氧樹脂)的彈性常數(shù)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(fā)生變化[17]。

圖5 不同溫度下轉(zhuǎn)轍機構(gòu)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(guī)律。對圖5 所示的子波包進行波包能量Ez統(tǒng)計，并提取標記區(qū)間A 內(nèi)波包極大值對應(yīng)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(jiān)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(jiān)測實驗從2020 年10 月20 日 的17 點持續(xù)到23 點，環(huán)境溫度從最初的21.6?C 持續(xù)下降至15.5?C；2020 年10 月21 日的9 點持續(xù)到17 點，環(huán)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(zhuǎn)轍機構(gòu)反射回波波包能量值變化趨勢與環(huán)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(xiàn)先下降后上升的規(guī)律，但總體波動較為劇烈。圖6 所示結(jié)果表明：溫度對尖軌導波監(jiān)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(guān)系，結(jié)果如圖7 所示。轉(zhuǎn)轍機構(gòu)反射子波包能量值Ez與溫度近似線性相關(guān)，擬合方程為

圖7 參量Ez、參量tA 和溫度的關(guān)系Fig.7 The relationship between parameter Ez,parameter tA and temperature

方程擬合確定系數(shù)為R2=0.7488。由于監(jiān)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(guān)性，但變化趨勢尚難以用方程進行有效擬合，后續(xù)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(jiān)測信號進行處理。以缺陷反射回波所在區(qū)間B 為例，圖8 給出了補償前后的波形結(jié)果。其中，圖中“A1”、“A2”、“A3”和“A4”表示制作缺陷前后及經(jīng)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(yīng)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(nèi)統(tǒng)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(jié)果進行關(guān)聯(lián)分析，主要原因是波包能量與溫度的關(guān)系并不嚴格遵循線性正相關(guān)，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(xù)將采用參考基準法對導波監(jiān)測信號進行溫度補償。

4 監(jiān)測結(jié)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(nèi)的波包能量統(tǒng)計值，并以最后一次測試結(jié)果為基準進行歸一化處理，圖中僅展示了第二天實驗數(shù)據(jù)。在未加工缺陷之前，未經(jīng)溫度補償?shù)牟ò芰恐党霈F(xiàn)較大幅度的波動，數(shù)據(jù)的變異系數(shù)約為23.86%。利用參考基準法進行溫度補償后，數(shù)據(jù)的變異系數(shù)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(jiān)測結(jié)果及缺陷深度與特征參數(shù)間的關(guān)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(xiàn)上升趨勢。未進行溫度補償前的數(shù)據(jù)存在較大跳動，難以從波包能量值中對缺陷等級進行區(qū)分。經(jīng)過溫度補償后的曲線區(qū)域平滑，可以近似單調(diào)地反映出缺陷尺寸的不斷擴大。提取不同等級缺陷導波監(jiān)測信號的波包能量值，其隨缺陷深度的關(guān)系如圖10(b)所示。特征參量η與軌底缺陷尺寸間的關(guān)系可以用拋物線方程進行描述：

方程的擬合優(yōu)度R2=0.8677。這表明經(jīng)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(jié)論

(1) 開發(fā)的道岔尖軌磁致伸縮導波監(jiān)測系統(tǒng)，可以有效監(jiān)測到轉(zhuǎn)轍機構(gòu)、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(xiàn)正相關(guān)，特征波包能量值和溫度存在近似線性關(guān)系，表明溫度對導波監(jiān)測信號的影響不可忽視。

(2) 為抑制溫度對導波監(jiān)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(jiān)測信號波包能量值與軌底缺陷深度的關(guān)系近似服從拋物線方程，表明開發(fā)的道岔尖軌磁致伸縮導波監(jiān)測系統(tǒng)有望實現(xiàn)軌底缺陷的定量評估。