基于超聲波的鋼軌裂縫檢測(cè)方法

1、基于超聲波的鋼軌裂縫檢測(cè)方法隨著我國(guó)鐵路向客運(yùn)高速化、貨運(yùn)重載化方向發(fā)展，對(duì)軌道結(jié)構(gòu)的完整性提出了更高的要求，鐵路運(yùn)輸安全保障工作的重要性越來(lái)越高。鋼軌作為軌道結(jié)構(gòu)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(shí)引導(dǎo)機(jī)車車輛車輪前進(jìn)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(dòng)表面，還應(yīng)提供較好的粘著牽引力。而鐵路運(yùn)營(yíng)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(shí)檢測(cè)并發(fā)現(xiàn)鋼軌中存在的裂縫，確保鐵路運(yùn)輸?shù)陌踩蜁惩?。本文提出了一種基于超聲導(dǎo)波在鋼軌中傳導(dǎo)與衰減測(cè)量技術(shù)的新的斷軌檢測(cè)方法。該方法采用兩端發(fā)射超聲導(dǎo)波、中央接收的檢測(cè)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(cè)功能，并能通過(guò)聲波回波時(shí)間、幅值測(cè)定法估測(cè)鋼軌斷裂位置和裂紋大小。對(duì)列車運(yùn)行時(shí)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(cè)的功能。為了闡明該方法的檢測(cè)機(jī)理，本文詳細(xì)分析了超聲導(dǎo)波在鋼軌波導(dǎo)管中的傳播特性和鐵路環(huán)境中激勵(lì)聲的特征，然后使用LabviEW編程開發(fā)環(huán)境設(shè)計(jì)了超聲導(dǎo)波斷軌檢測(cè)仿真程序，完成了用戶界面、信號(hào)生成、采集、斷軌判斷與報(bào)警、波形保存等各部分程序的編寫。最后在理論分析的基礎(chǔ)上，采用仿真平臺(tái)分別對(duì)軌道完整態(tài)、列車占用態(tài)和斷軌態(tài)進(jìn)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(cè)方法的實(shí)際應(yīng)用提供了理論和仿真依據(jù)。1 斷軌產(chǎn)生機(jī)理及超聲導(dǎo)波斷軌檢測(cè)方法的提出1.1斷軌產(chǎn)生的機(jī)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(dāng)有列車在鋼軌上行駛時(shí)，鋼軌在列車輪對(duì)的反復(fù)沖擊力作用下發(fā)生斷裂;另一種情況是當(dāng)軌道空閑時(shí)，受外界人為或自然災(zāi)害使一段鋼軌缺失造成斷軌。斷軌發(fā)生后如不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)將給鐵路運(yùn)輸安全帶來(lái)極大的威脅，輕者造成列車晚點(diǎn)，重則導(dǎo)致列車顛覆和人員傷亡，因而對(duì)斷軌檢測(cè)方法的研究具有重要意義。在研究斷軌檢測(cè)方法之前首先有必要對(duì)斷軌產(chǎn)生的機(jī)理和特點(diǎn)進(jìn)行分析，只有掌握了斷軌的產(chǎn)生機(jī)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(duì)性地對(duì)斷軌多發(fā)地點(diǎn)進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)控。1.2超聲導(dǎo)波斷軌檢測(cè)方案設(shè)計(jì)1.2.1檢測(cè)方法設(shè)計(jì)及超聲波傳感器超聲導(dǎo)波檢測(cè)屬于機(jī)械波無(wú)損檢測(cè)的范疇。通常，機(jī)械振動(dòng)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(dòng)源(聲源)在彈性介質(zhì)中的振動(dòng)方向可以相同也可以不同。因此，在無(wú)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(wú)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(wú)波形禍合。如果以頻率f來(lái)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?jī)?nèi)容主要屬于超聲波范圍。在半無(wú)限彈性介質(zhì)表面處，或兩個(gè)半無(wú)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?yàn)橐淮畏瓷浠蛲干涠l(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(guān)，并不依賴于波動(dòng)本身的特性。以圖1.1為例，此時(shí)介質(zhì)中有兩個(gè)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(guò)多次來(lái)回反射而沿平行邊界面的方向行進(jìn)，這些往返的波將會(huì)產(chǎn)生復(fù)雜的波型轉(zhuǎn)換，而且各種波形之間會(huì)發(fā)生復(fù)雜的干涉，即兩個(gè)平行的邊界制導(dǎo)了超聲波在介質(zhì)傳播。這樣的一個(gè)系統(tǒng)稱為超聲波導(dǎo)

6、，在波導(dǎo)中傳播的超聲波稱為超聲導(dǎo)波。完成這一功能的就是超聲波傳感器。圖1.1介質(zhì)中導(dǎo)波傳播示意圖1.2.2總體方案設(shè)計(jì)使用超聲導(dǎo)波原理進(jìn)行斷軌檢測(cè)的方案如圖1.2所示。該斷軌檢測(cè)方法采用兩端發(fā)射、中間接收的檢測(cè)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(hào)發(fā)生器和功率放大電路驅(qū)動(dòng)后向鋼軌中發(fā)射超聲導(dǎo)波信號(hào)，經(jīng)鋼軌傳導(dǎo)后在中間由振動(dòng)接收探頭接收，探頭將振動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)之后經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)分析處理，通過(guò)檢查在給定窗口時(shí)間內(nèi)能否接收到事先設(shè)定的超聲波信號(hào)，并結(jié)合對(duì)所獲得聲波信號(hào)的頻譜分布和幅值的判斷來(lái)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(dǎo)波斷軌檢測(cè)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(dòng)研究中作為彈簧阻尼單元處理，在高頻振動(dòng)時(shí)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(duì)兩條鋼軌的振動(dòng)耦合作用不強(qiáng)，因此兩根鋼軌為相互獨(dú)立的兩個(gè)固體聲傳播介質(zhì)。當(dāng)檢測(cè)區(qū)間內(nèi)發(fā)生鋼軌斷裂時(shí)，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(lái)的超聲導(dǎo)波信號(hào)，中間接收器在一定時(shí)間間隔內(nèi)沒有接收到事先設(shè)定的超聲導(dǎo)波信號(hào)，隨即發(fā)出斷軌報(bào)警，并將報(bào)警信息經(jīng)由通信電纜傳至列控中心，同時(shí)記錄斷軌時(shí)間和波形數(shù)據(jù)。圖1.3斷軌發(fā)生時(shí)原理圖為了使接收器能分辨出信號(hào)來(lái)源方向，判別檢測(cè)信號(hào)是由左端還是右端發(fā)射器發(fā)出的，這里對(duì)左右兩端的超聲波脈沖信號(hào)源分別采用不同的脈

8、寬和間隔時(shí)間。其中左端發(fā)射器l發(fā)出的超聲波脈沖信號(hào)鏈脈寬為一秒，間隔一秒;右端發(fā)射器2發(fā)出的超聲導(dǎo)波脈沖信號(hào)鏈脈寬兩秒，間隔兩秒。接收器通過(guò)特定的延遲和疊加方法對(duì)接收到的聲波信號(hào)進(jìn)行特征提取，可以辨別出檢測(cè)信號(hào)是由左路還是右路傳來(lái)的。1.2.3超聲導(dǎo)波信號(hào)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(duì)聲波的傳導(dǎo)通常會(huì)存在一個(gè)固有截止頻率。當(dāng)在鋼軌中傳導(dǎo)的聲波頻率低于鋼軌的截止頻率時(shí)，聲波在鋼軌中會(huì)以一維平面波的形式傳播，可以通過(guò)理論模型進(jìn)行傳播特性計(jì)算;而當(dāng)鋼軌中有高于截止頻率的聲波傳導(dǎo)時(shí)，聲波會(huì)在傳播過(guò)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(fù)合波形，若要

9、采用理論模型對(duì)鋼軌介質(zhì)進(jìn)行導(dǎo)波傳播特性分析將是十分困難的。國(guó)外近年來(lái)在超聲導(dǎo)波傳播領(lǐng)域的研究中開始逐漸趨向于通過(guò)試驗(yàn)研究的方法對(duì)超聲導(dǎo)波在鋼軌中傳播與衰減的特性進(jìn)行分析。通過(guò)試驗(yàn)中聲波的發(fā)射和實(shí)際測(cè)量，可以排除了理論公式的一些局限條件，可以更加真實(shí)的反映聲波在鋼軌中的傳播特點(diǎn)。其中較為典型的是 Philipw.Loveday在非州2.5km的spoornet試驗(yàn)線上進(jìn)行的導(dǎo)波在鋼軌中的傳導(dǎo)試驗(yàn)z9】，其基本原理如圖1.4所示。圖1.4超聲導(dǎo)波在鋼軌中傳導(dǎo)的掃頻試驗(yàn)在試驗(yàn)中，PhiliP在試驗(yàn)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(lì)頻率進(jìn)行掃頻激勵(lì)，以 1000V的

10、激勵(lì)電壓幅值激勵(lì)壓電探頭向鋼軌中發(fā)射超聲導(dǎo)波，在接收端分別測(cè)量不同頻率的超聲導(dǎo)波在鋼軌中傳導(dǎo)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(dǎo)波信號(hào)幅值越大，說(shuō)明鋼軌聲場(chǎng)對(duì)該頻段范圍的聲波機(jī)械阻抗小，這種頻率的超聲導(dǎo)波傳播距離遠(yuǎn)、傳播相同距離后衰減相對(duì)較少、信噪比高，有利于使用其進(jìn)行斷軌檢測(cè)。圖1.5所示為其部分幅值最大頻率范圍內(nèi)的試驗(yàn)結(jié)果。圖1.5接收端頻率與傳感器輸出電壓幅值關(guān)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(dǎo)波幅值較大，說(shuō)明鋼軌聲場(chǎng)對(duì)該頻段范圍的聲波機(jī)械阻抗小，有利于聲波的傳導(dǎo)，因此本文斷軌檢測(cè)用導(dǎo)波發(fā)射頻率設(shè)定在該頻率范圍之內(nèi)。2超聲

11、導(dǎo)波斷軌檢測(cè)仿真研究2.1仿真程序設(shè)計(jì)對(duì)超聲導(dǎo)波斷軌檢測(cè)方法進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真的主要目地是對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際檢測(cè)過(guò)程中將會(huì)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(jìn)行仿真設(shè)計(jì)，為今后實(shí)際設(shè)備的研制開發(fā)中可能會(huì)遇到的一些問(wèn)題進(jìn)行仿真研究。在仿真之前首先需要建立一個(gè)基于LabVIEW開發(fā)環(huán)境的虛擬儀器仿真平臺(tái)，編寫的仿真程序需要實(shí)現(xiàn)超聲導(dǎo)波斷軌檢測(cè)中的檢測(cè)信號(hào)源的生成、接收端信號(hào)接收與處理、斷軌判斷以及報(bào)警和記錄等功能。超聲導(dǎo)波斷軌檢測(cè)虛擬儀器仿真程序框架結(jié)構(gòu)如圖2.1所示。圖2.1仿真程序結(jié)構(gòu)框架圖2.2檢測(cè)信號(hào)生成程序該部分主要采用LabVIEW函數(shù)選板下的仿真信號(hào)發(fā)生器控件，通

12、過(guò)設(shè)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(hào)，其中左路信號(hào)源為脈寬為1秒、時(shí)間間隔1秒、頻率為3IkHz的脈沖電信號(hào)，右路信號(hào)源為脈寬為2秒、時(shí)間間隔2秒、頻率與左路相同的脈沖電信號(hào)。由于LabVIEW提供的強(qiáng)大的模塊化功能，從軟件仿真過(guò)渡到將來(lái)的硬件設(shè)計(jì)階段可以直接將仿真信號(hào)源導(dǎo)入DAQ輸出控件，直接驅(qū)動(dòng)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(hào)，再經(jīng)過(guò)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(dǎo)波。2.3數(shù)據(jù)采集程序每個(gè)檢測(cè)區(qū)段的中間接收點(diǎn)需要完成對(duì)兩端傳來(lái)的檢測(cè)信號(hào)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(shè)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(shè)置等。在今后的硬件實(shí)現(xiàn)中由于NI的數(shù)據(jù)采集卡支持DAQmx驅(qū)動(dòng)程序，所以程序中預(yù)留了DAQmx Data Acquisition硬件驅(qū)動(dòng)模塊。2.4斷軌判斷與報(bào)警程序?qū)τ跀嘬壟袛嗯c報(bào)警程序這里采用用戶事件來(lái)編寫。當(dāng)給定時(shí)間間隔內(nèi)接