超聲反射縱波法檢測鋼軌應(yīng)力的實(shí)驗(yàn)研究_圖文

1、第29卷第2期 2008年6月力 學(xué)季刊CHINESE QUARTERLY OF MECHANICS超聲反射縱波法檢測鋼軌應(yīng)力的實(shí)驗(yàn)研究 李勇攀,王寅觀,劉 蕊(同濟(jì)大學(xué)聲學(xué)研究所,上海200092摘要:鋼軌的應(yīng)力狀況直接影響列車運(yùn)行的安全,因此對鋼軌應(yīng)力的研究特別重要。用超聲波測量應(yīng)力的方法由于其對被測材料無損的特性而受到廣泛關(guān)注。文章重點(diǎn)敘述了利用反射縱波法(the reflected longitudinalwaves來檢測鋼軌應(yīng)力的實(shí)驗(yàn)方法。該方法如果用于實(shí)際測量,可以提高鋼軌檢測的工作效率,大大節(jié)約在鐵路維護(hù)上的開支,提高鐵路運(yùn)輸?shù)陌踩禂?shù),加速實(shí)現(xiàn)人民鐵路的高效運(yùn)營。文中詳細(xì)介紹了

2、整套實(shí)驗(yàn)測量系 統(tǒng)、所用的探頭、探頭放置的位置、信號耦合與放大電路圖以及實(shí)驗(yàn)測量結(jié)果,并根據(jù)實(shí)驗(yàn)測量結(jié)果進(jìn)行分析。 結(jié)果顯示應(yīng)力變化引起的鋼材料特性變化導(dǎo)致了聲傳播速率的變化,且應(yīng)力變化與聲傳播速率的變化呈線性關(guān) 系。該結(jié)果證明了超聲波測量鋼軌應(yīng)力的可行性。關(guān)鍵詞:反射縱波;聲速;應(yīng)力測量Experimental Study on Rai l Stress Measurement withReflected Longitudinal WavesLI Yong-pan,WANG Yinguan,LIU Rui(Institute of Acoustics,Tongji University,Sh

3、anghai 200092,ChinaAbstract:A method for rail stress measurement using the reflected longitudinal waves was described.This technique can improve the efficiency of rail stress measurement,reducing the cost of maintenance,and en-hancing the rail safety.The experiment system was established and the dat

4、a was collected and analyzed based Oil the linear relation of stress and the ultrasonic velocity.The whole measurement system,probes and their setting place,signal coupling and magnifying system and experiment measurement results were clearly indicated.In accordance with the results which shows that

5、 the stress change leads to the steel materialsproperty change and the ultrasonic velocity change.The stress change and the ultrasonic veloci-ty change are the linear relation.The results indicate the feasibility of rail stress measurement using ul trasonic waves.Key words:reflected longitudinal wav

6、es;ultrasonic velocity;stress measurement鐵路運(yùn)輸是當(dāng)今我國最重要的運(yùn)輸方式,其安全問題也就顯得尤為重要。鋼軌作為鐵路軌道結(jié)構(gòu)的 重要組成部分,對它的研究歷來就為人們所重視。由于鋼軌直接承受列車荷載,并與車輪相互作用,所以 它的狀況將直接影響列車運(yùn)行的安全。由環(huán)境溫度變化引起的縱向應(yīng)力變化,是鋼軌安全問題中不容忽 視的環(huán)節(jié)。但是影響鋼軌應(yīng)力的因素很多,鋼軌的溫度分布不勻,通過環(huán)境或鋼軌的溫度很難對縱向應(yīng)力 進(jìn)行估計(jì),造成巨大的人力物力浪費(fèi)。因此。迫切需要一種有效的方式測量鋼軌的縱向應(yīng)力。測量應(yīng)力有 很多種方法.而超聲方法因?yàn)槠鋵Σ牧系臒o損害性而被廣泛的應(yīng)

7、用u6。將超聲波技術(shù)應(yīng)用于鋼軌應(yīng)力 的檢測中,能提高鋼軌檢測的工作效率,大大節(jié)約在鐵路維護(hù)上的開支,提高鐵路運(yùn)輸?shù)陌踩禂?shù),加速實(shí)力學(xué)季刊 第29卷 現(xiàn)人民鐵路的高效運(yùn)營,具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。1應(yīng)力變化與聲速的關(guān)系聲波的速度符合y=(硝2 其中C為介質(zhì)的楊氏模量,ID是介質(zhì)的密度,y是聲波在介質(zhì)中傳播的速度,當(dāng)聲波在存在一定應(yīng)力的固 體中傳播時,應(yīng)力變化引起的鋼材料特性變化將導(dǎo)致聲傳播速率變化,在一般的近似中,變化是線性的。 對于應(yīng)力與聲速的線性關(guān)系,文獻(xiàn)有詳細(xì)的介紹,這里我們只給出結(jié)果。對于各向同性材料 護(hù)半=去dt 其中d口是應(yīng)力變化量(MPa,E是彈性模量(MPa,t。是波在被研究材料中

8、通過自由應(yīng)力路徑的時間 (8,L。是聲波的聲彈常數(shù)。2鋼軌超聲應(yīng)力測量系統(tǒng)我們建立了一套實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),如圖1所示。圈1測系統(tǒng)示意圖Fig.1Schematic of measurement system 壓猶 _籮I 夕 黝櫚 l 圖2探頭示意圖Fig.2Schematic of probe壓電效應(yīng)的原理是,如果對壓電材料施加壓力,它便會產(chǎn)生電位差(稱之為正壓電效應(yīng),反之施加電 壓,則產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)力(稱為逆壓電效應(yīng)。從超聲發(fā)射接收儀發(fā)出電脈沖,利用壓電效應(yīng)使發(fā)射換能器(即 探頭的壓電晶片產(chǎn)生機(jī)械變形從而激發(fā)出縱波,縱波以30。角從楔塊進(jìn)入鋼軌,在鋼軌中經(jīng)過多次反射 后被接收換能器接收。接收換能器將接

9、收到的聲信號轉(zhuǎn)化為電信號。近接收換能器轉(zhuǎn)化后的電信號經(jīng)過 電位器衰減后與遠(yuǎn)接收換能器轉(zhuǎn)化后的電信號耦合。耦合后的信號經(jīng)過前置放大電路的放大,通過采集 系統(tǒng),進(jìn)入計(jì)算機(jī),通過計(jì)算機(jī)即可對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。對鋼軌施加應(yīng)力的應(yīng)力加載裝置采用油壓系統(tǒng),應(yīng) 變儀采用YJ28A-P10R型靜態(tài)電阻應(yīng)變儀。從應(yīng)變儀就能夠知道鋼軌所受應(yīng)力的數(shù)值。探頭由壓電晶片、楔塊和永磁鐵組成。探頭我們采用的是與鋼軌同種材料做成的楔塊,斜面的傾角為30。,如圖2所示。這樣做的目的是為了減少縱波在不同材料中傳播的 挾能量損失,增大測量距離,有利于提高實(shí)驗(yàn)精度。壓電晶片的中心頻率為0.7MHz。永磁鐵在測量時起固定作用,換能器底面因

10、為 永磁鐵的磁力與鋼軌緊貼,使超聲波不需要外加壓力也能很好的 耦合。關(guān)于探頭的位置,我們出于以下考慮:由于對鐵路安全影響最軌底圖3探頭放置的位置 Fig.3Position of probe第2期 李勇攀,等:超聲反射縱波法檢測鋼軌應(yīng)力的實(shí)驗(yàn)研究大的是鋼軌的縱向應(yīng)力,而軌腰是整個鋼軌最薄弱的地方,所以我們考慮把探頭放在軌腰位置(如圖3。 雖然超聲波在軌腰的反射比較復(fù)雜,但并不影響波形的分辨。而且,軌腰位置更能真實(shí)地反映鋼軌縱向的 受力情況,可以提高鐵路安全系數(shù)。實(shí)驗(yàn)中用一個電位器將兩個探頭耦合在一起實(shí)現(xiàn)單通道采集數(shù)據(jù)。圖4給出了實(shí)驗(yàn)用的信號耦合與 放大電路圖。采集系統(tǒng)用的是高速數(shù)據(jù)采集卡。圖5

11、為接收波形示意圖。12kQ縱0縱Q n100Q j 上lI 卜廠 障l 廠 /糾吠I一 .j一3測量結(jié)果圖4信號耦合與放大電路圖Fig.4Circuit diagram of signal coupling and magnifying systemr.岬蝴M刪 伽 ”。IyJ0fl?I 7。1?！盜JIJ711411l |-尸時圖5接收波形示意圖Fig.5Schematic of received waves我們對鋼軌進(jìn)行拉力測試,應(yīng)力變化范圍從OMPa到95MPa,每次增量為5MPa,然后將采集的數(shù)據(jù)用 過零點(diǎn)法進(jìn)行處理,并對結(jié)果進(jìn)行比較分析。圖6a給出了鋼軌在受拉狀態(tài)下,溫度為18.9C

12、,兩接收探頭之間距離為980mm時測得的結(jié)果。由 于應(yīng)力太大或太小時的數(shù)據(jù)實(shí)際意義并不大,所以我們著重分析了45MPa到95MPa之間的數(shù)據(jù)。聲時 是指縱波從近接收探頭位置傳播到遠(yuǎn)接收探頭位置所經(jīng)歷的時間。從圖6a可以清楚地看出應(yīng)力與聲速的關(guān)系。為了減小實(shí)驗(yàn)的偶然因素,我們在完全相同的條件下又 進(jìn)行了3次實(shí)驗(yàn),對應(yīng)的聲時一應(yīng)力曲線分別如圖6bd所示。我們對4次實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行平均,平均后對應(yīng)的聲時一應(yīng)力曲線如圖6e所示。數(shù)據(jù)經(jīng)過多次平均后,消除了諸多偶然因素,充分地驗(yàn)證了聲時與應(yīng)力之間,即聲速與應(yīng)力之間存在 明顯的線性關(guān)系。當(dāng)然,應(yīng)力對聲速的影響實(shí)際上是通過應(yīng)力變化引起鋼材料特性變化從而導(dǎo)致聲傳

13、播 速率變化。4測量結(jié)果分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該方法用于實(shí)際測量的可行性。從圖6e可以看出,在做實(shí)驗(yàn)用的鋼軌980ram長的測 量區(qū)域上,對于拉伸應(yīng)力,聲時一應(yīng)力常數(shù)為0.73MPa/ns。力學(xué)季刊 第z9卷盒奠辱m童奠雹田逞卿眢鼠洲j:3麓枷壹墨*聲時一應(yīng)力曲線韜 船 夠 75夠 鴝應(yīng)力刪(a量均蜘32吼D 曼 暫繃 鼠32S479 3盈H50聲時一應(yīng)力曲線信32S盟9目首嬲ofk箕蝴置掬辱0童繃眢舨孀姍S曩皤m3曩峋聲時一應(yīng)力曲線柏 島 留 符 蠟 應(yīng)力刪 (b聲時一應(yīng)力曲線朽 島 岱 鵂 瞄 蠟 侶 島 舒 飴 夠 應(yīng)力刪應(yīng)力 (c (d聲時一應(yīng)力曲線3莨應(yīng)力(c圈6鋼軌的聲時一應(yīng)力的關(guān)系Fi

14、g.6Relation of travel time and stress for rail在固體中一般能產(chǎn)生兩種類型的波橫波和縱波。除此之外,在固體的自由表面還會形成沿著表 面?zhèn)鞑ァＦ湔穹S表面深度迅速減弱的表面波(即瑞利波。當(dāng)工件表面有障礙物例如殘余耦合劑或油層 時,表面波會發(fā)生散射、反射和衰減。以上這些都會給波形的分辨帶來困難。那怎樣才能保證接收探頭接收到的波一定是反射縱波呢?首先從各種波的特點(diǎn)分析:由于探頭楔塊 和鋼軌表面有耦合劑,橫波在被探頭接收之前就被很好地隔離掉了;表面波雖然能量較大,但是它在介質(zhì) 中衰減很快,實(shí)際上在距表面一個波長的地方,振動已近消失。其次從不同波在介質(zhì)中的傳播

15、速度上看:對于固態(tài)介質(zhì),縱波波速最大,表面波波速最小,橫波波速介于二者之聞。根據(jù)以上分析,當(dāng)測量距離增加 后,實(shí)際上能夠最先到達(dá)接收探頭的只能是反射縱波。外加應(yīng)力變化引起的鋼材料特性變化導(dǎo)致了聲傳播速率的變化從微觀上分析是由于外加應(yīng)力的變 化導(dǎo)致鋼材料顆粒的疏密程度發(fā)生改變,從而導(dǎo)致鋼材料中的聲傳播速率也隨之改變。第2期 李勇攀。等:超聲反射縱波法檢測鋼軌應(yīng)力的實(shí)驗(yàn)研究 295 5小結(jié)該方法是基于聲彈理論,即應(yīng)力變化與聲速的線性關(guān)系來檢測鋼軌的縱向應(yīng)力,實(shí)驗(yàn)測量的是鋼軌應(yīng) 力的相對變化量,實(shí)際應(yīng)用中只需對鋼軌自由狀態(tài)時(近似看成零應(yīng)力進(jìn)行定標(biāo),就可以得知被測鋼軌的 應(yīng)力狀況。利用本文描述的檢測系統(tǒng)對此進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,效果良好。此外,該方法還可以用來檢測某些 工件(如軋輥內(nèi)部的應(yīng)力分布。我們曾利用該方法與鐵道部門和寶鋼集團(tuán)進(jìn)行過合作,都得到了充分的 肯定。 。參考文獻(xiàn):13錢夢驟.檢測固體內(nèi)應(yīng)力分布的熱彈新技術(shù)J.聲學(xué)學(xué)報(bào),1996。21(4;385393.4王寅觀.田沖,姚國民,等.利用Rayleigh表面渡無損檢測熱套圓盤的平面殘余應(yīng)力的研究J.聲53戴瑛,