試論電磁超聲探傷技術及其在車輪檢測中的應用

何 汽

（重慶旅游職業學院 409000）

試論電磁超聲探傷技術及其在車輪檢測中的應用

何 汽

（重慶旅游職業學院 409000）

以往鐵路部門對列車車輪進行檢修都是通過定期檢修的方式，也就是在規定的時間段內集中人力檢修車輪，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，相關研究人員研制出自動化的車輪探傷系統。本文中主要探討與分析電磁超聲探傷技術主要的工作機制，并分析了電磁超聲表面波的探傷原理，從而在此基礎上提出對部分缺陷波與探傷參數的相關處理思路。

電磁超聲 探傷技術 車輪檢測

在無損檢測技術領域中，對金屬進行探傷的常規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單便捷，但其在車輪探傷應用時也存在不足之處。隨著我國科學技術水平的迅速提升，無損檢查中電磁超聲技術正發揮著越來越重要的作用。[1]研究證明，電磁超聲技術的應用無需聲耦合介質，該特征十分適用于運行時列車車輪的檢測，同時通過該技術還能夠充分滿足探測車輪踏面表面、近表面的相關需求。

1 電磁超聲表面波的探傷原理

1.1 電磁超聲表面波激發及接收原理

通過借助洛倫茲力原理而激發出來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，其表面趨膚效應則能夠對渦流進行感應，并且在磁場作用下該渦流就會產生出等同于渦流頻率的力，這樣一來金屬中就會出現了超聲波。通過分析線圈結構、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頻率的不同改變聲波傳播方向，以便進行波的自由選擇。[2]電磁超聲技術最大的優勢就是借助不同線圈結構及磁鐵的作用從而對不同波形的超聲波進行激發與接收。如果利用圖2中的線圈結構，作用在圖1中的式樣上，那么就會得出圖3中的表面波。λ表示的是表面波波長，其主要是由圖2所示導線間的距離d決定的。

圖1 表面波的產生原理

圖2 電磁聲換能器接收/發射聲波的線圈結構

圖3 表面波波形d=λ/2

計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都是具有可逆性的，因而研究中也是充分利用這一原理來接收表面波的。

1.2 電磁超聲表面波進行車輪探傷的原理分析

通過洛倫茲力原理的應用來有效激發超聲波，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出來，從而使其表面波束會自動沿著踏面表層及近表層進行反復的周內傳播，最終使受檢測區域得到全面的覆蓋。[3]對于處在不同位置的超聲表面波來說，當其遇到缺陷區域的時候，就會自動激發出相應的缺陷回波。研究人員在而充分分析缺陷回波信號后，就可以對列車車輪表面發生缺陷的大致或具體位置進行明確的探測。依據車輪前進速度小于表面波傳播速度這一特點，所以在列車車輪透過EMAT的一剎那，其實電磁超聲表面波已經順著車輪表面開始了反復的傳播。因此，即使EMAT不進行踏面掃查，依然可以對整個踏面區域中已經出現的裂紋狀缺陷情況進行準確的探測。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，其不但受到相關材料物理性質等因素的影響，還受到材料的幾何性質。如果材料狀態為凸曲面，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，由于車輪不同所產生的聲波頻率也不相同，然而波長的值是恒定的。[4]所以可以說d值是EMAT波長的本征參數。然而在實際使用的過程中，激勵源指的是包括數個周期的脈沖信號，要想得到表面波最大的轉換效率，同時還要其他模式下的聲波產生抑制，就應當對激勵源頻率與d值進行合理選擇，從而激勵源頻率與獲得的表面波頻率保持對應，最終獲得很純的激發表面波，這樣也能夠有效保證接收到的表面波十分很純。

2 采用回波信號對車輪缺陷位置進行分析

采用電磁超聲表面波進行車輪探傷的過程中，若表面波遇到缺陷，則就會出現以下幾個方面的變化：第一，當其中一部分聲波傳播到缺陷所在位置時，會以表面波的狀態被反射出去，并且該類聲波會被EMAT接收。[5]（由于車輪表面的缺陷回波數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為僅有一處缺陷。）；第二，部分聲波傳播到缺陷所在部位時，依然會繼續沿車輪表面傳播，該類聲波會在車輪表面傳播一周之后被EMAT接收；第三，還有一部分聲波會在遇到缺陷時轉變為變形橫波或是變形縱波，從而其會在車輪內部繼續傳播，電磁聲換能器是不能接收這部分聲波的。

我們所要研究的內容是被電磁聲換能器所接收的存在時間間隔的兩部分表面波。筆者首先在調解激發波與這兩部分表面波外差之后，將高頻轉變為地坪，然后對激發波與這兩部分表面波采取相應的處理措施，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間T1、T2，從而能夠確定出發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。

結語：

文章主要研究的是通過電磁超聲探傷技術進行車輪踏面近表面、表面宏觀缺陷展開實時動態的探測原理，并且分析了在探傷時如何選擇相關重要參數，這些參數對該系統的現實設計與應用意義重大。

[1]戴立新,韓激揚,王澤勇,王黎,高曉蓉.車輪電磁超聲探傷技術及自適應濾波算法研究[J].鐵道學報,2010,04:114-118.

[2]朱曉恒,高曉蓉,王黎,王澤勇,周小紅,彭建平.超聲探傷技術在無損檢測中的應用[J].現代電子技術,2010,21:112-116.

[3]陳鵬,韓德來,蔡強富,劉美全.電磁超聲檢測技術的研究進展[J].國外電子測量技術,2012,11:18-21+25.

[4]王雪梅,倪文波,王平.高速鐵路軌道無損探傷技術的研究現狀和發展趨勢[J].無損檢測,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踏面在線探傷裝置[J].無損檢測,2013,07:70-74.

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1007-6344（2015）04-0237-01