基于激光多普勒頻移的鋼軌缺陷監(jiān)測

邢 博，余祖俊,2，許西寧,2*，朱力強(qiáng),2

(1.北京交通大學(xué) 機(jī)械與電子控制工程學(xué)院，北京 100044; 2.北京交通大學(xué) 載運(yùn)工具先進(jìn)制造與測控技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100044)

1 引 言

鋼軌在生產(chǎn)、焊接、鋪設(shè)和行車過程中會(huì)出現(xiàn)各種不同的傷損。這些傷損的出現(xiàn)，不僅影響行車的平穩(wěn)性和舒適性，還會(huì)危及行車安全。鋼軌傷損種類很多，主要包括：疲勞傷損、銹蝕、磨耗、彎曲變形和裂紋等[1]。對(duì)于出現(xiàn)在鋼軌表面的傷損，可以通過機(jī)器視覺的方法來檢測[2]。而對(duì)于鋼軌內(nèi)部傷損，常規(guī)的基于圖像的方法無法檢測。鋼軌內(nèi)部傷損早期難以發(fā)現(xiàn)，在列車運(yùn)行載荷的反復(fù)作用下，這些內(nèi)部小的缺陷和裂紋會(huì)逐漸擴(kuò)大，甚至發(fā)生突然斷裂現(xiàn)象，引發(fā)嚴(yán)重的行車事故。隨著我國鐵路事業(yè)的發(fā)展，鋼軌內(nèi)部缺陷已成為影響鐵路運(yùn)輸安全的主要傷損類型。

為了早期發(fā)現(xiàn)鋼軌內(nèi)部缺陷，確保對(duì)無縫線路長鋼軌服役狀態(tài)的及時(shí)掌控，我國鐵路相關(guān)部門采用定期檢測的模式對(duì)鋼軌進(jìn)行探傷作業(yè)，利用大型探傷車對(duì)各條高鐵線進(jìn)行定期巡檢，發(fā)現(xiàn)疑似傷損時(shí)，再采用鋼軌探傷儀進(jìn)行人工復(fù)核[3]。大型鋼軌探傷車和小型鋼軌探傷儀均基于超聲波檢測技術(shù)設(shè)計(jì)，大型鋼軌探傷車速度快，檢測效率高，但造價(jià)昂貴；小型鋼軌探傷儀檢測精度高，但速度慢，且這兩種檢測方式都要占用天窗時(shí)間。因此，鐵路工務(wù)部門迫切需要一種可以實(shí)時(shí)在線監(jiān)測無縫線路長鋼軌內(nèi)部缺陷的方法，以實(shí)現(xiàn)對(duì)無縫線路鋼軌服役狀態(tài)的在線監(jiān)測，確保高速鐵路行車安全。

軌道電路是我國鐵路信號(hào)系統(tǒng)中的基礎(chǔ)組成部分，軌道電路以一段鐵路線路的鋼軌為導(dǎo)體構(gòu)成回路，能夠完成列車占用檢測、斷軌檢測等功能[4]。基于軌道電路的斷軌檢測方式，能夠最大程度地滿足實(shí)時(shí)在線監(jiān)測的要求，但是這種方法只能在鋼軌完全斷裂時(shí)給出報(bào)警信號(hào)，無法檢測鋼軌內(nèi)部缺陷。

目前，鐵路系統(tǒng)檢測鋼軌內(nèi)部缺陷主要采用超聲波法[5]，這種方法一般采用高頻的超聲體波作為信號(hào)源，基于這一技術(shù)設(shè)計(jì)的鋼軌探傷車，無法實(shí)現(xiàn)對(duì)鋼軌內(nèi)部缺陷的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測，因此需要研究一種新的檢測技術(shù)來實(shí)現(xiàn)對(duì)鋼軌內(nèi)部缺陷的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測。當(dāng)在鋼軌中激勵(lì)低頻、高能量的超聲波時(shí)，超聲波在鋼軌邊界不斷發(fā)生反射、折射以及縱橫波的轉(zhuǎn)換，從而產(chǎn)生了一種新的超聲波信號(hào)，即超聲導(dǎo)波。超聲導(dǎo)波特別適合檢測橫截面一致、距離很長的波導(dǎo)介質(zhì)材料，如管道、鋼軌等[6-7]。由于鋼軌具有聲導(dǎo)管特性，超聲導(dǎo)波在其內(nèi)部可以傳播很遠(yuǎn)的距離，達(dá)到2 km以上。導(dǎo)波的接收方式一般采用超聲導(dǎo)波換能器，但此類接觸式測量的方法會(huì)受到換能器的粘貼位置、粘貼膠質(zhì)及軌溫等因素的影響，大大降低測量結(jié)果的準(zhǔn)確率。本文采用激光多普勒頻移法[8]檢測鋼軌振動(dòng)速度曲線，經(jīng)過信號(hào)處理后基于脈沖回波法，通過檢測超聲導(dǎo)波在鋼軌內(nèi)部缺陷處產(chǎn)生的回波信號(hào)，可以實(shí)時(shí)在線監(jiān)測鋼軌，早期發(fā)現(xiàn)鋼軌內(nèi)部存在的缺陷。同時(shí)，相對(duì)于采用換能器接收導(dǎo)波信號(hào)，激光多普勒頻移法有良好的線性特性，提高了檢測點(diǎn)的時(shí)空分辨率，并且對(duì)鋼軌振動(dòng)不存在擾動(dòng)現(xiàn)象，有助于提高檢測精度。

2 鋼軌中的超聲導(dǎo)波

2.1 常規(guī)超聲導(dǎo)波頻散曲線的計(jì)算

由于鋼軌橫截面形狀不規(guī)則，其內(nèi)部可傳播的導(dǎo)波模態(tài)數(shù)量很多。基于超聲導(dǎo)波技術(shù)檢測鋼軌內(nèi)部缺陷，首先應(yīng)該掌握鋼軌內(nèi)部超聲導(dǎo)波各模態(tài)的基本特性[9-10]。導(dǎo)波頻散曲線包含了導(dǎo)波各模態(tài)的頻率、波數(shù)、相速度、群速度、振型等信息，是分析導(dǎo)波傳播特性的重要依據(jù)。半解析有限元方法(Semi-Analytical Finite Element,SAFE)可以求解鋼軌中超聲導(dǎo)波的頻散曲線[11-12]。以CHN60鋼軌為例，半解析有限元方法在求解時(shí)，將CHN60鋼軌橫截面作有限元離散，假定導(dǎo)波沿鋼軌縱向以簡諧振動(dòng)的形式傳播，基于有限元方法建立波動(dòng)方程，通過求解特征方程得到特征值和特征向量，進(jìn)而繪制出CHN60鋼軌中超聲導(dǎo)波的頻散曲線，其中特征值包含了頻率、波數(shù)信息；特征向量包含了導(dǎo)波各模態(tài)的振型信息。

首先建立CHN60鋼軌坐標(biāo)系，如圖1所示。

圖1 CHN60鋼軌坐標(biāo)系 Fig.1 Coordinates of CHN60 rail

導(dǎo)波波數(shù)為ζ，頻率為ω。鋼軌中每一個(gè)質(zhì)點(diǎn)的位移、應(yīng)力和應(yīng)變可以表示為[13]：

u=[uxuyuz]T

σ=[σxσyσzσyzσxzσxy]T

ε=[εxεyεzγyzγxzγxy]T, (1)

其中，εx、εy、εz是正應(yīng)變，γyz、γxz、γxy是剪應(yīng)變。在材料的彈性范圍內(nèi)，應(yīng)力和應(yīng)變之間滿足胡克定律，即：σ=Cε。其中，C為鋼軌的彈性模量。

鋼軌中任一點(diǎn)的應(yīng)變和位移的關(guān)系用矩陣形式表示為：

(2)

式中

(3)

與傳統(tǒng)的有限元方法不同的是，SAFE方法求解CHN60鋼軌中傳播的超聲導(dǎo)波的頻散曲線時(shí)，首先假定其以簡諧波形式沿鋼軌縱向傳播，因此僅需對(duì)鋼軌的橫截面作有限元離散即可。鋼軌中任意離散節(jié)點(diǎn)的位移如式(4)所示[11]，其中x為鋼軌縱向坐標(biāo)。

選擇三角形單元對(duì)CHN60鋼軌的橫截面作有限元離散，得到177個(gè)節(jié)點(diǎn)，255個(gè)單元，如圖2所示。

圖2 CHN60軌截面離散圖 Fig.2 Discretization of cross section of CHN60 rail

鋼軌橫截面采用三角形單元離散，由離散后的節(jié)點(diǎn)位移和單元的形函數(shù)可以得到單元內(nèi)任意質(zhì)點(diǎn)的位移，單元的應(yīng)變、應(yīng)力矢量可通過節(jié)點(diǎn)的位移來表示。根據(jù)哈密頓原理，同時(shí)求解CHN60鋼軌中任意一點(diǎn)的應(yīng)變能和勢能，可得到鋼軌中導(dǎo)波傳播的動(dòng)力學(xué)方程[14]：

[K1+iξK2+ξ2K3-ω2M]MU=0 , (5)

其中，U包含節(jié)點(diǎn)在x、y、z三個(gè)方向的位移，M為節(jié)點(diǎn)質(zhì)量矩陣，ξ、ω分別為波數(shù)和角頻率，K1、K2、K3為剛度矩陣。

圖3 頻散曲線(T=32 ℃) Fig.3 Dispersion curves(T=32 ℃)

由圖3可知，同一頻率下，鋼軌有多個(gè)可傳播的導(dǎo)波模態(tài)，且頻率越大，導(dǎo)波模態(tài)數(shù)量越多。

2.2 改進(jìn)的半解析有限元方法

在有限元方法計(jì)算中，大部分研究學(xué)者應(yīng)用的鋼軌彈性模量值為C=210 GPa，還有一小部分研究學(xué)者應(yīng)用的彈性模量值為C=200 GPa。實(shí)際上，鋼軌的彈性模量并不是一成不變的，它與環(huán)境溫度相關(guān)。鋼鐵研究總院應(yīng)用動(dòng)態(tài)彈性模量測試儀測定了不同環(huán)境溫度下CHN60型鋼軌的彈性模量，結(jié)果表明二者呈反比例關(guān)系[15]。彈性模量的變化會(huì)改變導(dǎo)波的傳播速度，從而造成較大的缺陷定位誤差。因此，考慮引入環(huán)境溫度T，改進(jìn)半解析有限元算法。將彈性模量C用含有環(huán)境溫度T的代數(shù)式表達(dá)：

C=C(T) , (6)

則鋼軌中導(dǎo)波傳播的動(dòng)力學(xué)方程由式(5)改為式(7)的形式。

[K1(T)+iξK2(T)+ξ2K3(T)-

ω2M]MU=0 . (7)

分別計(jì)算環(huán)境溫度為-20 ℃和40 ℃時(shí)對(duì)應(yīng)的3號(hào)軌腰扭轉(zhuǎn)模態(tài)的群速度頻散曲線，如圖4所示。

由圖4可知，頻率為30 kHz時(shí)，-20 ℃與40 ℃兩種狀態(tài)下，彈性模量相差3 GPa，群速度差值高達(dá)15 m/s。對(duì)于分別應(yīng)用210 GPa和200 GPa的彈性模量進(jìn)行計(jì)算的研究而言，二者群速度的差值甚至高達(dá)50 m/s。而隨著頻率增大，二者差值將繼續(xù)增大。在實(shí)際應(yīng)用中，將造成較大的定位誤差。因此，計(jì)算群速度時(shí)引入環(huán)境溫度變量對(duì)提高定位準(zhǔn)確度非常重要。

圖4 -20 ℃和40 ℃時(shí)3號(hào)軌腰扭轉(zhuǎn)模態(tài)頻散曲線 Fig.4 Dispersion curves of rail waist torsional mode for No.3 rail at -20 ℃ and 40 ℃

3 頻率選取

在同一頻率下，鋼軌中可激勵(lì)出多個(gè)導(dǎo)波模態(tài)，不同的激勵(lì)位置激勵(lì)出的主要模態(tài)也不相同。各個(gè)模態(tài)的傳播速度、振動(dòng)特性、傳播距離及其對(duì)缺陷的敏感度也不同。因此，應(yīng)選擇合適的頻率和激勵(lì)方式來激勵(lì)出適于檢測相應(yīng)缺陷的模態(tài)。

3.1 頻率選擇

不同頻率導(dǎo)波信號(hào)的傳播距離與頻率的關(guān)系如圖5所示[16]。由圖5可知，頻率在40～60 kHz范圍內(nèi)的超聲導(dǎo)波傳播距離最遠(yuǎn)；頻率在20～40 kHz的導(dǎo)波傳播距離與40～60 kHz的信號(hào)相差不大，均較0～20 kHz的信號(hào)傳播距離遠(yuǎn)很多。

圖5 鋼軌中聲波的衰減曲線圖 Fig.5 Attenuation curves of sound waves in rails

由圖3可知，在20 kHz時(shí)有14個(gè)導(dǎo)波模態(tài)，40 kHz時(shí)有23個(gè)導(dǎo)波模態(tài)，60 kHz時(shí)有33個(gè)導(dǎo)波模態(tài)。導(dǎo)波模態(tài)數(shù)量的增多使鋼軌內(nèi)信號(hào)的傳播變得十分復(fù)雜，因此應(yīng)在滿足遠(yuǎn)距離傳播的基礎(chǔ)上，盡量選擇頻率較低的導(dǎo)波信號(hào)進(jìn)行鋼軌內(nèi)的缺陷檢測。然而，換能器在設(shè)計(jì)時(shí)遵循頻率和直徑成反比的規(guī)律，當(dāng)頻率選擇過低時(shí)，換能器的直徑將過大，安裝在線路上會(huì)影響列車的安全運(yùn)營。綜合考慮上述因素，最終選取頻率為30 kHz作為導(dǎo)波信號(hào)的激勵(lì)頻率。

3.2 振型分析

鋼軌在頻率為30 kHz時(shí)共有18種模態(tài)，模態(tài)振型圖如圖6所示。

圖6 鋼軌中各模態(tài)的振型 Fig.6 Vibration shapes of various modes in rails

從振型圖中可以看出，不同模態(tài)的振型形態(tài)各不相同，主要產(chǎn)生振動(dòng)的部位也有所差異。如圖6中，頻率為30 kHz時(shí)，1號(hào)模態(tài)主要振動(dòng)部位是軌頭，3號(hào)模態(tài)主要為軌腰振動(dòng)，而4號(hào)模態(tài)則是軌底振動(dòng)。根據(jù)鐵路現(xiàn)場情況，無縫線路鋼軌的軌底均被扣件約束，對(duì)于軌底振動(dòng)較大的振型，在振動(dòng)時(shí)受扣件的阻礙無法遠(yuǎn)距離傳播，因此在缺陷檢測中應(yīng)盡量避免選取此類模態(tài)。同時(shí)，為了不影響列車的正常運(yùn)營，實(shí)現(xiàn)缺陷的在線監(jiān)測，換能器應(yīng)安裝于軌腰位置。綜上，根據(jù)圖6選取了主要振動(dòng)為軌腰振動(dòng)的3號(hào)模態(tài)進(jìn)行缺陷檢測，振型如圖7所示。

圖7 模態(tài)3的振型 Fig.7 Vibration shapes of mode 3

當(dāng)環(huán)境溫度為32 ℃時(shí)，該模態(tài)的相速度值為2 184.8 m/s，群速度值為2 853.6 m/s。振動(dòng)形態(tài)如圖7所示，其軌頭和軌底幾乎不產(chǎn)生振動(dòng)，軌腰處呈扭轉(zhuǎn)振動(dòng)形態(tài)，振動(dòng)幅度很大。

4 激勵(lì)響應(yīng)計(jì)算

不同的激勵(lì)位置及激勵(lì)方式可以激勵(lì)出不同的模態(tài)，因此在選定檢測缺陷的模態(tài)后需要對(duì)該模態(tài)的激勵(lì)位置及激勵(lì)方式進(jìn)行研究。應(yīng)用激勵(lì)響應(yīng)算法計(jì)算出激勵(lì)信號(hào)的傳播情況，可以判斷信號(hào)中是否激勵(lì)出選取的模態(tài)。

在求解鋼軌中任意信號(hào)的激勵(lì)響應(yīng)結(jié)果時(shí)，首先，應(yīng)得到鋼軌近似的系統(tǒng)函數(shù)模型H(jω)；然后將激勵(lì)信號(hào)作傅里葉變換，得到頻域信號(hào)V1(jω)。激勵(lì)響應(yīng)結(jié)果由V2(jω)=H(jω)·V1(jω)計(jì)算得出；最終對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行反傅里葉變換，即可得到時(shí)域結(jié)果。通過對(duì)時(shí)域結(jié)果的波形進(jìn)行數(shù)據(jù)處理及分析，可得到波形中模態(tài)的群速度，與頻散曲線及振型圖進(jìn)行對(duì)比，即可對(duì)信號(hào)中存在的模態(tài)進(jìn)行判斷。

建立鋼軌模型函數(shù)表達(dá)式[17]：

(8)

將激勵(lì)信號(hào)v1(t)轉(zhuǎn)換為頻域[18]：

根據(jù)激勵(lì)響應(yīng)算法可計(jì)算出響應(yīng)結(jié)果的頻域表達(dá)式[11]：

將式(10)的計(jì)算結(jié)果轉(zhuǎn)換回時(shí)域，即為激勵(lì)信號(hào)的響應(yīng)結(jié)果。

現(xiàn)階段還沒有可以激勵(lì)出指定的較為純凈的單一模態(tài)的方法，通常意義上的單一模態(tài)是指信號(hào)中該模態(tài)比例較其他模態(tài)多很多。一般需要布置陣列傳感器，通過設(shè)置陣列中不同晶片的激勵(lì)方式來激勵(lì)出特定模態(tài)。考慮到線路上安裝的方便性，希望可以只應(yīng)用一個(gè)超聲導(dǎo)波換能器即可達(dá)到陣列的激勵(lì)效果，因此計(jì)算激勵(lì)響應(yīng)來驗(yàn)證方法的可行性。

由圖7所示振型圖可以看出，該模態(tài)的最大振動(dòng)點(diǎn)在軌腰位置，考慮到采用30 kHz換能器的振動(dòng)方向是縱向振動(dòng)，因此將激勵(lì)信號(hào)選為施加在軌腰中心，沿著鋼軌截面的橫向激勵(lì)，如圖8所示。激勵(lì)信號(hào)的頻譜如圖9所示。

圖8 激勵(lì)方向和位置 Fig.8 Excitation direction and position

圖9 激勵(lì)信號(hào)頻譜 Fig.9 Frequency spectrum of exciting signal

選擇15～45 kHz間頻率值進(jìn)行激勵(lì)響應(yīng)計(jì)算，共計(jì)110個(gè)計(jì)算點(diǎn)。y方向激勵(lì)軌腰中心節(jié)點(diǎn)，根據(jù)公式(10)求解出距離激勵(lì)點(diǎn)4 m處的響應(yīng)結(jié)果，并轉(zhuǎn)換回時(shí)域，如圖10所示。圖中為4 m處軌腰中心節(jié)點(diǎn)y方向的位移，根據(jù)群速度定義，激勵(lì)信號(hào)包絡(luò)峰值時(shí)間為0.116 7 ms，4 m外接收信號(hào)包絡(luò)的峰值時(shí)間為1.522 ms，二者相差1.405 3 ms。由此求解出導(dǎo)波傳播的群速度2 846.4 m/s，查找圖3可知，群速度為2 853.6 m/s的3號(hào)模態(tài)與之最為接近。因此，可以通過在軌腰的中心安裝換能器，沿著鋼軌y方向激勵(lì)得到3號(hào)模態(tài)。

圖10 4 m處軌腰中心y方向位移 Fig.10 Y direction displacement of rail waist center at x=4 m

5 現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)

為進(jìn)一步驗(yàn)證檢測方法的可行性，在北京環(huán)形鐵道試驗(yàn)基地進(jìn)行了鋼軌缺陷模擬檢測實(shí)驗(yàn)。現(xiàn)場鋪設(shè)鋼軌為無縫線路長鋼軌，在鋼軌上分布了一些接地安裝孔，如圖11所示，以軌腰的接地孔作為模擬核傷，驗(yàn)證超聲導(dǎo)波檢測缺陷的可行性。

圖11 軌腰接地孔模擬缺陷 Fig.11 Simulation defect of rail waist ground hole

5.1 模擬實(shí)驗(yàn)可行性分析

由于線路應(yīng)用軌檢車定期巡檢，一旦發(fā)現(xiàn)缺陷立即換軌，很難找到缺陷。因此應(yīng)用接地孔模擬鋼軌上的特定缺陷，其作用是使導(dǎo)波在傳播過程中產(chǎn)生脈沖回波，用以模擬缺陷的存在。所以接地孔可以作為產(chǎn)生反射回波缺陷的極限情況參與模擬實(shí)驗(yàn)。在眾多缺陷類型中，鋼軌核傷是情況最為嚴(yán)重的傷損類型，也是肉眼看不到的且對(duì)列車運(yùn)行安全威脅性最高的傷損類型。因此，實(shí)驗(yàn)?zāi)M的缺陷主要指鋼軌的核傷。

為了驗(yàn)證模擬實(shí)驗(yàn)的可行性，分別建立了鋼軌核傷三維模型以及接地孔三維模型，軌長均為20 m，核傷及孔均位于15 m處，網(wǎng)格大小為5 mm，核傷斷面圖及接地孔如圖12所示。

圖12 仿真模型圖 Fig.12 Simulation models

應(yīng)用三維有限元仿真軟件ANSYS分別仿真兩條鋼軌的激勵(lì)響應(yīng)情況。采用30 kHz信號(hào)橫向激勵(lì)鋼軌10 m軌腰中心點(diǎn)，在13 m處接收振動(dòng)信號(hào)，仿真時(shí)間為3 ms。這樣設(shè)計(jì)可以保證缺陷反射信號(hào)已經(jīng)傳回，但端面反射信號(hào)還沒有到達(dá)。提取兩個(gè)仿真模型接收數(shù)據(jù)的反射回波信號(hào)，如圖13所示。

圖13 回波信號(hào) Fig.13 Reflection echo signal

由圖13可知，二者反射回波波形一致，幅值略有差異。因此，鋼軌核傷可以產(chǎn)生反射信號(hào)，且可以在缺陷檢測實(shí)驗(yàn)中應(yīng)用鋼軌接地孔模擬核傷。

5.2 實(shí)驗(yàn)布置

導(dǎo)波發(fā)射探頭通過磁性吸座固定在鋼軌上，并采用耦合劑使接觸面耦合，如圖14。該傳感器諧振頻率為30 kHz，接觸面為陶瓷，可以降低噪聲的影響。

圖14 發(fā)射換能器安裝圖 Fig.14 Transmitting transducer installation

圖15 設(shè)計(jì)原理及檢測現(xiàn)場圖 Fig.15 Design principle and detection image

為避免接觸式檢測方法受鋼軌振動(dòng)的擾動(dòng)以及粘貼膠質(zhì)等客觀因素的影響，最大限度地減少仿真和實(shí)驗(yàn)的差異性，提高檢測點(diǎn)的時(shí)空分辨率，降低接收器的非線性特性，實(shí)驗(yàn)采用基于光學(xué)差頻干涉和激光多普勒頻移的原理制作的激光測振儀搭配高精度解調(diào)卡來進(jìn)行非接觸式鋼軌振動(dòng)信號(hào)的接收。其設(shè)計(jì)原理及檢測現(xiàn)場圖如圖15所示。用半反半透的玻璃鏡將激光分為兩束，分別作為檢測光束和參考對(duì)比光束，檢測光束經(jīng)過Bragg cell進(jìn)行頻偏和鋼軌表面的反射后與對(duì)比光束產(chǎn)生一個(gè)呈正弦變化的曲線，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理和標(biāo)定得到實(shí)際振動(dòng)速度。上位機(jī)自動(dòng)采集速度信號(hào)后，將速度進(jìn)行時(shí)間積分即可獲得鋼軌表面振動(dòng)位移信號(hào)。當(dāng)反射波的極值出現(xiàn)在一定區(qū)間時(shí)，產(chǎn)生報(bào)警并返回缺陷位置。

根據(jù)現(xiàn)場情況，在鋼軌軌腰位置安裝一個(gè)發(fā)射探頭,并粘貼兩張反光膜用于接收振動(dòng)信號(hào)(兩個(gè)接收點(diǎn)距離較近，第二個(gè)點(diǎn)用以輔助判斷缺陷的方向及波包的傳播方向)，探頭和接收點(diǎn)前后各分布了1個(gè)接地孔，安裝位置示意圖如圖16所示。

圖16 換能器安裝位置示意圖 Fig.16 Sketch of transducer installation

圖中激光頭接收位置r1位于發(fā)射探頭t1右側(cè)6 m處，第一個(gè)接地孔h1位于發(fā)射探頭t1左側(cè)3.4 m處，第二個(gè)接地孔位于發(fā)射探頭t1的右側(cè)18.9 m處。

5.3 實(shí)驗(yàn)設(shè)置及結(jié)果分析

中心頻率為30 kHz正弦信號(hào)激勵(lì)鋼軌，經(jīng)漢寧窗調(diào)制后通過放大器輸出施加在鋼軌軌腰中心，發(fā)射間隔1 s。激光頭接收的數(shù)據(jù)采集點(diǎn)數(shù)為100 000，上位機(jī)存儲(chǔ)對(duì)每10次速度信號(hào)取平均值進(jìn)行時(shí)間積分獲得位移信號(hào)，設(shè)置報(bào)警下限為最大值的1/50，實(shí)驗(yàn)監(jiān)測時(shí)長共6 h。以其中一組實(shí)驗(yàn)為例，r1的接收波形經(jīng)過信號(hào)處理后如圖17所示，其中實(shí)線為接收波形，幅值正半軸的最外側(cè)虛線是包絡(luò)線。

圖17 接收點(diǎn)r1波形 Fig.17 Waveform of receiving node r1

由圖17可知，第一個(gè)波包為r1點(diǎn)接收到的t1發(fā)射波，第二個(gè)波包是左側(cè)孔h1的反射波，第三個(gè)波包是右側(cè)孔h2的反射回波。實(shí)驗(yàn)時(shí)環(huán)境溫度為32 ℃，激勵(lì)出的3號(hào)模態(tài)的理論群速度為2 853.6 m/s。根據(jù)后兩個(gè)波包與第一個(gè)波包的時(shí)間差和理論群速度可以計(jì)算出缺陷位置分別為發(fā)射點(diǎn)左側(cè)3.35 m及發(fā)射點(diǎn)右側(cè)19.33 m，與實(shí)際位置僅相差0.05 m和0.43 m。

分別移動(dòng)激光頭接收位置至發(fā)射探頭右側(cè)10 m和14 m處，再次重復(fù)實(shí)驗(yàn)，計(jì)算后得到的缺陷與t1距離及誤差值見表1所示。

表1 缺陷位置估算及誤差

經(jīng)過現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)，超聲導(dǎo)波遇到缺陷后會(huì)產(chǎn)生反射回波，根據(jù)反射回波的接收時(shí)間及激勵(lì)出模態(tài)的群速度可以實(shí)現(xiàn)缺陷位置檢測。由于現(xiàn)場鋼軌僅存在軌腰接地孔，現(xiàn)階段無法實(shí)現(xiàn)軌頭、軌底缺陷檢測的模擬實(shí)驗(yàn)，待后期實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建完成后再進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)。

6 結(jié) 論

針對(duì)現(xiàn)階段我國鐵路上應(yīng)用的探傷設(shè)備只能在天窗時(shí)間進(jìn)行巡檢，無法在線監(jiān)測的問題，提出了一種基于超聲導(dǎo)波的鋼軌內(nèi)部缺陷檢測方法。該方法應(yīng)用改進(jìn)的半解析有限元方法求解了我國CHN60鋼軌的頻散曲線，并選取了適用于檢測鋼軌內(nèi)部缺陷的導(dǎo)波頻率及模態(tài)，根據(jù)探頭實(shí)際情況確定了激勵(lì)方向，通過激勵(lì)響應(yīng)算法仿真了導(dǎo)波傳播情況，從而確定了激勵(lì)點(diǎn)。繼而在北京環(huán)行鐵道試驗(yàn)基地進(jìn)行了現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)通過軌腰接地孔模擬了缺陷，應(yīng)用激光多普勒頻移法對(duì)鋼軌單點(diǎn)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行非接觸式采集，根據(jù)對(duì)采集信號(hào)的數(shù)字化處理，結(jié)合理論研究結(jié)果，實(shí)現(xiàn)了鋼軌內(nèi)部缺陷的檢測。該方法的定位誤差小于0.5 m。該方法激勵(lì)方式簡單，導(dǎo)波傳播距離遠(yuǎn)，從接收方式上規(guī)避了產(chǎn)生接收換能器誤差的可能，證實(shí)了應(yīng)用超聲導(dǎo)波全天候在線監(jiān)測鋼軌缺陷的可行性，提高了檢測效率。同時(shí)，引入環(huán)境溫度變量計(jì)算理論群速度，提高了定位準(zhǔn)確度，為鋼軌內(nèi)部缺陷的檢測提供了一個(gè)新思路。