承力索錨結(jié)線夾絞線區(qū)域損傷的超聲導(dǎo)波監(jiān)測(cè)*

洪曉斌 何永奎 周建熹 黃國(guó)健

(1.華南理工大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院， 廣東 廣州 510640; 2.廣州市機(jī)電特種設(shè)備檢測(cè)研究院， 廣東 廣州 510663)

承力索錨結(jié)線夾絞線區(qū)域損傷的超聲導(dǎo)波監(jiān)測(cè)*

洪曉斌1何永奎1周建熹1黃國(guó)健2

(1.華南理工大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院， 廣東 廣州 510640; 2.廣州市機(jī)電特種設(shè)備檢測(cè)研究院， 廣東 廣州 510663)

針對(duì)電氣化鐵路承力索錨結(jié)線夾絞線區(qū)域損傷難以準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)的問題，研制了面向承力索錨結(jié)線夾絞線區(qū)域損傷的傳感器來實(shí)現(xiàn)損傷的超聲導(dǎo)波監(jiān)測(cè).首先針對(duì)銅鎂合金承力索絞線的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及超聲導(dǎo)波的傳播特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了承力索單線導(dǎo)波引導(dǎo)針，并以導(dǎo)波引導(dǎo)針為核心構(gòu)建了獨(dú)立彈性導(dǎo)波激勵(lì)接收單元;然后基于承力索外層結(jié)構(gòu)完成包含12個(gè)導(dǎo)波激勵(lì)接收單元的環(huán)形導(dǎo)波檢測(cè)模塊;最后集成獨(dú)立晶片控制電路與包覆保護(hù)操作手柄，形成新型超聲導(dǎo)波傳感器，結(jié)合脈沖反射法和小波降噪法對(duì)承力索錨結(jié)線夾絞線區(qū)域的結(jié)構(gòu)損傷進(jìn)行檢測(cè)并判定.19芯銅鎂合金承力索錨結(jié)線夾絞線區(qū)域的單線預(yù)設(shè)損傷檢測(cè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)傳感器間距為0.1 m、傳感器與錨結(jié)線夾中心間距為0.4 m時(shí)，經(jīng)小波降噪后的損傷回波峰值與損傷深度呈正相關(guān)，判別平均相對(duì)誤差為3.16%，平均誤差長(zhǎng)度為0.025 m，小于錨結(jié)線夾長(zhǎng)度0.055 m，說明所研制的傳感器及相應(yīng)的監(jiān)測(cè)方法可實(shí)現(xiàn)承力索錨結(jié)線夾絞線區(qū)域最外層單線的損傷判別.文中研究為電氣化鐵路接觸網(wǎng)承力索錨結(jié)線夾結(jié)構(gòu)的及時(shí)補(bǔ)強(qiáng)更換提供了有效的判定依據(jù)．

承力索;傳感器;超聲導(dǎo)波;錨結(jié)線夾;電氣化鐵路；損傷監(jiān)測(cè)

承力索作為電氣化鐵路接觸網(wǎng)的主要承載部件，一旦出現(xiàn)損傷容易引發(fā)接觸網(wǎng)停電故障，損傷嚴(yán)重(或斷裂)時(shí)甚至?xí)斐沙辛λ骼p繞受電弓而引發(fā)大面積塌網(wǎng)危險(xiǎn)[1].據(jù)報(bào)道，僅我國(guó)在近幾年就發(fā)生過多起由承力索結(jié)構(gòu)損傷引起的鐵路運(yùn)行故障，其中相當(dāng)大一部分事故是由承力索錨結(jié)線夾覆蓋絞線區(qū)域損傷引起的[2].我國(guó)長(zhǎng)達(dá)上千公里的電化鐵路線路(如武廣高鐵線)包含的承力索結(jié)點(diǎn)可達(dá)數(shù)十萬個(gè)以上，一方面由于這些結(jié)點(diǎn)在服役期間大部分不可拆卸，導(dǎo)致其包裹的承力索成為目前檢測(cè)盲區(qū);另一方面，結(jié)點(diǎn)在同一承力索(不同金屬材料組成)不同表面位置上施加的擠壓力大小不同，給損傷檢測(cè)信號(hào)帶來復(fù)雜的干擾因素.而且電氣化鐵路對(duì)接觸網(wǎng)引流效率日益重視，承力索已經(jīng)從過去的非載流類型漸漸發(fā)展為載流類型，其材料也從過去的鋼鐵發(fā)展為合金材料，這些均給承力索錨結(jié)線夾覆蓋區(qū)域絞線損傷檢測(cè)帶來了極大的挑戰(zhàn)．

承力索錨結(jié)線夾絞線區(qū)域發(fā)生損傷時(shí)，需根據(jù)截面損傷程度進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)、接續(xù)或更換[3]，其中對(duì)線夾絞線區(qū)域損傷進(jìn)行有效檢測(cè)并判定是前提.目前承力索絞線結(jié)構(gòu)損傷檢測(cè)方法主要有電磁法[4]、電渦流法[5]、光學(xué)法[6]等，然而這些方法均主要是對(duì)承力索裸露部位損傷進(jìn)行檢測(cè)，難以對(duì)承力索錨結(jié)線夾覆蓋絞線區(qū)域損傷進(jìn)行準(zhǔn)確檢測(cè)，因此迫切需要有效新型的監(jiān)測(cè)方法來對(duì)承力索錨結(jié)線夾絞線區(qū)域進(jìn)行結(jié)構(gòu)損傷檢測(cè).由于超聲導(dǎo)波檢測(cè)技術(shù)具有操作簡(jiǎn)便、檢測(cè)距離長(zhǎng)、靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于桿、絞線、管道、板等結(jié)構(gòu)損傷檢測(cè)[7].常用的超聲導(dǎo)波激勵(lì)與接收方法有壓電式、磁致伸縮式、脈沖激光式等[8].如Kwun等[9]采用磁致伸縮傳感器對(duì)鋼制纜線斷裂情況進(jìn)行檢測(cè)，初步實(shí)現(xiàn)鋼制纜線斷裂情況檢測(cè)與評(píng)估;Rizzo等[10- 11]先后采用磁致伸縮傳感器和激光傳感器對(duì)預(yù)應(yīng)力鋼筋、斜拉索等結(jié)構(gòu)進(jìn)行損傷檢測(cè);Okazaki等[12]采用磁致伸縮傳感器研究7芯絞線導(dǎo)波傳播特性，發(fā)現(xiàn)外圍線芯上傳播導(dǎo)波在能量上占據(jù)著主導(dǎo)地位;Kharrat等[13]采用壓電超聲傳感器對(duì)大直徑多芯鋼纜錨固覆蓋區(qū)域外圍結(jié)構(gòu)損傷進(jìn)行檢測(cè)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)鋼纜錨固覆蓋區(qū)域局部損傷和裂紋的識(shí)別;Xu等[14]利用磁致伸縮傳感器試驗(yàn)得到鋼絞線斷絲數(shù)和損傷回波峰峰值之間的線性關(guān)系;Liu等[15- 16]設(shè)計(jì)了具有3層線圈的新型磁致伸縮傳感器,用于7芯鋼絞線上激勵(lì)縱波的損傷檢測(cè).目前，面向承力索錨結(jié)線夾絞線區(qū)域的損傷監(jiān)測(cè)若采用普通壓電超聲探頭，則由于絞線結(jié)構(gòu)表面形狀復(fù)雜且截面積很小而難以保證檢測(cè)耦合效果;磁致伸縮傳感器主要用于鋼絞線結(jié)構(gòu)損傷檢測(cè)，磁致伸縮效應(yīng)針對(duì)鐵磁性材料(鐵、鈷、鎳)比較有效，若將磁致伸縮傳感器用于銅鎂合金承力索錨結(jié)線夾絞線區(qū)域損傷檢測(cè)，將會(huì)增加傳感器的復(fù)雜程度;而脈沖激光傳感器由于對(duì)檢測(cè)設(shè)備要求高、體積較大，故難以用于在役絞線結(jié)構(gòu)的損傷現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè).為此，文中結(jié)合19芯銅鎂合金承力索絞線的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，研制了用于承力索錨結(jié)線夾絞線區(qū)域損傷檢測(cè)的超聲導(dǎo)波傳感器，并結(jié)合有效方法實(shí)現(xiàn)在役承力索錨結(jié)線夾絞線區(qū)域損傷的快速判別．

1 承力索結(jié)構(gòu)及傳感器設(shè)計(jì)

1.1 承力索錨結(jié)線夾結(jié)構(gòu)

圖1所示為電氣化鐵路接觸網(wǎng)中心錨結(jié)示意圖，電氣化鐵路接觸線通過接觸線錨結(jié)線夾及接觸線錨結(jié)繩懸吊，而接觸線錨結(jié)繩通過承力索錨結(jié)線夾與承力索捆扎固定.圖2為承力索錨結(jié)線夾示意圖，承力索錨結(jié)線夾長(zhǎng)0.055 m．

圖1 接觸網(wǎng)中心錨結(jié)示意圖

圖2 承力索錨結(jié)線夾示意圖

承力索為19芯銅鎂合金絞線(JTMH120—1×19/2.80 TB/T3111—2005)，由內(nèi)至外依次分為3層，內(nèi)層為1芯的直線芯，外層為12芯的螺旋線芯，內(nèi)層和外層之間的夾層為6芯的螺旋線芯.其材料為含鎂0.5%的銅鎂合金，密度為8 904 kg/m3，楊氏模量為127 GPa，泊松比為0.34，單線直徑為2.8 mm．

承力索的最外層是由多根單線捻制而成，當(dāng)直接測(cè)量某段承力索長(zhǎng)度為l0時(shí)，該段內(nèi)最外層單線的實(shí)際長(zhǎng)度l1將大于l0，如圖3所示.為降低檢測(cè)誤差，需要對(duì)l0與l1進(jìn)行修正，定義承力索單線長(zhǎng)度修正系數(shù)為

β=l1/l0

(1)

圖3 承力索外層單線長(zhǎng)度測(cè)量值與實(shí)際值差別

Fig.3 Distinction of single wire’s length of messenger wire between measured and actual values

承力索絞線最外層單線螺旋直徑l1=11.2 mm，其捻距(絞線旋轉(zhuǎn)一圈前進(jìn)的長(zhǎng)度)ln=160.0 mm，如圖4所示，根據(jù)幾何原理可得

(2)

即在測(cè)量承力索長(zhǎng)度為l0時(shí)，其最外層單線實(shí)際長(zhǎng)度l1=βl0=1.024l0．

圖4 承力索單線長(zhǎng)度修正過程

Fig.4Correctionprocedureofsinglewire’slengthofmessengerwire

1.2 承力索錨結(jié)線夾中單線超聲導(dǎo)波的傳播特性

為降低多模態(tài)頻散接收信號(hào)中結(jié)構(gòu)損傷信息的提取難度，需根據(jù)導(dǎo)波模態(tài)頻散曲線選擇合適的頻率與模態(tài)進(jìn)行損傷檢測(cè).承力索外層結(jié)構(gòu)由直圓桿單線捻制而成，利用PCdisp軟件繪制銅鎂合金承力索絞線單線的群速度頻散曲線，如圖5所示．

圖5 銅鎂合金絞線單線的群速度頻散曲線

Fig.5 Group velocity dispersion curves of single wire of Cu-Mg alloy strands

從圖中可見:隨著頻率的增大，承力索單線中導(dǎo)波模態(tài)數(shù)增多;在0～200 kHz范圍內(nèi)，承力索單線只存在L(0,1)、T(0，1)和F(1,1)模態(tài).為降低復(fù)雜性，選擇激勵(lì)信號(hào)時(shí)應(yīng)盡量選擇低頻段且信號(hào)頻帶處于頻散曲線中的平緩位置，使波包群速度接近以減少頻散，因此選擇100 kHz作為激勵(lì)信號(hào)中心頻率.在100 kHz處，L(0,1)、T(0，1)和F(1,1)模態(tài)的群速度分別為vL1=3 561,vT1=2 187,vF1=1 516 m/s，群速度幾乎保持不變，這種特征有利于采用脈沖反射法進(jìn)行檢測(cè)．

1.3 超聲導(dǎo)波傳感器設(shè)計(jì)

1.3.1 承力索單線導(dǎo)波引導(dǎo)針

為使傳感器的激勵(lì)和接收信號(hào)具有更好的獨(dú)立性，需要傳感器可以在承力索外層各單線上分別激勵(lì)和接收超聲導(dǎo)波信號(hào).而承力索是捻制而成，難以在單線外圓周布置多個(gè)導(dǎo)波激勵(lì)接收單元以實(shí)現(xiàn)單一縱向模態(tài)導(dǎo)波的激勵(lì).同時(shí)傳感器通過壓電晶片進(jìn)行超聲導(dǎo)波激勵(lì)與接收，壓電晶片面積不能過小，然而19芯承力索的外直徑只有14 mm，需要增加其有效布置面積，從而可以布置更大的壓電晶片，提高信號(hào)信噪比.因此，承力索單線超聲導(dǎo)波采用引導(dǎo)針方式，如圖6所示．

圖6 承力索單線導(dǎo)波引導(dǎo)針

Fig.6 Guiding pin of guided wave for single-wire of messenger wire

引導(dǎo)針小端面與承力索的單線通過壓力接觸;大端面用來粘貼壓電晶片;設(shè)置定位限定階梯面用于限定導(dǎo)波引導(dǎo)針的活動(dòng)范圍，并提供導(dǎo)波引導(dǎo)針與承力索間的壓緊力.引導(dǎo)針材料需根據(jù)聲阻抗匹配原則進(jìn)行選擇，其中材料的聲阻抗Z為

Z=ρv

(3)

式中，ρ為材料密度，v為材料聲速．

聲波穿過截面的能量反射率R和穿透率P為

(4)

式中，Z1為入射材料聲阻抗，Z2為透射材料聲阻抗.

根據(jù)式(3)、(4)得到黃銅與銅鎂合金界面的聲波穿透率達(dá)99.81%，且其具有優(yōu)秀的延展性、切削加工性、耐蝕性等機(jī)械性能，故文中采用黃銅作為導(dǎo)波引導(dǎo)針材料．

1.3.2 獨(dú)立彈性導(dǎo)波激勵(lì)接收單元及環(huán)形導(dǎo)波檢測(cè)模塊

為提高傳感器的檢測(cè)效率，每一個(gè)導(dǎo)波激勵(lì)接收單元都必須有一定的活動(dòng)能力以適應(yīng)承力索外形誤差引起的導(dǎo)波激勵(lì)接收單元位置偏差，同時(shí)要求能便捷地實(shí)現(xiàn)裝載與卸載操作，以保證傳感器與承力索間的耦合效果與裝卸效率.因此，文中設(shè)計(jì)了導(dǎo)波引導(dǎo)針為核心部件的彈性導(dǎo)波激勵(lì)接收單元，如圖7所示．

在一個(gè)導(dǎo)波激勵(lì)接收單元中，導(dǎo)波引導(dǎo)針被金屬墊片、彈簧和限位板來共同限定在導(dǎo)向腔內(nèi)并只有有限的行程.為了減少傳感器夾持部對(duì)導(dǎo)波引導(dǎo)針傳播超聲導(dǎo)波信號(hào)的影響，在導(dǎo)波引導(dǎo)針與夾持體之間設(shè)置隔聲墊片(硫化橡膠墊圈)進(jìn)行聲阻隔，保證導(dǎo)波激勵(lì)接收單元的獨(dú)立性.導(dǎo)波激勵(lì)接收單元各部件材料利用式(3)、(4)經(jīng)聲阻抗匹配計(jì)算確定.傳感器未夾緊承力索時(shí)，導(dǎo)波引導(dǎo)針由于受到彈簧的預(yù)緊力會(huì)趨向于傳感器的圓心方向;在進(jìn)行夾緊操作時(shí)，由于導(dǎo)波激勵(lì)接收單元中彈性機(jī)構(gòu)的存在，導(dǎo)波引導(dǎo)針可沿徑向向外運(yùn)動(dòng)．

圖7 獨(dú)立彈性導(dǎo)波激勵(lì)接收單元結(jié)構(gòu)

Fig.7 Structure of independent elastic guided wave emission-receiving unit

進(jìn)行電聲換能的壓電晶片用環(huán)氧樹脂膠粘結(jié)于導(dǎo)波引導(dǎo)針的外端面上，選用8 mm×5 mm×1 mm的鋯鈦酸鉛壓電陶瓷(PZT).為能在承力索外層各單線上分別激勵(lì)和接收超聲導(dǎo)波信號(hào)，傳感器導(dǎo)波檢測(cè)模塊采用環(huán)形形狀，如圖8所示，包含12個(gè)導(dǎo)波激勵(lì)接收單元，可分別與19芯承力索最外層的12股單線一一對(duì)應(yīng)．

圖8 傳感器檢測(cè)模塊

1.3.3 傳感器獨(dú)立晶片控制電路及包覆操作手柄

為實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感器每一個(gè)導(dǎo)波激勵(lì)接收單元的開關(guān)通斷控制，設(shè)計(jì)的傳感器獨(dú)立晶片控制電路如圖9所示，獨(dú)立晶片控制電路同時(shí)控制每個(gè)PZT的兩個(gè)輸出端，地址信息通過處理模塊從A0-A3端輸入，可實(shí)現(xiàn)任意單路激勵(lì)或接收狀態(tài)切換，通過BNC接口進(jìn)行信號(hào)傳輸．

為使傳感器在實(shí)際結(jié)構(gòu)損傷檢測(cè)中有更好的操作效率且更好地保護(hù)壓電元件，文中設(shè)計(jì)了帶有包覆保護(hù)功能的操作手柄，傳感器夾緊力由扭轉(zhuǎn)彈簧提供，完整的傳感器設(shè)計(jì)示意圖如圖10所示.圖10(b)中，在承力索錨結(jié)線夾絞線區(qū)域的結(jié)構(gòu)損傷檢測(cè)過程中，需要信號(hào)激勵(lì)傳感器與接收

圖9 獨(dú)立晶片控制電路

傳感器同時(shí)工作.在一個(gè)檢測(cè)流程中，超聲導(dǎo)波從激勵(lì)傳感器PZT晶片上激發(fā)，通過其導(dǎo)波引導(dǎo)針傳入承力索，再通過接收傳感器導(dǎo)波引導(dǎo)針傳至其PZT晶片，從而實(shí)現(xiàn)超聲導(dǎo)波信號(hào)的接收.傳感器實(shí)物圖如圖11所示．

圖10 傳感器示意圖

圖11 傳感器實(shí)物

2 承力索錨結(jié)線夾區(qū)域損傷檢測(cè)試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)平臺(tái)

承力索結(jié)構(gòu)損傷監(jiān)測(cè)平臺(tái)主要包含高性能PC機(jī)、Agilent 33520B任意波形發(fā)生器、Trek Model 2100HF高頻高速電壓放大器、NI PCI- 6259高速數(shù)據(jù)采集卡、NI SCC- 68接線盒、承力索絞線及錨結(jié)線夾．

2.2 試驗(yàn)方法及試驗(yàn)組設(shè)置

承力索錨結(jié)線夾絞線區(qū)域損傷檢測(cè)實(shí)驗(yàn)采用脈沖反射法進(jìn)行.選用3峰值100 kHz正弦脈沖作為激勵(lì)信號(hào)，其波形如圖12所示．

圖12 100 kHz 3峰值正弦脈沖信號(hào)

為提高檢測(cè)效率，激勵(lì)信號(hào)同時(shí)加載至激勵(lì)傳感器12個(gè)導(dǎo)波激勵(lì)接收單元上，分別在承力索最外層各單線上產(chǎn)生超聲導(dǎo)波.向前傳播的超聲導(dǎo)波遇到損傷產(chǎn)生回波并通過接收傳感器和信號(hào)采集卡進(jìn)行信號(hào)采集.開關(guān)控制僅令被測(cè)單線的導(dǎo)波激勵(lì)接收單元處于通路狀態(tài).由于在某根單線上激勵(lì)的超聲導(dǎo)波僅能影響其相鄰的單線且其影響程度極其有限，故對(duì)于該根單線而言可視為1路激勵(lì)和1路接收狀態(tài)．為使結(jié)構(gòu)損傷回波信號(hào)能更容易地被提取，需對(duì)實(shí)驗(yàn)中傳感器的布置位置進(jìn)行設(shè)計(jì).圖13為檢測(cè)時(shí)超聲導(dǎo)波的傳播模型．

圖13 檢測(cè)時(shí)超聲導(dǎo)波的傳播模型

Fig.13 Ultrasonic guided wave propagation model in detection

接收傳感器接收到從發(fā)射傳感器直接傳播過來的縱波、扭轉(zhuǎn)波和彎曲波(分別對(duì)應(yīng)圖13中A、B、C)首波所用的時(shí)間tL1、tT1和tF1分別為

(5)

由于vL1>vT1>vF1，故tL1

te1=α(s1+2s2)/vL1

(6)

由于頻散的存在，采集信號(hào)中一個(gè)完整的波包長(zhǎng)度可記為tp=0.1 ms=10-4s．

經(jīng)計(jì)算，A、B波時(shí)間差及B、C波時(shí)間差難以保證有充足的時(shí)間長(zhǎng)度來容納D波，因此需要將D波設(shè)置于C波之后，即要求te1-tF1>tp，則有

s2>[(vL1-vF1)s1+vL1vF1tp]/(2αvF1)

(7)

取s1=0.1 m,則有s2>0.24 m，即當(dāng)激勵(lì)傳感器與接收傳感器間的距離取為0.1 m時(shí)，只要接收傳感器與結(jié)構(gòu)損傷處距離超過0.24 m，即可保證將損傷回波波包與其他波包區(qū)分．

綜合以上分析，試驗(yàn)參數(shù)設(shè)置如下:s1=0.1 m,s2=0.4 m,s3=1 m,s4=3 m.s1、s2、s3和s4均指未進(jìn)行單線長(zhǎng)度修正的距離，該參數(shù)設(shè)置可保證接收傳感器在收到A、B、C波后緊接著收到D波，而非承力索兩端面回波，從而降低損傷識(shí)別難度．

試驗(yàn)時(shí)取同一根承力索，設(shè)置4種人為結(jié)構(gòu)損傷深度(h=0.0，0.5，1.5，2.5 mm)以測(cè)試損傷檢測(cè)效果，按照損傷深度依次遞增進(jìn)行，承力索單線人為結(jié)構(gòu)損傷如圖14所示.每次試驗(yàn)均安裝錨結(jié)線夾，安裝時(shí)通過扭矩扳手保證4個(gè)螺栓的緊固力矩均為44 N·m．

圖14 承力索單線人為結(jié)構(gòu)損傷Fig.14 Artificial structural damage on single wire of messenger wires

根據(jù)圖5可得，100 kHz時(shí)導(dǎo)波引導(dǎo)針的縱波波速vLpin=3 569 m/s，長(zhǎng)度lpin=0.042 5 m.采集系統(tǒng)信號(hào)延遲Δt(包括PZT響應(yīng)延遲、信號(hào)采集卡采集延遲等)通過實(shí)驗(yàn)測(cè)得，為43 μs.則圖13中A、B、C和D波包在采集信號(hào)中出現(xiàn)的理論時(shí)間tL2、tT2、tF2和te2滿足:

(8)

根據(jù)式(8)計(jì)算得到tL2=96 μs，tT2=114 μs，tF2=134 μs，te2=326 μs.在采集數(shù)據(jù)時(shí)域波形中將分別用雙箭頭豎線段作為A、B、C和D波包參考線標(biāo)識(shí)首波理論到達(dá)時(shí)間．

2.3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

銅鎂合金承力索錨結(jié)線夾絞線區(qū)域單線損傷檢測(cè)試驗(yàn)的接收信號(hào)時(shí)域與頻域波形如圖15所示，每個(gè)結(jié)果均由50組采樣數(shù)據(jù)求均值得到，并經(jīng)過首波包歸一化處理．

圖15 損傷檢測(cè)結(jié)果的時(shí)域和頻域波形

Fig.15 Waveforms of damage detection results in time and frequency domains

圖15(a)中接收信號(hào)時(shí)域波形A、B、C和D波包間夾雜著多個(gè)未知模態(tài)及傳播路徑的波包，而且不同損傷深度的接收信號(hào)在幅值等參數(shù)上也無明顯可區(qū)分的特征;圖15(b)中接收信號(hào)頻域波形無損傷信號(hào)與有損傷信號(hào)間的頻譜亦無顯著可作為評(píng)定依據(jù)的差別，因此難以直接在接收信號(hào)時(shí)域及頻域波形中對(duì)承力索錨結(jié)線夾絞線區(qū)域的單線損傷進(jìn)行有效檢測(cè)，需要通過進(jìn)一步的信號(hào)處理方法進(jìn)行損傷判定.文中采用小波閾值降噪方法對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行閾值降噪處理，小波降噪小波基選擇db5，分解層數(shù)為5；采用軟閾值去噪方法進(jìn)行降噪，閾值選擇規(guī)則采用極大極小值，閾值重新調(diào)整規(guī)則根據(jù)不同層的噪聲估計(jì)來調(diào)整閾值．

通過對(duì)小波降噪?yún)?shù)的正確設(shè)置，使信號(hào)中的損傷信息被成功提取.圖15(a)信號(hào)經(jīng)小波降噪處理后，結(jié)果見圖16．從圖中可見，當(dāng)s1=0.1 m、s2=0.4 m時(shí)，在經(jīng)過小波降噪后的結(jié)果中，損傷深度為0.5、1.5和2.5 mm的實(shí)驗(yàn)組中均能在損傷信息理論位置附近(圖中D標(biāo)識(shí)線)成功地發(fā)現(xiàn)損傷回波波包，而損傷深度為0的對(duì)照組中未在損傷信息理論位置附近出現(xiàn)損傷回波波包，表明所研制傳感器及方法能對(duì)承力索錨結(jié)線夾絞線區(qū)域最外層單線結(jié)構(gòu)損傷進(jìn)行有效的存在性判斷．

圖16 損傷檢測(cè)小波降噪結(jié)果

表1為圖16中損傷回波波包峰值絕對(duì)值與損傷深度的關(guān)系，從表中可見，損傷回波波包峰值與損傷深度具有顯著的正相關(guān)關(guān)系．

圖1 損傷回波波包峰值與損傷深度的關(guān)系

Table 1 Relationship between echo amplitudes and damage depths

h/mm波包峰值絕對(duì)值/V0000000050239315075832510020

(9)

(10)

表2 傳感器與損傷之間的檢測(cè)距離及誤差

Table 2 Detection distance between transducer and damage and errors

編號(hào)s2/mt′e2/μss′2/mδ/%Δs′2/m②04318038683310026③04322039371570013④04315038154610037平均3160025

由表中可知，所研制傳感器及其方法在對(duì)有錨結(jié)線夾覆蓋的銅鎂合金承力索絞線外層單線結(jié)構(gòu)損傷進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，每一組試驗(yàn)的誤差長(zhǎng)度范圍均小于錨結(jié)線夾長(zhǎng)度0.055 m，其結(jié)構(gòu)損傷判定平均相對(duì)誤差為3.16%，平均誤差長(zhǎng)度為0.025 m，說明該誤差可以保證檢測(cè)時(shí)對(duì)承力索錨結(jié)線夾區(qū)域最外層單線是否存在損傷進(jìn)行有效的判定．

3 結(jié)論

文中結(jié)合19芯銅鎂合金承力索絞線的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，研制出基于超聲導(dǎo)波的承力索錨結(jié)線夾絞線區(qū)域損傷監(jiān)測(cè)傳感器;利用該傳感器結(jié)合脈沖反射法和小波降噪法實(shí)現(xiàn)了承力索錨結(jié)線夾絞線區(qū)域最外層單線損傷的判別，判別平均相對(duì)誤差為3.16%，平均誤差長(zhǎng)度為0.025 m，小于錨結(jié)線夾長(zhǎng)度(0.055 m)，滿足電氣化鐵路承力索錨結(jié)線夾絞線區(qū)域最外層單線結(jié)構(gòu)的損傷檢測(cè)要求，為電氣化鐵路接觸網(wǎng)損傷承力索的更換提供了有效的判定依據(jù);試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，損傷回波波包與損傷深度呈顯著的正相關(guān)，承力索在無錨結(jié)線夾及有錨結(jié)線夾覆蓋條件下的超聲導(dǎo)波信號(hào)具有不顯著差異性，表明超聲導(dǎo)波檢測(cè)法可有效規(guī)避錨結(jié)線夾對(duì)承力索檢測(cè)的干擾，為承力索錨結(jié)線夾絞線區(qū)域的損傷檢測(cè)提供了新的有效手段，并為后序損傷定量檢測(cè)奠定基礎(chǔ)．

未來將結(jié)合文中檢測(cè)方法與現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，優(yōu)化其在各種特殊極端環(huán)境下的檢測(cè)效果;進(jìn)一步研究承力索錨結(jié)線夾絞線區(qū)域的損傷準(zhǔn)確定位及成像問題，更全面直觀地實(shí)現(xiàn)承力索錨結(jié)線夾區(qū)域所有絞線單線結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測(cè)．

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Ultrasonic-Guided Wave Monitoring for Strands Damage in Anchor Clamp Zone of Messenger Wire

HONGXiao-bin1HEYong-kui1ZHOUJian-xi1HUANGGuo-jian2

(1. School of Mechanical and Automotive Engineering,South China University of Technology,Guangzhou 510640,Guangdong, China;2. Guangzhou Academy of Special Equipment Inspection and Testing,Guangzhou 510663,Guangdong,China)

In order to overcome the difficulties in accurate monitoring of strands damage in the anchor clamp region of messenger wires in electrified railway,a new ultrasonic-guided wave transducer for damage monitoring is deve-loped. In the investigation,first,a guided-wave guiding pin for the single wire of messenger wires is designed according to the specific structure of strands and the ultrasonic-guided wave propagation rule in Cu-Mg alloy messenger wires. Next,an independent elastic guided-wave emission-receiving unit is established with the guided-wave guiding pin at the core. Then,in consideration of outer layer structure of the messenger wire,an annular guided-wave detection module,which contains 12 emission-receiving units,is developed,and a new ultrasonic-guided wave transducer is formed by integrating an independent crystal control circuit with a covering/protecting handle. After that,a monitoring method for single-wire structural damage of messenger wires combined with the pulse echo detection and the specific wavelet de-noising is demonstrated. Finally,a series of detection experiments on single-wire artificial structural damage of 19-filament Cu-Mg alloy messenger wires are carried out. The results indicate that,when the distance between two transducers is 0.1 m and when the distance between the receiving transducer and the anchor clamp center is 0.4 m,there is a positive correlation between the amplitude of wavelet-denoised damage echo and the damage depth,with an average relative error of 3.16% and a length recognition error of 0.025 m (less than the length of anchor clamp,namely 0.055 m),which means that the new transducer and the corresponding monitoring method help successfully achieve an ideal recognition of outer single-wire structural da-mage of an anchor clamp covering messenger wire.This research provides an effectivejudgement for the strengthening and replacing of damaged messenger wires in electrified railway.

messenger wire;transducers;ultrasonic-guided waves;anchor clamp;electrified railway;damage monitoring

2016- 06- 30

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51305141);廣東省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(2014A030313248);廣州市科技計(jì)劃項(xiàng)目(2017010160646,201607010171) Foundation items: Supported by the National Natural Science Foundation of China(51305141) and the Natural Science Foundation of Guangdong Province(2014A030313248)

洪曉斌(1979-),男,博士,教授,主要從事無損檢測(cè)技術(shù)與裝備、網(wǎng)絡(luò)化測(cè)控技術(shù)及應(yīng)用研究.E-mail:mexbhong@scut.edu.cn

1000- 565X(2017)05- 0001- 08

TP 212;TH878

10.3969/j.issn.1000-565X.2017.05.001