基于激光多普勒頻移的鋼軌缺陷監(jiān)測(cè)

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(cè)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(chē)過(guò)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(chē)的平穩(wěn)性和舒適性，還會(huì)危及行車(chē)安全。鋼軌傷損種類(lèi)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(guò)機(jī)器視覺(jué)的方法來(lái)檢測(cè)[2]。而對(duì)于鋼軌內(nèi)部傷損，常規(guī)的基于圖像的方法無(wú)法檢測(cè)。鋼軌內(nèi)部傷損早期難以發(fā)現(xiàn)，在列車(chē)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(chē)事故。隨著我國(guó)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(lèi)型。

為了早期發(fā)現(xiàn)鋼軌內(nèi)部缺陷，確保對(duì)無(wú)縫線路長(zhǎng)鋼軌服役狀態(tài)的及時(shí)掌控，我國(guó)鐵路相關(guān)部門(mén)采用定期檢測(cè)的模式對(duì)鋼軌進(jìn)行探傷作業(yè)，利用大型探傷車(chē)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(chē)和小型鋼軌探傷儀均基于超聲波檢測(cè)技術(shù)設(shè)計(jì)，大型鋼軌探傷車(chē)速度快，檢測(cè)效率高，但造價(jià)昂貴；小型鋼軌探傷儀檢測(cè)精度高，但速度慢，且這兩種檢測(cè)方式都要占用天窗時(shí)間。因此，鐵路工務(wù)部門(mén)迫切需要一種可以實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)無(wú)縫線路長(zhǎng)鋼軌內(nèi)部缺陷的方法，以實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)縫線路鋼軌服役狀態(tài)的在線監(jiān)測(cè)，確保高速鐵路行車(chē)安全。

軌道電路是我國(guó)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(chē)占用檢測(cè)、斷軌檢測(cè)等功能[4]?；谲壍离娐返臄嘬墮z測(cè)方式，能夠最大程度地滿足實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)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(wú)法檢測(cè)鋼軌內(nèi)部缺陷。

目前，鐵路系統(tǒng)檢測(cè)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(chē)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)鋼軌內(nèi)部缺陷的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)，因此需要研究一種新的檢測(cè)技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)鋼軌內(nèi)部缺陷的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)。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(cè)橫截面一致、距離很長(zhǎng)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(lèi)接觸式測(cè)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(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確率。本文采用激光多普勒頻移法[8]檢測(cè)鋼軌振動(dòng)速度曲線，經(jīng)過(guò)信號(hào)處理后基于脈沖回波法，通過(guò)檢測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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?；诔晫?dǎo)波技術(shù)檢測(cè)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(jiǎn)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(guò)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(jiǎn)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(guò)節(jié)點(diǎn)的位移來(lái)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(shì)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(cè)試儀測(cè)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(lái)激勵(lì)出適于檢測(cè)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(cè)。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(guò)低時(shí)，換能器的直徑將過(guò)大，安裝在線路上會(huì)影響列車(chē)的安全運(yùn)營(yíng)。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(chǎng)情況，無(wú)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(wú)法遠(yuǎn)距離傳播，因此在缺陷檢測(cè)中應(yīng)盡量避免選取此類(lèi)模態(tài)。同時(shí)，為了不影響列車(chē)的正常運(yùn)營(yíng)，實(shí)現(xiàn)缺陷的在線監(jiān)測(cè)，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(cè)，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(cè)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(guò)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(méi)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(guò)設(shè)置陣列中不同晶片的激勵(lì)方式來(lái)激勵(lì)出特定模態(tài)?？紤]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(lái)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(guò)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(chǎng)實(shí)驗(yàn)

為進(jìn)一步驗(yàn)證檢測(cè)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(cè)實(shí)驗(yàn)?，F(xiàn)場(chǎng)鋪設(shè)鋼軌為無(wú)縫線路長(zhǎng)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(cè)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(chē)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(guò)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(lèi)型中，鋼軌核傷是情況最為嚴(yán)重的傷損類(lèi)型，也是肉眼看不到的且對(duì)列車(chē)運(yùn)行安全威脅性最高的傷損類(lèi)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(zhǎng)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(méi)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(cè)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(guò)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(cè)現(xiàn)場(chǎng)圖 Fig.15 Design principle and detection image

為避免接觸式檢測(cè)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(cè)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(cè)振儀搭配高精度解調(diào)卡來(lái)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(cè)現(xiàn)場(chǎng)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(cè)光束和參考對(duì)比光束，檢測(cè)光束經(jīng)過(guò)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(guò)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(chǎng)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(guò)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(cè)時(shí)長(zhǎng)共6 h。以其中一組實(shí)驗(yàn)為例，r1的接收波形經(jīng)過(guò)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(jiàn)表1所示。

表1 缺陷位置估算及誤差

經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)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(cè)。由于現(xiàn)場(chǎng)鋼軌僅存在軌腰接地孔，現(xiàn)階段無(wú)法實(shí)現(xiàn)軌頭、軌底缺陷檢測(cè)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(guó)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(wú)法在線監(jiān)測(cè)的問(wèn)題，提出了一種基于超聲導(dǎo)波的鋼軌內(nèi)部缺陷檢測(cè)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(guó)CHN60鋼軌的頻散曲線，并選取了適用于檢測(cè)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(guò)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(chǎng)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)通過(guò)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(cè)。該方法的定位誤差小于0.5 m。該方法激勵(lì)方式簡(jiǎn)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(cè)鋼軌缺陷的可行性，提高了檢測(cè)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(cè)提供了一個(gè)新思路。