基于超聲波的輪軌接觸斑及應(yīng)力檢測系統(tǒng)研究

潘高，王雪梅，倪文波，丁軍君

(西南交通大學 機械工程學院，四川 成都 610031)

隨著高速重載鐵路運輸?shù)陌l(fā)展，輪軌的接觸工況日益惡化，由此帶來的輪軌損傷問題也愈發(fā)嚴重，導(dǎo)致輪軌間接觸幾何關(guān)系改變，進而影響列車運行的平穩(wěn)性與安全性。輪軌接觸斑及其應(yīng)力分布情況是評價輪軌接觸狀態(tài)的重要指標，對于輪軌的優(yōu)化設(shè)計、壽命預(yù)測和日常維護都具有十分重要的作用和意義[1-2]。對于輪軌接觸問題，國內(nèi)外學者進行了大量的理論分析和研究，提出了多種輪軌接觸理論[3-6]。但實際的輪軌接觸面與理論假設(shè)的理想表面具有一定的區(qū)別，無法準確得到真實的輪軌接觸狀態(tài)。目前，國內(nèi)外學者多采用數(shù)值分析方法來求解輪軌接觸問題。特別是隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，有限元方法被大量用于各種條件下的靜態(tài)和動態(tài)輪軌接觸問題仿真分析中[7-8]。然而對于數(shù)值方法，尤其是有限元方法所得的結(jié)果需要通過有效的實驗進行驗證。目前鐵路現(xiàn)場多采用地面測試方法和車載測試方法測量輪軌橫向力及垂向力[9-10]，如鋼軌應(yīng)變檢測法和測力輪對檢測法，以此進一步分析輪軌的接觸狀態(tài)及列車運行情況。但此類方法只能間接評估接觸狀態(tài)，無法準確獲取接觸斑及接觸應(yīng)力分布信息。針對輪軌接觸狀態(tài)的檢測，國內(nèi)外學者采用圖像識別檢測法、結(jié)構(gòu)光測量法、壓敏膠片測量法和光彈性法等[11-14]并進行了實驗研究，但由于輪軌接觸空間的封閉性，這些方法在測量中均存在一定的局限，難以實現(xiàn)對接觸應(yīng)力準確有效地檢測。超聲波法[15]因其簡單快速、靈敏度高和適應(yīng)性強等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于無損檢測工程實際中。由于超聲波在固體中良好的穿透性與方向性，在傳播至介質(zhì)分界面時會產(chǎn)生明顯的反射回波，通過對超聲信號的分析可提取出被測物體的相關(guān)信息，因此超聲波法成為了檢測金屬或非金屬界面接觸狀態(tài)的有效手段，并且成功應(yīng)用于各種靜態(tài)機械元件接觸狀態(tài)的檢測，包括螺栓連接、滾珠軸承以及過盈配合機構(gòu)等[16]。因此，本文擬采用超聲波法對靜態(tài)的輪軌接觸斑及接觸應(yīng)力測量問題進行研究。超聲波測量接觸應(yīng)力主要采用反射系數(shù)法[17]。基于不同接觸狀態(tài)下接觸面聲壓反射系數(shù)的不同，首先建立聲壓反射系數(shù)與接觸應(yīng)力的關(guān)系，再通過測量聲壓反射系數(shù)即可間接得到接觸應(yīng)力。為了驗證該方法的有效性和可靠性，本文建立了基于超聲波的輪軌接觸斑及應(yīng)力檢測系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠?qū)囕喸嚰弯撥夁M行靜態(tài)加載，通過超聲掃描測試實現(xiàn)對輪軌靜態(tài)接觸狀態(tài)的有效檢測，最終得到接觸斑與應(yīng)力分布情況。

1 輪軌接觸斑及應(yīng)力的超聲測量原理

超聲波在同一均勻介質(zhì)中沿直線傳播，而在不同介質(zhì)界面處會發(fā)生反射與折射。超聲波在界面處的聲壓反射系數(shù)R被定義為反射波與入射波的幅值之比，且取決于介質(zhì)材料的聲阻抗，有：

式中：Ar和Ai分別為反射波和入射波的幅值；z1和z2分別為界面兩側(cè)介質(zhì)的聲阻抗。

超聲波在致密材料中傳播良好，但在諸如空氣這類粒子密度稀疏的材料中傳播衰減極快。由式(1)可知，超聲波傳播至兩側(cè)介質(zhì)聲阻抗相差極大的界面上時幾乎為全反射，無透射波。因此，超聲波傳播至固體-空氣界面時可以視為全反射，而傳播至兩固體接觸界面時，聲波的部分能量將透射過界面，從而使反射波幅值降低。

在實際工程中，由于零件表面具有一定的粗糙度，當兩表面相接觸時并非完全貼合，而是表面微凸體間相互接觸，同時形成較多的微小氣隙，實際接觸面積遠小于名義接觸面積，如圖1 所示。對于聲阻抗相同的2種介質(zhì)，超聲波在接觸界面的傳播可分為微凸體接觸界面的完全透射與固體-氣隙界面的完全反射。當兩接觸面受到法向載荷作用時，由于微凸體產(chǎn)生形變，實際接觸面積增加，接觸面間的氣隙減少，導(dǎo)致更多的超聲波能量透射過界面，反射波幅值降低，聲壓反射系數(shù)也隨之降低。因此可用聲壓反射系數(shù)來評估介質(zhì)接觸面的接觸狀態(tài)。

為此，TATTERSALL[17]提出接觸面的準靜態(tài)彈簧模型，將接觸界面剛度假設(shè)為彈簧剛度，如圖2所示。界面剛度K被定義為：

式中：pnom為接觸面的名義接觸壓強，u為2 個表面粗糙度輪廓中線之間的距離。

根據(jù)接觸面的準靜態(tài)彈簧模型，TATTERSALL 還進一步提出了聲壓反射系數(shù)R與界面剛度K間的關(guān)系[17]，如式(3)所示：

式中：ω是超聲波的角頻率(ω=2πf)。

當接觸面兩側(cè)材料相同或相似時，即z1=z2，式(3)可簡化為：

DWYER-JOYCE 等[18]研究發(fā)現(xiàn)，對于一定表面粗糙度的組件，可以認為其接觸剛度和接觸應(yīng)力間具有唯一確定的關(guān)系，此關(guān)系可以通過標定實驗獲得。因此，對于輪軌接觸斑及應(yīng)力檢測，可以通過標定實驗先獲得接觸剛度K與接觸應(yīng)力σ之間的關(guān)系，再根據(jù)式(4)進一步得到反射系數(shù)R與接觸應(yīng)力σ的關(guān)系。由此，通過測量輪軌接觸面的超聲波聲壓反射系數(shù)分布，即可得到輪軌接觸斑及應(yīng)力分布情況。

2 檢測系統(tǒng)設(shè)計

2.1 檢測系統(tǒng)總體方案設(shè)計

輪軌接觸斑及應(yīng)力檢測系統(tǒng)采用超聲反射系數(shù)法進行檢測。為了獲取接觸界面的應(yīng)力分布情況，需要測量相應(yīng)位置的聲壓反射系數(shù)分布，因此對于超聲波幅值的測量精度要求較高。傳統(tǒng)的直接接觸式超聲探頭由于需要在探頭和被測試件之間使用耦合介質(zhì)以良好傳輸聲能，在多點檢測的情況下效率較低，且測量結(jié)果受耦合效果影響較大。因此，本系統(tǒng)采用水浸式點聚焦超聲探頭進行測量，能夠使聲波收發(fā)更為穩(wěn)定，檢測結(jié)果可重復(fù)性好，且更易于實現(xiàn)自動檢測，提高檢測效率。

為便于進行輪軌加載和超聲波自動掃描測試，本文對列車車輪進行了加工處理，保留部分踏面并加工沉臺用以存放水耦合劑。檢測系統(tǒng)對加工后的車輪試件與鋼軌的接觸狀態(tài)進行檢測，主要由機械結(jié)構(gòu)部分、超聲波激勵采集系統(tǒng)和接觸斑及應(yīng)力分析顯示系統(tǒng)組成，總體方案如圖3 所示。機械結(jié)構(gòu)部分包括輪軌加載機構(gòu)與兩軸掃描機構(gòu)，分別實現(xiàn)對輪軌的固定與加載，以及夾持水浸探頭進行平面掃描運動。超聲波激勵采集系統(tǒng)的主要功能是控制超聲波的激勵、采集和傳輸并與掃描機構(gòu)的運動控制相配合實現(xiàn)自動掃描檢測。接觸斑及應(yīng)力分析顯示系統(tǒng)主要實現(xiàn)對自動采集過程的參數(shù)設(shè)置，對超聲信號的接收和處理，并實時顯示采集的信號數(shù)據(jù)與分析處理后的結(jié)果圖像。超聲波激勵采集系統(tǒng)與接觸斑及應(yīng)力分析顯示系統(tǒng)之間基于TCP/IP協(xié)議通過以太網(wǎng)進行通信。

2.2 系統(tǒng)機械結(jié)構(gòu)設(shè)計

檢測系統(tǒng)機械結(jié)構(gòu)如圖4所示，包括輪軌加載機構(gòu)與兩軸掃描機構(gòu)。輪軌加載機構(gòu)使用活節(jié)螺栓連接鋼軌夾具與上承載梁，使上承載梁起到固定支撐作用。上下承載梁間使用液壓千斤頂進行加載，同時使用連接片與螺栓將下承載梁、承載柱與加工后的車輪試件相連接，實現(xiàn)對輪軌系統(tǒng)的固定加載。兩軸掃描機構(gòu)主要由支撐架、直線導(dǎo)軌滑臺模組和探頭夾持機構(gòu)組成。支撐架與車輪試件通過螺栓連接固定。直線導(dǎo)軌滑臺模組是掃描機構(gòu)的關(guān)鍵部分，選用了高精度的微型直線導(dǎo)軌滑塊以及直線絲桿電機，通過連接片將2個模組垂直固定即可實現(xiàn)兩軸平面運動。探頭夾持機構(gòu)可調(diào)節(jié)探頭夾持高度，便于調(diào)整水層厚度使得超聲波良好聚焦于接觸面，保證檢測結(jié)果的準確性。

2.3 超聲波激勵采集系統(tǒng)設(shè)計

超聲波激勵采集系統(tǒng)硬件主要由激勵采集驅(qū)動控制板、超聲波激勵與采集電路和電機驅(qū)動控制電路組成，如圖5所示。其中，激勵采集驅(qū)動控制板是系統(tǒng)的核心部分，主要功能是控制掃描機構(gòu)的運動以及超聲波信號的激勵、采集和傳輸，其與接觸斑及應(yīng)力分析顯示系統(tǒng)間通過以太網(wǎng)通信，實現(xiàn)命令接收與超聲波數(shù)據(jù)的上傳。

激勵采集驅(qū)動控制板核心采用Xilinx 公司的XC7Z020-2CLG484I 型Zynq 芯片，該芯片主要包含處理系統(tǒng)(Processor System, PS)和可編程邏輯(Programmable Logic, PL)兩部分。芯片PS 部分集成了2個ARM Cortex-A9處理器、片內(nèi)存儲器、片外存儲器接口與一系列外設(shè)接口，滿足系統(tǒng)控制、高速數(shù)據(jù)傳輸與千兆以太網(wǎng)通信的需求。芯片PL部分含有豐富的可編程邏輯單元、數(shù)字信號處理器 (Digital Signal Processing, DSP)以及內(nèi)部隨機存取存儲器 (Random Access Memory, RAM)，可根據(jù)需要靈活定制，滿足超聲波激勵采集與掃描機構(gòu)的驅(qū)動控制需求。

超聲波激勵電路可將PL 端輸出的激勵信號進行放大，生成相應(yīng)頻率和脈沖數(shù)的高壓激勵脈沖，以激勵水浸超聲換能器產(chǎn)生強度足夠的超聲波進行檢測。濾波放大限幅電路對超聲回波信號進行預(yù)處理，提高回波的信噪比，且將其限制在A/D采集電路輸入電壓范圍內(nèi)，以保證超聲信號的正常采集。為滿足10 MHz 以下的超聲信號采集需求，A/D 采集電路采用ADI公司的12位AD9238模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，可實現(xiàn)65 MSPS 的轉(zhuǎn)換速率。光耦隔離模塊采用EL357 型光耦，可支持20 kHz 轉(zhuǎn)換頻率，通過對控制信號的轉(zhuǎn)換放大，配合電機驅(qū)動器可對掃描機構(gòu)電機進行驅(qū)動控制，完成平面掃描運動。

2.4 接觸斑及應(yīng)力分析顯示系統(tǒng)設(shè)計

為實現(xiàn)檢測過程的總體控制，以及超聲數(shù)據(jù)的分析處理和結(jié)果實時顯示，本文基于虛擬儀器開發(fā)平臺LabVIEW 開發(fā)了接觸斑及應(yīng)力分析顯示系統(tǒng)。該系統(tǒng)接收到超聲波激勵采集系統(tǒng)上傳的數(shù)據(jù)后，需對數(shù)據(jù)進行解包和后續(xù)計算處理，其工作流程如圖6所示。由于所接收的數(shù)據(jù)是激勵采集系統(tǒng)將超聲數(shù)據(jù)及檢測點相關(guān)信息拼接而成，因此需要將數(shù)據(jù)拆分再拼接，獲得檢測點信息與完整連續(xù)的超聲波數(shù)據(jù)。得到某一檢測點的數(shù)據(jù)后，實時顯示其波形曲線，并確定起始波與接觸面回波的位置，經(jīng)過濾波和插值處理后計算得到接觸面回波的幅值。每個檢測點進行10 組超聲數(shù)據(jù)采集并取其平均幅值，以提高測量準確性。根據(jù)每個檢測點在無接觸時和加載時的超聲回波幅值，計算出該點對應(yīng)的聲壓反射系數(shù)，再根據(jù)標定實驗建立的R-σ-K模型即可得到該點的接觸應(yīng)力。在所有檢測點掃描采集完成后，根據(jù)接觸應(yīng)力的二維數(shù)組繪制相應(yīng)的接觸應(yīng)力分布圖像并顯示，最后將結(jié)果數(shù)據(jù)保存在存儲器中，完成該次檢測過程。

接觸斑及應(yīng)力分析顯示系統(tǒng)界面如圖7 所示，系統(tǒng)提供了檢測相關(guān)的多個參數(shù)設(shè)置，其中網(wǎng)絡(luò)地址設(shè)置是正確打開TCP 網(wǎng)絡(luò)連接的前提，保證數(shù)據(jù)有效可靠地傳輸。此外，還可對掃描的步長、電機的運行模式和數(shù)據(jù)處理相關(guān)參數(shù)進行設(shè)置，以滿足不同條件下的檢測需求。

3 實驗與結(jié)果分析

3.1 標定實驗與分析

利用超聲反射系數(shù)法測量接觸應(yīng)力需要先建立接觸應(yīng)力σ，反射系數(shù)R與接觸剛度K之間的數(shù)學關(guān)系。標定實驗原理如圖8所示。

選用車輪與鋼軌材料加工上下標定板，先測量無接觸情況下上標定板與空氣界面的超聲反射信號幅值A(chǔ)i，再測量接觸應(yīng)力σ下標定板接觸面的反射信號幅值A(chǔ)r。由于車輪材料與空氣的聲阻抗相差極大，可認為超聲波在其界面上完全反射，其反射波幅值等于入射波幅值。因此應(yīng)力σ下的反射系數(shù)R可由式(1)計算得到，再根據(jù)式(4)可計算出相應(yīng)的接觸剛度K，通過不同載荷下的標定實驗數(shù)據(jù)即可完成R-σ-K數(shù)學模型的建立。標定實驗結(jié)果如圖9所示。

剛度與應(yīng)力的關(guān)系近似成線性，對σ-K曲線進行線性擬合，得到σ-K間的關(guān)系為：

聯(lián)立式(4)與式(5)最終得到R-σ-K數(shù)學模型，利用此模型可通過測量反射系數(shù)推導(dǎo)出相應(yīng)的接觸應(yīng)力。

3.2 測試實驗與分析

利用本文所建系統(tǒng)進行輪軌接觸斑及應(yīng)力分布檢測實驗，鋼軌采用未經(jīng)磨損的60 軌，車輪試件采用經(jīng)使用磨損的LM 型踏面車輪加工而成，并對輪軌接觸面進行打磨使其與標定板具有同樣的表面粗糙度，實驗系統(tǒng)如圖10所示。

首先測量無接觸情況下車輪試件與空氣界面各采集點的反射波幅值，再通過液壓千斤頂對輪軌進行加載，使用壓力傳感器測量加載力，同時測量接觸界面各采集點反射波幅值，計算得到反射系數(shù)云圖，再根據(jù)R-σ-K模型得到該載荷下的接觸應(yīng)力云圖，最后對應(yīng)力云圖采用3次樣條插值處理優(yōu)化檢測效果。實驗測試得到了加載力在20～70 kN 下的接觸斑及應(yīng)力分布云圖，結(jié)果如圖11 所示。實驗所得接觸斑面積與最大接觸應(yīng)力數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 測試實驗結(jié)果Table 1 Test experiment results

由測試結(jié)果可以看出，接觸斑形狀近似為橢圓形，而應(yīng)力分布呈現(xiàn)一定程度的碎片化，這是由于車輪踏面經(jīng)磨損后具有較多形狀不規(guī)則的凹坑，導(dǎo)致輪軌產(chǎn)生了碎片化的接觸狀態(tài)，進而影響輪軌接觸應(yīng)力的分布。這也表明測試結(jié)果符合實際情況，能夠反映真實的輪軌接觸狀態(tài)。

根據(jù)測試實驗結(jié)果，所得接觸斑幾何形狀與應(yīng)力的分布圖像可以較好地反映一定載荷下車輪試件與鋼軌界面的接觸狀態(tài)，接觸狀態(tài)信息可進一步為輪軌優(yōu)化設(shè)計或軌道打磨維護等提供參考。

為了驗證超聲波法測量接觸應(yīng)力結(jié)果的有效性，利用接觸應(yīng)力分布云圖對加載力F進行計算，如式(6)所示：

式中：σi為某采集點的接觸應(yīng)力，Δx和Δy為采集單元格的尺寸。

通過計算各采集單元格上的壓力之和得到總的加載力，并與實際液壓加載力進行對比，結(jié)果如表2所示。結(jié)果表明，通過接觸應(yīng)力云圖計算所得加載力與實際加載力間的相對誤差不超過6%，在一定程度上驗證了超聲波法測量輪軌接觸應(yīng)力的有效性。

表2 加載力計算結(jié)果Table 2 Load force calculation results

4 結(jié)論

1) 基于接觸面的準靜態(tài)彈簧模型，采用超聲波反射法對靜態(tài)輪軌接觸斑及應(yīng)力分布的檢測問題進行研究并設(shè)計了整個檢測系統(tǒng)的機械結(jié)構(gòu)和測控單元。系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對車輪試件與鋼軌的加載，控制超聲波信號的激勵、采集、傳輸、處理以及自動掃描過程，且實時顯示超聲信號與掃描結(jié)果并進行存儲。

2) 采用基于超聲波的輪軌接觸斑及應(yīng)力檢測系統(tǒng)進行車輪試件與鋼軌接觸狀態(tài)的測試實驗。實驗結(jié)果表明，系統(tǒng)可以有效檢測靜態(tài)的輪軌接觸斑及應(yīng)力分布情況，反映真實的輪軌接觸狀態(tài)，能夠為輪軌優(yōu)化設(shè)計、壽命預(yù)測以及軌道打磨維護提供參考依據(jù)，保障列車運行的平穩(wěn)性與安全性。

3)未來將根據(jù)實際情況下的各種工況繼續(xù)完善檢測系統(tǒng)與方法，測試不同工況下的輪軌接觸狀態(tài)，并針對實際線路中的軌道磨損情況，進一步研究接觸斑及應(yīng)力與軌道磨損間的關(guān)系，建立一種基于超聲檢測的軌道磨損與鋼軌打磨的評估方法。