軌底月牙傷幻象波的分析及應(yīng)用

(株洲時(shí)代電子技術(shù)有限公司，株洲 412001)

常見(jiàn)的鋼軌傷損主要有軌頭橫向裂紋(核傷)、軌腰縱向水平裂紋、軌腰和軌底的橫向垂直裂紋等，對(duì)于軌腰和軌底的傷損，鋼軌檢測(cè)車主要通過(guò)0°和37.5°超聲波進(jìn)行檢測(cè)。在鋼軌檢測(cè)車檢測(cè)的過(guò)程中，檢測(cè)人員通過(guò)超聲波信號(hào)的B掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行傷損判斷。B掃描是根據(jù)各個(gè)探頭接收到的信號(hào),經(jīng)計(jì)算機(jī)處理后，按照一定的比例以無(wú)數(shù)個(gè)點(diǎn)繪制而成的，顯示的是鋼軌縱向的正視圖[1]。

檢測(cè)車B掃描數(shù)據(jù)是以鋼軌踏面入射點(diǎn)為基準(zhǔn)的，在聲束方向上的對(duì)應(yīng)聲程位置顯示反射點(diǎn)[2]。但是，由于超聲波在鋼軌中可能經(jīng)過(guò)多次反射，所以反射點(diǎn)并不代表鋼軌在對(duì)應(yīng)聲程位置一定有傷損，因此需要對(duì)其進(jìn)行分析計(jì)算，判斷其為實(shí)際傷損回波還是幻象波，以提高傷損識(shí)別的準(zhǔn)確度。

軌底月牙傷是一種常見(jiàn)傷損，其兩側(cè)經(jīng)常出現(xiàn)幻象波，如果不能被有效識(shí)別和區(qū)分，則易被誤判為傷損。筆者在具備幻象波的條件下，通過(guò)軌底月牙傷的B掃描數(shù)據(jù)對(duì)其幻象波進(jìn)行分析，總結(jié)了幻象波的特點(diǎn)及其在傷損判定中的應(yīng)用。

1 幻象波產(chǎn)生原理

超聲波檢測(cè)時(shí)，重復(fù)頻率是指同步脈沖的頻率，即每秒內(nèi)同步電路指揮發(fā)射電路、掃描電路等部分協(xié)同工作的次數(shù)[3]。若同步脈沖的重復(fù)頻率過(guò)高，第一次觸發(fā)脈沖所產(chǎn)生的回波尚未完全衰減就開(kāi)始第二次觸發(fā)工作，即前一個(gè)掃描周期的脈沖進(jìn)入到下一個(gè)掃描周期，這會(huì)造成顯示屏上出現(xiàn)干擾波[4]。這種干擾波并不是第二掃描周期內(nèi)實(shí)際的傷損回波，因此被稱為幻象波。

在檢測(cè)車高速檢測(cè)的過(guò)程中，檢測(cè)速度可達(dá)80 km·h-1，由于超聲波聲速遠(yuǎn)大于車速，所以超聲波換能器發(fā)射的超聲波經(jīng)前方反射體多次反射后仍可能被該換能器接收。當(dāng)信號(hào)傳播時(shí)間T大于超聲波信號(hào)的重復(fù)發(fā)射周期T0時(shí)，接收到的回波剛好能夠進(jìn)入下一周期(或后續(xù)n周期)的超聲波信號(hào)時(shí)間閘門范圍內(nèi)[見(jiàn)圖1(a)]。檢測(cè)系統(tǒng)按照回波相對(duì)于下一周期初始脈沖的時(shí)間T1計(jì)算傷損位置，并在B掃描中繪制信號(hào)反射點(diǎn)，從而形成幻象波，但在鋼軌中對(duì)應(yīng)的實(shí)際位置上并無(wú)傷損。

當(dāng)檢測(cè)速度改變時(shí)，發(fā)射周期T0發(fā)生變化，而信號(hào)傳播時(shí)間T不變，則T1也隨速度而變化，同時(shí)幻象波在B掃描時(shí)的位置也會(huì)變化[見(jiàn)圖1(b)]。

圖1 幻象波產(chǎn)生原理示意

2 軌底月牙傷B掃描數(shù)據(jù)及分析

軌底月牙傷外觀如圖2所示。在標(biāo)定線的B掃圖中，軌底月牙傷的附近(50 cm范圍內(nèi))經(jīng)常出現(xiàn)37.5°超聲反射點(diǎn)(見(jiàn)圖3)，但此處并未設(shè)置人工傷損，所以推測(cè)其為幻象波。在多個(gè)速度下都出現(xiàn)了類似的反射點(diǎn)，且深度和位置隨檢測(cè)速度變化。

圖2 軌底月牙傷外觀

2.1 路徑分析

由于軌底垂直裂紋存在端角反射，而且軌底月牙傷為較小的垂直裂紋(4～6 mm)，所以反射波與入射波波型相同，且平行于入射波。因此，推測(cè)其為37.5°換能器發(fā)射的超聲波在鋼軌中經(jīng)軌底、軌面和軌底月牙傷端角反射后返回，在下一周期閘門內(nèi)被換能器接收而形成的幻象波。后輪37.5°換能器的超聲波傳播路徑如圖4所示，前輪37.5°換能器的超聲波傳播方向與之相反，原理與之相同。

圖4 后輪37.5°換能器的超聲波傳播路徑

2.2 聲程計(jì)算

目前，國(guó)內(nèi)大型鋼軌檢測(cè)車的超聲波重復(fù)頻率隨檢測(cè)速度變化，即在不同的速度模式下,超聲波的重復(fù)掃查間隔不同[5](見(jiàn)表1)。ΔL為不同速度下超聲信號(hào)的發(fā)射間隔，即檢測(cè)車一周內(nèi)移動(dòng)的距離。由于反射波與入射波路徑相近，所以計(jì)算時(shí)不考慮路徑的變化。

表1 檢測(cè)車在不同速度下超聲波的重復(fù)掃查間隔

當(dāng)檢測(cè)車檢測(cè)速度為v車時(shí),發(fā)射周期如式(1)所示。

T0=3.6ΔL/v車

(1)

1周期內(nèi)的超聲波的聲程如式(2)所示。

(2)

式是：v鋼為橫波波速。

幻象波與傷損的橫向距離如式(3)所示。

(3)

式中：β為超聲波在鋼軌表面的入射角。

幻象波深度的計(jì)算方法如式(4)所示。

H=3H軌-L·cotβ

(4)

式中：60型鋼軌高度H軌=176 mm；鋼中橫波波速v鋼=3 240 m·s-1；β=37.0°。

根據(jù)標(biāo)定數(shù)據(jù)，幻象波與傷損的橫向距離理論計(jì)算值和實(shí)測(cè)值對(duì)比如表2所示，幻象波深度的理論計(jì)算值和實(shí)測(cè)值對(duì)比如表3所示。

比較幻象波的水平位置以及深度的理論計(jì)算值與實(shí)測(cè)值，除個(gè)別數(shù)據(jù)外誤差都較小，所以該幻象波的分析結(jié)果成立。

表2 幻象波與傷損的橫向距離理論計(jì)算值和實(shí)測(cè)值對(duì)比

表3 幻象波深度的理論計(jì)算值和實(shí)測(cè)值對(duì)比

2.3 誤差分析

幻象波位置的理論計(jì)算值與實(shí)測(cè)值之間的誤差產(chǎn)生的主要原因是部分幻象波位于閘門邊緣或信號(hào)較弱而沒(méi)有完全顯示，導(dǎo)致B掃描圖中反射點(diǎn)的中點(diǎn)不在理論位置。而且，經(jīng)過(guò)多次反射后，超聲波會(huì)發(fā)生聲束擴(kuò)散，導(dǎo)致幻象波比實(shí)際傷損本體波更大，實(shí)測(cè)值出現(xiàn)誤差。

產(chǎn)生誤差因素還有：

(1) 耦合液中的波速、換能器安裝角度使用的是理論值，但不同探輪的37.5°換能器的角度有細(xì)微差別，不同試驗(yàn)條件下的超聲波波速也有差異，不一定與理論值一致。

(2) 高速檢測(cè)過(guò)程中車輛上下擺動(dòng)，使信號(hào)傳播時(shí)間T發(fā)生變化。

3 幻象波的特點(diǎn)

圖5 幻象波深度與車速的關(guān)系

圖6 幻象波和傷損的橫向距離與車速的關(guān)系

計(jì)算得到幻象波深度與車速的關(guān)系，如圖5所示，幻象波與傷損的橫向距離如圖6所示?；孟蟛ǖ奈恢弥挥性?7.5°閘門內(nèi)才會(huì)在B掃描圖中顯示，37.5°閘門開(kāi)始位置通常設(shè)為40 μs，對(duì)應(yīng)深度為51.75 mm，如圖中紅色橫線所示。因此，能夠出現(xiàn)幻象波的速度區(qū)間為：[15.6，20.1]，[31.3，40.3]，[46.9，60.3]，[62.6，88.7]。但是，由于傳播路徑長(zhǎng)、衰減嚴(yán)重，即使在這些速度區(qū)間內(nèi)也不一定會(huì)出現(xiàn)幻象波。

因此，軌底月牙傷幻象波的特點(diǎn)如下所述。

(1) 只有37.5°超聲波回波反射點(diǎn)，回波點(diǎn)群形狀類似于軌腰斜裂紋，與軌底傷損平行，垂直于超聲波入射方向。

(2) 位置和深度隨發(fā)射間隔(檢測(cè)速度)變化而變化。

(3) 一般成對(duì)出現(xiàn)，以軌底傷損所在平面為中心呈對(duì)稱分布。

(4) 一般引起幻象波的軌底月牙傷會(huì)被檢出，同時(shí)產(chǎn)生幻象波。

4 傷損判定中的應(yīng)用

地鐵探傷車在29.14 km·h-1速度下檢出的幻象波如圖7所示，地鐵檢測(cè)車在29.14 km·h-1的速度下檢測(cè)到了幻象波，但按照該速度計(jì)算得到的幻象波深度和橫向距離都與實(shí)測(cè)值不符，其數(shù)據(jù)如表4所示。

由于地鐵檢測(cè)車的輪徑為840 mm，而國(guó)鐵80檢測(cè)車的輪徑為915 mm，檢測(cè)系統(tǒng)是以915 mm輪徑為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的。所以當(dāng)?shù)罔F檢測(cè)車以v的速度運(yùn)行時(shí)，車輪及輪軸上編碼器的轉(zhuǎn)速是相同速度國(guó)鐵檢測(cè)車的1.089倍，檢測(cè)系統(tǒng)內(nèi)部通過(guò)編碼器信號(hào)計(jì)算得到的實(shí)際速度是1.089v，所以地鐵檢測(cè)車檢測(cè)到的幻象波位置與1.089倍速度運(yùn)行的國(guó)鐵檢測(cè)車檢測(cè)到的幻象波位置相同。

圖7 地鐵探傷車在29.14 km·h-1速度下檢出的幻象波

表4 地鐵探傷車數(shù)據(jù)

因此，應(yīng)該按照v=31.73 km·h-1的速度計(jì)算，此時(shí)深度H為61.7 mm，橫向距離L為350.8 mm，與實(shí)測(cè)值相符。

5 結(jié)語(yǔ)

幻象波作為一種非缺陷波，對(duì)其進(jìn)行正確地判斷能夠提高傷損判別的準(zhǔn)確度。對(duì)于軌底月牙傷，傷損本體有反射且存在幻象波，本體的發(fā)射信號(hào)可以判傷，但需對(duì)幻象波進(jìn)行準(zhǔn)確判斷，以減少誤報(bào)率。所以，靈活和準(zhǔn)確地利用幻象波知識(shí)，對(duì)于檢測(cè)識(shí)別非常有幫助。

通過(guò)分析總結(jié)，可以為軌底月牙傷的檢測(cè)識(shí)別提供參考依據(jù)。隨著大型鋼軌檢測(cè)車的發(fā)展和充分運(yùn)用，幻象波的識(shí)別(如軌腰、軌底的37.5°幻象波和軌頭的70°幻象波等)和相關(guān)知識(shí)的合理應(yīng)用在檢測(cè)中越來(lái)越重要。