承力索锚结线夹绞线区域损伤的超声导波监测*

洪晓斌 何永奎 周建熹 黄国健

(1.华南理工大学 机械与汽车工程学院， 广东 广州 510640; 2.广州市机电特种设备检测研究院， 广东 广州 510663)

承力索锚结线夹绞线区域损伤的超声导波监测*

洪晓斌1何永奎1周建熹1黄国健2

(1.华南理工大学 机械与汽车工程学院， 广东 广州 510640; 2.广州市机电特种设备检测研究院， 广东 广州 510663)

针对电气化铁路承力索锚结线夹绞线区域损伤难以准确监测的问题，研制了面向承力索锚结线夹绞线区域损伤的传感器来实现损伤的超声导波监测.首先针对铜镁合金承力索绞线的结构特点及超声导波的传播特点，设计了承力索单线导波引导针，并以导波引导针为核心构建了独立弹性导波激励接收单元;然后基于承力索外层结构完成包含12个导波激励接收单元的环形导波检测模块;最后集成独立晶片控制电路与包覆保护操作手柄，形成新型超声导波传感器，结合脉冲反射法和小波降噪法对承力索锚结线夹绞线区域的结构损伤进行检测并判定.19芯铜镁合金承力索锚结线夹绞线区域的单线预设损伤检测实验结果表明，当传感器间距为0.1 m、传感器与锚结线夹中心间距为0.4 m时，经小波降噪后的损伤回波峰值与损伤深度呈正相关，判别平均相对误差为3.16%，平均误差长度为0.025 m，小于锚结线夹长度0.055 m，说明所研制的传感器及相应的监测方法可实现承力索锚结线夹绞线区域最外层单线的损伤判别.文中研究为电气化铁路接触网承力索锚结线夹结构的及时补强更换提供了有效的判定依据．

承力索;传感器;超声导波;锚结线夹;电气化铁路；损伤监测

承力索作为电气化铁路接触网的主要承载部件，一旦出现损伤容易引发接触网停电故障，损伤严重(或断裂)时甚至会造成承力索缠绕受电弓而引发大面积塌网危险[1].据报道，仅我国在近几年就发生过多起由承力索结构损伤引起的铁路运行故障，其中相当大一部分事故是由承力索锚结线夹覆盖绞线区域损伤引起的[2].我国长达上千公里的电化铁路线路(如武广高铁线)包含的承力索结点可达数十万个以上，一方面由于这些结点在服役期间大部分不可拆卸，导致其包裹的承力索成为目前检测盲区;另一方面，结点在同一承力索(不同金属材料组成)不同表面位置上施加的挤压力大小不同，给损伤检测信号带来复杂的干扰因素.而且电气化铁路对接触网引流效率日益重视，承力索已经从过去的非载流类型渐渐发展为载流类型，其材料也从过去的钢铁发展为合金材料，这些均给承力索锚结线夹覆盖区域绞线损伤检测带来了极大的挑战．

承力索锚结线夹绞线区域发生损伤时，需根据截面损伤程度进行补强、接续或更换[3]，其中对线夹绞线区域损伤进行有效检测并判定是前提.目前承力索绞线结构损伤检测方法主要有电磁法[4]、电涡流法[5]、光学法[6]等，然而这些方法均主要是对承力索裸露部位损伤进行检测，难以对承力索锚结线夹覆盖绞线区域损伤进行准确检测，因此迫切需要有效新型的监测方法来对承力索锚结线夹绞线区域进行结构损伤检测.由于超声导波检测技术具有操作简便、检测距离长、灵敏度高等优点而被广泛应用于杆、绞线、管道、板等结构损伤检测[7].常用的超声导波激励与接收方法有压电式、磁致伸缩式、脉冲激光式等[8].如Kwun等[9]采用磁致伸缩传感器对钢制缆线断裂情况进行检测，初步实现钢制缆线断裂情况检测与评估;Rizzo等[10- 11]先后采用磁致伸缩传感器和激光传感器对预应力钢筋、斜拉索等结构进行损伤检测;Okazaki等[12]采用磁致伸缩传感器研究7芯绞线导波传播特性，发现外围线芯上传播导波在能量上占据着主导地位;Kharrat等[13]采用压电超声传感器对大直径多芯钢缆锚固覆盖区域外围结构损伤进行检测，可实现对钢缆锚固覆盖区域局部损伤和裂纹的识别;Xu等[14]利用磁致伸缩传感器试验得到钢绞线断丝数和损伤回波峰峰值之间的线性关系;Liu等[15- 16]设计了具有3层线圈的新型磁致伸缩传感器,用于7芯钢绞线上激励纵波的损伤检测.目前，面向承力索锚结线夹绞线区域的损伤监测若采用普通压电超声探头，则由于绞线结构表面形状复杂且截面积很小而难以保证检测耦合效果;磁致伸缩传感器主要用于钢绞线结构损伤检测，磁致伸缩效应针对铁磁性材料(铁、钴、镍)比较有效，若将磁致伸缩传感器用于铜镁合金承力索锚结线夹绞线区域损伤检测，将会增加传感器的复杂程度;而脉冲激光传感器由于对检测设备要求高、体积较大，故难以用于在役绞线结构的损伤现场检测.为此，文中结合19芯铜镁合金承力索绞线的结构特点，研制了用于承力索锚结线夹绞线区域损伤检测的超声导波传感器，并结合有效方法实现在役承力索锚结线夹绞线区域损伤的快速判别．

1 承力索结构及传感器设计

1.1 承力索锚结线夹结构

图1所示为电气化铁路接触网中心锚结示意图，电气化铁路接触线通过接触线锚结线夹及接触线锚结绳悬吊，而接触线锚结绳通过承力索锚结线夹与承力索捆扎固定.图2为承力索锚结线夹示意图，承力索锚结线夹长0.055 m．

图1 接触网中心锚结示意图

图2 承力索锚结线夹示意图

承力索为19芯铜镁合金绞线(JTMH120—1×19/2.80 TB/T3111—2005)，由内至外依次分为3层，内层为1芯的直线芯，外层为12芯的螺旋线芯，内层和外层之间的夹层为6芯的螺旋线芯.其材料为含镁0.5%的铜镁合金，密度为8 904 kg/m3，杨氏模量为127 GPa，泊松比为0.34，单线直径为2.8 mm．

承力索的最外层是由多根单线捻制而成，当直接测量某段承力索长度为l0时，该段内最外层单线的实际长度l1将大于l0，如图3所示.为降低检测误差，需要对l0与l1进行修正，定义承力索单线长度修正系数为

β=l1/l0

(1)

图3 承力索外层单线长度测量值与实际值差别

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

承力索绞线最外层单线螺旋直径l1=11.2 mm，其捻距(绞线旋转一圈前进的长度)ln=160.0 mm，如图4所示，根据几何原理可得

(2)

即在测量承力索长度为l0时，其最外层单线实际长度l1=βl0=1.024l0．

图4 承力索单线长度修正过程

Fig.4Correctionprocedureofsinglewire’slengthofmessengerwire

1.2 承力索锚结线夹中单线超声导波的传播特性

为降低多模态频散接收信号中结构损伤信息的提取难度，需根据导波模态频散曲线选择合适的频率与模态进行损伤检测.承力索外层结构由直圆杆单线捻制而成，利用PCdisp软件绘制铜镁合金承力索绞线单线的群速度频散曲线，如图5所示．

图5 铜镁合金绞线单线的群速度频散曲线

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

从图中可见:随着频率的增大，承力索单线中导波模态数增多;在0～200 kHz范围内，承力索单线只存在L(0,1)、T(0，1)和F(1,1)模态.为降低复杂性，选择激励信号时应尽量选择低频段且信号频带处于频散曲线中的平缓位置，使波包群速度接近以减少频散，因此选择100 kHz作为激励信号中心频率.在100 kHz处，L(0,1)、T(0，1)和F(1,1)模态的群速度分别为vL1=3 561,vT1=2 187,vF1=1 516 m/s，群速度几乎保持不变，这种特征有利于采用脉冲反射法进行检测．

1.3 超声导波传感器设计

1.3.1 承力索单线导波引导针

为使传感器的激励和接收信号具有更好的独立性，需要传感器可以在承力索外层各单线上分别激励和接收超声导波信号.而承力索是捻制而成，难以在单线外圆周布置多个导波激励接收单元以实现单一纵向模态导波的激励.同时传感器通过压电晶片进行超声导波激励与接收，压电晶片面积不能过小，然而19芯承力索的外直径只有14 mm，需要增加其有效布置面积，从而可以布置更大的压电晶片，提高信号信噪比.因此，承力索单线超声导波采用引导针方式，如图6所示．

图6 承力索单线导波引导针

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

引导针小端面与承力索的单线通过压力接触;大端面用来粘贴压电晶片;设置定位限定阶梯面用于限定导波引导针的活动范围，并提供导波引导针与承力索间的压紧力.引导针材料需根据声阻抗匹配原则进行选择，其中材料的声阻抗Z为

Z=ρv

(3)

式中，ρ为材料密度，v为材料声速．

声波穿过截面的能量反射率R和穿透率P为

(4)

式中，Z1为入射材料声阻抗，Z2为透射材料声阻抗.

根据式(3)、(4)得到黄铜与铜镁合金界面的声波穿透率达99.81%，且其具有优秀的延展性、切削加工性、耐蚀性等机械性能，故文中采用黄铜作为导波引导针材料．

1.3.2 独立弹性导波激励接收单元及环形导波检测模块

为提高传感器的检测效率，每一个导波激励接收单元都必须有一定的活动能力以适应承力索外形误差引起的导波激励接收单元位置偏差，同时要求能便捷地实现装载与卸载操作，以保证传感器与承力索间的耦合效果与装卸效率.因此，文中设计了导波引导针为核心部件的弹性导波激励接收单元，如图7所示．

在一个导波激励接收单元中，导波引导针被金属垫片、弹簧和限位板来共同限定在导向腔内并只有有限的行程.为了减少传感器夹持部对导波引导针传播超声导波信号的影响，在导波引导针与夹持体之间设置隔声垫片(硫化橡胶垫圈)进行声阻隔，保证导波激励接收单元的独立性.导波激励接收单元各部件材料利用式(3)、(4)经声阻抗匹配计算确定.传感器未夹紧承力索时，导波引导针由于受到弹簧的预紧力会趋向于传感器的圆心方向;在进行夹紧操作时，由于导波激励接收单元中弹性机构的存在，导波引导针可沿径向向外运动．

图7 独立弹性导波激励接收单元结构

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

进行电声换能的压电晶片用环氧树脂胶粘结于导波引导针的外端面上，选用8 mm×5 mm×1 mm的锆钛酸铅压电陶瓷(PZT).为能在承力索外层各单线上分别激励和接收超声导波信号，传感器导波检测模块采用环形形状，如图8所示，包含12个导波激励接收单元，可分别与19芯承力索最外层的12股单线一一对应．

图8 传感器检测模块

1.3.3 传感器独立晶片控制电路及包覆操作手柄

为实现对传感器每一个导波激励接收单元的开关通断控制，设计的传感器独立晶片控制电路如图9所示，独立晶片控制电路同时控制每个PZT的两个输出端，地址信息通过处理模块从A0-A3端输入，可实现任意单路激励或接收状态切换，通过BNC接口进行信号传输．

为使传感器在实际结构损伤检测中有更好的操作效率且更好地保护压电元件，文中设计了带有包覆保护功能的操作手柄，传感器夹紧力由扭转弹簧提供，完整的传感器设计示意图如图10所示.图10(b)中，在承力索锚结线夹绞线区域的结构损伤检测过程中，需要信号激励传感器与接收

图9 独立晶片控制电路

传感器同时工作.在一个检测流程中，超声导波从激励传感器PZT晶片上激发，通过其导波引导针传入承力索，再通过接收传感器导波引导针传至其PZT晶片，从而实现超声导波信号的接收.传感器实物图如图11所示．

图10 传感器示意图

图11 传感器实物

2 承力索锚结线夹区域损伤检测试验

2.1 试验平台

承力索结构损伤监测平台主要包含高性能PC机、Agilent 33520B任意波形发生器、Trek Model 2100HF高频高速电压放大器、NI PCI- 6259高速数据采集卡、NI SCC- 68接线盒、承力索绞线及锚结线夹．

2.2 试验方法及试验组设置

承力索锚结线夹绞线区域损伤检测实验采用脉冲反射法进行.选用3峰值100 kHz正弦脉冲作为激励信号，其波形如图12所示．

图12 100 kHz 3峰值正弦脉冲信号

为提高检测效率，激励信号同时加载至激励传感器12个导波激励接收单元上，分别在承力索最外层各单线上产生超声导波.向前传播的超声导波遇到损伤产生回波并通过接收传感器和信号采集卡进行信号采集.开关控制仅令被测单线的导波激励接收单元处于通路状态.由于在某根单线上激励的超声导波仅能影响其相邻的单线且其影响程度极其有限，故对于该根单线而言可视为1路激励和1路接收状态．为使结构损伤回波信号能更容易地被提取，需对实验中传感器的布置位置进行设计.图13为检测时超声导波的传播模型．

图13 检测时超声导波的传播模型

Fig.13 Ultrasonic guided wave propagation model in detection

接收传感器接收到从发射传感器直接传播过来的纵波、扭转波和弯曲波(分别对应图13中A、B、C)首波所用的时间tL1、tT1和tF1分别为

(5)

由于vL1>vT1>vF1，故tL1

te1=α(s1+2s2)/vL1

(6)

由于频散的存在，采集信号中一个完整的波包长度可记为tp=0.1 ms=10-4s．

经计算，A、B波时间差及B、C波时间差难以保证有充足的时间长度来容纳D波，因此需要将D波设置于C波之后，即要求te1-tF1>tp，则有

s2>[(vL1-vF1)s1+vL1vF1tp]/(2αvF1)

(7)

取s1=0.1 m,则有s2>0.24 m，即当激励传感器与接收传感器间的距离取为0.1 m时，只要接收传感器与结构损伤处距离超过0.24 m，即可保证将损伤回波波包与其他波包区分．

综合以上分析，试验参数设置如下:s1=0.1 m,s2=0.4 m,s3=1 m,s4=3 m.s1、s2、s3和s4均指未进行单线长度修正的距离，该参数设置可保证接收传感器在收到A、B、C波后紧接着收到D波，而非承力索两端面回波，从而降低损伤识别难度．

试验时取同一根承力索，设置4种人为结构损伤深度(h=0.0，0.5，1.5，2.5 mm)以测试损伤检测效果，按照损伤深度依次递增进行，承力索单线人为结构损伤如图14所示.每次试验均安装锚结线夹，安装时通过扭矩扳手保证4个螺栓的紧固力矩均为44 N·m．

图14 承力索单线人为结构损伤Fig.14 Artificial structural damage on single wire of messenger wires

根据图5可得，100 kHz时导波引导针的纵波波速vLpin=3 569 m/s，长度lpin=0.042 5 m.采集系统信号延迟Δt(包括PZT响应延迟、信号采集卡采集延迟等)通过实验测得，为43 μs.则图13中A、B、C和D波包在采集信号中出现的理论时间tL2、tT2、tF2和te2满足:

(8)

根据式(8)计算得到tL2=96 μs，tT2=114 μs，tF2=134 μs，te2=326 μs.在采集数据时域波形中将分别用双箭头竖线段作为A、B、C和D波包参考线标识首波理论到达时间．

2.3 试验结果及分析

铜镁合金承力索锚结线夹绞线区域单线损伤检测试验的接收信号时域与频域波形如图15所示，每个结果均由50组采样数据求均值得到，并经过首波包归一化处理．

图15 损伤检测结果的时域和频域波形

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

图15(a)中接收信号时域波形A、B、C和D波包间夹杂着多个未知模态及传播路径的波包，而且不同损伤深度的接收信号在幅值等参数上也无明显可区分的特征;图15(b)中接收信号频域波形无损伤信号与有损伤信号间的频谱亦无显著可作为评定依据的差别，因此难以直接在接收信号时域及频域波形中对承力索锚结线夹绞线区域的单线损伤进行有效检测，需要通过进一步的信号处理方法进行损伤判定.文中采用小波阈值降噪方法对接收信号进行阈值降噪处理，小波降噪小波基选择db5，分解层数为5；采用软阈值去噪方法进行降噪，阈值选择规则采用极大极小值，阈值重新调整规则根据不同层的噪声估计来调整阈值．

通过对小波降噪参数的正确设置，使信号中的损伤信息被成功提取.图15(a)信号经小波降噪处理后，结果见图16．从图中可见，当s1=0.1 m、s2=0.4 m时，在经过小波降噪后的结果中，损伤深度为0.5、1.5和2.5 mm的实验组中均能在损伤信息理论位置附近(图中D标识线)成功地发现损伤回波波包，而损伤深度为0的对照组中未在损伤信息理论位置附近出现损伤回波波包，表明所研制传感器及方法能对承力索锚结线夹绞线区域最外层单线结构损伤进行有效的存在性判断．

图16 损伤检测小波降噪结果

表1为图16中损伤回波波包峰值绝对值与损伤深度的关系，从表中可见，损伤回波波包峰值与损伤深度具有显著的正相关关系．

图1 损伤回波波包峰值与损伤深度的关系

Table 1 Relationship between echo amplitudes and damage depths

h/mm波包峰值绝对值/V0000000050239315075832510020

(9)

(10)

表2 传感器与损伤之间的检测距离及误差

Table 2 Detection distance between transducer and damage and errors

编号s2/mt′e2/μss′2/mδ/%Δs′2/m②04318038683310026③04322039371570013④04315038154610037平均3160025

由表中可知，所研制传感器及其方法在对有锚结线夹覆盖的铜镁合金承力索绞线外层单线结构损伤进行检测时，每一组试验的误差长度范围均小于锚结线夹长度0.055 m，其结构损伤判定平均相对误差为3.16%，平均误差长度为0.025 m，说明该误差可以保证检测时对承力索锚结线夹区域最外层单线是否存在损伤进行有效的判定．

3 结论

文中结合19芯铜镁合金承力索绞线的结构特点，研制出基于超声导波的承力索锚结线夹绞线区域损伤监测传感器;利用该传感器结合脉冲反射法和小波降噪法实现了承力索锚结线夹绞线区域最外层单线损伤的判别，判别平均相对误差为3.16%，平均误差长度为0.025 m，小于锚结线夹长度(0.055 m)，满足电气化铁路承力索锚结线夹绞线区域最外层单线结构的损伤检测要求，为电气化铁路接触网损伤承力索的更换提供了有效的判定依据;试验研究发现，损伤回波波包与损伤深度呈显著的正相关，承力索在无锚结线夹及有锚结线夹覆盖条件下的超声导波信号具有不显著差异性，表明超声导波检测法可有效规避锚结线夹对承力索检测的干扰，为承力索锚结线夹绞线区域的损伤检测提供了新的有效手段，并为后序损伤定量检测奠定基础．

未来将结合文中检测方法与现场应用，优化其在各种特殊极端环境下的检测效果;进一步研究承力索锚结线夹绞线区域的损伤准确定位及成像问题，更全面直观地实现承力索锚结线夹区域所有绞线单线结构的健康监测．

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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

国家自然科学基金资助项目(51305141);广东省自然科学基金资助项目(2014A030313248);广州市科技计划项目(2017010160646,201607010171) Foundation items: Supported by the National Natural Science Foundation of China(51305141) and the Natural Science Foundation of Guangdong Province(2014A030313248)

洪晓斌(1979-),男,博士,教授,主要从事无损检测技术与装备、网络化测控技术及应用研究.E-mail:mexbhong@scut.edu.cn

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

TP 212;TH878

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