基于电磁声表面波的火车车轮踏面裂纹检测方法研究

2023-03-20夏蓉花刘春赵慧娟

电子设计工程 2023年6期

夏蓉花，刘春，赵慧娟

（江苏安全技术职业学院，江苏徐州 221011）

随着我国铁路的大规模提速，铁路交通成为保障经济发展与国民生活质量的重要保障。当前较高的运行速度、较大的客运量也对铁轨的管理带来了新的挑战，铁轨作为铁路系统的重要组成部分，其质量严重影响行车安全[1-3]。

综合所有已发生的铁轨故障，车轮踏面损伤与裂纹是铁路事故的主要原因[4]。由于火车行进主要依靠车轮与铁轨所接触的部分，所以长时间的剧烈运动容易导致车轮踏面出现裂纹，并造成火车车轮承重能力下降，进而影响行车安全。近年来，诸多学者采用各种方法进行裂纹检测，具体涉及了射线、超声波、漏磁、电涡流等[5-10]，并均取得了一定的效果。但由于火车车轮在行进过程中处于高温、高速状态，常规的检测器具及方法并不适用于裂纹的实时检测，所以开展针对火车车轮踏面裂纹的检测方法具有重要意义[11-16]。

综合上述问题，该文利用灵敏度高、穿透能力强的电磁声表面波对火车车轮踏面裂纹进行检测研究。

1 火车轮踏面裂纹检测原理

考虑到火车车轮在行进过程中具有较高的速度，文中选用电磁声表面波作为检测工具。由于电磁声表面波的传播速度远大于火车车轮转速，这也为检测车轮踏面提供了时间条件。基于电磁声表面波(EMAT)的火车车轮踏面裂纹检测原理框架如图1所示。

图1 基于EMAT的火车车轮踏面裂纹检测原理框架

EMAT 框架的核心在于对电磁声表面波的利用，其含有电磁声表面波发射与接收装置，二者分别用来发射、接收电磁声表面波。EMAT 被放置在铁轨上，并与火车车轮踏面接触。当火车车轮经过EMAT 时，触发发射装置使其发射两路电磁声表面波信号。这两路信号沿着车轮表面以相反的方向进行传播，从而降低裂纹检测的误差。接收装置接收返回的信号，并根据信号功率的强弱来判定车轮踏面是否存在裂纹及检测裂纹的深度。

2 基于电磁声表面波的车轮裂纹检测

2.1 电磁声表面波收发装置设计

电磁声表面波收发装置由三部分组成：静磁场、电磁声表面波传感器和待测体，其核心在于如何发射和接收电磁声表面波。如图2 所示，在该装置中，静磁场通过磁场强度稳定的永磁铁来产生；而电磁声表面波传感器则是基于洛伦兹力原理在印制板上采用回折线圈来实现的，其构造如图3 所示。

图2 电磁声表面波收发装置结构示意图

图3 回折线圈结构示意图

回折线圈作为电磁声表面波传感器的核心结构，其长度影响着电磁声表面波的频率，且回折线的间距为表面波波长的一半。当频率为f的交变电流被传输至回折线圈时，根据洛伦兹力原理其会在待测体中产生频率一致、交变方向相反的感应涡流。由于电磁场的集肤效应，感应涡流主要集中在待测体的表层。且在永磁铁所提供的垂直于待测体表面的静磁场作用下，其会在回折线圈中产生洛伦兹力。洛伦兹力会带动质子做前后震动，且相邻导线的质子震动方向相反。该反向交替运动可激发出表面波，其沿着车轮踏面传播一周后，经过回折线圈又会感应出电流，进而通过检测回折线圈感应电压的情况，即可判断是否有裂纹。

电磁声表面波利用电磁之间的耦合产生超声波，其发射与接收的原理相同。根据电磁感应原理，变化的电场可产生磁场；变化的磁场能产生电场。感应电流可用下式计算得到：

式中，φ为磁场强度，R为系数。回折线圈中通有交变电流，变化的电流会生成变化的磁场，进而在金属表面产生感应电流，即涡流。距离金属表面h处的涡流密度大小可用式（2）计算：

式中，J0代表金属表面的涡流密度；Jh代表距离金属表面h处的涡流密度；σ代表金属表面涡流的透入深度。在固定磁场的作用下，金属内部透入深度σ内的质子会受到洛伦兹力的作用而发生震动，进而产生超声波。

回折线圈中导线间距会影响表面波的频率，进而影响车轮踏面裂纹识别精度。图4 展示了不同导线间距对传感器表面波频率的影响。从图中可以看出，随着L取值的增大，电磁声表面波的频率逐步向低频偏移。此外，L仅改变了曲线谐振位置，而曲线的形状并未明显改变，且3 dB 带宽保持了良好的稳定性，这表明电磁声表面波带宽稳定。

图4 不同L取值对电磁声表面波频率的影响

2.2 电磁声表面波在车轮面的传播特性

火车车轮踏面为曲面，当电磁声表面波沿着踏面传播时，垂直于踏面的曲率为0。此时，可近似简化成二维模型进行研究。图5 为踏面电磁声表面波仿真模型示意图。踏面周长为300 mm，设有两个激励点，且两点的间距为3 mm。除踏面所在的外表面，其余表面均为理想边界。图6 为踏面电磁声表面波在传播方向轴向的仿真结果。

图5 踏面电磁声表面波仿真模型示意图

图6 踏面电磁声表面波在传播方向轴向的仿真结果

从图6(a)中可以看出，电磁声表面波的幅度相对平缓，并未随着传播距离的增加而改变；而当车轮半径改变时，也未对电磁声表面波的幅度产生明显的影响。由图6(b)可知，车轮厚度对电磁声表面波幅度的影响。随着轴向深度的增加，电磁声表面波幅度大幅下降。而当轴向深度超过5 mm 时，幅度下降了约80%。图6(c)说明了随着传播距离的增加，电磁声表面波相位逐渐增大。值得注意的是，当车轮半径变小时，相位改变量会随之增大。而当车轮半径增大到一定程度后，相位则几乎恒定不变。

3 测试与验证

为了验证该文所提方案的有效性与可行性，进行了实验验证。测试采用一个回折线圈作为电磁声表面波的发射和接收传感器。使用RPR-400 高能脉冲发射接收仪作为激励信号的生成仪器，并将数字示波器作为结果展示仪器。测试一共设置了三种裂纹进行验证，具体如表1 所示，且每种裂纹均使用三种频率分别检测20 次。

表1 裂纹信息明细表

火车车轮上的裂纹形态复杂，需要对其进行准确地描述和建模分析。文中使用凹槽来模拟裂纹，并分别从凹槽的深度与宽度来分析裂纹对电磁声表面波传播的影响，进而形成火车车轮踏面裂纹检测方法。带凹槽的面电磁声表面波传输仿真模型，如图7 所示。图中，使用H来表示裂纹的宽度或深度。在裂纹后设置监测点Q来检测电磁声表面波的幅度变化，进而可得到因裂纹透射的电磁声表面波的比例。

图7 带裂纹的电磁声表面波传输仿真模型

为避免因多次实验引起的电磁声表面波的频率差异而导致的结果不一致，该文将裂纹的深度H与激励点距离和测试电磁声表面波频率乘积的比值作为横轴；将Q点检测到的幅度值与激励点的幅值作比较，得到透射系数作为纵轴。图8 展示了裂纹深度、频率与透射系数之间的关系。

从图8 可以看出，不同频率电磁声表面波的透射系数曲线走势基本一致，并呈现出三种趋势，将其在图中分别标注为a、b、c。当H/Lf的数值小于0.8时，即a部分的透射系数迅速下降，为单调曲线；当H/Lf的数值大于0.8 且小于2.0 时，即b部分的透射系数出现小幅度的上升和下降；当H/Lf值大于2.0 时，即c部分的透射系数变化较小。综合以上分析可知，当H/Lf值小于0.8 时，可根据透射系数的大小推算出裂纹的深度。

图8 频率和裂纹深度对电磁声表面波传输的影响

通过进一步分析车轮半径、电磁声表面波频率与车轮周长之间的关系，并引入相对曲率变量。相对曲率变量被定义为电磁声表面波波长与车轮曲率的比值，由此得到相移速度与相对曲率之间的关系曲线，如图9 所示。由于火车车轮的直径相对固定，在所研究的踏面厚度范围内，电磁声表面波在单位长度的相位移动与踏面的曲率成正比。因此，可通过相位速度来估计裂纹的位置。