道岔尖轨轨底缺陷的磁致伸缩导波监测实验研究∗

刘 尧 吴 斌 刘秀成 栗霞飞 林书毅 李佳明 谭树林 王鹏跃

(1 北京工业大学材料与制造学部 北京 100124)

(2 北京格创精仪科技有限公司 北京 102629)

(3 北京全路通信信号研究设计院集团有限公司 北京 100073)

0 引言

道岔尖轨是铁路系统中列车转向结构的重要组成部分，在服役过程中承受环境温度变化和列车载荷的作用，致使其表面和内部容易产生各类缺陷，其中轨底缺陷最常见也是传统超声探伤方法较难探测的缺陷[1]。

相比超声体波，超声导波可在波导结构中进行低衰减和长距离传播[2−3]。道岔轨底是典型的波导结构，通过选择合适的超声导波模态和频率，可以对道岔尖轨进行大范围缺陷检测。在此基础上，开发导波监测系统，有望实现道岔尖轨缺陷在线监测，为轨道智慧运维提供工程技术方案。

研究道岔尖轨的超声导波检监测技术，主要需从导波传播特性分析、传感器与系统研制及实验数据处理等方面开展工作。Hayashi 等[4]、Rose 等[5]和卢超等[6−7]采用半解析有限元法计算了钢轨中的频散曲线。半解析有限元法主要适用于等截面波导的频散特性求解。由于道岔尖轨沿长度方向具有变截面几何特征，难以准确计算其频散曲线，目前研究超声导波在道岔尖轨中的传播特性主要集中于有限元仿真。范振中[8]在ABAQUS 软件中对道岔尖轨建模，仿真分析了轨底激励的Lamb 导波在尖轨中的传播过程，研究表明选择激励频率为60 kHz的导波可以有效检测出轨底缺陷。

Burger 等[9]、Loveday 等[10]利用压电传感器在轨腰位置激励超声导波，实现了1 km 范围内断轨的检测。同时，该团队还开发了压电导波监测系统，应用于重载铁路轨道监测实验，实现了长距离内轨底粘接质量块(模拟缺陷)及其与轨底粘接状态不断劣化的监测。但是，压电传感器在钢轨中易激励出多种模态导波，增加了缺陷特征识别难度。相对传统压电探头，磁致伸缩导波传感器可设计性强，根据待测波导结构可研制适用性强的传感器，同时磁致伸缩传感器更易激励出纯净的单一模态导波。胡剑虹等[11]、付连著等[12]开发了适用于钢轨的磁致伸缩导波传感器，可以在轨底激励出类SH导波，利用该传感器在道岔尖轨中开展了缺陷监测实验，可以对截面损失率约3.4%的轨底缺陷进行有效监测。

诸多研究表明导波监测信号特征受温度影响，为了实现导波信号的温度补偿，Salmanpour 等[13]提出一种基于基线信号拉伸的温度校正改进方法。Moll 等[14]通过选择最优基线，利用基线信号拉伸法对采集导波信号进行了温度补偿，实现了裂纹缺陷识别。基线信号拉伸法主要对温度引起的导波速度变化进行补偿[15]，但目前针对幅值变化的温度补偿方法研究较少。

本文研究利用磁致伸缩超声导波技术对道岔尖轨轨底缺陷进行监测。重点通过实验分析了温度变化对导波信号特征的影响，对比研究了两种温度补偿方法对信号的处理效果。经过温度补偿的导波监测结果可以很好地反映出轨底缺陷尺寸逐步增大过程，验证了开发的道岔尖轨轨底缺陷导波监测系统的有效性。

1 监测方法

本文选择将水平剪切模态磁致伸缩传感器固定安装在道岔尖轨底面，以激发类SH0模态导波，对道岔尖轨中的缺陷进行监测。传感器激发的类SH0模态导波沿尖轨向传感器两侧传播，经过缺陷、转辙机构时会发生反射。因尖轨是变截面波导结构，轨底激发的导波在尖轨中扩散传播时会出现多重边界反射、频散和模态转换等复杂现象，导致多模态波包相互混叠和展宽等，传感器接收的回波信号中难以直接提取缺陷信息。

此外，环境温度变化会改变不同模态导波的群速度，导致接收的回波信号在时域上存在漂移。更重要的是，尖轨温度波动会影响传感器与轨底的耦合状态，影响传感器激发导波性能的稳定性，易造成激发导波幅值随温度变化而产生的波动。

复杂的结构噪声信号和温度变化引起的传感器性能波动，均导致传统的检测方法难以实现对尖轨缺陷信号的有效识别。基于波形特征变化的导波监测有望解决尖轨缺陷处导波反射信号的识别难题。具体操作步骤为

(1) 参考信号获取。在无缺陷的尖轨中进行导波信号采集，并确定关注的检测尖轨区段，以对应地在时域信号中设定观察时间窗口[ts,te]。

(2) 监测信号分析。在设定的观察时间窗口内，对不同监测时间采集的导波回波信号进行特征分析，比如波包能量值E，其计算公式为

式(1)中，A(t)为t时刻的信号幅值。

(3) 特征值温度补偿。将统计得到的波包能量值代入温度补偿公式，得到补偿后的波包能量值Ec。本文采用了基于标定方程和参考基准的两种温度补偿方法。

标定方程补偿法中，统计转辙机构反射回波时间段内的波包能量值计为Ez，其随温度T的变化规律以线性方程进行拟合，得到标定方程，将其视为波包能量随温度变化的理想曲线。计算实验测试所得的数据Ez(T)和(T)的比值，作为不同温度下的补偿系数

目标位置(Object)观察时间窗口初始无缺陷态的波包能量为Eobj(T)，经补偿后的结果为Ec(T)=Eobj(T)/Q。

基于参考基准的补偿法中，将转辙机构反射信号能量Ez作为基准，对观察时间窗口内的波包能量E进行归一化处理，得到参数η=E/Ez用于反映缺陷回波信息。

(4) 分析波包能量值Ec随监测时间的变化趋势，通过合理设定判别阈值，即可对尖轨中的缺陷信号进行识别。

2 实验系统

实验在天津某工程现场进行，针对长14.28 m的14 号道岔尖轨开展缺陷的导波监测。图1(a)示出了传感器在道岔尖轨的安装位置及与传感器相近的主要特征结构(转辙机构、人工加工缺陷)的位置。监测实验持续约14 h，温度变化范围为14.5◦C∼25.5◦C，共采集得到96 组导波信号。监测过程中，采用砂轮切割方式在轨底侧面加工槽型缺陷，共分8 次进行加工以模拟缺陷程度的逐步加剧过程。图1(b)给出了不同等级缺陷的实物照片，依据实测结果，8个等级缺陷的长度分别约为1.2 mm、4.6 mm、7.5 mm、14.6 mm、18.8 mm、22.3 mm、39.4 mm和51.5 mm。

图1 尖轨结构示意图及轨底缺陷实物照Fig.1 Schematic diagram of the switch rail structure and the actual photo of the rail bottom defect

图2(a)为课题组自主研发的磁致伸缩导波监测系统，主要包括安装于轨底的磁致伸缩传感器、导波监测设备。导波监测设备采用ARM 主控导波激励、采集模块的工作参数。ARM 主控中外接4G模块和信号天线，作为TCP客户端将导波检测数据上传至云服务器。云服务器运行TCP 和HTTP 两个服务器，分别用于数据接收和信号监测界面显示。利用JavaScript 语言编写基于Node 环境的监测系统软件。计算机远程访问云服务器中的监测系统软件，实现导波监测设备工作参数的远程操控、导波监测数据的查看和下载。

图2 磁致伸缩导波监测系统Fig.2 Magnetostrictive guided wave monitoring system

图2(b)为磁致伸缩导波传感器，主要包括线性排布的永磁铁阵列、导波检测线圈和铁钴合金带，其中铁钴合金带的宽度为50.8 mm。永磁铁阵列在铁钴合金带中形成沿宽度方向的静态偏置磁场Hs，缠绕于铁钴合金带的检测线圈中通入交变电流以产生沿带材长度方向的动态交变磁场Hd。基于逆魏德曼效应，铁钴合金带中形成一定频率的剪切形变，通过耦合剂传递至轨底形成沿尖轨传播的类SH0模态导波。针对道岔尖轨目前没有准确的频散曲线，无法得到类SH0模态导波在尖轨中的准确速度，文中以SH0模态导波在钢板中的传播速度3260 m/s作为参考。根据半波长控制原理，磁致伸缩导波传感器激发出的类SH0导波的中心频率约为30 kHz。导波激励信号采用周期33.33 µs、占空比为50%的双极性方波脉冲。导波仪器的采样频率设置2 MHz，采样点数为20000。采集得到的实验信号都经过带通滤波处理，滤波范围为15∼70 kHz。

利用所制作的磁致伸缩导波传感器在厚2 mm的钢板中开展扫频实验，实验设置如图3(a)所示。激励频率范围为20∼100 kHz，传感器工作于自激励、自接收模式。从接收回波信号中提取端面反射回波的峰峰值，绘制其随激励频率的变化曲线，如图3(b)所示。可以观察到：当激励频率约为30 kHz时，采集得到的回波信号幅值最大。

图3 磁致伸缩导波传感器扫频实验结果Fig.3 Results of frequency sweep experiment of magnetostrictive guided wave transducer

3 数据分析

图4(a)给出了无缺陷和缺陷达到第8等级时采集得到的导波信号原始波形，图中的标识①和②为转辙机构前后两个端面的反射信号，③为轨底缺陷反射信号。通过对比可以明显看出：相比无缺陷时的结果(基准信号)，缺陷存在时观察窗口内的回波幅值明显增强。利用希尔伯特变换求取图4(a)所示波形的包络，有无缺陷时导波信号包络线的差值如图4(b)所示。差值结果表明图2 所示的导波监测系统可以有效识别道岔尖轨中的缺陷信号。

图4 有无缺陷时传感器采集的时域波形信号Fig.4 The time domain waveform signal collected by the sensor with and without defects

从图4 中可以观察到转辙机构的反射信号，其由多个波包混叠而成，主要原因是导波在转辙机构的两端面及其中部的螺栓孔处均存在较强的反射。在图4(b)所示的包络差值结果中转辙结构反射波并未完全消除，这与温度差异引起的波形偏移有关。

3.1 温度对导波信号的影响

以图4(a)转辙机构反射回波中的子波包②为例，分析温度对导波信号特征的影响。图5 中给出了不同温度条件下测得的典型导波反射信号波形。温度的波动引起了反射回波幅值和相位的变化，主要的内在机制主要包括两类：(1) 温度变化会引起材料弹性常数的波动，导致群速度频散曲线发生偏移[16]；(2) 磁致伸缩传感器和轨底间耦合层(环氧树脂)的弹性常数以及耦合界面特性随温度而波动，导致耦合至轨底的导波幅值和相位发生变化[17]。

图5 不同温度下转辙机构反射子波包信号波形Fig.5 Waveforms of reflected wavelet packets of switch mechanisms at different temperatures

上述两种机制同时存在，难以进行解耦分析。这里只探究实验过程中获得的变化规律。对图5 所示的子波包进行波包能量Ez统计，并提取标记区间A 内波包极大值对应的传播时刻tA，它们随温度的变化趋势分别如图6(a)和图6(b)所示。

图6 监测实验中参量Ez、参量tA 的变化趋势Fig.6 Change trend of parameters Ez and tA in monitoring experiments

监测实验从2020 年10 月20 日 的17 点持续到23 点，环境温度从最初的21.6◦C 持续下降至15.5◦C；2020 年10 月21 日的9 点持续到17 点，环境温度由17.3◦C 上升到25.5◦C，随后逐步降温至14.5◦C。在此过程中，转辙机构反射回波波包能量值变化趋势与环境温度变化趋势基本吻合。参量tA的总体变化趋势虽也呈现先下降后上升的规律，但总体波动较为剧烈。图6 所示结果表明：温度对尖轨导波监测信号的影响不可忽视。

进一步定量分析温度和参量Ez、参量tA的关系，结果如图7 所示。转辙机构反射子波包能量值Ez与温度近似线性相关，拟合方程为

图7 参量Ez、参量tA 和温度的关系Fig.7 The relationship between parameter Ez,parameter tA and temperature

方程拟合确定系数为R2=0.7488。由于监测过程中的温度波动范围有限，虽然观察到参量tA与温度存在正相关性，但变化趋势尚难以用方程进行有效拟合，后续不再做进一步分析。

3.2 温度补偿

采用基于标定方程和参考基准的两种温度补偿方法对导波监测信号进行处理。以缺陷反射回波所在区间B 为例，图8 给出了补偿前后的波形结果。其中，图中“A1”、“A2”、“A3”和“A4”表示制作缺陷前后及经过不同温度补偿方法处理后的时域信号最大幅值，无缺陷和有缺陷两组实验信号所对应的温度分别为21.1◦C和14.5◦C。

图8 补偿前后的缺陷回波信号对比Fig.8 Comparison of defect echo signals before and after compensation

在时间窗口0.65∼0.85 ms 内统计波包能量值。以无缺陷时该窗口波包能量值Eq作为基准，同时截取目标信号在该窗口的波包能量值Eq1，以增长率β来评价两种温度补偿方法的效果，其中β=(Eq1−Eq)/Eq。在标定方程补偿方法中，增长率可表示为β=(Eq1−Eq/Q)/(Eq/Q)。采用参考基准补偿后，目标信号在该窗口的波包能量值表示为Eq2，则增长率为β=(Eq2−Eq)/Eq。如图9 所示，基于标定方程的补偿方法对不同等级缺陷信号的补偿效果存在较大波动，例如第3、第4 等级缺陷信号补偿后β随缺陷等级增大而增大(有利于缺陷识别)，但第5、第6 等级缺陷信号补偿后β反而下降，也即补偿后缺陷信号的识别程度下降。这可以从图6 所示的结果进行关联分析，主要原因是波包能量与温度的关系并不严格遵循线性正相关，补偿效果随温度存在一定波动。

图9 不同等级缺陷信号的温度补偿效果对比Fig.9 Comparison of temperature compensation effects of different levels of defect signals

相比而言，基于参考基准的温度补偿方法对不同等级缺陷回波信号的补偿效果趋于一致。补偿后的波包能量增长率β均较未补偿时有了明显提升，一定程度增强了缺陷回波信号。因此，后续将采用参考基准法对导波监测信号进行温度补偿。

4 监测结果与讨论

图10(a)为轨底缺陷等级逐步加剧过程中观察窗口内的波包能量统计值，并以最后一次测试结果为基准进行归一化处理，图中仅展示了第二天实验数据。在未加工缺陷之前，未经温度补偿的波包能量值出现较大幅度的波动，数据的变异系数约为23.86%。利用参考基准法进行温度补偿后，数据的变异系数下降至约9.65%，验证了参考基准法具有良好的温度补偿作用。

图10 轨底缺陷监测结果及缺陷深度与特征参数间的关系Fig.10 Bottom defect monitoring results and the relationship between defect depth and characteristic parameters

当缺陷尺寸d逐步增大后，波包能量值总体呈现上升趋势。未进行温度补偿前的数据存在较大跳动，难以从波包能量值中对缺陷等级进行区分。经过温度补偿后的曲线区域平滑，可以近似单调地反映出缺陷尺寸的不断扩大。提取不同等级缺陷导波监测信号的波包能量值，其随缺陷深度的关系如图10(b)所示。特征参量η与轨底缺陷尺寸间的关系可以用抛物线方程进行描述：

方程的拟合优度R2=0.8677。这表明经过温度补偿后的导波波包能量值具有对缺陷尺寸进行定量评估的潜力。

5 结论

(1) 开发的道岔尖轨磁致伸缩导波监测系统，可以有效监测到转辙机构、轨底缺陷等的反射回波信号。特征波包能量值、传播时间与温度间总体呈现正相关，特征波包能量值和温度存在近似线性关系，表明温度对导波监测信号的影响不可忽视。

(2) 为抑制温度对导波监测信号的影响，对比分析了基于标定方程和参考基准的两种信号补偿方法。相比标定方程补偿法，参考基准法的补偿效果更好，补偿后的波包能量值可以反映出轨底缺陷尺寸逐步扩大的趋势。

(3) 补偿后的导波监测信号波包能量值与轨底缺陷深度的关系近似服从抛物线方程，表明开发的道岔尖轨磁致伸缩导波监测系统有望实现轨底缺陷的定量评估。