Page 121 - 《应用声学》2023年第3期

第 42 卷 第 3 期 刘尧等： 道岔尖轨轨底缺陷的磁致伸缩导波监测实验研究 559

of the wave packet and the depth of the defect can be illustrated by a parabolic equation. The above re-
search results showed that the magnetostrictive-based ultrasonic guided waves technology can be applied to
the monitoring and quantitative evaluation of the defects at the bottom of the switch rail.
Keywords: Switch rail; Defects in rail bottom; Magnetostrictive; Guided waves; Monitoring

导波，利用该传感器在道岔尖轨中开展了缺陷监测
0 引言 实验，可以对截面损失率约 3.4% 的轨底缺陷进行
有效监测。
道岔尖轨是铁路系统中列车转向结构的重要
诸多研究表明导波监测信号特征受温度影响，
组成部分，在服役过程中承受环境温度变化和列车
为了实现导波信号的温度补偿，Salmanpour 等 [13]
载荷的作用，致使其表面和内部容易产生各类缺陷，
提出一种基于基线信号拉伸的温度校正改进方法。
其中轨底缺陷最常见也是传统超声探伤方法较难
Moll 等 [14] 通过选择最优基线，利用基线信号拉伸
探测的缺陷 [1] 。
法对采集导波信号进行了温度补偿，实现了裂纹缺
相比超声体波，超声导波可在波导结构中进行
陷识别。基线信号拉伸法主要对温度引起的导波速
低衰减和长距离传播 [2−3] 。道岔轨底是典型的波导
度变化进行补偿 [15] ，但目前针对幅值变化的温度补
结构，通过选择合适的超声导波模态和频率，可以对
偿方法研究较少。
道岔尖轨进行大范围缺陷检测。在此基础上，开发
本文研究利用磁致伸缩超声导波技术对道岔
导波监测系统，有望实现道岔尖轨缺陷在线监测，为
尖轨轨底缺陷进行监测。重点通过实验分析了温度
轨道智慧运维提供工程技术方案。
变化对导波信号特征的影响，对比研究了两种温度
研究道岔尖轨的超声导波检监测技术，主要需
补偿方法对信号的处理效果。经过温度补偿的导波
从导波传播特性分析、传感器与系统研制及实验数
监测结果可以很好地反映出轨底缺陷尺寸逐步增
据处理等方面开展工作。Hayashi 等 [4] 、Rose 等 [5]
大过程，验证了开发的道岔尖轨轨底缺陷导波监测
和卢超等 [6−7] 采用半解析有限元法计算了钢轨中
系统的有效性。
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
1 监测方法
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 本文选择将水平剪切模态磁致伸缩传感器固
有限元仿真。范振中 [8] 在 ABAQUS 软件中对道岔 定安装在道岔尖轨底面，以激发类SH 0 模态导波，对
尖轨建模，仿真分析了轨底激励的 Lamb 导波在尖 道岔尖轨中的缺陷进行监测。传感器激发的类 SH 0

轨中的传播过程，研究表明选择激励频率为60 kHz 模态导波沿尖轨向传感器两侧传播，经过缺陷、转
的导波可以有效检测出轨底缺陷。 辙机构时会发生反射。因尖轨是变截面波导结构，
Burger 等 [9] 、Loveday 等 [10] 利用压电传感器 轨底激发的导波在尖轨中扩散传播时会出现多重
在轨腰位置激励超声导波，实现了 1 km 范围内断 边界反射、频散和模态转换等复杂现象，导致多模
轨的检测。同时，该团队还开发了压电导波监测系 态波包相互混叠和展宽等，传感器接收的回波信号
统，应用于重载铁路轨道监测实验，实现了长距离 中难以直接提取缺陷信息。
内轨底粘接质量块 (模拟缺陷) 及其与轨底粘接状 此外，环境温度变化会改变不同模态导波的群
态不断劣化的监测。但是，压电传感器在钢轨中易 速度，导致接收的回波信号在时域上存在漂移。更
激励出多种模态导波，增加了缺陷特征识别难度。 重要的是，尖轨温度波动会影响传感器与轨底的耦
相对传统压电探头，磁致伸缩导波传感器可设计性 合状态，影响传感器激发导波性能的稳定性，易造成
强，根据待测波导结构可研制适用性强的传感器，同 激发导波幅值随温度变化而产生的波动。
时磁致伸缩传感器更易激励出纯净的单一模态导 复杂的结构噪声信号和温度变化引起的传感
波。胡剑虹等 [11] 、付连著等 [12] 开发了适用于钢轨 器性能波动，均导致传统的检测方法难以实现对尖
的磁致伸缩导波传感器，可以在轨底激励出类 SH 轨缺陷信号的有效识别。基于波形特征变化的导波