基于超声波的钢轨裂缝检测方法

基于超声波的钢轨裂缝检测方法
随着我国铁路向客运高速化、货运重载化方向发展，对轨道结构的完整性提出了更高的要求，铁路运输安全保障工作的重要性越来越高。

钢轨作为轨道结构的基本组成部分，具有承受车轮的巨大压力并将其传递到轨枕上，同时引导机车车辆车轮前进的功能。

钢轨必须为车轮提供连续、平顺和阻力最小的滚动表面，还应提供较好的粘着牵引力。

而铁路运营线上如果出现钢轨断裂就有可能造成列车出轨、倾覆等重大行车安全事故。

因此，必须及时检测并发现钢轨中存在的裂缝，确保铁路运输的安全和畅通。

本文提出了一种基于超声导波在钢轨中传导与衰减测量技术的新的断轨检测方法。

该方法采用两端发射超声导波、中央接收的检测方式，此方法不易受到钢轨及道床的电气参数影响，在道床泄漏阻抗小等一些不适合采用轨道电路的区段可以替代轨道电路完成断轨检测功能，并能通过声波回波时间、幅值测定法估测钢轨断裂位置和裂纹大小。

对列车运行时钢轨中声波频谱的特征提取还可以使其具备区间内列车占用检测的功能。

为了阐明该方法的检测机理，本文详细分析了超声导波在钢轨波导管中的传播特性和铁路环境中激励声的特征，然后使用LabviEW编程开发环境设计了超声导波断轨检测仿真程序，完成了用户界面、信号生成、采集、断轨判断与报警、波形保存等各部分程序的编写。

最后在理论分析的基础上，采用仿真平台分别对轨道完整态、列车占用态和断轨态进行仿真，提出了断轨定位及裂纹大小确定方法，为该断轨检测方法的实际应用提供了理论和仿真依据。

1 断轨产生机理及超声导波断轨检测方法的提出
1.1断轨产生的机理分析
在轨道交通中由于钢轨自身材质的缺陷和受到各种外力的作用使得钢轨折断的现象叫断轨。

最常见断轨原因有两种，一种是当有列车在钢轨上行驶时，钢轨在列车轮对的反复冲击力作用下发生断裂;另一种情况是当轨道空闲时，受外界人为或自然灾害使一段钢轨缺失造成断轨。

断轨发生后如不能及时发现将给铁路运输安全带来极大的威胁，轻者造成列车晚点，重则导致列车颠覆和人员伤亡，因而对断轨检测方法的研究具有重要意义。

在研究断轨检测方法之前首先有必要对断轨产生的机理和特点进行分析，只有掌握了断轨的产生机理才能采取有效措施避免产生断轨和减少断轨造成的损失，并能有针对性地对断轨多发地点进行重点监控。

1.2超声导波断轨检测方案设计
1.2.1检测方法设计及超声波传感器
超声导波检测属于机械波无损检测的范畴。

通常，机械振动在弹性介质中的传播称为弹性波(声波)。

波在介质中的传播方向与振动源(声源)在弹性介质中的振动方向可以相同也可以不同。

因此，在无限均匀介质中可以存在两种传播的波:纵波(或称拉压波、疏密波、P波、无旋波)和横波(或称S波、剪切波)，它们均以各自的特征速度传播而无波形祸合。

如果以频率f来表征声波并以人可感觉的频率为分类，则可将声波划分为次声波(f<ZoHz)、可闻声波(20Hz<f<20出z)和超声波(f>2okHz)。

本文研究内容主要属于超声波范围。

在半无限弹性介质表面处，或两个半无限弹性介质交界处，由于介质性质的不连续性，超声波将因为一次反射或透射而发生波型转换。

随后，各种类型的反
射波和透射波及交界面波均以各自恒定的速度传播，而传播速度只与介质的弹性性质和材料密度有关，并不依赖于波动本身的特性。

以图1.1为例，此时介质中有两个交界面存在，而形成了具有一定厚度的“层”。

位于层中的超声波经过多次来回反射而沿平行边界面的方向行进，这些往返的波将会产生复杂的波型转换，而且各种波形之间会发生复杂的干涉，即两个平行的边界制导了超声波在介质传播。

这样的一个系统称为超声波导，在波导中传播的超声波称为超声导波。

完成这一功能的就是超声波传感器。

图1.1介质中导波传播示意图
1.2.2总体方案设计
使用超声导波原理进行断轨检测的方案如图1.2所示。

该断轨检测方法采用两端发射、中间接收的检测方法。

图中左右两边为安装在钢轨上的两路超声波压电换能器，经由高频振荡信号发生器和功率放大电路驱动后向钢轨中发射超声导波信号，经钢轨传导后在中间由振动接收探头接收，探头将振动信号转换为电信号之后经过计算机分析处理，通过检查在给定窗口时间内能否接收到事先设定的超声波信号，并结合对所获得声波信号的频谱分布和幅值的判断来确定接收端与发射端之间的钢轨完整情况。

图1.2超声导波断轨检测系统原理图
由于轨下轨枕垫和轨枕具有弹性，通常在振动研究中作为弹簧阻尼单元处理，在高频振动时弹簧阻尼单元振幅很小，使得轨枕垫和轨枕的振幅也很小，对两条钢轨的振动耦合作用不强，因此两根钢轨为相互独立的两个固体声传播介质。

当检测区间内发生钢轨断裂时，如图1.3所示，如果轨2发生断轨，断裂处阻断了由右端发射器传来的超声导波信号，中间接收器在一定时间间隔内没有接收到事先设定的超声导波信号，随即发出断轨报警，并将报警信息经由通信电缆传至列控中心，同时记录断轨时间和波形数据。

图1.3断轨发生时原理图
为了使接收器能分辨出信号来源方向，判别检测信号是由左端还是右端发射器发出的，这里对左右两端的超声波脉冲信号源分别采用不同的脉宽和间隔时间。

其中左端发射器l发出的超声波脉冲信号链脉宽为一秒，间隔一秒;右端发射器2发出的超声导波脉冲信号链脉宽两秒，间隔两秒。

接收器通过特定的延迟和叠加方法对接收到的声波信号进行特征提取，可以辨别出检测信号是由左路还是右路传来的。

1.2.3超声导波信号频率的确定
由于钢轨本身形状和物理尺寸的原因，其介质对声波的传导通常会存在一个固有截止频率。

当在钢轨中传导的声波频率低于钢轨的截止频率时，声波在钢轨
中会以一维平面波的形式传播，可以通过理论模型进行传播特性计算;而当钢轨中有高于截止频率的声波传导时，声波会在传播过程中发生波形转换，形成由表面波、兰姆波、水平剪切波等各种波形混合组成的复合波形，若要采用理论模型对钢轨介质进行导波传播特性分析将是十分困难的。

国外近年来在超声导波传播领域的研究中开始逐渐趋向于通过试验研究的方法对超声导波在钢轨中传播与衰减的特性进行分析。

通过试验中声波的发射和实际测量，可以排除了理论公式的一些局限条件，可以更加真实的反映声波在钢轨中的传播特点。

其中较为典型的是Philipw.Loveday在非州2.5km的spoornet试验线上进行的导波在钢轨中的传导试验[z9】，其基本原理如图1.4所示。

图1.4超声导波在钢轨中传导的扫频试验
在试验中，PhiliP在试验线上的钢轨轨腰上安装焊有压电发射探头的楔形铝制基座，采用不同的声波激励频率进行扫频激励，以1000V的激励电压幅值激励压电探头向钢轨中发射超声导波，在接收端分别测量不同频率的超声导波在钢轨中传导相同距离后接收传感器的输出幅值。

按照理论分析，如果接收到的导波信号幅值越大，说明钢轨声场对该频段范围的声波机械阻抗小，这种频率的超声导波传播距离远、传播相同距离后衰减相对较少、信噪比高，有利于使用其进行断轨检测。

图1.5所示为其部分幅值最大频率范围内的试验结果。

图1.5接收端频率与传感器输出电压幅值关系图
由图1.5可以发现，接收端接收到的31.6kHz至33.6kHz的超声导波幅值较大，说明钢轨声场对该频段范围的声波机械阻抗小，有利于声波的传导，因此本文断轨检测用导波发射频率设定在该频率范围之内。

2超声导波断轨检测仿真研究
2.1仿真程序设计
对超声导波断轨检测方法进行计算机仿真的主要目地是对现场实际检测过程中将会遇到的钢轨正常工作态、列车占用态、断轨态以及可能出现的一些特殊情况进行仿真设计，为今后实际设备的研制开发中可能会遇到的一些问题进行仿真研究。

在仿真之前首先需要建立一个基于LabVIEW开发环境的虚拟仪器仿真平台，编写的仿真程序需要实现超声导波断轨检测中的检测信号源的生成、接收端信号接收与处理、断轨判断以及报警和记录等功能。

超声导波断轨检测虚拟仪器
仿真程序框架结构如图2.1所示。

图2.1仿真程序结构框架图
2.2检测信号生成程序
该部分主要采用LabVIEW函数选板下的仿真信号发生器控件，通过设置其参数及模块组合产生两路频率相同但脉宽相异的高频脉冲振荡信号，其中左路信号源为脉宽为1秒、时间间隔1秒、频率为3IkHz的脉冲电信号，右路信号源为脉宽为2秒、时间间隔2秒、频率与左路相同的脉冲电信号。

由于LabVIEW提供的强大的模块化功能，从软件仿真过渡到将来的硬件设计阶段可以直接将仿真信号源导入DAQ输出控件，直接驱动NI数据采集卡的模拟输出通道产生高频脉冲振荡信号，再经过放大就可以控制超声波发射探头向钢轨中发射超声导波。

2.3数据采集程序
每个检测区段的中间接收点需要完成对两端传来的检测信号的采集工作。

接收端数据采集程序主要包括采集参数的设置、物理通道选择、采样模式、采样率、每通道采样数、输入方式的配置和采样边界值设置等。

在今后的硬件实现中由于
NI的数据采集卡支持DAQmx驱动程序，所以程序中预留了DAQmx Data Acquisition硬件驱动模块。

2.4断轨判断与报警程序
对于断轨判断与报警程序这里采用用户事件来编写。

当给定时间间隔内接收到的检测信号幅值低于设定的阂值时，自动触发用户事件，发出断轨报警，并进行数据记录。

2.5数据保存程序
数据保存是把采集来的接收端信号特征数据及其对应时间保存到MySQL 数据库里。

程序首先进行数据库的选择和数据库表格的建立，然后用LabSQL 工具包将采集的数据按照一定的时间间隔保存到断轨事件记录数据库的表格里。

另外对发生断轨时刻的接收端输出波形进行日志记录，供日后波形回放以及断轨分析时使用。