鋼軌踏面斜裂紋低頻表面波檢測方法研究

1引言
隨著列車運行速度的提高及軸重的變化，輪軌相互作用下的滾動接觸疲勞傷損類型及傷損發(fā)展特點也在發(fā)生變化。2002年12月廣深線曲線半徑為1 000 m的上股鋼軌，先后有2處由踏面斜裂紋導(dǎo)致鋼軌橫向斷裂，其斜裂紋和橫向疲勞斷裂的形貌特征與英國鐵路大量出現(xiàn)的滾動接觸疲勞(RCF)裂紋基本相似。踏面斜裂紋不同于以往的魚鱗狀剝離裂紋，發(fā)展嚴(yán)重時將導(dǎo)致鋼軌的橫向斷裂而危及行車安全，這一現(xiàn)象已引起我國鐵路工務(wù)部門的高度重視[1]。由于這種表面斜裂紋缺陷在工程中的大量存在, 因而, 對工程中表面斜裂紋問題的研究具有非常實際的意義[2]。
圖1表示一段帶有踏面斜裂紋的鋼軌[3]。

由于鋼軌踏面是一圓弧邊的聲波導(dǎo)，在鋼軌表面?zhèn)鞑サ谋砻娌▽嵸|(zhì)為一類導(dǎo)波，具有多個接近的模式，在使用表面波檢測鋼軌踏面斜裂紋時，模式的選擇就至關(guān)重要。使用有限元模擬帶有不同類型裂紋模型，分析裂紋深度、裂紋角度與裂紋深度的關(guān)系，表面波在鋼軌踏面斜裂紋處的傳播具有低通效應(yīng)，表面波高頻截止頻率與缺陷的深度變化如圖2所示[4]。

在有限元模擬的基礎(chǔ)上，通過實驗來驗證此模擬方法的可行性和有效性，首先使用事先準(zhǔn)備的試塊來驗證，再在鋼軌類型為60Kg/m的鋼軌人工加工不同的踏面裂紋進(jìn)行檢測，將檢測結(jié)果與試塊上的檢測結(jié)果及模擬結(jié)果進(jìn)行比較。

2鋼軌踏面裂紋頻譜法檢測有限元模擬

2.1模型的建立

用ABAQUS軟件瞬態(tài)動力學(xué)模塊進(jìn)行模擬[5]，模型長500mm，寬95mm，厚80mm，劃分的網(wǎng)格為正方形結(jié)構(gòu)體，邊長為0.5mm。選擇鋼做模型材料，聲波傳播的縱波速度為Vp=5900m/s，橫波速度為Vs=3100m/s ，表面波速度為VR=2996m/s，材料參數(shù)：楊氏模量E=200GPa, 密度ρ=7850kg/m3 ,泊松比 =0.32，時間步長為0.1666 。裂紋在模型的中間位置，寬度為0.5mm，信號發(fā)射位置在距離裂紋左端80mm處，接收信號在距離裂紋右端80mm處。模型局部結(jié)構(gòu)如圖3所示。

2.2激勵信號的選取
為了模擬的方便，本文選取了0.3M的激發(fā)頻率。取鋼中表面波聲速為2996m/s，則對應(yīng)波長將近10mm，因此能將檢測到深度約10mm的開口裂紋，相當(dāng)與EV標(biāo)準(zhǔn)中的軌頭踏面重傷裂紋。激勵信號 的表達(dá)式如(1)式所示：
公式 (1)為信號脈沖時間10 ，A為幅度大小為1， 為高斯函數(shù)的形狀調(diào)節(jié)參數(shù)，這里取2.5。

2.3邊界條件的設(shè)定

為了保證波動模擬的可靠性與真實性，必須在人工截斷邊界上加上適當(dāng)?shù)娜斯み吔鐥l件。綜合考慮現(xiàn)有的邊界條件和對各種波型的吸收效果，本文選用了Sarmar于1988年提出的吸收邊界和劉晶波[6]提出的等效二維一致粘彈性邊界的組合。Sarmar吸收邊界即使在邊界向計算區(qū)域內(nèi)若干層單元上添加瑞利阻尼，形成邊界阻尼區(qū)。

2.4模擬結(jié)果

2.4.1直裂紋高頻截止頻率和深度的對應(yīng)關(guān)系

模擬過程中選用中心頻率為0.3MHz的表面波信號，頻帶寬度為0～0.6MHz，最大頻率對應(yīng)的波長將近5mm。模擬過程中取裂紋深度范圍為2～16mm，觀察不同深度的裂紋對透射波頻率的影響。

對接收到的信號進(jìn)行頻譜分析，對頻率吸收處進(jìn)行放大可以得出截止頻率隨深度的變化規(guī)律。隨著裂紋深度的增加，接收到信號的截止頻率逐漸減小。表1所記錄的就是不同深度裂紋對應(yīng)的截止頻率。結(jié)合表1和圖4的關(guān)系曲線圖可以得出，裂紋的深度和截止頻率近似成一個反比例函數(shù)的關(guān)系。

2.4.2角度相同深度不同的斜裂紋模擬
為了更好的說明表面波在斜裂紋上的散射和波型轉(zhuǎn)換特征，此處選取了不同時刻的波場快照。圖5模型中的裂紋深度為6mm，傾斜角為30度，對應(yīng)的擴(kuò)展長度為12mm。激發(fā)信號垂直入射到固體中會產(chǎn)生縱波(P)，橫波(S)，瑞利表面波(R)。

圖5(a)中顯示的是表面波傳播到裂紋時刻的波場快照圖，表面波的能量主要集中在1～2個波長范圍內(nèi)，在此處用的激發(fā)信號依然為0.3M的低頻信號，對應(yīng)的波長近似為10mm。在48 的時候，實現(xiàn)了表面波和橫波的分離，掠面縱波傳播的很快，已經(jīng)被接收點接收。

圖5(b)和圖5(c)中顯示的是表面波在傾斜裂紋上的散射階段的兩個不同時刻。表面波的能量聚集在12mm范圍內(nèi)，此處的模型深度只有6mm。從圖中可以看出，表面波深層的能量先到達(dá)裂紋的尖端，直接沿裂紋的尖端衍射過裂紋沿表面繼續(xù)傳播，能量很大。另一部分表面波是沿裂紋左端的表面?zhèn)鞑ィ缓笱刂鸭y表面爬行，一直到繞射到裂紋的尖端直至裂紋的另一個表面。很顯然，后者所經(jīng)歷的時間長于前一部分表面波，因而在接收點會出現(xiàn)兩個不同時刻的表面波。

從圖5(c)中還可以看出，沿裂紋表面爬行的表面波在裂紋尖端的散射情況比較復(fù)雜，近似于直裂紋尖端的散射，相當(dāng)一部分的能量發(fā)生了波型轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)化為橫波，被吸收邊界所吸收。相比之下，直接到達(dá)裂紋尖端這部分表面波基本沒有發(fā)生散射。
圖5(d)中顯示的是接收點波場快照圖，到達(dá)接收點的表面波中包含兩個部分，一部分為沿裂紋尖端直接到達(dá)的表面波，另一部分是沿裂紋表面爬行被接收到的表面波。

為了研究截止頻率隨著斜裂紋深度的改變而變化的規(guī)律，本文選取了5～10mm深度傾角為30度的模型來進(jìn)模擬分析。對接收到的信號進(jìn)行頻譜分析，表2列出了不同裂紋深度對應(yīng)的截止頻率；圖6為對應(yīng)的關(guān)系曲線圖，可以看出，裂紋的深度和對應(yīng)的截止頻率近似成一個反比例函數(shù)的關(guān)系。

3鋼軌踏面開口斜裂紋表面波頻譜法測量的實驗分析

3.1以試塊為檢測對象進(jìn)行實驗驗證

圖7所示為三號試塊實物圖，裂紋的傾角為25度，深度依次為3mm、5mm、7mm。對實驗過程中所測得的表面波通過傅立葉變換的方法做頻譜分析，表3列出了不同深度斜裂紋對應(yīng)的截止頻率。從表3中可以看出，在角度相同的表面開口斜裂紋中，裂紋對應(yīng)的截止頻率隨深度的增大而減小，根據(jù)前文中模擬的結(jié)果可以知道，角度相同的斜裂紋，深度越大，對應(yīng)的擴(kuò)展長度也越長，因而截止頻率也越低，與模擬中的結(jié)果相符合。圖8為檢測裝置圖。

3.2以60Kg/m鋼軌踏面人工表面開口斜裂紋實驗驗證
對鋼軌踏面人工模擬表面開口斜裂紋進(jìn)行超聲表面波頻譜法進(jìn)行檢測，而此處是模擬實際鋼軌裂紋沿軌頭斜向下切的，是一種立體裂紋。選取長度分別為5mm、6mm、7mm的裂紋利用頻譜法進(jìn)行檢測，結(jié)果如表4所示。

從表4可以看出，裂紋擴(kuò)展長度和截止頻率對應(yīng)的關(guān)系并不是十分明顯，原因是此處裂紋是一個面狀裂紋，表面波在裂紋面上傳播過程中，散射過程并不是有限元模擬中二維平面上所呈現(xiàn)的散射特性，因而導(dǎo)致結(jié)果的偏差。但是綜合考慮透射波的幅度和截止頻率的大小，基本上可以對得到的截止頻率與裂紋長度的關(guān)系。如何實現(xiàn)不規(guī)則面狀裂紋的準(zhǔn)確定量，還有待于進(jìn)一步的研究。

4結(jié)論

采用有限元模擬表面波在鋼軌踏面裂紋的傳播及波形轉(zhuǎn)換，使用頻譜分析對不同裂紋深度的進(jìn)行模擬檢測，通過人工試塊和在鋼軌踏面加工人工裂紋進(jìn)行實驗驗證，得出以下結(jié)論：
（1）使用有限元模擬表面波在鋼軌踏面斜裂紋上的散射及波形轉(zhuǎn)換是可行的，能夠為使用低頻表面波檢測鋼軌踏面裂紋提供堅實的理論依據(jù)。
（2）通過模擬，對鋼軌踏面斜裂紋的檢測，激發(fā)頻率至關(guān)重要，要選取適當(dāng)?shù)念l率，兼顧檢測靈敏度和檢測深度的需要，在厚度一定時，頻率過低，表面波模式比較單一，但埋深很淺的裂紋出現(xiàn)漏檢，頻率過高，模式選擇比復(fù)雜，表面深出的裂紋很難檢到。
（3）通過模擬和實驗驗證，鋼軌踏面開口裂紋對表面波的傳播具有低通效應(yīng)，即裂紋的深度與表面波的高頻截止頻率成反比。
（4）通過模擬，表面波在傳播過程中，沿裂紋包羅傳播的表面波含有裂紋的深度信息，這些信息，是進(jìn)行鋼軌踏面開口斜裂紋深度反演的重要依據(jù)。
參考文獻(xiàn)
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作者簡介：門平（1983-），男，在讀碩士研究生，助理工程師，專業(yè)方向：測試計量技術(shù)及儀器，主要從事超聲無損檢測研究。
作者地址：江西省南昌市豐和南大道696號，南昌航空大學(xué)研究生院200806班，郵編：330063
         聯(lián)系人：門平，電話：0791-3328169，15979163994
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