CN113252789B - 钢轨接头螺孔裂纹的非线性超声谐波检测方法 - Google Patents

钢轨接头螺孔裂纹的非线性超声谐波检测方法 Download PDF

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Abstract

钢轨接头螺孔裂纹的非线性超声谐波检测方法，包括以下步骤：S1：在螺孔正上方的轨顶处激励和接收超声波，以Hanning窗调制的正弦信号为激励信号，对含不同长度裂纹的钢轨接头进行实验测试，并记录测试信号；S2：将测试信号进行傅里叶变换，观察频率峰值；S3：利用sym1小波对测试信号进行小波包分解，并以包含三次谐波的分量占比构造损伤指标，并绘制损伤指标与裂纹长度之间的关系曲线；S4：建立与钢轨试样相同的有限元模型，检验超声非线性特征；S5：根据损伤指标与裂纹长度之间的变化关系，给出钢轨接头螺孔裂纹的判定准则：损伤指标与裂纹长度呈正相关。本发明利用非线性超声对螺孔缺陷的敏感性，可大大提高轨道检测的效率。

Description

钢轨接头螺孔裂纹的非线性超声谐波检测方法
技术领域
本发明涉及超声波检测技术领域，特别涉及一种钢轨接头螺孔裂纹的非线性声谐波检测方法。
背景技术
与无缝钢轨相比，普通钢轨具有制作方便、铺设简单的优点，适用于山区路线及重载路线。但其缺点也十分明显，接头部分的螺孔通常会成为轨道的薄弱环节。一直以来，钢轨接头都是铁路养护维修的重点，通常会占到养护、维修工作量的60％-70％。钢轨接头由于组件较多、截面形状复杂，利用传统的无损检测方法，如超声波检测时，得到的信号异常复杂。例如，利用传统超声波检测螺孔孔边裂纹，由于螺孔与孔边裂纹都将产生回波，两者的回波叠加在一起使得难以判定是否产生了孔边裂纹，致使钢轨接头螺孔裂纹的检测效率低下。
发明内容
本发明为克服现有技术，提供一种钢轨接头螺孔裂纹的非线性超声谐波检测方法。利用非线性超声对螺孔缺陷的敏感性，可大大提高轨道检测的效率。
钢轨接头螺孔裂纹的非线性超声谐波检测方法，包括以下步骤：
S1：在螺孔正上方的轨顶处激励和接收超声波，以Hanning窗调制的正弦信号为激励信号，对含不同长度裂纹的钢轨接头进行实验测试，并记录测试信号；
S2：将测试信号进行傅里叶变换，观察频率峰值；
S3：利用sym1小波对测试信号进行小波包分解，并以包含三次谐波的分量占比构造损伤指标，并绘制损伤指标与裂纹长度之间的关系曲线；
S4：建立与钢轨试样相同的有限元模型，检验超声非线性特征；
S5：根据损伤指标与裂纹长度之间的变化关系，给出钢轨接头螺孔裂纹的判定准则：
损伤指标与裂纹长度呈正相关。
本发明相比现有技术的有益效果是：
1)弥补了传统超声波采用线性指标无法直接从钢轨轨顶检测螺孔裂纹缺陷的不足；
2)利用谐波所在小波包能量占比定义损伤指标，改善了直接利用谐波峰值定义非线性参数时的噪声影响；
3)通过监测损伤指标的变化，可判断出钢轨接头螺孔是否出现了裂纹；
4)当钢轨接头螺孔边界出现裂纹之后，可利用损伤指标监测裂纹的扩展；
5)本发明充分利用了非线性系统的结构敏感性，极大的提高了钢轨接头螺孔裂纹的检测灵敏度，适用于手推式轨检小车。
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步地说明：
附图说明
图1为本发明的流程图；
图2为本发明所结合的实验原理图；
图3为含裂纹与无裂纹的测试信号的时域波形图；
图4为含裂纹与无裂纹的测试信号的频域波形图；
图5为小波包4层分解结构图；
图6为实验结果中各小波包节点损伤指标随裂纹长度增加时的变化关系图；
图7为试验结果中含有三次谐波对应节点的损伤指标与裂纹长度的变化关系图；
图8为钢轨接头的有限元模型图；
图9为有限元分析的频谱结果图；
图10为有限元结果中各小波包节点损伤指标随裂纹长度增加时的变化关系图；
图11为有限元结果中含有三次谐波对应节点的损伤指标与裂纹长度的变化关系图。
具体实施方式
如图1所示，钢轨接头螺孔裂纹的非线性超声谐波检测方法，包括以下步骤：
S1：在螺孔正上方的轨顶处激励和接收超声波，以Hanning窗调制的正弦信号为激励信号，对含不同长度裂纹的钢轨接头进行实验测试，并记录测试信号；
S2：将测试信号进行傅里叶变换，观察频率峰值；
S3：利用sym1小波对测试信号进行小波包分解，并以包含三次谐波的分量占比构造损伤指标，并绘制损伤指标与裂纹长度之间的关系曲线；
S4：建立与钢轨试样相同的有限元模型，检验超声非线性特征；
S5：根据损伤指标与裂纹长度之间的变化关系，给出钢轨接头螺孔裂纹的判定准则：损伤指标与裂纹长度呈正相关。
钢轨截面的复杂性将导致超声波在钢轨中传播时发生非线性畸变，从而产生三次谐波，数值和实验研究表明，三次谐波能量随裂纹长度增加而增加，可作为螺孔裂纹识别的损伤指标。
如图2所示，步骤S1的实验测试所采用的超声实验设备包含：信号发生器1、功率放大器2、示波器3、发射传感器4和接收传感器5，信号发生器1分别与功率放大器2和示波器3相连，功率放大器2与发射传感器4相连，接收传感器5与示波器3相连，示波器3与上位机6相连；实验检测时，在钢轨7的螺孔正上方布置发射传感器4和接收传感器5，作为超声换能器，激励信号由信号发生器1产生，经功率放大器2传递给发射传感器4，发射传感器4将送来的电信号转换成超声波信号发射到钢轨7接头中，接收传感器5将接收的信号传递给示波器3。
可选地，采用Gwinstek AFG-3051信号发生器，T&C Power conversion AG1020功率放大器，以及Tektronix TDS3000B示波器。
通常，所述发射传感器4和接收传感器5分别为压电片。采用厚度型压电片粘贴在螺孔正上方的轨顶处，激发频率f＝1MHz的Hanning窗调制信号。
通常，超声检测的频率为1MHz，三次谐波频率为3MHz。
激励信号表达式为：
Figure GDA0003470680030000031
其中，A表示幅值，fc表示中心频率。
信号之所以会产生三次谐波，其原因在于钢轨截面的复杂性，可将钢轨系统视为非线性系统，通过非线性传递函数构造钢轨中超声波传播模型，如：
H(x)＝a1x+a2x2+a3x3…
其中，x为输入的激励函数，H(x)为响应信号。
实验工况设置如表1所示6种实验工况，其中，Case0为无螺孔孔边裂纹，Case1-Case5为螺孔孔边裂纹分别为1mm，2mm，3mm，4mm，5mm，研究高次谐波与结构缺陷之间的相关性。
表1：实验工况
Figure GDA0003470680030000032
步骤S2中，对测试信号进行频谱分析，可清晰的看出钢轨测试信号中的高次谐波分量，如图3和图4所示。由图4所示可知，标注3f波形峰值清晰明显，为激发频率的3倍。
进一步地，步骤S3中所述的利用小波包分解构造损伤指标，具体如下：
a)、选取sym1小波对记录信号进行小波包分解，三次谐波分量基于4层sym1小波包分解方法提取，由于实验采样频率为25MHz，根据奈奎斯特定理可知分析频率上限为12.5MHz，可知，当分解层数为4时，频带宽度适中且计算量合理，因此，本文确定小波包分解层数为4层。将初始信号标记为(0,0)，对初始信号进行小波包分解，每个节点都会分解出低频和高频两个部分，如图5所示。
b)、将小波包分解结果进行重排序后按照频率段递增顺序重新排布，第4层小波包分解后各频段分布范围如表2所示。
表2：节点频段
Figure GDA0003470680030000041
由此可见，频率为3MHz的三次谐波被包含在节点(4,3)中，对各工况的测试信号进行小波包分解，并依据上述重排规则按照频率逐渐增加进行重新排列。
c)、对第4层分解各节点重构信号的能量定义如下：
Figure GDA0003470680030000042
其中，E4，j对应节点(4,j)的信号能量，j＝0,1,2…24，S4,j(n)为信号序列，N为采样点个数N＝0，1，2，…，
则可按照下式定义损伤指标。
Figure GDA0003470680030000043
其中，Ei,j表示包含三次谐波所在层的三次谐波对应节点的信号能量，
Figure GDA0003470680030000044
表示包含三次谐波所在层的所有节点的信号能量总和，i表示小波包分解的包含三次谐波的层数。
以此构造的损伤指标DI与裂纹长度之间的关系如图6所示，从中可以看出，对于节点(4,3)，其损伤指标DI随裂纹长度的增加单调递增(如箭头所示)，但其它节点并没有这一规律，这主要是因为节点(4,3)主要包含了三次谐波，表明了三次谐波与裂纹长度之间的相关性，将其单独绘制在图7中，可以看出，当裂纹出现后，损伤指标会突然增加，几乎扩大4倍，而后损伤指标随裂纹长度增加缓慢增加，这一规律可用于判断钢轨接头中裂纹的产生极其扩展。
可选地，步骤S4中建立与试验试样相一致的钢轨有限元模型，并求解其中传播的非线性超声，具体如下：
S41、钢轨接头的有限元模型如图8所示，根据钢轨接头的有限元模型，对于螺孔及裂纹周边单元进行细化，裂纹工况与步骤S1中实验工况一致，在轨顶激励和接收超声波；
S42、将响应信号进行频谱分析，各工况频谱结果如图9所示，观察频谱结果，从中可以看出，除了激励频率1MHz外，其三次谐波清晰可见，这说明在钢轨接头中传播的超声波含有三次谐波。
S43、对各工况的有限元分析响应，利用sym1小波包进行4层分解，并计算损伤指标，观察结果，其结果如图10所示，对于节点(4,3)，其损伤指标DI随裂纹长度的增加单调递增(如箭头所示)，但其它节点并没有这一规律，这主要是因为节点(4,3)主要包含了三次谐波，表明了三次谐波与裂纹长度之间的相关性；将其单独绘制在图11中，可以看出，当裂纹出现后，损伤指标会突然增加，几乎扩大4倍，而后损伤指标随裂纹长度增加缓慢增加，这一规律可用于判断钢轨接头中裂纹的产生极其扩展，从中可以看出，包含三次谐波的节点(4,3)的损伤指标与裂纹长度之间的关系与实验结果相一致。说明可以利用步骤S3中所定义的损伤指标进行裂纹识别。
根据实验和有限元仿真结果可知，步骤S5中给出钢轨接头螺孔裂纹的判定准则：当钢轨接头螺孔孔边出现裂纹后，步骤S4中所定义的损伤指标的值会发生突然增加，是无裂纹时的4倍，而后损伤指标随裂纹长度增加缓慢增加，无裂纹时的损伤指标为参考，用于检测裂纹是否发生开裂，这一规律可用于判断钢轨接头中裂纹的产生及其扩展。
本发明已以较佳实施案例揭示如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可以利用上述揭示的结构及技术内容做出些许的更动或修饰为等同变化的等效实施案例，均仍属本发明技术方案范围。

Claims (9)

1.钢轨接头螺孔裂纹的非线性超声谐波检测方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1：在螺孔正上方的轨顶处激励和接收超声波，以Hanning窗调制的正弦信号为激励信号，对含不同长度裂纹的钢轨接头进行实验测试，并记录测试信号；
S2：将测试信号进行傅里叶变换，观察频率峰值；
S3：利用sym1小波对测试信号进行小波包分解，并以包含三次谐波的分量占比构造损伤指标，并绘制损伤指标与裂纹长度之间的关系曲线；
损伤指标DI表示为：
Figure FDA0003470680020000011
其中，Ei,j表示包含三次谐波所在层的三次谐波对应节点的信号能量，
Figure FDA0003470680020000012
表示包含三次谐波所在层的所有节点的信号能量总和，i表示小波包分解的包含三次谐波的层数，j＝0,1,2…24；
S4：建立与钢轨试样相同的有限元模型，检验超声非线性特征；
S5：根据损伤指标与裂纹长度之间的变化关系，给出钢轨接头螺孔裂纹的判定准则：损伤指标与裂纹长度呈正相关。
2.根据权利要求1所述钢轨接头螺孔裂纹的非线性超声谐波检测方法，其特征在于：步骤S1中，激励信号表达式为：
Figure FDA0003470680020000013
其中，A表示幅值，fc表示中心频率。
3.根据权利要求1或2所述钢轨接头螺孔裂纹的非线性超声谐波检测方法，其特征在于：超声检测的频率为1MHz，三次谐波频率为3MHz。
4.根据权利要求3所述钢轨接头螺孔裂纹的非线性超声谐波检测方法，其特征在于：步骤S3中三次谐波分量基于4层sym1小波包分解方法提取。
5.根据权利要求4所述钢轨接头螺孔裂纹的非线性超声谐波检测方法，其特征在于：
对第4层分解各节点重构信号的能量定义如下：
Figure FDA0003470680020000014
其中，E4，j对应节点(4,j)的信号能量，S4,j(n)为信号序列，N为采样点个数，N＝0,1,2,…，j＝0,1,2…24。
6.根据权利要求1或2所述钢轨接头螺孔裂纹的非线性超声谐波检测方法，其特征在于：步骤S4的有限元模型建立过程为：
S41、根据钢轨接头的有限元模型，对螺孔及裂纹周边单元进行细化，裂纹工况与步骤S1中实验工况一致，在轨顶激励和接收超声波；
S42、将响应信号进行频谱分析,获得各工况频谱结果，观察频谱结果，三次谐波清晰可见，表面在钢轨接头中传播的超声波含有三次谐波；
S43、对各工况的有限元分析响应，利用sym1小波包进行4层分解，并计算损伤指标，观察结果，包含三次谐波的节点的损伤指标与裂纹长度之间的关系与实验结果相一致，验证了利用步骤S3中所定义的损伤指标能进行裂纹识别。
7.根据权利要求1或4所述钢轨接头螺孔裂纹的非线性超声谐波检测方法，其特征在于：步骤S5中给出钢轨接头螺孔裂纹的判定准则：当钢轨接头螺孔孔边出现裂纹后，步骤S4中所定义的损伤指标的值会发生突然增加，是无裂纹时的4倍，而后损伤指标随裂纹长度增加缓慢增加，无裂纹时的损伤指标为参考，用于检测裂纹是否发生开裂。
8.根据权利要求7所述钢轨接头螺孔裂纹的非线性超声谐波检测方法，其特征在于：步骤S1的实验测试所采用的超声实验设备包含：信号发生器(1)、功率放大器(2)、示波器(3)、发射传感器(4)和接收传感器(5)，信号发生器(1)分别与功率放大器(2)和示波器(3)相连，功率放大器(2)与发射传感器(4)相连，接收传感器(5)与示波器(3)相连，示波器(3)与上位机(6)相连；实验检测时，在钢轨(7)的螺孔正上方布置发射传感器(4)和接收传感器(5)，作为超声换能器，激励信号由信号发生器(1)产生，经功率放大器(2)传递给发射传感器(4)，发射传感器(4)将送来的电信号转换成超声波信号发射到钢轨(7)接头中，接收传感器(5)将接收的信号传递给示波器(3)。
9.根据权利要求8所述钢轨接头螺孔裂纹的非线性超声谐波检测方法，其特征在于：所述发射传感器(4)和接收传感器(5)分别为压电片。
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