JP2022189728A - レールの継手におけるネジ穴のひび割れを非線形超音波高調波で検出する方法 - Google Patents
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Abstract
Description
ネジ穴の真上にあるレール頂部で超音波を励起させて受信し、ハニング窓で変調された正弦信号を励起信号として、異なる長さのひび割れが含まれたレール継手を実験テストし、テスト信号を記録するステップS1と、
テスト信号をフーリエ変換して、周波数のピーク値を観察するステップS2と、
sym1ウェーブレットによりテスト信号をウェーブレットパケット分解し、三次高調波を含む成分の占有比で損傷の指標を構成し、損傷の指標とひび割れの長さとの関係曲線を描くステップS3と、
レールのサンプルと同一の有限要素モデルを作成して、超音波非線形特徴を検証するステップS4と、
損傷の指標とひび割れの長さとの変化関係により、レールの継手におけるネジ穴のひび割れに対する判定規準を与えるステップS5とを含む。
(2)本発明では、高調波の所在するノードのエネルギーがすべてのノードのエネルギーに占めている占有比で、損傷の指標を定義することから、高調波ピーク値により非線形のパラメータを直接定義した時のノイズによる影響を改善している。
(3)本発明では、損傷の指標の変化を監視することにより、レールの継手におけるネジ穴にひび割れが生じたかどうかを判断することができる。
(4)本発明では、レールの継手におけるネジ穴の境界にひび割れが生じた場合に、損傷の指標によりひび割れの広がりを監視することができる。
(5)本発明では、非線形システムの構造感受性を十分に生かすことから、レールの継手におけるネジ穴のひび割れの検出感度を大幅に向上させており、手押し式の軌道トロリーに適用可能である。
図1に示すように、レールの継手におけるネジ穴のひび割れを非線形超音波高調波で検出する方法は、以下のステップS1~S5を含む。
ステップS1は、ネジ穴の真上にあるレール頂部で超音波を励起させて受信し、ハニング窓で変調された正弦信号を励起信号として、異なる長さのひび割れが含まれたレール継手を実験テストし、テスト信号を記録する。
ステップS2は、テスト信号をフーリエ変換して、周波数のピーク値を観察する。
ステップS3は、sym1ウェーブレットによりテスト信号をウェーブレットパケット分解し、三次高調波を含む成分の占有比で損傷の指標を構成し、損傷の指標とひび割れの長さとの関係曲線を描く。
ステップS4は、レールのサンプルと同一の有限要素モデルを作成して、超音波非線形特徴を検証する。
ステップS5は、損傷の指標とひび割れの長さとの変化関係により、レールの継手におけるネジ穴のひび割れに対する判定規準であって、損傷の指標とひび割れの長さに正の相関があるといった判定規準を与える。
(a)、sym1ウェーブレットを選択し、記録信号をウェーブレットパケット分解する。三次高調波成分は、4層のsym1ウェーブレットパケット分解法に基づいて抽出される。実験のサンプリング周波数が25MHzであることから、ナイキストの法則により、分析周波数の上限が12.5MHzであることが分かる。そして、分解層数が4である場合、周波数帯域の幅が適正となり、且つ計算量も合理的である。したがって、本明細書では、ウェーブレットパケット分解の層数を4層として定めている。初期信号を(0,0)として記し、初期信号をウェーブレットパケット分解すると、図5に示すように、各ノードは、低周波と高調波との2つの部分に分解されることになる。
(b)、ウェーブレットパケット分解の結果を再ソートしてから、周波数帯域の昇順で再度配列し、第4層のウェーブレットパケット分解の後、各周波数帯域の分布範囲は、表2に示すようなものになる。
1)収集されたテスト信号を周波数スペクトル分析して、基本波1MHz、及び2MHz及び3MHzがその主な周波数に含まれる二次、三次高調波を得る。
2)収集された信号に対して、チェビシェフバンドパスフィルタを用いて1.8MHz~3.2MHzの通過帯域でバンドパスフィルタリングを行って、基本波をフィルタアウトし、二次及び三次高調波成分のみを保持し、高次高調波の分析に供する。オリジナルフィルタリング信号は、x(t)とする。図14(a)及び図14(b)は、底部のひび割れが無い状況と底部のひび割れがある状況との周波数スペクトル比較図を示している。これらの図からは、基本波、二次高調波及び三次高調波がはっきりと見えており、フィルタリング後の信号には、二次高調波及び三次高調波のみが含まれている。
2)以下はHHTであり、各次のIMF成分に対してHilbert変換を行う。即ち、
3)瞬時位相関数に対して導関数を求め、対応する瞬時周波数を得て、オリジナルフィルタリング信号のHilbertスペクトルを求める。ここで、REは、信号の実数部である。
前述した非線形超音波を用いて検出を行い、テスト信号をHHT変換し、三次高調波を含む第1次の固有モード関数(IMF1)及び第2次の固有モード関数(IMF2)のHilbertエネルギーを算出する。レールの底部にひび割れ欠陥が発生すると、三次高調波及び二次高調波に変化を引き起こすため、対応する固有モード関数のHilbertエネルギーが変化する。そのため、固有モード関数のHilbertエネルギーを用いて損傷の指標を定義可能である。Hilbertエネルギーは、
実験条件については、表3に示すように、6種類の実験条件を設定する。ここで、Case0は、底部にひび割れが無い状況であり、Case1~Case5は、それぞれ、底部のひび割れの長さが1mm、2mm、3mm、4mm、5mmとして設定される状況であり、高次高調波とレールの底部における欠陥との関係を検討する。
Claims (9)
- ネジ穴の真上にあるレール頂部で超音波を励起させて受信し、ハニング窓で変調された正弦信号を励起信号として、異なる長さのひび割れが含まれたレール継手を実験テストし、テスト信号を記録するステップS1と、
テスト信号をフーリエ変換して、周波数のピーク値を観察するステップS2と、
sym1ウェーブレットによりテスト信号をウェーブレットパケット分解し、三次高調波を含む成分の占有比で損傷の指標を構成し、損傷の指標とひび割れの長さとの関係曲線を描くステップであって、
レールのサンプルと同一の有限要素モデルを作成して、超音波非線形特徴を検証するステップS4と、
損傷の指標とひび割れの長さとの変化関係により、レールの継手におけるネジ穴のひび割れに対する判定規準であって、損傷の指標とひび割れの長さに正の相関があるといった判定規準を与えるステップS5とを含む、ことを特徴とするレールの継手におけるネジ穴のひび割れを非線形超音波高調波で検出する方法。 - 超音波検出の周波数は1MHzであり、三次高調波の周波数は3MHzである、ことを特徴とする請求項1又は2に記載のレールの継手におけるネジ穴のひび割れを非線形超音波高調波で検出する方法。
- ステップS3において、三次高調波成分が、4層のsym1ウェーブレットパケット分解法に基づいて抽出される、ことを特徴とする請求項3に記載のレールの継手におけるネジ穴のひび割れを非線形超音波高調波で検出する方法。
- ステップS4における有限要素モデルの作成過程は、
レール継手の有限要素モデルにより、ネジ穴とひび割れの周辺箇所を細分化させ、ひび割れの状況がステップS1における実験条件と一致するようにして、レール頂部で超音波を励起させて受信するステップS41と、
応答信号を周波数スペクトル分析し、各状況における周波数スペクトルの結果を得て、周波数スペクトルの結果を観察するステップであって、三次高調波がはっきりと見えていれば、レール継手を伝播する超音波に三次高調波が含まれていることを示すステップS42と、
各状況における有限要素を分析し、sym1ウェーブレットパケットにより4層分解を行い、損傷の指標を算出して結果を観察するステップであって、三次高調波を含むノードの損傷の指標とひび割れの長さとの関係が実験結果と一致していれば、ステップS3で定義された損傷の指標によってひび割れを識別可能であることが確認されているステップS43とを含む、ことを特徴とする請求項1又は2に記載のレールの継手におけるネジ穴のひび割れを非線形超音波高調波で検出する方法。 - ステップS5において、レールの継手におけるネジ穴のひび割れに対する判定規準であって、レールの継手におけるネジ穴の穴縁にひび割れが現れると、ステップS4で定義された損傷の指標の値は突然増えて、ひび割れが無い場合の4倍となってから、ひび割れの長さが増えるにつれて緩やかに増え、ひび割れが無い場合の損傷の指標は、参考として、ひび割れが裂けたかどうかを検出するために用いられるといった判定規準が与えられる、ことを特徴とする請求項1又は4に記載のレールの継手におけるネジ穴のひび割れを非線形超音波高調波で検出する方法。
- ステップS1における実験テストに用いられる超音波実験装置は、信号発生器(1)、パワーアンプ(2)、オシロスコープ(3)、送信センサー(4)及び受信センサー(5)を含み、
信号発生器(1)は、パワーアンプ(2)及びオシロスコープ(3)にそれぞれ接続され、パワーアンプ(2)は、送信センサー(4)に接続され、受信センサー(5)は、オシロスコープ(3)に接続され、オシロスコープ(3)は、上位機(6)に接続されており、
実験検出時には、レール(7)におけるネジ穴の真上に送信センサー(4)及び受信センサー(5)を超音波トランスデューサーとして配置し、励起信号は、信号発生器(1)により生成されて、パワーアンプ(2)を介して送信センサー(4)に伝達され、送信センサー(4)は、伝達された電気信号を超音波信号に変換してレール(7)継手に送信し、受信センサー(5)は、受信した信号をオシロスコープ(3)に伝達する、ことを特徴とする請求項7に記載のレールの継手におけるネジ穴のひび割れを非線形超音波高調波で検出する方法。 - 前記送信センサー(4)及び受信センサー(5)は、それぞれ、圧電シートである、ことを特徴とする請求項8に記載のレールの継手におけるネジ穴のひび割れを非線形超音波高調波で検出する方法。
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