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技术与应用

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铁路车轮裂纹在线检测方法研究

发布日期:2014-02-18 09:07    浏览次数:

摘 要:早期发现车轮的初始疲劳裂纹是避免铁路车辆行车事故的最有效的方法。采用弹性力学的理论,分析了疲劳裂纹产生时弹性波的主要传播形式及声发射现象,分析了疲劳裂纹信号与噪声信号在波形、频率和幅度上的明显区别,提出了测量点位的确定原则和用宽带声发射传感器接收疲劳裂纹信号采取的措施及硬软件去噪的方法。建立了应变能与疲劳裂纹信号之间的数学模型。通过高保真宽带传感器实时真实地获取被测材料结构中产生的宽带声发射信号,并分析研究源产生的超声波模式,找出对应模式波的内在持征,即可进行缺陷的参数识别和定位。为车轮早期疲劳裂纹的识别提供了一种新方法。
关键词:铁路车轮;疲劳裂纹;在线检测;声发射
车轮是影响铁道车辆运行安全的一个重要部件。一般铁道客货车辆使用的是碾钢车轮,车轮在使用中受力情况较为复杂。碾钢车轮在碾制过程中形成的制造缺陷,易在使用过程中不断发展和扩大,最终发生车轮部分的开裂和脱落,造成行车事故。特别是当车辆运行速度提高以后,这种可能性更会增加。1997年上海铁路局共计处理轮对故障1211件,其中车轮裂纹63件,比提速前高了许多。车轮内部裂纹和车轮辐板裂纹都有较大幅度的提高,若不能及时发现,会使车轮碎裂。直接造成车辆脱轨、列车颠覆等一系列恶性事故。由于车轮疲劳裂纹引起的事故,大多数是由于车轮内、外侧裂纹形成的。对于车轮产生的裂纹进行检测并准确地确定裂纹位置是铁道运输非常关注的问题。为了能准确地检测车轮内部缺陷,向检测人员提供其直观的图像和数据,克服人工外观检测和经验判断的随机性,减少车辆行车事故。因此,铁路车轮裂纹早期检测方法的研究是十分必要的[1]。
近年发展起来的声发射技术是根据结构件内部发出的应力波来判断内部损伤程度的一种动态无损检测方法。它可以在结构件处于运动变化的过程中进行检测。这正是它与x射线、超声波等常规无损检测方法的主要区别。
1 检测原理与方法
当材料受外力或内力作用产生变形或断裂时,材料内部贮存的应力应变能会以弹性波的形式释放出来,这种现象称为声发射(acoustic emissions,简称AE)。声发射是一种常见的物理现象,大多数金属材料在塑性变形或断裂时都有声发射发生,金属材料塑性变形和断裂时所释放的能量分布在很宽的范围内。而且声发射信号强度很弱,需要借助灵敏的声发射仪器才能检测出来。因此,为了捕获到真实的声发射信号,必须采用高保真宽带传感器。声发射信号经空气传播后,只有纵向波传送到传感器中,传感器中的压电晶体元件受垂直声压作用后,压电晶体元件将应力应变能转换成电压信号,其输出的电压V为:

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上式表明,在特定的频率上,传感器的灵敏度有最大值和最小值,而且其频率与器件厚度以及纵波声速有很大关系。
由体声学原理可知,弹性波在介质中传播服从下述规律的衰减形式[3]

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式中,A为x处的信号振幅;x为测量点相对于波源的距离;A0为x=0处的信号振幅;α为弹性波在介质中的衰减系数。
测量点位置x的确定原则是:在x处的弹性波能量不能衰减到低于传感器的最小灵敏限。A0的大小可由理论计算得出,α是决定x大小的主要因素。α与弹性波的频率,传播媒介的性质及媒介间的耦合特性等因素有关.由于传播媒介对弹性波中的不同频率有不同程度的吸收和散射作用,因此,到达测量点的弹性波在幅值,相位及频率成分上均有一定的失真。一般情况下、α的衰减服从下述变化规律:

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在弹性波成分中,衰减最多的是高频成分。这说明x不能取得太大,否则,频率失真更严重,高频成分衰减太多。因声发射传感器压电晶体所能接收到的声波信号一般在几个毫伏左右,如此微弱的高频信号通过空气传播,信号将严重衰减而无法正常接收。对此,研制出适合实际使用的声发射传感器是必要的。信号在传播中的衰减量在声发射传感器中将得到补偿,才能使信号按正常量传递到微处理器。
使用声发射传感器接收声波信号可采取以下措施:
1)由于材料断裂产生弹性波信号的频率非常高,一般大于100 kHz。因此要用高速采样器才能采集到原始信号。取弹性波的包络信号可降低采样频率,用成本低廉的普通采集板即可;
2)用模拟电路完成信号预处理,方法简单可靠;
3)由于裂纹产生的弹性波以脉冲形式出现,可直接用电平触发计算出Δt。则裂纹位置可由x =Δt×v(v为弹性波在介质中的传播速度)计算。用两只性能完全相同的传感器,可准确测定弹性波的位置或裂纹产生和扩展的位置。计算原理是利用两个传感器采集到信号的时差Δt来计算。
2 裂纹信号识别
2.1 真实的声发射信号
由于声发射检测现场存在着众多的噪声。辨认和定位裂纹信号是声发射检测技术的核心。对于大多数材料来说,裂纹损伤的出现和扩展形成宽带、瞬态应力波,这些应力波引起毫微米级振幅和100 kHz~2 MHz频率范围的表面振动位移。在结构中应力波以导波(不是体波)形式传播。这类结构的损伤波形可简单地分为两大类:
1)以断裂为代表的材料,裂纹损伤发生在构件材料的内部。断裂通常是与材料表面平行的。它产生的波形特征为高频带的伸缩波,幅度是不饱和的;
2)断裂发生在垂直于板材平面的方向,或者发生在对板材中心平面有较大的偏离处,它产生的应力波特征属于弯曲波模式,具有比伸缩波大得多的幅度。典型波形如图1所示。

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2.2 噪声信号
典型噪声信号主要有电子噪声(或高频振动)、机械源和电磁干扰。机械振动、车轮的磨损、摩擦等形成的机械源干扰波形通常幅度较大,具有较大的幅度和较低的频率(图2)。这些噪声能使数据采集过量,以至失去损伤信号点。而且,实际操作中要在数据分析时从如此庞大的数据组中寻找出相对来说显得很少的损伤信号数据,无疑是十分繁琐和耗时的。噪声波形如图2所示[4]。
典型的电子噪声和现场高频振动的幅度通常都比较低,声发射检测系统会灵敏地接收这些低幅度信号,这类“事件”中并不包含任何损伤波的信息,所以必须设法消除。好在它们所包含的频率远比声发射事件高,通常可以采用低通滤波或高阻滤波的方法,从频带上加以剔除。
电磁干扰信号是具有很多频率、形状和大小的波形,在整个检测过程中可能是很普遍的。好在常见的空间电磁波干扰是高频微波,电源干扰是高频及其低次谐波,它们的频率往往不与损伤事件重叠,且为周期性的平稳波,明显不同于损伤事件的非平稳波。

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在声发射检测中,一旦对检测系统作了正确调整和检测参数设置,裂纹损伤所产生的应力波将不会使已设置好的AE门栏出现典型的饱和现象。如果出现饱和,这类波形多半属于摩擦和振动干扰,对声发射检测没有什么价值。还有,在仪器一开始工作就立即出现的端前带有‘污秽”的波形多半是噪声波形,实际的损伤信号首先以频率、脉冲波期和幅度进行判断,剔除现场大量存在而又容易剔除的机械源和电磁干扰信号。摩擦或磨损形成的机械源干扰信号具有较大的幅度和较低的频率(图2)。电子与电磁干扰信号又都在常见声发射事件频率以外,故均不难借助于硬件判断、剔除。2.3 信号识别
从图1和图2的试验结果可以明显地看出,噪声信号与裂纹扩展产生的声发射信号在波形、频率和幅度上有明显区别,而且裂纹的声发射信号到达不同位置传感器的时间存在显著差别。所以,采用声发射技术能有效地识别噪声和裂纹扩展产生的声发射信号。由于噪声信号在幅度上是随机的,所以不能用传统的共振参数声发射方法简单地略去低幅度信号,较精确的方法是根据损伤与噪声信号的波形特征,在波形采集前便以硬件为主将大部分的噪声信号剔除;在处理损伤信号数据以前再以分析软件实施进一步的更完善的去噪。
而要检测的裂纹则会产生较大的伸缩波形,被测材料结构中裂纹等缺陷产生的声发射信号与噪声信号在模式上存在明显区别。因此,模态声发射另一个显著优点是能将裂纹产生的声发射信号与噪声信号明显区分开。因此,裂纹产生的声发射信号与噪声信号的波形存在明显差别。模态声发射分析的主要特征是模式波形和相应的频率成分,根据这些待征可以确定是材料内裂纹产生声发射伸缩波信号还是其它因素引起的噪声信号。
高保真宽带传感器可以实时、真实地获取被测材料结构中裂纹产生的声发射伸缩波信号,但是声发射信号的波形在进行A/D转换前需先用硬件的方法剔除大部分的噪声,这可通过硬件滤波和自适应噪声对消来实现;在处理信号数据时再以软件的方法进一步去除噪声信号(主要是带通滤波),以实现提取真实的裂纹声发射信号。
3 声发射信号的接收
依据声发射参数技术[5],一个声发射事件的主要参数有:撞击时间、上升时间、持续时间、峰值幅度、振铃计数如图3所示。

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声发射源发出的信号被宽带声发射传感器检测到以后,经过噪声对消和滤波得到的AE信号可看作是“纯净”的AE信号。根据参数声发射的理论,由信号波形可以提取反映信号特征的一些参数,如振铃数、幅值、上升时间、信号持续时间、能量等,这些特征量主要是基于统计的方法得到的。声发射信号再经过小波包分解后,在时频空间得到一些反映裂纹特征的一些参数,如模极大值点、奇异点、突变点和间断点的时频参数。由这些参数组成的集合可看作是唯一对应于裂纹特征的向量。每一个被检测到的声发射信号经过处理后都表现为一个行向量。这些数据最后都要通过DSP的输出接口送上总线,由处于CAN总线的末端的进行实时监控的上位机通过串行口接收。
4 结 论
试验结果表明,被测火车轮结构件中的裂纹声发射信号是一个模式丰富的宽带声波信号,采用宽带声发射传感器技术能有效地采集到这些宽带声发射声波信号。在波形采集前用硬件将剔除大部分的噪声;在处理损伤信号数据时再以分析软件进一步去噪,以实现提取真实的声发射参数。因此通过高保真宽带传感器实时真实地获取被测材料结构中产生的宽带声发射信号,通过分析研究源产生的超声波模式,找出对应模式波的内在持征,即可进行缺陷的参数识别和定位。