基于界面波跟踪技术的伤损回波精确定位方法研究.pdf

总第 484 期2023 年第 4 期基于界面波跟踪技术的伤损回波精确定位方法研究夏浪，曹经纬，王品，李红梁（株洲时代电子技术有限公司，湖南 株洲 412007）摘要：在钢轨伤损回波定位计算中，钢轨内缺陷的埋藏位置与探头发出的超声波在钢轨内的传播时间有关，传播时间提取越精确，缺陷埋藏位置计算越精确。钢轨探伤车高速作业时，钢轨垂直方向的不平顺、探轮提升单元的结构差异及探轮充液饱满程度差异等因素会引起探轮在竖直方向跳动，导致探轮内不同角度探头的超声波进入钢轨表面的时间发生变化，影响伤损定位。为此，文章提出一种基于界面波跟踪技术的伤损回波精确定位方法，并以探伤车的 45探头和 70探头为例，开展了基于界面波跟踪技术的伤损回波定位及不同探轮下压量时界面波跟踪技术有效性的应用研究；同时，设计了人工伤损试块以开展基于界面波跟踪技术的伤损检测和识别试验。研究及试验结果表明，采用界面波跟踪技术可保证探伤车探轮内各超声探头回波时间的精确提取（时间精度达 0.025 s），有利于伤损回波定位。最后，文章结合实际线路检测数据分析，给出了界面波跟踪技术在探伤检测时的应用建议。关键词：钢轨探伤车；超声检测；界面波跟踪；伤损定位中图分类号：TP273.5 文献标识码：A 文章编号：20965427(2023)04011106doi:10.13889/j.issn.20965427.2023.04.017Research on Rail Flaw Echo Accurate Location Method Based on Interface Wave Tracking TechnologyXIA Lang,CAO Jingwei,WANG Pin,LI Hongliang(Zhuzhou Times Electronic Technology Co.,Ltd.,Zhuzhou,Hunan 412007,China)Abstract:In the calculation of rail flaw echo location,the rail flaw location is related to the ultrasonic propagation time in rail.The more accurate the extracted propagation time,the more accurate the rail flaw location calculation.During high speed rail flaw detection,unevenness in the vertical direction of the rail,structural differences in the detection wheel lifting unit and differences in the amount of fluid filled in the detection wheel will cause vertical jump of the detection wheel,leading to changes in ultrasonic arriving time at the rail surface of different probes and influencing flaw localization.Therefore,the paper proposes a rail flaw echo accurate localization method based on interface wave tracking technology.Taking 45 and 70 probes as examples,flaw echo localization based on interface wave tracking technology and the effectiveness of interface wave tracking technology under different pressure conditions of detection wheels are analyzed.An artificial flaw test block is designed,and flaw detection experiment is carried out and verified.The results show that interface wave tracking technology can guarantee precise extraction of ultrasonic echo time of different probes in the detection wheel(the time accuracy is 0.025 s),and it is beneficial for rail flaw localization.In addition,based on the analysis of actual detection data of rail lines,suggestions for the application of interface wave tracking technology in flaw detection are proposed.Keywords:rail flaw detection vehicle;ultrasonic detection;interface wave tracking;flaw locationRAMS技术收稿日期：20230214作者简介：夏浪（1986），男，硕士，工程师，主要从事钢轨高速探伤系统的研发工作。1112023 年第 4 期0引言钢轨探伤是铁路维护的重要手段之一。近年来，随着中国铁路线网的快速延展，大型超声波钢轨探伤车已成为在役钢轨周期性检测的主要设备 1-3，其超声波检测系统通过多通道轮式超声波探头发射的超声波对钢轨内部缺陷进行实时检测 4-7。由于轮式传感器对铁路线路的适应性好，我国铁路已投入的探伤车均采用轮式传感器 8-10。林光辉 11 等发明了一种超声相控阵复合材料检测中轮式探头界面波跟踪方法，可解决复合材料工件表面不平整带来的超声传播时间差异。张玉华 12 等开展了钢轨探伤车超声检测系统的自主化研究，旨在克服既有国外检测系统的维护不便、升级困难、数据传输与处理能力不足等问题。在探伤车高速检测过程中，由于钢轨垂直方向的不平顺、探轮提升单元的结构差异及探轮充液饱满程度差异等因素，探轮在检测中存在相对轨面上下跳动的现象，使轮内不同角度的超声波到达钢轨表面的实际时间随之改变，影响声程测量和伤损定位。目前，国内外对界面波跟踪技术在大型钢轨探伤车高速探伤检测中的工程实际应用尚无研究报道。为此，本文提出在大型钢轨探伤车超声检测系统中采用界面波跟踪技术的方案，并在有人工伤损的钢轨上进行了试验验证。试验结果表明，界面波跟踪技术可确保系统内相互独立的超声通道信号在钢轨内传播时间的精确提取，有利于伤损定位，对提升钢轨伤损检测效果具有重要意义。1界面波跟踪技术在钢轨探伤车超声检测系统中的应用1.1钢轨探伤车超声检测系统钢轨探伤车单侧配备15个超声探头，分布于2个常规探轮和1个探伤中轮内，见图1。每个常规探轮配备有6个探头，即1个0探头、1个45探头、1个70探头（阵列探头，含内70探头、中心70探头和外70探头3个）及1个侧打探头；每个探伤中轮配备有3个探头，即2个偏斜70探头和1个0探头1。探伤车高速作业时，探轮在竖直方向会有跳动（该现象在多探轮系统中尤为明显，每个探轮均独立且跳动量不同）。轮内0探头超声回波中的界面波至始脉冲的时间通常与静态时存在差异；同理，轮内非0探头发出的超声波在轮内的传播时间也会相应改变，即超声波进入钢轨界面的时刻也会改变，见图2（a）和图2（b）中红色框选部分。下面以45探头为例介绍超声回波的定位计算原理（图3）。设T45为45探头超声波遇到钢轨内部缺陷产生回波时的总传播时间，t45为45探头超声波在探轮内的实际传播时间，tr45为45探头超声波在钢轨内的实际传播时间。图4所示为钢轨内缺陷的实际埋藏位置示意。设钢轨内45探头超声波传播速度为Vr（为常数），45探头钢轨内折射角为（为常数），则：超声波在钢轨内的实际传播时间为tr45=T45-t45(1)超声波遇到缺陷后在钢轨内的传播声程为C=Vrtr452(2)钢轨内缺陷的水平位置为A=sin C(3)钢轨内缺陷的纵向位置为B=cos C(4)从式（1）式（4）可得，钢轨内缺陷的实际埋藏位置与探头发出的超声波在钢轨内的实际传播时间有关，传图 1 探伤车超声探头配置Fig.1Configuration of ultrasonic probe on a rail flaw detection vehicle(a)45探头超声波形(b)70探头超声波形图 2 45和 70探头超声波形Fig.2Ultrasonic wave of 45probe and 70probe1122023 年第 4 期夏浪 等：基于界面波跟踪技术的伤损回波精确定位方法研究播时间提取得越精确，缺陷埋藏位置就计算得越精准。1.2界面波跟踪技术在钢轨探伤车超声检测系统中的应用实际检测时，各探轮在竖直方向的跳动量不同，即各轮内晶片相对钢轨表面的位置（简称“探轮下压量”）会有所不同。下面对超声检测系统中界面波计算原理进行详细说明，并分析不同探轮下压量带来的超声传播时间差异对实际伤损定位的影响。限于篇幅，本文仅以45与70探头为例对界面波跟踪技术进行分析，其他探头计算原理类似。如图5所示，设0探头中心距离钢轨顶面的距离差为S0，45探头超声波在轮内的入射角为（固定常数），45探头中心与0探头中心的高度差为H45（该高度差由探轮的机械结构决定），45探头超声波进入钢轨表面前的轮内声程为S45（本文声程都为单程。）；70探头超声波在轮内的入射角为（固定常数），70探头中心与0探头中心的高度差为H70，70探头超声波进入钢轨表面前轮内声程为S70，轮内超声波声速约1.7 mm/s。超声检测系统超声回波采样频率为40 MHz，则回波点的采样时间间隔为0.025 s。基于界面跟踪技术原理，设0、45和70探头超声波轮内传播耗时分别为t0、t45和t70，则：t0=2S01.7 (5)cos=S0-H45S45(6)cos=S0-H70S70(7)t45=2S451.7(8)t70=2S701.7(9)式 中：S0 78 mm；H7036.65 mm；H4532.62 mm；19；30。表1所示为45与70探头超声波轮内传播耗时在不同探轮下压量时的对比。其中，JT_t0为静态时0探头超声波轮内传播耗时；DT_t1为动态检测过程中某一时刻的0探头超声波轮内传播耗时。本文设JT_t0=92 s，DT_t1=89 s。从表1可得，当探轮高速运行引起下压量不同时，45与70探头超声波在轮内的传播耗时也不同。在检测过程中，轮内0探头超声波轮内传播耗时实际为DT_t1时，系统若仍然以JT_t0 为基准计算轮内其他探头超声波的轮内传播时间（不采取界面波动态跟踪技术），则45探头超声波在钢轨内的耗时会相应减少3.17 s，70探头超声波在钢轨内的耗时会相应减少3.47 s。这样会导致对应这些探头的超声波反射点的位置偏离实际位置，影响系统的伤损判定识别结果。界面波跟踪技术的原理为：轮内各探头以各自轮内0探头超声界面回波的时间作为参考基准（因为0探头在进入钢轨表面时可以产生明显的界面反射回波），实时提取出各探头超声波进入钢轨表面的时间，进而精确计算出各探头超声波在钢轨内的传播时间，最终实现钢轨内部缺陷埋藏位置的自适应精确定位。超声波检测系统单边有3个探轮，每个探轮均配备有0探头用于轮内其他探头的界面跟踪，以消除相互独立的不同探轮在探伤车高速检测过程出现的跳变差异。超声检测系统中，图 5 探轮内部超声探头分布图Fig.5Distribution of ultrasonic probes in the detection wheel图 3 45探头超声传播时间示意Fig.3Ultrasonic propagation time of 45probe图 4 钢轨缺陷定位示意Fig.4Schematic diagram of rail flaw localization表 1不同下压量时 45探头与 70探头轮内传播耗时Tab.1Propagation time of the 45 probe and 70 probe in the detection wheel under different downforce conditions轮内0界面波时间JT_t0 DT_t145探头超声波轮内传播耗时/s56.7153.5470探头超声波轮内传播耗时/s56.4452.971132023 年第 4 期默认情况下，各探轮轮内超声波的传播时间都以各自轮内的0探头界面波为基准，通过式（5）式（9）计算各探头的轮内传播耗时，然后再根据式（1）式（3）计算钢轨内缺陷的实际埋藏深度。在超声检测系统的软件参数配置中，可使能各探头的界面波跟踪功能（默认为开启状态），也可以关闭跟踪功能。为便于接下来的伤损检测试验验证，以超声检测系统中的右后轮为例，定义3种界面波的设置状态，如下：1）第一种界面波设置：调节探轮的下压量，使探轮内0探头界面波与始脉冲之间的实际时间为92 s，界面波跟踪功能开启且以探轮内的0探头实际的界面波时间为基准。2）第二种界面波设置：调节探轮的下压量，使探轮内0探头界面波与始脉冲之间的实际时间为88 s，界面波跟踪设置功能开启且以轮内的0探头实际的界面波时间为基准。3）第三种界面波设置：调节右后轮探轮的下压量，使探轮内0探头界面波与始脉冲之间的实际时间为88 s，同时，关闭界面波跟踪功能且以探轮内的0探头默认界面波设置时间（92 s）为基准。2伤损检测试验为验证界面波跟踪技术对伤损识别的有效性，本文以大型钢轨探伤车配备的超声波检测系统为平台对有人工缺陷的钢轨试件（图6，单位为mm）进行检测试验。所设计的人工伤损缺陷类型涵盖了轨头横孔、轨腰螺孔裂纹、水平裂纹以及轨底横向裂纹。将所设计的人工伤损缺陷钢轨试件铺设在检测系统平台进行伤损检测动态试验。图7为第一种界面波设置时伤损检测B型图；图8为第二种界面波设置时伤损检测B型图；图9为第三种界面波设置时伤损检测B型图。从图7和图8的超声B型图可得：界面波跟踪功能开启时（第一种界面波设置及第二种界面波设置），对图6所示的钢轨试件中的人工缺陷能够取得较好的超声图形显示，轨头横孔、轨腰螺孔裂纹、水平裂纹及轨图 6 人工伤损缺陷钢轨试件Fig.6Rail test block with manual damage flaw图 9 伤损检测 B 型图（第三种界面波设置）Fig.9B scan for flaw detection(the third interface wave setting)图 7 伤损检测 B 型图（第一种界面波设置）Fig.7B scan for flaw detection(the first interface wave setting)图 8 伤损检测 B 型图（第二种界面波设置）Fig.8B scan for flaw detection(the second interface wave setting)1142023 年第 4 期夏浪 等：基于界面波跟踪技术的伤损回波精确定位方法研究底横向裂纹等缺陷反射正常、准确。从图9所示的超声B型图可得：界面波跟踪功能关闭后（第三种界面波设置），钢轨试件中的人工缺陷的超声图形显示不佳，各类型人工伤损的反射图形都存在不同程度的位置偏离，且系统未有效识别轨底横向裂纹（黄色框框出即为有效识别）。结合图7图9的试验结果可知，界面波跟踪开启时的检测效果明显优于界面波跟踪功能关闭时的，伤损缺陷超声反射B型图更准确、有效。3实际线路伤损判别应用鉴于界面波跟踪技术在伤损检测定位中的有效性，实际检测中，轮内0界面波信号正常稳定至关重要。然而，实际检测中，因杂波或者探轮内0通道信号异常等原因，系统采集到的0探头界面波为非实际界面波时，可能在系统的超声探头监视闸门内引入异常杂波信号，在探伤检测数据中会有异常回波点图形显示，影响伤损的判别分析。实际检测数据回放分析时，需结合0探头的实际波形，分析0探头的实际界面波信号，并根据界面波跟踪技术原理，分析非0探头的超声回波信号，避免伤损误判，以有效提升伤损判别的效果。探伤车检测某一线路母材时，杂波信号进入左前轮0探头界面波监视闸门内，且高于系统预设报警阈值，使得探伤系统提取的0探头界面波时间提前于实际界面波信号时间，见图10（a），导致0探头监视闸门开启时刻提前。图10（b）为70探头监视闸门开启时刻提前时的回波波形，因0探头界面波异常，70探头实际界面波信号落入其监视闸门内，在检测数据B显图形中显示为疑似伤损的信号点群（图11），易被回放人员误判为疑似钢轨轨头伤损，并将其当作伤损报警信息报给铁路线路养护部门，增加了现场复核工作量，同时也降低了伤损的复核确认率。探伤车检测某一线路焊缝时，左前轮0探头信号链路异常（如，信号电缆断路、短路等），使得系统提取的0探头界面波时间为界面波闸门关闭的时间，滞后于实际界面波信号时间，见图12（a），导致0探头的监视闸门开启时刻滞后。图12（b）为内70探头监视闸门实际开启时刻因0探头界面波滞后而相应滞后，使得实际的70探头监视闸门外的杂波信号落入其监视闸门内，在B显图形相应位置显示为多个图形数据点（图13），易被数据回放分析人员判定为疑似焊缝轨头内侧核伤。图 11 0界面波异常（提前）时的 B 显图形Fig.11B scan when 0 interface wave is abnormal(advanced)(a)0探头超声波形(b)70探头超声波形图 10 0界面波异常（提前）时的超声波形Fig.10Ultrasonic wave when 0 interface wave is abnormal(advanced)(a)0探头超声波形(b)70探头超声波形图 12 0界面波异常（滞后）时的超声波形Fig.12Ultrasonic wave when 0 interface wave is abnormal(delayed)1152023 年第 4 期4结束语本文对探伤车超声检测系统采用界面波跟踪技术的可靠性进行了分析及试验验证，并基于实际线路检测数据，分析了界面波跟踪技术在伤损判别中的应用效果，得出以下结论和应用建议：1）界面波跟踪技术可消除相互独立的多个探轮在高速运行时相对轨面的跳变差异，确保了多通道超声信号的声程测量和伤损定位的准确性，有利于钢轨缺陷检测。2）实际运用时，应确保探伤车超声检测系统的0通道界面波信号的稳定，从而保证其余各通道界面波跟踪的可靠性。3）为有效减少因0通道界面波异常而引起的伤损误报，在检测过程中，应重点关注0通道界面波闸门的开启时间，应使其尽量靠近实际界面波信号；同时，在0通道信号链路异常（如断路、短路等）时，及时开展故障排查，确保0通道的信号正常。参考文献：1徐其瑞,石永生,许贵阳,等.GTC-80型钢轨探伤车及其运用J.中国铁路,2013(11):55-58.XU Q R,SHI Y S,XU G Y,et al.GTC-80 rail flaw detection vehicle and its applicationJ.Chinese Railways,2013(11):55-58.2徐其瑞,刘峰.钢轨探伤车技术发展与应用J.中国铁路,2011(7):38-41.XU Q R,LIU F.Development and application of rail flaw detection vehicle technologyJ.Chinese Railways,2011(7):38-41.3周鸣语.城市轨道交通无动力型钢轨探伤车的研制及应用J.中国铁路,2021(6):147-153.ZHOU M Y.Development and application of unpowered rail flaw detection car for urban rail transitJ.Chinese Railways,2021(6):147-153.4张向阳,罗江平.钢轨探伤车综合智能检测系统J.机车电传动,2021(1):133-137.ZHANG X Y,LUO J P.Integrated intelligent system for rail flaw detection vehicleJ.Electric Drive for Locomotives,2021(1):133-137.5罗江平,喻熙倬,曹经纬,等.基于深度学习与支持向量机的钢轨伤损智能识别系统J.机车电传动,2021(2):100-107.LUO J P,YU X Z,CAO J W,et al.Intelligent rail flaw detection system based on deep learning and support vector machineJ.Electric Drive for Locomotives,2021(2):100-107.6LI W,ZHANG H X.A FPGA based ultrasonic rail flaw detection systemC/2017 IEEE International Symposium on Signal Processing and Information Technology(ISSPIT),Bilbao,Spain:IEEE,2017:150-155.7李培,石永生,张玉华,等.钢轨探伤车对钢轨焊缝缺陷的检测能力J.无损检测,2021,43(4):1-4.LI P,SHI Y S,ZHANG Y H,et al.Steel rail weld defect inspection ability of steel rail flaw detection vehicleJ.Nondestructive 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