超声反射纵波法检测钢轨应力的实验研究_图文

1、第29卷第2期 2008年6月力 学季刊CHINESE QUARTERLY OF MECHANICS超声反射纵波法检测钢轨应力的实验研究 李勇攀,王寅观,刘 蕊(同济大学声学研究所,上海200092摘要:钢轨的应力状况直接影响列车运行的安全,因此对钢轨应力的研究特别重要。用超声波测量应力的方法由于其对被测材料无损的特性而受到广泛关注。文章重点叙述了利用反射纵波法(the reflected longitudinalwaves来检测钢轨应力的实验方法。该方法如果用于实际测量,可以提高钢轨检测的工作效率,大大节约在铁路维护上的开支,提高铁路运输的安全系数,加速实现人民铁路的高效运营。文中详细介绍了

2、整套实验测量系 统、所用的探头、探头放置的位置、信号耦合与放大电路图以及实验测量结果,并根据实验测量结果进行分析。 结果显示应力变化引起的钢材料特性变化导致了声传播速率的变化,且应力变化与声传播速率的变化呈线性关 系。该结果证明了超声波测量钢轨应力的可行性。关键词:反射纵波;声速;应力测量Experimental Study on Rai l Stress Measurement withReflected Longitudinal WavesLI Yong-pan,WANG Yinguan,LIU Rui(Institute of Acoustics,Tongji University,Sh

3、anghai 200092,ChinaAbstract:A method for rail stress measurement using the reflected longitudinal waves was described.This technique can improve the efficiency of rail stress measurement,reducing the cost of maintenance,and en-hancing the rail safety.The experiment system was established and the dat

4、a was collected and analyzed based Oil the linear relation of stress and the ultrasonic velocity.The whole measurement system,probes and their setting place,signal coupling and magnifying system and experiment measurement results were clearly indicated.In accordance with the results which shows that

5、 the stress change leads to the steel materialsproperty change and the ultrasonic velocity change.The stress change and the ultrasonic veloci-ty change are the linear relation.The results indicate the feasibility of rail stress measurement using ul trasonic waves.Key words:reflected longitudinal wav

6、es;ultrasonic velocity;stress measurement铁路运输是当今我国最重要的运输方式,其安全问题也就显得尤为重要。钢轨作为铁路轨道结构的 重要组成部分,对它的研究历来就为人们所重视。由于钢轨直接承受列车荷载,并与车轮相互作用,所以 它的状况将直接影响列车运行的安全。由环境温度变化引起的纵向应力变化,是钢轨安全问题中不容忽 视的环节。但是影响钢轨应力的因素很多,钢轨的温度分布不匀,通过环境或钢轨的温度很难对纵向应力 进行估计,造成巨大的人力物力浪费。因此。迫切需要一种有效的方式测量钢轨的纵向应力。测量应力有 很多种方法.而超声方法因为其对材料的无损害性而被广泛的应

7、用u6。将超声波技术应用于钢轨应力 的检测中,能提高钢轨检测的工作效率,大大节约在铁路维护上的开支,提高铁路运输的安全系数,加速实力学季刊 第29卷 现人民铁路的高效运营,具有重大的现实意义。1应力变化与声速的关系声波的速度符合y=(硝2 其中C为介质的杨氏模量,ID是介质的密度,y是声波在介质中传播的速度,当声波在存在一定应力的固 体中传播时,应力变化引起的钢材料特性变化将导致声传播速率变化,在一般的近似中,变化是线性的。 对于应力与声速的线性关系,文献有详细的介绍,这里我们只给出结果。对于各向同性材料 护半=去dt 其中d口是应力变化量(MPa,E是弹性模量(MPa,t。是波在被研究材料中

8、通过自由应力路径的时间 (8,L。是声波的声弹常数。2钢轨超声应力测量系统我们建立了一套实验系统,如图1所示。圈1测系统示意图Fig.1Schematic of measurement system 压犹 _箩I 夕 黝榈 l 图2探头示意图Fig.2Schematic of probe压电效应的原理是,如果对压电材料施加压力,它便会产生电位差(称之为正压电效应,反之施加电 压,则产生机械应力(称为逆压电效应。从超声发射接收仪发出电脉冲,利用压电效应使发射换能器(即 探头的压电晶片产生机械变形从而激发出纵波,纵波以30。角从楔块进入钢轨,在钢轨中经过多次反射 后被接收换能器接收。接收换能器将接

9、收到的声信号转化为电信号。近接收换能器转化后的电信号经过 电位器衰减后与远接收换能器转化后的电信号耦合。耦合后的信号经过前置放大电路的放大,通过采集 系统,进入计算机,通过计算机即可对数据进行处理。对钢轨施加应力的应力加载装置采用油压系统,应 变仪采用YJ28A-P10R型静态电阻应变仪。从应变仪就能够知道钢轨所受应力的数值。探头由压电晶片、楔块和永磁铁组成。探头我们采用的是与钢轨同种材料做成的楔块,斜面的倾角为30。,如图2所示。这样做的目的是为了减少纵波在不同材料中传播的 挟能量损失,增大测量距离,有利于提高实验精度。压电晶片的中心频率为0.7MHz。永磁铁在测量时起固定作用,换能器底面因

10、为 永磁铁的磁力与钢轨紧贴,使超声波不需要外加压力也能很好的 耦合。关于探头的位置,我们出于以下考虑:由于对铁路安全影响最轨底图3探头放置的位置 Fig.3Position of probe第2期 李勇攀,等:超声反射纵波法检测钢轨应力的实验研究大的是钢轨的纵向应力,而轨腰是整个钢轨最薄弱的地方,所以我们考虑把探头放在轨腰位置(如图3。 虽然超声波在轨腰的反射比较复杂,但并不影响波形的分辨。而且,轨腰位置更能真实地反映钢轨纵向的 受力情况,可以提高铁路安全系数。实验中用一个电位器将两个探头耦合在一起实现单通道采集数据。图4给出了实验用的信号耦合与 放大电路图。采集系统用的是高速数据采集卡。图5

11、为接收波形示意图。12kQ纵0纵Q n100Q j 上lI 卜厂 障l 厂 /纠吠I一 .j一3测量结果图4信号耦合与放大电路图Fig.4Circuit diagram of signal coupling and magnifying systemr.岬蝴M删 伽 ”。IyJ0fl?I 7。1。”IJIJ711411l |-尸时图5接收波形示意图Fig.5Schematic of received waves我们对钢轨进行拉力测试,应力变化范围从OMPa到95MPa,每次增量为5MPa,然后将采集的数据用 过零点法进行处理,并对结果进行比较分析。图6a给出了钢轨在受拉状态下,温度为18.9C

12、,两接收探头之间距离为980mm时测得的结果。由 于应力太大或太小时的数据实际意义并不大,所以我们着重分析了45MPa到95MPa之间的数据。声时 是指纵波从近接收探头位置传播到远接收探头位置所经历的时间。从图6a可以清楚地看出应力与声速的关系。为了减小实验的偶然因素,我们在完全相同的条件下又 进行了3次实验,对应的声时一应力曲线分别如图6bd所示。我们对4次实验的数据进行平均,平均后对应的声时一应力曲线如图6e所示。数据经过多次平均后,消除了诸多偶然因素,充分地验证了声时与应力之间,即声速与应力之间存在 明显的线性关系。当然,应力对声速的影响实际上是通过应力变化引起钢材料特性变化从而导致声传

13、播 速率变化。4测量结果分析实验结果表明该方法用于实际测量的可行性。从图6e可以看出,在做实验用的钢轨980ram长的测 量区域上,对于拉伸应力,声时一应力常数为0.73MPa/ns。力学季刊 第z9卷盒奠辱m童奠雹田逞卿眢鼠洲j:3麓枷壹墨*声时一应力曲线韬 船 够 75够 鸲应力删(a量均蜘32吼D 曼 暂绷 鼠32S479 3盈H50声时一应力曲线信32S盟9目首嬲ofk箕蝴置掬辱0童绷眢舨孀姗S曩皤m3曩峋声时一应力曲线柏 岛 留 符 蜡 应力删 (b声时一应力曲线朽 岛 岱 鸺 瞄 蜡 侣 岛 舒 饴 够 应力删应力 (c (d声时一应力曲线3莨应力(c圈6钢轨的声时一应力的关系Fi

14、g.6Relation of travel time and stress for rail在固体中一般能产生两种类型的波横波和纵波。除此之外,在固体的自由表面还会形成沿着表 面传播。其振幅随表面深度迅速减弱的表面波(即瑞利波。当工件表面有障碍物例如残余耦合剂或油层 时,表面波会发生散射、反射和衰减。以上这些都会给波形的分辨带来困难。那怎样才能保证接收探头接收到的波一定是反射纵波呢?首先从各种波的特点分析:由于探头楔块 和钢轨表面有耦合剂,横波在被探头接收之前就被很好地隔离掉了;表面波虽然能量较大,但是它在介质 中衰减很快,实际上在距表面一个波长的地方,振动已近消失。其次从不同波在介质中的传播

15、速度上看:对于固态介质,纵波波速最大,表面波波速最小,横波波速介于二者之闻。根据以上分析,当测量距离增加 后,实际上能够最先到达接收探头的只能是反射纵波。外加应力变化引起的钢材料特性变化导致了声传播速率的变化从微观上分析是由于外加应力的变 化导致钢材料颗粒的疏密程度发生改变,从而导致钢材料中的声传播速率也随之改变。第2期 李勇攀。等:超声反射纵波法检测钢轨应力的实验研究 295 5小结该方法是基于声弹理论,即应力变化与声速的线性关系来检测钢轨的纵向应力,实验测量的是钢轨应 力的相对变化量,实际应用中只需对钢轨自由状态时(近似看成零应力进行定标,就可以得知被测钢轨的 应力状况。利用本文描述的检测系统对此进行了实验验证,效果良好。此外,该方法还可以用来检测某些 工件(如轧辊内部的应力分布。我们曾利用该方法与铁道部门和宝钢集团进行过合作,都得到了充分的 肯定。 。参考文献:13钱梦骤.检测固体内应力分布的热弹新技术J.声学学报,1996。21(4;385393.4王寅观.田冲,姚国民,等.利用Rayleigh表面渡无损检测热套圆盘的平面残余应力的研究J.声53戴瑛,