吳 迪 邵嘉麒 畢 超 張博南 王亞平 滕永平

(1 北京交通大學(xué)理學(xué)院 北京 100044)

(2 中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司金屬及化學(xué)研究所 北京 100081)

(3 北京信泰智合科技發(fā)展公司 北京 100098)

0 引言

隨著鐵路運(yùn)輸?shù)拇罅Πl(fā)展，重載貨車作為煤炭運(yùn)輸?shù)闹饕b備在能源運(yùn)輸領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。貨車車輪，無(wú)論是軋制還是鑄造工藝，往往都會(huì)在其輪輞內(nèi)部存在著內(nèi)部缺陷(氣孔、夾雜等)，在其后探傷過(guò)程中，漏探的缺陷和未超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)限定值的小缺陷可能存在于新制車輪中。車輪裝車使用后，這些留存的缺陷隨著貨車的長(zhǎng)期運(yùn)用，車輪受到持續(xù)不斷的循環(huán)應(yīng)力，當(dāng)條件滿足時(shí)，裂紋以這些微小缺陷作為疲勞源開(kāi)始擴(kuò)展，最后形成大面積的輞裂缺陷(如圖1(a)所示)、掉塊(如圖1(b)所示)等危害型缺陷，直至崩輪，將造成嚴(yán)重的行車事故。因此，必須對(duì)鐵路重載在役貨車車輪進(jìn)行定期無(wú)損探傷。超聲在線檢測(cè)系統(tǒng)可以在不拆卸輪對(duì)的情況下，對(duì)在役運(yùn)行狀態(tài)的鐵路貨車車輪輪輞實(shí)施超聲波自動(dòng)探傷，但由于運(yùn)煤貨車通過(guò)該系統(tǒng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生粉塵和煤渣掉塊，堵塞設(shè)備出水孔，用非接觸的超聲波耦合方式替代傳統(tǒng)水耦合壓電超聲換能器對(duì)貨車車輪進(jìn)行在線檢測(cè)顯得非常必要。

圖1 傷損車輪輞裂缺陷及車輪掉塊實(shí)物圖Fig.1 Physical picture of damaged wheel rim crack defect and the falling block region in damaged train wheels

電磁超聲換能器(Electromagnetic acoustic transducer,EMAT) 產(chǎn)生超聲波的機(jī)理主要有兩種：一種是交變電磁場(chǎng)和外磁場(chǎng)共同作用在金屬材料表面中產(chǎn)生洛倫茲力引起的機(jī)械振動(dòng)，另一種是基于交變磁場(chǎng)在鐵磁性材料中由磁致伸縮力產(chǎn)生的機(jī)械形變[1]。這兩種機(jī)理的電磁超聲換能器都無(wú)須涂抹耦合劑即可產(chǎn)生超聲波，可應(yīng)用在快速自動(dòng)化檢測(cè)中?？紤]到電磁超聲表面力源的復(fù)雜性，一般要通過(guò)測(cè)量和計(jì)算對(duì)力源做一定近似。Kawashima[2]推導(dǎo)了電磁超聲水平徑向力源在柱坐標(biāo)系中聲波位移的嚴(yán)格解析解，通過(guò)數(shù)值計(jì)算得到該力源輻射聲場(chǎng)的指向性圖。Ludwig 等[3]從能量守恒的角度給出了一套完整的電磁場(chǎng)方程及其邊界條件，通過(guò)數(shù)值計(jì)算得到了試件中的靜磁場(chǎng)分布和脈沖渦流分布，即可知力源分布，然后和聲場(chǎng)耦合，得到各向同性介質(zhì)中的暫態(tài)聲場(chǎng)。Mirkhani等[4]提出了模擬電磁聲場(chǎng)的完全公式，計(jì)算了線圈和Nd-Fe-B 永磁體在非鐵磁材料中產(chǎn)生的渦流的大小和磁感應(yīng)強(qiáng)度大小，由此得到工件中由洛侖茲力產(chǎn)生的表面力源。周進(jìn)節(jié)等[5]通過(guò)有限元建模方法，分析了跑道形線圈EMAT的力源簡(jiǎn)化模型及其輻射聲場(chǎng)的特性，給出在單磁體永磁鐵配置下跑道形線圈換能器輻射的橫波聲場(chǎng)指向性是關(guān)于EMAT中心軸線成“蝶”形對(duì)稱分布，中心軸線上聲壓為0。

本文研制了一套在鋼中產(chǎn)生垂直入射水平偏振橫波的電磁超聲探傷系統(tǒng)，使用了跑道形電磁線圈超聲換能器，采用文中設(shè)計(jì)的這種跑道形電磁線圈結(jié)構(gòu)無(wú)需耦合劑即可在貨車車輪中產(chǎn)生垂直入射純水平偏振橫波，如圖2所示。線圈為嚴(yán)格跑道形，如圖2(a)所示，用特制繞線機(jī)繞制實(shí)現(xiàn)，產(chǎn)生渦流的有效區(qū)域?yàn)榕艿赖拈L(zhǎng)邊形成的圓形區(qū)，其余部分用薄銅片進(jìn)行屏蔽，如圖2(b)所示。薄銅片置于線圈和被檢工件之間，阻止在屏蔽的工件金屬介質(zhì)表面產(chǎn)生渦流，只有未屏蔽的區(qū)域可以產(chǎn)生渦流，形成表面力源。用雙磁體永磁鐵產(chǎn)生垂直靜磁場(chǎng)，如圖3(a)所示，磁極覆蓋整個(gè)有效區(qū)域，在金屬介質(zhì)表面形成非均勻外磁場(chǎng)。靜態(tài)垂直外磁場(chǎng)和渦流的作用產(chǎn)生剪切力源。此種線圈和永磁鐵的配置通過(guò)洛倫茲力機(jī)理可產(chǎn)生非均勻的水平剪切應(yīng)力，理論上能夠產(chǎn)生較純的水平偏振橫波。本文根據(jù)跑道形電磁線圈換能器的磁場(chǎng)和線圈配置，將表面力源近似為水平剪切力源，如圖3(b)所示，數(shù)值計(jì)算得到此力源的輻射聲場(chǎng)的聲場(chǎng)分布圖和指向性圖，有助于理解此類換能器的聲學(xué)特性。

圖2 跑道形電磁線圈實(shí)物圖及用薄銅片屏蔽部分跑道線圈區(qū)域及有效作用區(qū)域示意圖Fig.2 The physical drawing of racetrack coil and schematic diagram of the shielding part of racetrack coil with thin copper sheet and the effectively working area

圖3 跑道線圈換能器模型及近似簡(jiǎn)化的非均勻水平表面力源示意圖Fig.3 Schematic diagram of racetrack coil transducer model and approximate simplified nonuniform horizontal surface force source

1 理論模型

跑道形電磁線圈超聲換能器模型如圖3(a)所示，雙磁體永磁鐵磁極近似垂直磁場(chǎng)，線圈為跑道形線圈，磁場(chǎng)和渦流的分布使得在各向同性均勻鋼介質(zhì)表面產(chǎn)生水平剪切力，由于渦流場(chǎng)并不局限于線圈在試塊上的垂直投影區(qū)域，而磁極在試塊表面產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度也不是各處相等。為了求解該力源的輻射聲場(chǎng)，將力源分布近似簡(jiǎn)化為如圖3(b)所示的非均勻水平剪切圓形力源，力源從圓心處沿半徑逐漸減弱，水平剪切力矢量設(shè)定為x方向，這樣就可以對(duì)該力源做數(shù)值計(jì)算并和實(shí)驗(yàn)結(jié)果比對(duì)。

設(shè)上述非均勻水平剪切表面力源隨半徑分布的表達(dá)式為

根據(jù)設(shè)定的力源在介質(zhì)表面的分布狀態(tài)，可推導(dǎo)得到半無(wú)限大介質(zhì)場(chǎng)點(diǎn)中橫波位移的嚴(yán)格解析解[2]：

上面所得公式中假設(shè)聲波傳播的介質(zhì)為各向同性均勻半無(wú)限大彈性介質(zhì)，初始時(shí)介質(zhì)不受外應(yīng)力和應(yīng)變。所得解析式中忽略了縱波項(xiàng)，因?yàn)楸疚闹饕P(guān)心橫波的情況，而由實(shí)驗(yàn)可知橫波位移幅度值遠(yuǎn)大于縱波位移。

將上述模型所得解析式代入材料的理論參數(shù)值做數(shù)值計(jì)算[6]。計(jì)算時(shí)取a=20 mm，鋼密度為ρ=7.85×103kg/m3，拉梅常數(shù)λ=11.3×1010N/m2，μ=8.2×1010N/m2，縱波波速橫波波速為了使頻率和實(shí)驗(yàn)暫態(tài)波形保持一致，在此假設(shè)剪切力源隨時(shí)間改變的函數(shù)為頻率為950 kHz 的單周期正弦脈沖。

圖4為模擬實(shí)驗(yàn)試塊所取的半圓平面xz，半徑R=80 mm，計(jì)算與中軸線呈Φ角的場(chǎng)點(diǎn)的位移，該點(diǎn)在切線方向上的位移是utx和utz合成的切向分量ut，對(duì)應(yīng)表達(dá)式如公式(4)所示：

圖4 半圓面上橫波位移的垂直和剪切分量Fig.4 The vertical and shear components of shear wave displacement on a semicircular surface

為了模擬暫態(tài)聲場(chǎng)情況，通過(guò)公式(2)～(3)計(jì)算得到半圓面上不同角度處各場(chǎng)點(diǎn)的暫態(tài)位移波形，將各點(diǎn)得到的時(shí)域波形中的橫波幅度極值記錄下來(lái)，做出幅度和角度間的指向性曲線，最后和實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比對(duì)。公式(2)～(3)中有一個(gè)奇點(diǎn)(F(ξ)=0 的根)和兩個(gè)支點(diǎn)(α1=0,α2=0)，數(shù)值計(jì)算時(shí)需要避開(kāi)這些奇異點(diǎn)，步長(zhǎng)在奇異點(diǎn)附近要適當(dāng)減小。根據(jù)式(4)可計(jì)算如圖3(b)所示非均勻力源在不同角度Φ平面上的橫波切向位移，由此可得到指向性曲線如圖5所示，此時(shí)各點(diǎn)切向位移ut是由utx和utz在不同切向方向的分量合成得到。

圖5 半徑R=80 mm 上非均勻力源輻射橫波切向位移隨角度變化圖Fig.5 The tangential displacement of shear wave radiated by non-uniform force source with angle at radius R=80 mm

2 指向性實(shí)驗(yàn)測(cè)試

圖2(a)為實(shí)際使用的跑道形電磁線圈，雙磁體永磁鐵的兩個(gè)磁極置于跑道形線圈之上，整個(gè)結(jié)構(gòu)示意圖近似為圖6，電磁超聲系統(tǒng)發(fā)射可調(diào)方波脈沖激勵(lì)信號(hào)給換能器跑道線圈，在鋼試塊表面產(chǎn)生渦流，渦流在雙磁體永磁鐵提供的垂直外磁場(chǎng)作用下，形成表面水平剪切力源，向鋼試塊中輻射水平偏振橫波。產(chǎn)生的水平表面力源可簡(jiǎn)化為如圖3(b)所示的力源分布情況。圖7(a)為測(cè)試輻射聲場(chǎng)特性的實(shí)驗(yàn)裝置示意圖。試塊為半徑80 mm、厚度58 mm帶臺(tái)階面的半圓形鋼塊，試塊截面和換能器所在位置如圖7(b)所示。將跑道形電磁超聲換能器線圈中心對(duì)準(zhǔn)試塊上表面中心處，偏振方向保持與試塊截面水平方向一致，接收換能器為壓電橫波直探頭，置于各個(gè)臺(tái)階面中心處，通過(guò)蜂蜜做耦合劑，接收上表面跑道形電磁線圈超聲換能器輻射的聲波信號(hào)，然后用示波器采集接收換能器輸出的電信號(hào)，將其傳入計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)并做進(jìn)一步后處理。接收換能器和試塊間采用蜂蜜做耦合劑并緊密壓合，用以保證換能器接收到臺(tái)階面上的切向振動(dòng)。

圖6 跑道線圈電磁超聲換能器的磁場(chǎng)和渦流方向以及產(chǎn)生的力源結(jié)構(gòu)示意圖Fig.6 Schematic diagram of magnetic field and eddy current direction of the racetrack coil EMAT structure and the generated force source

圖7 跑道線圈電磁超聲換能器聲場(chǎng)指向性測(cè)試系統(tǒng)裝置示意圖Fig.7 Schematic diagram of ultrasound field directivity testing system for the racetrack coil EMAT

測(cè)試用的電磁超聲設(shè)備，激發(fā)換能器的頻率可在500 kHz～2 MHz 范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，脈沖方波個(gè)數(shù)可調(diào)范圍從1～8 個(gè)。調(diào)節(jié)EMAT 參數(shù)，激勵(lì)頻率為950 kHz，激勵(lì)脈沖串長(zhǎng)度為3 個(gè)周期方波，激勵(lì)電流為2 A。改變接收用橫波換能器的偏振方向，使之和發(fā)射電磁超聲換能器偏振方向一致且處在同一平面內(nèi)，此時(shí)接收到的橫波分量為橫波位移utx和utz合成的切向分量ut。改變接收換能器所在的臺(tái)階面，采集得到各處時(shí)域信號(hào)，在0?接收到的波形如圖8所示，其余各個(gè)角度處波形與此類似，圖中從左至右，初始包絡(luò)信號(hào)為始脈沖，其后為一次直達(dá)橫波波形。改變壓電橫波直探頭所在的臺(tái)階面，在半圓鋼試塊不同角度上接收到跑道線圈電磁超聲換能器輻射聲波的時(shí)域波形，取各處波形中直達(dá)橫波信號(hào)幅度的極大值，擬合出一條橫波指向性曲線，多次重復(fù)實(shí)驗(yàn)得到的指向性曲線如圖9中實(shí)線所示，圖中橫坐標(biāo)表示不同臺(tái)階面的角度，縱坐標(biāo)表示歸一后的位移幅值。

圖8 壓電橫波直探頭在鋼試塊上0?臺(tái)階面接收到的電磁超聲聲波波列Fig.8 The acoustic waveform of EMAT on steel test block at 0° received by piezoelectric normal shear wave transducer

將圖9中實(shí)驗(yàn)得到的指向性曲線與圖5計(jì)算得到的理論指向性曲線比較，基本吻合。在0?臺(tái)階面中心處旋轉(zhuǎn)接收換能器，使其偏振方向和跑道線圈電磁超聲換能器的偏振方向成不同角度，此時(shí)橫波幅度也會(huì)隨之改變，表明跑道線圈和外磁場(chǎng)的配置在鋼試塊中產(chǎn)生的橫波聲場(chǎng)形成明顯的偏振方向，說(shuō)明文中的模型在一定程度上可以描述文中跑道形電磁線圈換能器的表面力源及聲場(chǎng)。

圖9 接收換能器得到的切向分量橫波位移隨角度變化圖Fig.9 Shear wave displacement of the tangential component obtained by the receiving transducer with different angles

上述理論是針對(duì)表面力源為洛侖茲力的情況，考慮鋼表面還有磁致伸縮力源的貢獻(xiàn)，實(shí)驗(yàn)指向性圖9和理論模擬指向性結(jié)果圖5還有一些區(qū)別，而目前對(duì)于磁致伸縮力源的分析還存有一些困難，主要在于較難準(zhǔn)確得到某些重要參數(shù)，比如鐵磁材料的動(dòng)態(tài)磁致伸縮系數(shù)，進(jìn)一步關(guān)于磁致伸縮力源的電磁聲理論和實(shí)驗(yàn)還在研究中。從目前的理論和實(shí)驗(yàn)的結(jié)果可知，雙磁體跑道形電磁線圈超聲換能器由洛侖茲力產(chǎn)生的水平偏振橫波聲場(chǎng)在鋼中具有中間強(qiáng)兩側(cè)弱的指向性，輻射聲場(chǎng)的中心聲束軸線和換能器軸線重合。此結(jié)果和文獻(xiàn)[7]給出的結(jié)果一致。

在文獻(xiàn)[8]中，電磁超聲換能器采用螺旋線圈加單磁體外偏置磁場(chǎng)，產(chǎn)生出徑向振動(dòng)的表面力源，輻射橫波聲場(chǎng)為中空特性，聲軸能量不集中。本論文中，換能器采用了銅箔部分屏蔽的特制跑道線圈，采用雙磁體永磁鐵作為外偏置磁場(chǎng)，產(chǎn)生出水平剪切力源，形成了水平偏振的橫波聲場(chǎng)。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果和數(shù)值模擬結(jié)果來(lái)看，此種跑道形電磁線圈換能器聲軸能量集中，比螺旋線圈超聲換能器對(duì)車輪踏面滾動(dòng)圓區(qū)域內(nèi)的輞裂缺陷檢測(cè)效果更好。

3 重載鐵路貨車車輪在線檢測(cè)系統(tǒng)中跑道形電磁線圈超聲換能器的應(yīng)用

圖10為在線重載鐵路貨車車輪超聲檢測(cè)系統(tǒng)中跑道線圈電磁超聲換能器的探傷結(jié)果波形顯示界面。重載貨車車輪在線超聲檢測(cè)系統(tǒng)的檢測(cè)原理在文獻(xiàn)[8]中已有描述，輞裂缺陷通常發(fā)生在踏面滾動(dòng)圓附近。圖10所示對(duì)應(yīng)樣輪的超標(biāo)缺陷的部分A 掃描波形結(jié)果，和被檢測(cè)樣輪中的人工傷損能很好吻合。利用研制的EMAT 檢測(cè)系統(tǒng)的特定重復(fù)頻率，結(jié)合跑道形電磁線圈超聲換能器的橫波聲場(chǎng)指向特性，能確保系統(tǒng)有效檢出踏面滾動(dòng)圓區(qū)域40 mm 寬的整體型輞裂缺陷。利用缺陷輪對(duì)試驗(yàn)車通過(guò)陣列式布置的多組電磁超聲換能器后的考核試驗(yàn)表明，該檢測(cè)系統(tǒng)能夠快速有效地檢測(cè)出40 mm 長(zhǎng)的周向輞裂缺陷，同時(shí)取得了很高的檢測(cè)準(zhǔn)確率。目前該套在線檢測(cè)系統(tǒng)安裝調(diào)試完畢后，已經(jīng)通過(guò)了較長(zhǎng)時(shí)間的系統(tǒng)考核試驗(yàn)，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，性能良好，為重載鐵路貨車車輪的安全運(yùn)行提供了檢測(cè)設(shè)備支持。

圖10 鐵路重載貨車車輪在線電磁超聲檢測(cè)軟件中A 型掃描波形的數(shù)據(jù)顯示Fig.10 The display interface of A-type scanning waveform data for online heavy haul freight train wheel EMAT testing system

4 結(jié)論

本文研究了跑道形電磁線圈超聲換能器在鋼中由洛倫茲力機(jī)制產(chǎn)生的輻射聲場(chǎng)，將探頭力源簡(jiǎn)化為非均勻的水平剪切力源，理論分析了該電磁超聲換能器在半無(wú)限大介質(zhì)鋼中產(chǎn)生的橫波聲場(chǎng)，并在半圓柱形鋼試塊上做了聲場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，測(cè)定了該換能器輻射橫波的聲場(chǎng)指向性曲線，和理論結(jié)果符合較好。表明文中所述雙磁體跑道形電磁線圈超聲換能器輻射水平偏振橫波聲場(chǎng)具有中間強(qiáng)兩側(cè)弱的指向性，有助于對(duì)此類換能器輻射聲場(chǎng)的深入理解。利用雙磁體跑道形電磁線圈超聲換能器研制出的重載貨車車輪在線檢測(cè)系統(tǒng)，能夠防止車輪輪輞缺陷的擴(kuò)展最終導(dǎo)致行車事故，為煤炭能源的安全運(yùn)輸提供了裝備保障。