宋怡雋，高國(guó)強(qiáng)，陳明禮，涂川俊，魏文賦*，楊澤鋒，吳廣寧

（1.西南交通大學(xué) 電氣工程學(xué)院，成都 610031；2.哈爾濱電碳廠， 哈爾濱 150025；3.湖南大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，長(zhǎng)沙 410082）

0 引言

在高速電氣化鐵路系統(tǒng)中，機(jī)車(chē)通過(guò)受電弓從機(jī)車(chē)上方的接觸線取電，作為直接與接觸線相接觸的受電弓滑板[1-3]將成為獲取電源的關(guān)鍵設(shè)備，受電弓滑板能否保持良好的狀態(tài)，關(guān)系到機(jī)車(chē)是否能夠穩(wěn)定、可靠地從接觸線上取電，并直接關(guān)系到機(jī)車(chē)運(yùn)行的可靠性。列車(chē)在高速運(yùn)行時(shí)受電弓滑板受滑動(dòng)磨損、溫度應(yīng)力和電弧侵蝕的作用，受電弓滑板表面出現(xiàn)磨耗并逐漸導(dǎo)致內(nèi)部裂紋出現(xiàn)，裂紋一旦過(guò)大，可能造成受電弓滑板非正常降弓甚至出現(xiàn)斷裂事故[5-6]，嚴(yán)重危害列車(chē)的行車(chē)安全。因此，受電弓滑板內(nèi)部裂紋的檢測(cè)對(duì)于保證高速鐵路的安全、穩(wěn)定運(yùn)行具有重要的意義。

目前國(guó)內(nèi)外對(duì)電力機(jī)車(chē)中受電弓滑板的損傷檢測(cè)，主要集中在滑板表面的磨耗方面，大多采用人工目測(cè)的方法[8]，需要多個(gè)工作人員配合操作，效率低、精度低、準(zhǔn)確性差，并存在一定的安全事故隱患，這種方法已經(jīng)不適用于現(xiàn)在的高速鐵路，將逐漸被淘汰。近年來(lái)，隨著高速鐵路的迅速發(fā)展，也提出了一些高效率、高精度的方法并得到應(yīng)用。文獻(xiàn)[9]研制出一種SJ系列受電弓及其車(chē)頂狀態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)”該系統(tǒng)采用攝像機(jī)對(duì)SJ受電弓前后滑板進(jìn)行圖像采集，經(jīng)過(guò)圖像處理分析得到滑板磨耗及磨耗曲線。文獻(xiàn)[10]采用遙感測(cè)量的方式得到接觸壓力的信號(hào)，然后通過(guò)無(wú)線傳輸將信號(hào)送入機(jī)車(chē)內(nèi)部的接收裝置，信號(hào)轉(zhuǎn)換之后，再進(jìn)行數(shù)據(jù)處理在線得到接觸壓力的具體數(shù)值。

然而，上述方法僅能夠檢測(cè)滑板表面的磨耗磨損，受電弓滑板內(nèi)部的裂紋無(wú)法得到檢測(cè)，目前，超聲檢測(cè)法由于其無(wú)損、便捷、對(duì)人體無(wú)害及設(shè)備成本低等優(yōu)點(diǎn)，在鋼軌內(nèi)部損傷檢測(cè)、絕緣子裂紋檢測(cè)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[11]，但是對(duì)于受電弓滑板內(nèi)部損傷的檢測(cè)研究尚未具體展開(kāi)。文獻(xiàn)[12]通過(guò)對(duì)鋼軌進(jìn)行多元高斯聲場(chǎng)模擬，對(duì)軌頭內(nèi)的已知缺陷進(jìn)行超聲回波的預(yù)測(cè)，并實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該方法的有效性。但是，由于受電弓碳滑板材料多孔隙、高衰減的特征[14]使得其內(nèi)部裂紋的檢測(cè)難度增大，與正常情況下的其他材料的檢測(cè)有所區(qū)別。

本文通過(guò)超聲檢測(cè)方法對(duì)受電弓滑板內(nèi)部裂紋進(jìn)行檢測(cè)研究，采用瑞利積分理論建立了不同類(lèi)型探頭輻射聲場(chǎng)模型，并模擬了超聲波在受電弓滑板內(nèi)部的分布情況，比較了單裂紋和多裂紋情況下探頭參數(shù)選擇的差異。研究結(jié)果提高了受電弓滑板內(nèi)部裂紋檢測(cè)的精確性，為受電弓滑板內(nèi)部裂紋探頭的選擇提供了一種科學(xué)、便捷的方法，對(duì)其內(nèi)部損傷程度的判定具有重要的理論指導(dǎo)意義。

1 受電弓滑板內(nèi)部聲場(chǎng)建模

超聲波由受電弓滑板表面?zhèn)魅雰?nèi)部的原理如圖1所示，受電弓滑板由碳條和鋁合金托架構(gòu)成，超聲檢測(cè)時(shí)，探頭經(jīng)耦合劑與受電弓滑板上表面直接接觸，聲束傳入受電弓滑板內(nèi)后，因缺陷與受電弓滑板基體的聲阻抗存在差異，當(dāng)傳播t時(shí)間后遇到缺陷，一部分聲束反射回來(lái)，形成缺陷回波，探頭可接收到缺陷反射的回波，進(jìn)而可對(duì)缺陷進(jìn)行評(píng)價(jià)；另一部分聲束繼續(xù)往下傳播，傳播T時(shí)間到達(dá)碳條與鋁合金托架分界面后反射回來(lái)，形成底面回波。

圖1 超聲波傳播原理圖Fig.1 Principle diagram of ultrasonic wave propagation

列車(chē)在高速運(yùn)行時(shí)受電弓滑板受滑動(dòng)磨損、溫度應(yīng)力和電弧侵蝕的作用，其表面往往呈現(xiàn)出不均勻磨損，此時(shí)探頭與踏面間需填充耦合劑以排除空氣，實(shí)現(xiàn)聲能的有效傳遞；同時(shí)，由于受電弓滑板材料的多孔隙、高衰減特征，使得聲能在其內(nèi)部傳播時(shí)需要更強(qiáng)的穿透力。因此，在對(duì)受電弓滑板內(nèi)部裂紋檢測(cè)時(shí)，深入分析探頭輻射入受電弓滑板內(nèi)的聲場(chǎng)分布特性，是提高受電弓滑板超聲檢測(cè)精度的前提。

根據(jù)瑞利積分理論[15-17]，建立超聲波在受電弓滑板內(nèi)傳播的瑞利積分模型，瑞利積分是把探頭離散成點(diǎn)源，受電弓滑板內(nèi)任意某點(diǎn)處的聲壓由探頭上所有離散點(diǎn)源在該點(diǎn)產(chǎn)生的聲壓的疊加組成。

根據(jù)聲壓和質(zhì)點(diǎn)速度間的關(guān)系，經(jīng)推導(dǎo)可以求得受電弓滑板內(nèi)任意一點(diǎn)的聲壓：

公式（1）可以看成是面積為S的面源的發(fā)射聲場(chǎng)用毎個(gè)點(diǎn)源ds的聲場(chǎng)響應(yīng)的疊加來(lái)表示，式中表示聲波從點(diǎn)源處Q傳播到計(jì)算點(diǎn)處X(x，y，z)的距離，為波數(shù)，f為超聲頻率, c為媒質(zhì)中的聲速，為受電弓滑板材料密度，為換能器表面點(diǎn)源在時(shí)刻t的振動(dòng)速度。

由于瑞利積分模型具有一定的局限性，在計(jì)算聲場(chǎng)和在介質(zhì)中的聲波傳播時(shí)，無(wú)法計(jì)算超聲波隨著傳播距離的增大聲壓逐漸衰減這一過(guò)程，對(duì)計(jì)算精度造成嚴(yán)重影響，因此引入Pencil法的修正模型，在用Pencil法在計(jì)算超聲波時(shí)，采用聲線法的思想，將超聲波的傳播假定為一條射線，在介質(zhì)中的傳播將會(huì)發(fā)生聲線的衍射，振幅衰減DF可以用Pencil的截面積S與固體角求得:

為獲得截面積S和固體角θ，需要計(jì)算聲速矢量來(lái)表征超聲波的傳播方向和近軸范圍。為聲速在聲軸上的投影，為入射波在慢度圖上的投影，因此，式(2)中，S和θ用位置投影和慢度投影表示，即有，,將S和θ代入式(2)，可以推得:

不同介質(zhì)以其晶體類(lèi)型的差異，超聲波在其中的傳播方式有很大的差別，對(duì)于受電弓滑板中純碳材料這種各向同性介質(zhì)而言，其傳播矩陣可表示為：

式中:rk為超聲波沿軸線方向上的傳播距離。

因此，可通過(guò)方程（1）并通過(guò)引入的Pencil法修正模型仿真模擬出聲束傳入受電弓滑板內(nèi)聲場(chǎng)的分布情況。

2 探頭聲場(chǎng)仿真結(jié)果與分析

一般情況下，受電弓滑板的碳條厚度在12mm以下時(shí)不可繼續(xù)使用[7]，這里選用碳條和鋁合金托架厚度均為20mm的受電弓滑板進(jìn)行仿真分析，碳條和鋁合金托架仿真材料屬性如表1所示，由于受電弓滑板工作時(shí)磨損主要集中在中間平直區(qū)域，兩端磨損較少[18]，因此，內(nèi)部裂紋主要分布在受電弓滑板的中間平直區(qū)域。

表1 受電弓滑板仿真材料屬性Table 1 Simulation material properties of pantograph strip

為了提高受電弓滑板內(nèi)部裂紋的檢測(cè)精度，為受電弓滑板內(nèi)部裂紋檢測(cè)專(zhuān)用探頭的研制提供理論依據(jù)，需要對(duì)超聲波探頭進(jìn)行優(yōu)化選擇，對(duì)于探頭的設(shè)計(jì)選擇需要考慮以下因素：探頭的類(lèi)型、超聲波頻率、探頭的大小等。

由于受電弓滑板內(nèi)部裂紋多與表面平行[13]，沿平面延伸分布，因此，垂直入射的脈沖反射法是適用于受電弓滑板內(nèi)部裂紋的檢測(cè)；在同一介質(zhì)中，縱波傳播聲速最大，穿透能力較強(qiáng)，所以可檢測(cè)工件的厚度大于其他波型所能檢測(cè)的工件厚度，縱波對(duì)晶界反射或散射的敏感度低，因此可用于粗晶或高散射衰減類(lèi)材料的超聲檢測(cè)。綜合上述考慮，仿真研究選用探頭類(lèi)型為縱波圓形直探頭，對(duì)其參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，主要包括：不同探頭頻率對(duì)超聲聲場(chǎng)的影響、不同探頭直徑對(duì)超聲聲場(chǎng)的影響。

2.1 探頭頻率對(duì)受電弓滑板內(nèi)聲場(chǎng)分布的影響

超聲波是一種頻率高于0.2MHz的聲波，超聲波頻率在很大程度上決定了超聲波對(duì)缺陷的檢測(cè)能力。純碳材料衰減系數(shù)大，為了減小衰減通常選用較低的頻率，一般情況下，工業(yè)探傷頻率選擇在0.5～10MHz范圍內(nèi)[4]。因此，本研究在固定探頭直徑情況下(8mm)，選取了超聲波頻率為0.5MHz、1MHz、2MHz、2.5MHz、5MHz、10MHz進(jìn)行仿真分析，仿真結(jié)果如圖2所示。

圖2 不同超聲波頻率下聲場(chǎng)分布圖Fig.2 Ultrasonic field distribution under different ultrasonic frequencies

從圖2不同超聲波頻率下聲場(chǎng)分布圖中可以看出:

(1)聲場(chǎng)主要分布在受電弓滑板的碳條區(qū)域，鋁合金托架區(qū)域的聲場(chǎng)聲壓較小，說(shuō)明超聲波從碳條

傳遞到鋁合金托架時(shí)衰減嚴(yán)重，可檢測(cè)的裂紋位置處于受電弓滑板碳條區(qū)域。

(2)隨著超聲波頻率的增加，主聲束寬度逐漸減小，說(shuō)明超聲波頻率的變化會(huì)影響到主聲束的指向角和聲束的定向集中程度。隨著超聲波頻率的增加，聲束指向角變小，聲束聚焦性越好，檢測(cè)分辨率越高，因此檢測(cè)精度也越高。

(3)超聲波頻率越低，淺藍(lán)色區(qū)域面積越大，即振動(dòng)速度越慢，聲阻抗也越小，而純碳滑板材料屬于高衰減材料，為了使超聲波能夠完全穿透整個(gè)試件，需選擇低頻的探頭來(lái)提高穿透能力。

圖3 超聲波頻率對(duì)近場(chǎng)區(qū)長(zhǎng)度的影響Fig.3 The effect of ultrasonic frequency on the length of the near field region

波源附近由于波的干涉而出現(xiàn)一系列聲壓極大極小值的區(qū)域稱(chēng)為近場(chǎng)區(qū)，近場(chǎng)區(qū)聲場(chǎng)是很復(fù)雜的，沒(méi)有規(guī)律，因此無(wú)法有效對(duì)近場(chǎng)區(qū)內(nèi)的缺陷進(jìn)行檢測(cè)，所以將近場(chǎng)區(qū)視為檢測(cè)的盲區(qū)。圖3顯示了超聲波頻率與近場(chǎng)區(qū)長(zhǎng)度的關(guān)系，從圖中可以看出，近場(chǎng)區(qū)長(zhǎng)度隨頻率的升高上升越來(lái)越快，當(dāng)探頭頻率在2MHz時(shí)，近場(chǎng)區(qū)長(zhǎng)度達(dá)到15mm，超過(guò)了受電弓滑板的最小使用厚度12mm，說(shuō)明探頭頻率應(yīng)選擇在2MHz以下。

2.2 探頭直徑對(duì)受電弓滑板內(nèi)聲場(chǎng)分布的影響

探頭直徑對(duì)檢測(cè)的影響主要通過(guò)其對(duì)聲場(chǎng)特性的影響體現(xiàn)出來(lái)，在超聲波頻率固定的情況下(0.5MHz)，對(duì)探頭直徑分別為6mm、8mm、10mm、12mm、14mm、16mm的圓形直探頭進(jìn)行仿真研究，仿真結(jié)果如圖4所示。

從圖4不同探頭直徑下聲場(chǎng)分布圖中可以看出:

(1)探頭直徑對(duì)聲場(chǎng)分布的影響較超聲波頻率更小，六組不同直徑探頭的主聲速寬度基本不變，聚焦性能變化不大，即探頭直徑不影響受電弓滑板內(nèi)部裂紋的檢測(cè)精度。

(2)淺藍(lán)色區(qū)域面積隨著直徑的升高而增加，說(shuō)明探頭直徑越大，聲壓越大，即具有更高的能量，穿透力也更強(qiáng)，可以檢測(cè)較深處的受電弓滑板裂紋。

圖4 不同探頭直徑下聲場(chǎng)分布圖Fig.4 Ultrasonic field distribution under different probe diameter

圖5為探頭直徑與近場(chǎng)區(qū)長(zhǎng)度的關(guān)系，從圖中可以看出，近場(chǎng)區(qū)長(zhǎng)度呈現(xiàn)逐漸上升趨勢(shì)，探頭直徑在12mm及以上時(shí)，近場(chǎng)區(qū)長(zhǎng)度達(dá)到11mm以上，超過(guò)了受電弓滑板的最小使用厚度12mm，因此需要選擇12mm以下直徑的探頭。

圖5 探頭直徑對(duì)近場(chǎng)區(qū)長(zhǎng)度的影響Fig.5 The influence of the diameter of the probe on the length of the near field region

2.3 不同數(shù)量裂紋下探頭參數(shù)的選擇

圖6為裂紋分布示意圖，裂紋數(shù)量影響底面聲壓大小，底面聲壓的大小直接影響著檢測(cè)的效果，因此在對(duì)受電弓滑板內(nèi)部裂紋進(jìn)行超聲檢測(cè)時(shí)，針對(duì)裂紋數(shù)量的不同需要匹配不同的探頭參數(shù)以便提高檢測(cè)的精確度。

圖6 裂紋分布示意圖Fig.6 Schematic diagram of crack distribution

2.3.1 不同裂紋數(shù)量下探頭頻率的選擇

探頭頻率選擇在2MHz以下時(shí)近場(chǎng)區(qū)長(zhǎng)度小于受電弓滑板的最小使用厚度12mm，因此在探頭直徑固定為10mm的情況下選擇探頭頻率為0.5MHz和1MHz進(jìn)行不同裂紋數(shù)量下探頭頻率的選擇。

圖7 不同裂紋數(shù)量下探頭頻率對(duì)底面聲壓的影響Fig.7 Influence of probe frequency on ultrasonic pressure at bottom under different crack numbers

從圖7中可以看出，單裂紋情況下，兩種頻率的探頭底面聲壓均處于較高水平，因此均可選擇；雙裂紋情況下，1MHz頻率探頭底面相對(duì)聲壓小于40%，因此選擇低頻探頭0.5MHz進(jìn)行裂紋檢測(cè)；三裂紋情況下兩種探頭聲壓均較低，因此均無(wú)法對(duì)第三條裂紋進(jìn)行有效檢測(cè)。

2.3.2 不同裂紋數(shù)量下探頭直徑的選擇

探頭直徑選擇在12mm以下時(shí)近場(chǎng)區(qū)長(zhǎng)度小于受電弓滑板的最小使用厚度12mm，因此在探頭頻率固定為0.5MHz的情況下選擇探頭直徑為6mm、8mm和10mm進(jìn)行不同裂紋數(shù)量下探頭直徑的選擇。

圖8 不同裂紋數(shù)量下探頭直徑對(duì)底面聲壓的影響Fig.8 Influence of probe diameter on ultrasonic pressure at bottom under different crack numbers

從圖8中可以看出，單裂紋情況下，探頭直徑在6mm情況下底面相對(duì)聲壓小于50%，因此盡可能選擇其它兩種直徑的探頭進(jìn)行裂紋檢測(cè)；雙裂紋情況下， 8mm直徑的探頭底面相對(duì)聲壓小于40%，因此應(yīng)選擇直徑為探頭10mm的探頭進(jìn)行裂紋檢測(cè)；三裂紋情況下三種探頭聲壓均較低，回波不明顯，因此均無(wú)法對(duì)第三條裂紋進(jìn)行有效檢測(cè)。

4 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)超聲波在受電弓滑板內(nèi)的傳播進(jìn)行仿真計(jì)算，研究了不同探頭參數(shù)的輻射聲場(chǎng)在受電弓滑板內(nèi)的分布規(guī)律，解析了受電弓滑板探頭匹配參數(shù)的取值范圍，比較了單裂紋和多裂紋情況下探頭參數(shù)選擇的差異。得到主要結(jié)論如下：

1)針對(duì)受電弓滑板內(nèi)部裂紋的檢測(cè)，探頭頻率的選擇應(yīng)在2MHz以下，探頭直徑的選擇應(yīng)在12mm以下。

2)不同裂紋數(shù)量下探頭參數(shù)的選擇有所差異，單裂紋情況下，探頭頻率選擇為2MHz以下，探頭直徑選擇為12mm以下，6mm以上；雙裂紋情況下，探頭頻率選擇為1MHz，探頭直徑選擇為10mm；三裂紋情況下，對(duì)第三條裂紋的檢測(cè)效果均不佳。

[1] 盧文博. 層狀結(jié)構(gòu)受電弓滑板的制備及性能研究[D]. 山東大學(xué), 2012.

[2] 白瑞敏. 基于圖像處理的接觸網(wǎng)吊弦和受電弓滑板的檢測(cè)與識(shí)別[D]. 西南交通大學(xué), 2017.

[3] Wei W, Wu J, Gao G, et al. Study on Pantograph Arcing in a Laboratory Simulation System by High-Speed Photography[J]. IEEE Transactions on Plasma Science,2016, 44(10):2438-2445.

[4] 曹微微. 便攜式超聲波探傷儀關(guān)鍵技術(shù)的研究[D]. 北京交通大學(xué), 2011.

[5] Deutschl E, Gasser C, Niel A, et al. Defect detection on rail surfaces by a vision based system[C].Intelligent Vehicles Symposium. IEEE, 2004:507-511.

[6] 吳彩秀, 馬冰. 深圳地鐵列車(chē)受電弓碳滑板異常損傷案例分析及控制措施[J]. 科技信息, 2012(20):359-359.

[7] 中華人民共和國(guó)鐵道部.TB T 1842.2-2002 電力機(jī)車(chē)受電弓滑板[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,2002.

[8]丁濤. 電氣化鐵路受電弓/接觸線摩擦磨損性能及電特性研究[D]. 西南交通大學(xué), 2010.

[9] 師鵬燕. 基于仰拍方式的受電弓滑板磨耗檢測(cè)系統(tǒng)的研究[D]. 西南交通大學(xué), 2011.

[10]任世光. 新型滑板磨耗檢測(cè)及自動(dòng)降弓裝置[J]. 鐵道運(yùn)營(yíng)技術(shù), 2000(4):139-141.

[11]梁曦東, 戴建軍 , 周遠(yuǎn)翔 ,等. 超聲法檢測(cè)絕緣子用玻璃鋼芯棒脆斷裂紋的研究[J]. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2005,25(3):110-114.

[12]張書(shū)增, 李雄兵 , 楊岳 ,等. 鋼軌軌頭內(nèi)多元高斯聲場(chǎng)模擬及其缺陷響應(yīng)[J]. 鐵道學(xué)報(bào), 2014(1):76-80.

[13]袁觀明. 高導(dǎo)熱炭材料的制備研究[D]. 武漢科技大學(xué),2012.

[14]鄭艾龍. 高含碳量銅基受電弓滑板材料制備工藝的研究[D]. 哈爾濱工業(yè)大學(xué), 2002.

[15]石煥文, 孫進(jìn)才, 盛美萍,等. 裂紋及水介質(zhì)對(duì)薄圓板振動(dòng)輻射聲場(chǎng)特性的影響[J]. 聲學(xué)學(xué)報(bào), 2006,31(2):158-166.

[16]張書(shū)增. 鋼軌內(nèi)的超聲波傳播模擬及缺陷檢測(cè)方法研究[D]. 中南大學(xué), 2014.

[17]Veerman J A, Rusch J J, Urbach H P. Calculation of the

Rayleigh-Sommerfeld diffraction integral by exact integration of the fast oscillating factor[J]. Journal of the Optical Society of America A Optics Image Science & Vision, 2005,22(4):636-46.

[18]黃艷紅, 高曉蓉. 受電弓滑板磨耗現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)技術(shù)綜述[J].鐵道技術(shù)監(jiān)督, 2008, 36(8):15-17.