试论电磁超声探伤技术及其在车轮检测中的应用

何 汽

（重庆旅游职业学院 409000）

试论电磁超声探伤技术及其在车轮检测中的应用

何 汽

（重庆旅游职业学院 409000）

以往铁路部门对列车车轮进行检修都是通过定期检修的方式，也就是在规定的时间段内集中人力检修车轮，这种方法需要投入很大的物力与人力。为了有效改善这种局面，相关研究人员研制出自动化的车轮探伤系统。本文中主要探讨与分析电磁超声探伤技术主要的工作机制，并分析了电磁超声表面波的探伤原理，从而在此基础上提出对部分缺陷波与探伤参数的相关处理思路。

电磁超声 探伤技术 车轮检测

在无损检测技术领域中，对金属进行探伤的常规方法主要包括磁粉探伤与压电超声探伤的方式，这两种方法虽然操作简单便捷，但其在车轮探伤应用时也存在不足之处。随着我国科学技术水平的迅速提升，无损检查中电磁超声技术正发挥着越来越重要的作用。[1]研究证明，电磁超声技术的应用无需声耦合介质，该特征十分适用于运行时列车车轮的检测，同时通过该技术还能够充分满足探测车轮踏面表面、近表面的相关需求。

1 电磁超声表面波的探伤原理

1.1 电磁超声表面波激发及接收原理

通过借助洛伦兹力原理而激发出来的超声波称之为涡流超声。如果在金属表面线圈放上高频电流时，其表面趋肤效应则能够对涡流进行感应，并且在磁场作用下该涡流就会产生出等同于涡流频率的力，这样一来金属中就会出现了超声波。通过分析线圈结构、磁铁在线圈中位置的改变，从而可以获得表面波、横波以及纵波等各种声波，并且还能利用电信号频率的不同改变声波传播方向，以便进行波的自由选择。[2]电磁超声技术最大的优势就是借助不同线圈结构及磁铁的作用从而对不同波形的超声波进行激发与接收。如果利用图2中的线圈结构，作用在图1中的式样上，那么就会得出图3中的表面波。λ表示的是表面波波长，其主要是由图2所示导线间的距离d决定的。

图1 表面波的产生原理

图2 电磁声换能器接收/发射声波的线圈结构

图3 表面波波形d=λ/2

计算得出表面波的频率f=V/2d，V表示的是表面波波速。由于电磁超声表面波的接收与激发都是具有可逆性的，因而研究中也是充分利用这一原理来接收表面波的。

1.2 电磁超声表面波进行车轮探伤的原理分析

通过洛伦兹力原理的应用来有效激发超声波，这种超声波能够使电磁声换能器（EMAT）在车轮踏面表层将超声表面波激发出来，从而使其表面波束会自动沿着踏面表层及近表层进行反复的周内传播，最终使受检测区域得到全面的覆盖。[3]对于处在不同位置的超声表面波来说，当其遇到缺陷区域的时候，就会自动激发出相应的缺陷回波。研究人员在而充分分析缺陷回波信号后，就可以对列车车轮表面发生缺陷的大致或具体位置进行明确的探测。依据车轮前进速度小于表面波传播速度这一特点，所以在列车车轮透过EMAT的一刹那，其实电磁超声表面波已经顺着车轮表面开始了反复的传播。因此，即使EMAT不进行踏面扫查，依然可以对整个踏面区域中已经出现的裂纹状缺陷情况进行准确的探测。表面波探伤的工作原理见图4。

图4 电磁超声表面波探伤原理

从表面波的传播原理能够看出，由于表面波声速和横波、纵波有所不同，其不但受到相关材料物理性质等因素的影响，还受到材料的几何性质。如果材料状态为凸曲面，那么曲率越大的话，声速也是越大的；反之则相反。这也就意味着如果d值确定的话，由于车轮不同所产生的声波频率也不相同，然而波长的值是恒定的。[4]所以可以说d值是EMAT波长的本征参数。然而在实际使用的过程中，激励源指的是包括数个周期的脉冲信号，要想得到表面波最大的转换效率，同时还要其他模式下的声波产生抑制，就应当对激励源频率与d值进行合理选择，从而激励源频率与获得的表面波频率保持对应，最终获得很纯的激发表面波，这样也能够有效保证接收到的表面波十分很纯。

2 采用回波信号对车轮缺陷位置进行分析

采用电磁超声表面波进行车轮探伤的过程中，若表面波遇到缺陷，则就会出现以下几个方面的变化：第一，当其中一部分声波传播到缺陷所在位置时，会以表面波的状态被反射出去，并且该类声波会被EMAT接收。[5]（由于车轮表面的缺陷回波数代表着其具体的缺陷情况，因而在下面的分析中笔者均将其假设为仅有一处缺陷。）；第二，部分声波传播到缺陷所在部位时，依然会继续沿车轮表面传播，该类声波会在车轮表面传播一周之后被EMAT接收；第三，还有一部分声波会在遇到缺陷时转变为变形横波或是变形纵波，从而其会在车轮内部继续传播，电磁声换能器是不能接收这部分声波的。

我们所要研究的内容是被电磁声换能器所接收的存在时间间隔的两部分表面波。笔者首先在调解激发波与这两部分表面波外差之后，将高频转变为地坪，然后对激发波与这两部分表面波采取相应的处理措施，就能将掺杂在其中的噪音有效去除，并且能求出电磁声换能器在接收到这两部分表面波的具体时间T1、T2，从而能够确定出发生缺陷的车轮所在位置L：

L=2πR·T1/T2。

L表示的是缺陷距EMAT圆周半径；R表示的是车轮的半径。

结语：

文章主要研究的是通过电磁超声探伤技术进行车轮踏面近表面、表面宏观缺陷展开实时动态的探测原理，并且分析了在探伤时如何选择相关重要参数，这些参数对该系统的现实设计与应用意义重大。

[1]戴立新,韩激扬,王泽勇,王黎,高晓蓉.车轮电磁超声探伤技术及自适应滤波算法研究[J].铁道学报,2010,04:114-118.

[2]朱晓恒,高晓蓉,王黎,王泽勇,周小红,彭建平.超声探伤技术在无损检测中的应用[J].现代电子技术,2010,21:112-116.

[3]陈鹏,韩德来,蔡强富,刘美全.电磁超声检测技术的研究进展[J].国外电子测量技术,2012,11:18-21+25.

[4]王雪梅,倪文波,王平.高速铁路轨道无损探伤技术的研究现状和发展趋势[J].无损检测,2013,02:10-17.

[5]李鹏展,王亚坤,汪开灿,康磊,王淑娟.基于电磁超声的列车轮对踏面在线探伤装置[J].无损检测,2013,07:70-74.

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1007-6344（2015）04-0237-01