承力索錨結線夾絞線區域損傷的超聲導波監測*

洪曉斌 何永奎 周建熹 黃國健

(1.華南理工大學 機械與汽車工程學院， 廣東 廣州 510640; 2.廣州市機電特種設備檢測研究院， 廣東 廣州 510663)

承力索錨結線夾絞線區域損傷的超聲導波監測*

洪曉斌1何永奎1周建熹1黃國健2

(1.華南理工大學 機械與汽車工程學院， 廣東 廣州 510640; 2.廣州市機電特種設備檢測研究院， 廣東 廣州 510663)

針對電氣化鐵路承力索錨結線夾絞線區域損傷難以準確監測的問題，研制了面向承力索錨結線夾絞線區域損傷的傳感器來實現損傷的超聲導波監測.首先針對銅鎂合金承力索絞線的結構特點及超聲導波的傳播特點，設計了承力索單線導波引導針，并以導波引導針為核心構建了獨立彈性導波激勵接收單元;然后基于承力索外層結構完成包含12個導波激勵接收單元的環形導波檢測模塊;最后集成獨立晶片控制電路與包覆保護操作手柄，形成新型超聲導波傳感器，結合脈沖反射法和小波降噪法對承力索錨結線夾絞線區域的結構損傷進行檢測并判定.19芯銅鎂合金承力索錨結線夾絞線區域的單線預設損傷檢測實驗結果表明，當傳感器間距為0.1 m、傳感器與錨結線夾中心間距為0.4 m時，經小波降噪后的損傷回波峰值與損傷深度呈正相關，判別平均相對誤差為3.16%，平均誤差長度為0.025 m，小于錨結線夾長度0.055 m，說明所研制的傳感器及相應的監測方法可實現承力索錨結線夾絞線區域最外層單線的損傷判別.文中研究為電氣化鐵路接觸網承力索錨結線夾結構的及時補強更換提供了有效的判定依據．

承力索;傳感器;超聲導波;錨結線夾;電氣化鐵路；損傷監測

承力索作為電氣化鐵路接觸網的主要承載部件，一旦出現損傷容易引發接觸網停電故障，損傷嚴重(或斷裂)時甚至會造成承力索纏繞受電弓而引發大面積塌網危險[1].據報道，僅我國在近幾年就發生過多起由承力索結構損傷引起的鐵路運行故障，其中相當大一部分事故是由承力索錨結線夾覆蓋絞線區域損傷引起的[2].我國長達上千公里的電化鐵路線路(如武廣高鐵線)包含的承力索結點可達數十萬個以上，一方面由于這些結點在服役期間大部分不可拆卸，導致其包裹的承力索成為目前檢測盲區;另一方面，結點在同一承力索(不同金屬材料組成)不同表面位置上施加的擠壓力大小不同，給損傷檢測信號帶來復雜的干擾因素.而且電氣化鐵路對接觸網引流效率日益重視，承力索已經從過去的非載流類型漸漸發展為載流類型，其材料也從過去的鋼鐵發展為合金材料，這些均給承力索錨結線夾覆蓋區域絞線損傷檢測帶來了極大的挑戰．

承力索錨結線夾絞線區域發生損傷時，需根據截面損傷程度進行補強、接續或更換[3]，其中對線夾絞線區域損傷進行有效檢測并判定是前提.目前承力索絞線結構損傷檢測方法主要有電磁法[4]、電渦流法[5]、光學法[6]等，然而這些方法均主要是對承力索裸露部位損傷進行檢測，難以對承力索錨結線夾覆蓋絞線區域損傷進行準確檢測，因此迫切需要有效新型的監測方法來對承力索錨結線夾絞線區域進行結構損傷檢測.由于超聲導波檢測技術具有操作簡便、檢測距離長、靈敏度高等優點而被廣泛應用于桿、絞線、管道、板等結構損傷檢測[7].常用的超聲導波激勵與接收方法有壓電式、磁致伸縮式、脈沖激光式等[8].如Kwun等[9]采用磁致伸縮傳感器對鋼制纜線斷裂情況進行檢測，初步實現鋼制纜線斷裂情況檢測與評估;Rizzo等[10- 11]先后采用磁致伸縮傳感器和激光傳感器對預應力鋼筋、斜拉索等結構進行損傷檢測;Okazaki等[12]采用磁致伸縮傳感器研究7芯絞線導波傳播特性，發現外圍線芯上傳播導波在能量上占據著主導地位;Kharrat等[13]采用壓電超聲傳感器對大直徑多芯鋼纜錨固覆蓋區域外圍結構損傷進行檢測，可實現對鋼纜錨固覆蓋區域局部損傷和裂紋的識別;Xu等[14]利用磁致伸縮傳感器試驗得到鋼絞線斷絲數和損傷回波峰峰值之間的線性關系;Liu等[15- 16]設計了具有3層線圈的新型磁致伸縮傳感器,用于7芯鋼絞線上激勵縱波的損傷檢測.目前，面向承力索錨結線夾絞線區域的損傷監測若采用普通壓電超聲探頭，則由于絞線結構表面形狀復雜且截面積很小而難以保證檢測耦合效果;磁致伸縮傳感器主要用于鋼絞線結構損傷檢測，磁致伸縮效應針對鐵磁性材料(鐵、鈷、鎳)比較有效，若將磁致伸縮傳感器用于銅鎂合金承力索錨結線夾絞線區域損傷檢測，將會增加傳感器的復雜程度;而脈沖激光傳感器由于對檢測設備要求高、體積較大，故難以用于在役絞線結構的損傷現場檢測.為此，文中結合19芯銅鎂合金承力索絞線的結構特點，研制了用于承力索錨結線夾絞線區域損傷檢測的超聲導波傳感器，并結合有效方法實現在役承力索錨結線夾絞線區域損傷的快速判別．

1 承力索結構及傳感器設計

1.1 承力索錨結線夾結構

圖1所示為電氣化鐵路接觸網中心錨結示意圖，電氣化鐵路接觸線通過接觸線錨結線夾及接觸線錨結繩懸吊，而接觸線錨結繩通過承力索錨結線夾與承力索捆扎固定.圖2為承力索錨結線夾示意圖，承力索錨結線夾長0.055 m．

圖1 接觸網中心錨結示意圖

圖2 承力索錨結線夾示意圖

承力索為19芯銅鎂合金絞線(JTMH120—1×19/2.80 TB/T3111—2005)，由內至外依次分為3層，內層為1芯的直線芯，外層為12芯的螺旋線芯，內層和外層之間的夾層為6芯的螺旋線芯.其材料為含鎂0.5%的銅鎂合金，密度為8 904 kg/m3，楊氏模量為127 GPa，泊松比為0.34，單線直徑為2.8 mm．

承力索的最外層是由多根單線捻制而成，當直接測量某段承力索長度為l0時，該段內最外層單線的實際長度l1將大于l0，如圖3所示.為降低檢測誤差，需要對l0與l1進行修正，定義承力索單線長度修正系數為

β=l1/l0

(1)

圖3 承力索外層單線長度測量值與實際值差別

Fig.3 Distinction of single wire’s length of messenger wire between measured and actual values

承力索絞線最外層單線螺旋直徑l1=11.2 mm，其捻距(絞線旋轉一圈前進的長度)ln=160.0 mm，如圖4所示，根據幾何原理可得

(2)

即在測量承力索長度為l0時，其最外層單線實際長度l1=βl0=1.024l0．

圖4 承力索單線長度修正過程

Fig.4Correctionprocedureofsinglewire’slengthofmessengerwire

1.2 承力索錨結線夾中單線超聲導波的傳播特性

為降低多模態頻散接收信號中結構損傷信息的提取難度，需根據導波模態頻散曲線選擇合適的頻率與模態進行損傷檢測.承力索外層結構由直圓桿單線捻制而成，利用PCdisp軟件繪制銅鎂合金承力索絞線單線的群速度頻散曲線，如圖5所示．

圖5 銅鎂合金絞線單線的群速度頻散曲線

Fig.5 Group velocity dispersion curves of single wire of Cu-Mg alloy strands

從圖中可見:隨著頻率的增大，承力索單線中導波模態數增多;在0～200 kHz范圍內，承力索單線只存在L(0,1)、T(0，1)和F(1,1)模態.為降低復雜性，選擇激勵信號時應盡量選擇低頻段且信號頻帶處于頻散曲線中的平緩位置，使波包群速度接近以減少頻散，因此選擇100 kHz作為激勵信號中心頻率.在100 kHz處，L(0,1)、T(0，1)和F(1,1)模態的群速度分別為vL1=3 561,vT1=2 187,vF1=1 516 m/s，群速度幾乎保持不變，這種特征有利于采用脈沖反射法進行檢測．

1.3 超聲導波傳感器設計

1.3.1 承力索單線導波引導針

為使傳感器的激勵和接收信號具有更好的獨立性，需要傳感器可以在承力索外層各單線上分別激勵和接收超聲導波信號.而承力索是捻制而成，難以在單線外圓周布置多個導波激勵接收單元以實現單一縱向模態導波的激勵.同時傳感器通過壓電晶片進行超聲導波激勵與接收，壓電晶片面積不能過小，然而19芯承力索的外直徑只有14 mm，需要增加其有效布置面積，從而可以布置更大的壓電晶片，提高信號信噪比.因此，承力索單線超聲導波采用引導針方式，如圖6所示．

圖6 承力索單線導波引導針

Fig.6 Guiding pin of guided wave for single-wire of messenger wire

引導針小端面與承力索的單線通過壓力接觸;大端面用來粘貼壓電晶片;設置定位限定階梯面用于限定導波引導針的活動范圍，并提供導波引導針與承力索間的壓緊力.引導針材料需根據聲阻抗匹配原則進行選擇，其中材料的聲阻抗Z為

Z=ρv

(3)

式中，ρ為材料密度，v為材料聲速．

聲波穿過截面的能量反射率R和穿透率P為

(4)

式中，Z1為入射材料聲阻抗，Z2為透射材料聲阻抗.

根據式(3)、(4)得到黃銅與銅鎂合金界面的聲波穿透率達99.81%，且其具有優秀的延展性、切削加工性、耐蝕性等機械性能，故文中采用黃銅作為導波引導針材料．

1.3.2 獨立彈性導波激勵接收單元及環形導波檢測模塊

為提高傳感器的檢測效率，每一個導波激勵接收單元都必須有一定的活動能力以適應承力索外形誤差引起的導波激勵接收單元位置偏差，同時要求能便捷地實現裝載與卸載操作，以保證傳感器與承力索間的耦合效果與裝卸效率.因此，文中設計了導波引導針為核心部件的彈性導波激勵接收單元，如圖7所示．

在一個導波激勵接收單元中，導波引導針被金屬墊片、彈簧和限位板來共同限定在導向腔內并只有有限的行程.為了減少傳感器夾持部對導波引導針傳播超聲導波信號的影響，在導波引導針與夾持體之間設置隔聲墊片(硫化橡膠墊圈)進行聲阻隔，保證導波激勵接收單元的獨立性.導波激勵接收單元各部件材料利用式(3)、(4)經聲阻抗匹配計算確定.傳感器未夾緊承力索時，導波引導針由于受到彈簧的預緊力會趨向于傳感器的圓心方向;在進行夾緊操作時，由于導波激勵接收單元中彈性機構的存在，導波引導針可沿徑向向外運動．

圖7 獨立彈性導波激勵接收單元結構

Fig.7 Structure of independent elastic guided wave emission-receiving unit

進行電聲換能的壓電晶片用環氧樹脂膠粘結于導波引導針的外端面上，選用8 mm×5 mm×1 mm的鋯鈦酸鉛壓電陶瓷(PZT).為能在承力索外層各單線上分別激勵和接收超聲導波信號，傳感器導波檢測模塊采用環形形狀，如圖8所示，包含12個導波激勵接收單元，可分別與19芯承力索最外層的12股單線一一對應．

圖8 傳感器檢測模塊

1.3.3 傳感器獨立晶片控制電路及包覆操作手柄

為實現對傳感器每一個導波激勵接收單元的開關通斷控制，設計的傳感器獨立晶片控制電路如圖9所示，獨立晶片控制電路同時控制每個PZT的兩個輸出端，地址信息通過處理模塊從A0-A3端輸入，可實現任意單路激勵或接收狀態切換，通過BNC接口進行信號傳輸．

為使傳感器在實際結構損傷檢測中有更好的操作效率且更好地保護壓電元件，文中設計了帶有包覆保護功能的操作手柄，傳感器夾緊力由扭轉彈簧提供，完整的傳感器設計示意圖如圖10所示.圖10(b)中，在承力索錨結線夾絞線區域的結構損傷檢測過程中，需要信號激勵傳感器與接收

圖9 獨立晶片控制電路

傳感器同時工作.在一個檢測流程中，超聲導波從激勵傳感器PZT晶片上激發，通過其導波引導針傳入承力索，再通過接收傳感器導波引導針傳至其PZT晶片，從而實現超聲導波信號的接收.傳感器實物圖如圖11所示．

圖10 傳感器示意圖

圖11 傳感器實物

2 承力索錨結線夾區域損傷檢測試驗

2.1 試驗平臺

承力索結構損傷監測平臺主要包含高性能PC機、Agilent 33520B任意波形發生器、Trek Model 2100HF高頻高速電壓放大器、NI PCI- 6259高速數據采集卡、NI SCC- 68接線盒、承力索絞線及錨結線夾．

2.2 試驗方法及試驗組設置

承力索錨結線夾絞線區域損傷檢測實驗采用脈沖反射法進行.選用3峰值100 kHz正弦脈沖作為激勵信號，其波形如圖12所示．

圖12 100 kHz 3峰值正弦脈沖信號

為提高檢測效率，激勵信號同時加載至激勵傳感器12個導波激勵接收單元上，分別在承力索最外層各單線上產生超聲導波.向前傳播的超聲導波遇到損傷產生回波并通過接收傳感器和信號采集卡進行信號采集.開關控制僅令被測單線的導波激勵接收單元處于通路狀態.由于在某根單線上激勵的超聲導波僅能影響其相鄰的單線且其影響程度極其有限，故對于該根單線而言可視為1路激勵和1路接收狀態．為使結構損傷回波信號能更容易地被提取，需對實驗中傳感器的布置位置進行設計.圖13為檢測時超聲導波的傳播模型．

圖13 檢測時超聲導波的傳播模型

Fig.13 Ultrasonic guided wave propagation model in detection

接收傳感器接收到從發射傳感器直接傳播過來的縱波、扭轉波和彎曲波(分別對應圖13中A、B、C)首波所用的時間tL1、tT1和tF1分別為

(5)

由于vL1>vT1>vF1，故tL1

te1=α(s1+2s2)/vL1

(6)

由于頻散的存在，采集信號中一個完整的波包長度可記為tp=0.1 ms=10-4s．

經計算，A、B波時間差及B、C波時間差難以保證有充足的時間長度來容納D波，因此需要將D波設置于C波之后，即要求te1-tF1>tp，則有

s2>[(vL1-vF1)s1+vL1vF1tp]/(2αvF1)

(7)

取s1=0.1 m,則有s2>0.24 m，即當激勵傳感器與接收傳感器間的距離取為0.1 m時，只要接收傳感器與結構損傷處距離超過0.24 m，即可保證將損傷回波波包與其他波包區分．

綜合以上分析，試驗參數設置如下:s1=0.1 m,s2=0.4 m,s3=1 m,s4=3 m.s1、s2、s3和s4均指未進行單線長度修正的距離，該參數設置可保證接收傳感器在收到A、B、C波后緊接著收到D波，而非承力索兩端面回波，從而降低損傷識別難度．

試驗時取同一根承力索，設置4種人為結構損傷深度(h=0.0，0.5，1.5，2.5 mm)以測試損傷檢測效果，按照損傷深度依次遞增進行，承力索單線人為結構損傷如圖14所示.每次試驗均安裝錨結線夾，安裝時通過扭矩扳手保證4個螺栓的緊固力矩均為44 N·m．

圖14 承力索單線人為結構損傷Fig.14 Artificial structural damage on single wire of messenger wires

根據圖5可得，100 kHz時導波引導針的縱波波速vLpin=3 569 m/s，長度lpin=0.042 5 m.采集系統信號延遲Δt(包括PZT響應延遲、信號采集卡采集延遲等)通過實驗測得，為43 μs.則圖13中A、B、C和D波包在采集信號中出現的理論時間tL2、tT2、tF2和te2滿足:

(8)

根據式(8)計算得到tL2=96 μs，tT2=114 μs，tF2=134 μs，te2=326 μs.在采集數據時域波形中將分別用雙箭頭豎線段作為A、B、C和D波包參考線標識首波理論到達時間．

2.3 試驗結果及分析

銅鎂合金承力索錨結線夾絞線區域單線損傷檢測試驗的接收信號時域與頻域波形如圖15所示，每個結果均由50組采樣數據求均值得到，并經過首波包歸一化處理．

圖15 損傷檢測結果的時域和頻域波形

Fig.15 Waveforms of damage detection results in time and frequency domains

圖15(a)中接收信號時域波形A、B、C和D波包間夾雜著多個未知模態及傳播路徑的波包，而且不同損傷深度的接收信號在幅值等參數上也無明顯可區分的特征;圖15(b)中接收信號頻域波形無損傷信號與有損傷信號間的頻譜亦無顯著可作為評定依據的差別，因此難以直接在接收信號時域及頻域波形中對承力索錨結線夾絞線區域的單線損傷進行有效檢測，需要通過進一步的信號處理方法進行損傷判定.文中采用小波閾值降噪方法對接收信號進行閾值降噪處理，小波降噪小波基選擇db5，分解層數為5；采用軟閾值去噪方法進行降噪，閾值選擇規則采用極大極小值，閾值重新調整規則根據不同層的噪聲估計來調整閾值．

通過對小波降噪參數的正確設置，使信號中的損傷信息被成功提取.圖15(a)信號經小波降噪處理后，結果見圖16．從圖中可見，當s1=0.1 m、s2=0.4 m時，在經過小波降噪后的結果中，損傷深度為0.5、1.5和2.5 mm的實驗組中均能在損傷信息理論位置附近(圖中D標識線)成功地發現損傷回波波包，而損傷深度為0的對照組中未在損傷信息理論位置附近出現損傷回波波包，表明所研制傳感器及方法能對承力索錨結線夾絞線區域最外層單線結構損傷進行有效的存在性判斷．

圖16 損傷檢測小波降噪結果

表1為圖16中損傷回波波包峰值絕對值與損傷深度的關系，從表中可見，損傷回波波包峰值與損傷深度具有顯著的正相關關系．

圖1 損傷回波波包峰值與損傷深度的關系

Table 1 Relationship between echo amplitudes and damage depths

h/mm波包峰值絕對值/V0000000050239315075832510020

(9)

(10)

表2 傳感器與損傷之間的檢測距離及誤差

Table 2 Detection distance between transducer and damage and errors

編號s2/mt′e2/μss′2/mδ/%Δs′2/m②04318038683310026③04322039371570013④04315038154610037平均3160025

由表中可知，所研制傳感器及其方法在對有錨結線夾覆蓋的銅鎂合金承力索絞線外層單線結構損傷進行檢測時，每一組試驗的誤差長度范圍均小于錨結線夾長度0.055 m，其結構損傷判定平均相對誤差為3.16%，平均誤差長度為0.025 m，說明該誤差可以保證檢測時對承力索錨結線夾區域最外層單線是否存在損傷進行有效的判定．

3 結論

文中結合19芯銅鎂合金承力索絞線的結構特點，研制出基于超聲導波的承力索錨結線夾絞線區域損傷監測傳感器;利用該傳感器結合脈沖反射法和小波降噪法實現了承力索錨結線夾絞線區域最外層單線損傷的判別，判別平均相對誤差為3.16%，平均誤差長度為0.025 m，小于錨結線夾長度(0.055 m)，滿足電氣化鐵路承力索錨結線夾絞線區域最外層單線結構的損傷檢測要求，為電氣化鐵路接觸網損傷承力索的更換提供了有效的判定依據;試驗研究發現，損傷回波波包與損傷深度呈顯著的正相關，承力索在無錨結線夾及有錨結線夾覆蓋條件下的超聲導波信號具有不顯著差異性，表明超聲導波檢測法可有效規避錨結線夾對承力索檢測的干擾，為承力索錨結線夾絞線區域的損傷檢測提供了新的有效手段，并為后序損傷定量檢測奠定基礎．

未來將結合文中檢測方法與現場應用，優化其在各種特殊極端環境下的檢測效果;進一步研究承力索錨結線夾絞線區域的損傷準確定位及成像問題，更全面直觀地實現承力索錨結線夾區域所有絞線單線結構的健康監測．

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Ultrasonic-Guided Wave Monitoring for Strands Damage in Anchor Clamp Zone of Messenger Wire

HONGXiao-bin1HEYong-kui1ZHOUJian-xi1HUANGGuo-jian2

(1. School of Mechanical and Automotive Engineering,South China University of Technology,Guangzhou 510640,Guangdong, China;2. Guangzhou Academy of Special Equipment Inspection and Testing,Guangzhou 510663,Guangdong,China)

In order to overcome the difficulties in accurate monitoring of strands damage in the anchor clamp region of messenger wires in electrified railway,a new ultrasonic-guided wave transducer for damage monitoring is deve-loped. In the investigation,first,a guided-wave guiding pin for the single wire of messenger wires is designed according to the specific structure of strands and the ultrasonic-guided wave propagation rule in Cu-Mg alloy messenger wires. Next,an independent elastic guided-wave emission-receiving unit is established with the guided-wave guiding pin at the core. Then,in consideration of outer layer structure of the messenger wire,an annular guided-wave detection module,which contains 12 emission-receiving units,is developed,and a new ultrasonic-guided wave transducer is formed by integrating an independent crystal control circuit with a covering/protecting handle. After that,a monitoring method for single-wire structural damage of messenger wires combined with the pulse echo detection and the specific wavelet de-noising is demonstrated. Finally,a series of detection experiments on single-wire artificial structural damage of 19-filament Cu-Mg alloy messenger wires are carried out. The results indicate that,when the distance between two transducers is 0.1 m and when the distance between the receiving transducer and the anchor clamp center is 0.4 m,there is a positive correlation between the amplitude of wavelet-denoised damage echo and the damage depth,with an average relative error of 3.16% and a length recognition error of 0.025 m (less than the length of anchor clamp,namely 0.055 m),which means that the new transducer and the corresponding monitoring method help successfully achieve an ideal recognition of outer single-wire structural da-mage of an anchor clamp covering messenger wire.This research provides an effectivejudgement for the strengthening and replacing of damaged messenger wires in electrified railway.

messenger wire;transducers;ultrasonic-guided waves;anchor clamp;electrified railway;damage monitoring

2016- 06- 30

國家自然科學基金資助項目(51305141);廣東省自然科學基金資助項目(2014A030313248);廣州市科技計劃項目(2017010160646,201607010171) Foundation items: Supported by the National Natural Science Foundation of China(51305141) and the Natural Science Foundation of Guangdong Province(2014A030313248)

洪曉斌(1979-),男,博士,教授,主要從事無損檢測技術與裝備、網絡化測控技術及應用研究.E-mail:mexbhong@scut.edu.cn

1000- 565X(2017)05- 0001- 08

TP 212;TH878

10.3969/j.issn.1000-565X.2017.05.001