利用临界折射纵波检测钢轨应力

　　1　前　言

　　钢轨是铁路运输的关键部件,所以对钢轨的研究一直受到人们的关心。由于钢轨热胀冷缩的特性,当环境温度变化时会造成其纵向应力的变化,使钢轨之间互相积压,在应力达到一定程度时钢轨产生变形,严重地危害铁路运输的安全。因为影响钢轨应力的因素很多,钢轨的温度分布不均,通过环境或钢轨的温度很难对纵向应力进行估计,尤其不知道在什么地方什么时候释放应力,要释放多少,造成巨大的人力物力的浪费,所以需要更有效地检测纵向应力。测量应力有很多种方法[1][2],而超声方法因为其对材料的无损害性而被广泛应用。波兰DE2BRO-30是现时唯一己经用于工业上的钢轨应力检测仪器[3],文献中的数据表明,同一位置的应力与温度成很好的线性变化,但在同一温度下钢轨的不同位置有不同的应力分布。本文提出用LCR波检测钢轨内部的纵向应力。

　　2　临界折射纵波(LCR波)

　　临界折射纵波(critical refracted longitudinalwave, LCR波)是在纵波以第一临界角入射时产生的特殊模式,而且和超声波激发源是有限尺寸的换能器有关。在两个半无限大组成的空间中,纵波从一种材料(介质Ⅰ)斜入射到被检测材料(介质Ⅱ)时,在介质Ⅱ中产生纵波和横波,它们的角度关系符合著名的Snell定律。当折射纵波的角度θ′等于90°时,入射角θ称为斜入射的第一临界角。纵波沿表面传播时在分界面不断发生模式转换产生横波,在不同距离的横波包络面形成了所谓的头波。这是LCR波形成的因素之一,另一个因素和实际换能器有关。压电晶片激发超声波时,由于换能器的尺寸有限,超声波不可能是纯平面波。这样的超声波传播到两种介质的界面时产生与头波相似的超声波,超声波在传播到换能器的边缘时产生散射,于是在检测材料中产生一种复杂的超声波,因为这是在临界角入射的,这种超声波被定义临界折射纵波(LCR)。

　　3　应力变化与声速的关系

　　声波的速度符合

其中C为介质的杨氏模量,ρ是介质的密度,V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,随着应力的变化,弹性模量和密度都有变化,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[4]有详细的介绍,这里我们只给出结果。

　　对于各向同性材料

其中dσ是应力变化量(MPa),E是弹性模量(MPa),t0是波在被研究材料中通过自由应力路径的时间(s),L11是声波的声弹常数。

　　4　测量系统

　　利用应力变化与声速的线性关系,我们建立了一套实验系统,如图1所示。从超声发射/接收仪发出电脉冲使发射换能器辐射纵波,纵波以第一临界角从楔块进入钢轨,在钢轨中产生沿近表面传播的LCR波。由近距离接收换能器输出的电信号经过电位器与远距离接收换能器输出的电信号耦合,经过前置放大电路和超声发射/接收仪放大器的放大,通过采集系统,输入计算机。