基于軌面適應承載機構的鋼軌表面缺陷的漏磁檢測

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(南京航空航天大學 自動化學院,南京 211106)

基于軌面適應承載機構的鋼軌表面缺陷的漏磁檢測

白堅,王平,鄒朋朋

(南京航空航天大學 自動化學院,南京 211106)

根據漏磁檢測原理，對服役鋼軌表面及亞表面的微小裂紋缺陷進行探傷車車載高速檢測。采用鋼軌軌面適應承載機構，機構底部安裝陣列霍爾傳感器探頭，該機構使檢測探頭緊貼軌面，減少了由于傳感器提離過大以及列車車體晃動對檢測結果的影響，對于輪對摩擦損傷嚴重的鋼軌外側缺陷具有較好的檢測效果。該檢測方法提高了現有鋼軌表面缺陷檢測方法的精度，對列車的行車安全具有重要意義。

漏磁檢測；承載機構；鋼軌表面；小裂紋

近年來，我國鐵路行業的快速發展極大地促進了國民經濟的發展。預計到2020年，我國鐵路營業里程將達到60 000 km，其中時速為200 km·h-1以上的高速鐵路建設將達到1.6×104km以上[1]。鋼軌是我國鐵路交通運輸的重要基礎設施，鋼軌的結構性能和服役狀態對確保鐵路運輸的安全至關重要。然而，由于高速列車運行速度快、動車軸重量輕、鋼軌磨耗小，使得輪軌滾動接觸疲勞導致的鋼軌裂紋成為主要的鋼軌損傷缺陷。鋼軌滾動接觸疲勞缺陷會進一步形成軌頭裂紋、孔裂、剝離、掉塊、核傷等各種損傷，在增加鐵路維護成本的同時，還直接威脅著列車的行駛安全[2]。目前針對鋼軌的安全檢測，主要有超聲檢測、視覺檢測(光學CCD鏡頭)、渦流檢測等方法。傳統的超聲檢測方法對鋼軌內部缺陷的檢測較為成熟，但是其存在表面及近表面的檢測盲區，對鋼軌滾動接觸疲勞裂紋的檢測效果并不理想。同時，由于超聲檢測需要耦合劑，且檢測結構復雜，對于鐵路鋼軌缺陷的高速巡檢具有局限性。視覺檢測(光學CCD鏡頭)具有檢測速度快、結構簡單、測量精度高、在線檢測等優點，但是視覺檢測只能檢測鋼軌的表面狀態，不能檢測鋼軌的內部損傷[3]。渦流檢測具有不需要耦合劑，能在高溫、高速下檢測等優點，但是其受較多干擾因素的影響，難以判斷缺陷的種類、形狀和大小，同時需要特殊的信號處理技術，不適合鋼軌裂紋缺陷的快速、直觀檢測[4]。利用電磁感應原理的漏磁檢測技術，具有傳感器結構簡單、對表面及近表面缺陷檢測靈敏度高、非接觸式巡檢、無污染、易于實現自動化等優點，能滿足鐵路鋼軌滾動接觸疲勞裂紋在不同檢測速度條件下的巡檢[5-6]。

筆者基于實驗室已有的直流漏磁采集處理系統，針對鋼軌表面的微小缺陷，設計制作了新型陣列霍爾傳感器以及鋼軌軌面適應承載機構，并在手推速度下對不同長度、寬度、深度及傾斜度的人工缺陷試件進行了檢測及缺陷信號評估。該新型采集模塊能夠較好地適應鋼軌軌面形狀，并嚴格控制傳感器提離，具有較好的防抖動能力，對鋼軌與列車輪對接觸的壓潰面小裂紋具有良好的檢測效果。

1 漏磁檢測原理

電磁檢測技術中的漏磁檢測(MFL)是指將被測鐵磁材料磁化后，材料中的缺陷會切割磁力線而在材料表面形成漏磁場，可以通過檢測鐵磁性材料表面漏磁場的變化進而發現缺陷的無損檢測技術[7]。漏磁檢測原理如圖1所示。

圖1 漏磁檢測原理示意

漏磁場的形成原理是：若被測工件(鐵磁性材料)內部材料連續、均勻，則該被測工件被磁化后，材料中的磁感應線會被約束在被測工件內部，并且磁通量平行于被測工件表面，于是被測工件表面幾乎沒有出現漏磁場；若被測工件內部材料有缺陷，其磁導率很小、磁阻很大，而使得磁路中的磁通量發生畸變，磁感應線發生變化，部分磁通量直接通過缺陷或從材料內部繞過缺陷，還有部分磁通量會泄漏到材料表面的空間中，從而在材料表面缺陷處形成漏磁場。漏磁檢測中的磁化方式，按所選用的激勵源不同來劃分，主要可以分為直流磁化、交流磁化、永磁磁化和復合磁化等幾類。

文中采用的是永磁磁化漏磁檢測方法，該方法是以永磁體激勵磁芯(硅鋼)產生磁場來磁化被檢測工件的。永磁磁化漏磁檢測的磁化場穿透能力強，能檢測到工件近表面的內部缺陷，永磁磁化漏磁檢測信號中的缺陷信號處在低頻頻段，而噪聲干擾大部分集中在高頻頻段，在信號處理時通過低通濾波能將缺陷信號以包絡的形式分離出來。

2 采集模塊設計

2.1檢測探頭設計

檢測探頭主要由永磁體激勵、硅鋼磁軛以及霍爾陣列傳感器組成，在實驗室原有陣列傳感器探頭的基礎上進行了改良。實驗室已有陣列傳感器為48路霍爾陣列傳感器，分別在Bx方向(鋼軌徑向，即檢測方向)、By方向(鋼軌橫向)、Bz方向(平行于鋼軌表面方向)布置了16路傳感器，分別用于采集漏磁場Bx、By和Bz三個方向的漏磁信號，該傳感器對于軌面適應能力較差。由于提離值的影響，對于鋼軌軌面與列車輪對壓潰最為嚴重的一側存在檢測盲區。

圖2 改良的霍爾傳感器陣列的軌面檢測示意

采用的陣列傳感器在原有的基礎上進行了改良，其將原有傳感器一分為4，分別在Bx方向(鋼軌徑向，即檢測方向)、By方向(鋼軌橫向)、Bz方向(平行于鋼軌表面方向)布置了4路傳感器。改良后的陣列霍爾傳感器圍繞鋼軌與輪對摩擦面擺放，傳感器提離值始終保持在1 mm，能夠大幅度地提升采集系統的缺陷檢出率。改良的霍爾傳感器陣列的軌面檢測示意如圖2所示。

傳感器采用llegro MircroSystems公司的UGN3503型線性霍爾傳感器，分別擺放為Bx，By和Bz方向，傳感器電路板安裝在磁軛中部，傳感器芯片底部與磁軛底部平齊。

2.2軌面適應承載機構設計

鋼軌軌面適應承載機構由適應連接彈簧結構與多部適應承載小車組成，在適應承載小車的底部安裝霍爾陣列傳感器電路板，多部適應承載小車按照鋼軌側面角度擺放，使小車底部傳感器完全貼合輪對與鋼軌接觸面。軌面適應承載機構效果圖如圖3所示。

圖3 軌面適應承載機構示意

鋼軌軌面適應承載機構利用適應承載小車頂部的微調彈簧將彈簧緊貼于鋼軌表面，這樣能夠減少列車行車過程中車身振動對檢測數據帶來的影響。

利用底部車輪將傳感器探頭抬起，將傳感器提離穩定控制為1 mm，提高了檢測系統的檢出率。鋼軌軌面適應承載機構手推試驗機外觀如圖4所示。

圖4 鋼軌軌面適應承載機構手推試驗機外觀

3 試驗結果分析

3.1人工小裂紋鋼軌試件

采用的人工小裂紋鋼軌試件模擬自然缺陷中容易出現的損傷，試件分為不同深度、不同長度、與列車運行方向成不同角度的小裂紋，將針對不同深度的裂紋、與水平面成不同角度的裂紋兩組試件進行檢測。不同深度的裂紋與水平面所成角度為30°，深度分別為0.35，0.5，1，1.5，2，2.7，3.5，5 mm。與列車運行方向成不同角度的裂紋，其裂紋與水平面所成角度分別為5°，10°，15°，30°，45°，90°，水平深度均為2.7 mm。試件圖樣與外觀如圖5，6所示。

圖5 不同深度的裂紋試件實物及其圖樣

圖6 與水平面成不同角度的裂紋試件實物及其圖樣

3.2試驗結果分析

采集信號端使用凌華科技有限公司的DAQ2208型采集卡進行信號采集，采樣率設置為105s-1。

3.2.1 不同深度裂紋試件的試驗結果

圖7為試驗機在2 m·s-1運行速度下，霍爾傳感器Bx方向單通道采集到的數據。其放大倍數為100倍，檢測不同深度的裂紋試件，缺陷水平深度從大至小。

圖7 2 m·s-1運行速度下，不同深度裂紋試件的檢測信號

圖8為試驗機在5 m·s-1運行速度下，霍爾傳感器Bx方向單通道采集到的數據。其放大倍數為100倍，檢測不同深度的裂紋試件，缺陷水平深度從小至大。

圖8 在5 m·s-1運行速度下，不同深度裂紋試件的檢測信號

對比缺陷信號能夠看出：隨著裂紋深度的增大，裂紋信號幅值將會增大；隨著檢測速度的增大，信號幅值也將會增大，信噪比將會提升。

圖9 在2 m·s-1運行速度下，與水平面成不同角度的裂紋試件的檢測信號

圖10 在5 m·s-1運行速度下，與水平面成不同角度的裂紋試件的檢測信號

3.2.2 與水平面成不同角度裂紋試件的試驗結果

圖9為試驗機在2 m·s-1運行速度下，霍爾傳感器Bx方向單通道采集到的數據，其放大倍數為100倍，檢測與水平面成不同角度的裂紋試件，缺陷與水平面所成角度從大至小。

圖10為試驗機在5 m·s-1s運行速度下，霍爾傳感器Bx方向單通道采集到的數據，其放大倍數為100倍，檢測試件為與水平面成不同角度的裂紋試件，缺陷與水平面所成角度從小至大。

對比缺陷信號能夠看出：隨著缺陷與水平面所成角度逐漸增大至90°，缺陷信號幅值將會減小；隨著檢測速度增大，信號幅值將會增大，信噪比將會提升。

4 結論

(1) 新型探頭及軌面適應承載機構的配合使用，具有控制傳感器提離、防止抖動以及針對性檢測鋼軌與列車輪對壓潰面等優點，能夠提高設備檢出率。

(2) 使用永磁磁化漏磁檢測，將傳感器提離控制在1 mm，能夠檢測水平深度小于2.7 mm的鋼軌表面及亞表面小缺陷。

(3) 隨著檢測速度的提高，漏磁檢測信號的信噪比將會大幅提升。

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MagneticFluxLeakageTestingofRailSurfaceDefectBasedontheSurfaceAdaptiveandBearingMechanism

BAI Jian, WANG Ping, ZOU Pengpeng

(College of Automation Engineering, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing 211106, China)

This paper applies magnetic flux leakage testing principle to detect the micro cracks on serving rail surface and sub surface by using high-speed flaw detector. The test method uses the rail surface adaptive and bearing mechanism, in which there are hall array sensors on the bottom of the mechanism and the mechanism enables the probes to cling closely to the rail surface. This method reduces the influence caused by the too large distances between the rail surface and the sensor and the shake of the train, and it has good effect on the detection of the outside seriously damaged rail defect. In this paper, the detection method is used to improve the accuracy of the existing rail surface defect detection method, which has great significance for the train safety.

magnetic flux leakage testing; bearing mechanism; rail surface; small crack

2017-06-25

王文皞(1994-),男，碩士研究生，主要從事結構健康監測研究工作

王海濤,htwang2002@126.com

10.11973/wsjc201711003

TG115.28

A

1000-6656(2017)11-0016-04