鋼軌漏磁檢測仿真分析及試驗研究

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司，湖北 武漢 430063)

0 引言

為滿足我國快速增長的旅客運輸需求，截止到2018年底，我國高速鐵路營業里程達到了2.9萬km，超過全世界高鐵總里程的2/3。預計到2030年，高速鐵路網將連接主要城市群，實現相鄰大中城市間1～4 h交通圈，城市群內0.5～2 h交通圈[1]。然而，隨著列車運行速度和行車密度的增加，使輪軌滾動接觸疲勞導致的鋼軌裂紋成為鋼軌損傷的主要缺陷[2-3]。

目前，針對鋼軌傷損的檢測方法主要有超聲檢測、渦流檢測、視覺檢測和漏磁檢測[4]。超聲檢測方法對鋼軌內部傷損的檢測較為成熟，但存在表面及亞表面的檢測盲區，且檢測需涂抹耦合劑，檢測機構復雜，對鋼軌滾動接觸疲勞裂紋的檢測效果并不理想；渦流檢測可檢測到鋼軌表面及亞表面不同深度的缺陷，但檢測結果易受提離變化等多種干擾因素的影響，不適用于鋼軌裂紋的直觀和快速檢測；視覺檢測可有效檢測軌面擦傷、剝落掉塊等鋼軌表面狀態，難以檢測鋼軌表面微缺陷，更無法檢測內部傷損；而漏磁檢測技術可有效檢測鋼軌軌頭表面及亞表面缺陷，具有檢測靈敏度高、檢測結構簡單、易于實現非接觸式的自動化巡檢等優點[5-9]。

針對鋼軌軌面傷損的檢測需求，設計了一種攜帶有漏磁檢測裝置的鋼軌探傷小車，并基于漏磁檢測原理，通過ANSYS仿真分析和缺陷試驗，得出了漏磁檢測信號與傳感器提離值及鋼軌軌面相關缺陷尺寸的對應變化關系。

1 系統總體設計

1.1 檢測原理

鋼軌漏磁檢測的原理如圖1所示。在永磁體產生的磁場作用下，鋼軌軌頭部分被磁化[10-11]，若鋼軌軌面完整平滑且無裂紋、腐蝕等缺陷，則軌頭被磁化后產生的磁力線，全部從軌頭內部均勻穿過[12]；若軌頭的表面或亞表面存在裂紋等缺陷，則缺陷附近材質的磁導率變小、磁阻變大，軌頭內的磁場畸變，磁力線發生變化，部分磁力線溢出軌頭外，在軌頭缺陷周圍形成漏磁場[13]。

圖1 漏磁檢測原理示意

因此，當軌頭表面及亞表面存在缺陷時，可使用霍爾傳感器等磁敏元件對缺陷漏磁場信號進行檢測，磁敏元件經過磁電轉換得到的電信號傳至上位機處理后，即可得到軌頭的相應缺陷特征信息。

1.2 總體方案

針對鋼軌缺陷快速掃查的需求，采用模塊化的設計理念，提出了一種鋼軌探傷漏磁檢測小車。如圖2所示，該系統主要包括了探傷小車和漏磁檢測裝置。其中，漏磁檢測裝置主要包括了螺桿、驅動機箱、支撐架、永磁體、鋼刷和霍爾傳感器。

漏磁檢測裝置通過支撐架固定于探傷小車上，驅動機箱通過內置電機控制螺桿做順/逆時針運動，從而帶動檢測裝置上下運動，鋼刷用于清掃鋼軌表面，方便隨后的檢測，并使永磁體與被檢測鋼軌隔開一段距離，防止其與鋼軌吸附過緊，影響探傷小車整體的移動檢測過程。

圖2 鋼軌探傷小車結構組成

漏磁檢測過程如圖3所示，探傷小車的上位機系統控制永磁體貼近鋼軌，將鋼軌軌頭部分磁化，同時通過傳感器陣列模塊獲取軌頭缺陷的漏磁信號，對漏磁信號進行放大、濾波等信號調理后，再經由采集卡把信號采集后傳輸至上位機系統，最后由上位機系統將缺陷信息反饋給作業人員。

圖3 漏磁檢測系統

2 漏磁仿真分析

2.1 理論分析

在分析漏磁場和鋼軌軌面缺陷尺寸的相應關系時，主要通過理論分析和實驗驗證進行研究。理論分析主要有解析法和數值法[14]，解析法僅適用于特殊情況的缺陷求解，因此常采用數值法中的有限元法進行近似求解。

漏磁場有限元分析問題主要是相應的邊界條件下麥克斯韋方程組的求解問題，其微分形式為：

(1)

(2)

(3)

(4)

H為磁場強度；J為電流密度；D為電通密度；E為電場強度；B為磁通密度；ρv為電荷密度。

在有限元分析中，麥克斯韋求解的前提條件是

(5)

本構方程為：

D=εE

(6)

B=μH

(7)

J=σE

(8)

ε為介電常數；μ為磁導率；σ為電導率。漏磁場為靜磁場，因此，麥克斯韋方程組可簡化為：

×H=J

(9)

(10)

2.2 漏磁缺陷仿真

主要針對鋼軌踏面缺陷進行研究，采用有限元分析軟件ANSYS對鋼軌軌頂踏面缺陷進行漏磁場仿真分析。具體步驟如下。

a.有限元模型創建。將鋼軌軌頂踏面和漏磁檢測裝置的接觸面進行建模簡化，簡化為平面進行仿真分析，構建好的有限元模型如圖4所示。

圖4 漏磁檢測有限元模型

b.定義單元及材料屬性。由于棱邊法具有精度高的優點[15]，因此選用棱邊法進行漏磁場分析，即定義仿真單元體為SOLID117。材料為高鐵鋼軌常用 U71Mn鋼。

c.網格劃分及求解。在ANSYS軟件中可對模型進行自由網格、映射網格和智能網格劃分。在此，在缺陷附近采用智能網格劃分，在其他部分采用自由網格劃分相結合的形式。最后，通過定義好邊界條件，對漏磁仿真模型進行求解。

高速鐵路鋼軌典型傷損主要有裂紋、腐蝕、肥邊和波磨等[16]，本次將以上傷損簡化為矩形槽裂紋和圓柱形腐蝕坑模型，研究2類傷損尺寸對漏磁場信號的影響。

2.2.1 裂紋類缺陷仿真

裂紋類缺陷仿真主要研究以下幾個方面。

a. 漏磁信號與提離值關系。在對缺陷進行漏磁檢測時，傳感器提離值的波動對所測得的漏磁信號影響較大[17]。選取軸向長度10 mm，深度2 mm的裂紋，分別采用1 mm，2 mm，3 mm，4 mm和5 mm提離值，研究其對漏磁信號的影響，如圖5所示。

圖5 漏磁信號與提離值關系

由圖5可知，漏磁信號的軸向分量幅值和徑向分量的峰谷高隨著提離值的增大而逐漸下降。通過綜合考慮提離值對測量結果的影響，選擇2 mm的提離值進行仿真和試驗較合適。

b. 漏磁信號與缺陷深度關系。選取10 mm長裂紋，研究其分別在1 mm，2 mm，3 mm，4 mm和5 mm深度，傳感器提離值為2 mm時的漏磁信號變化規律。如圖6所示。

圖6 漏磁信號與深度關系

由圖6可知，漏磁信號軸向分量幅值和徑向分量的峰谷高隨缺陷深度增大而增大，并呈現一定的線性關系。

c.漏磁信號與缺陷長度關系。選取2 mm深的裂紋，研究其分別在2 mm，4 mm，6 mm，8 mm和10 mm軸向長度(即裂紋寬度)，提離值為2 mm時的漏磁信號變化，如圖7所示。

圖7 漏磁信號與長度關系

由圖7可知，當裂紋越寬，漏磁場軸向分量幅值逐漸減小，徑向分量的峰谷高逐漸增加。

2.2.2 腐蝕類缺陷仿真

腐蝕類缺陷仿真主要研究以下幾個方面。

a. 漏磁信號與直徑關系。選取2 mm深的圓柱形腐蝕缺陷，研究其分別在2 mm，4 mm，6 mm，8 mm和10 mm直徑時的漏磁信號變化規律，如圖8所示。

圖8 漏磁信號與直徑關系

由圖8可知，隨著直徑變大，缺陷漏磁信號的軸向分量幅值和徑向分量峰谷高也隨之變大。

b. 漏磁信號與深度關系。選取直徑為6 mm的圓柱形腐蝕缺陷，研究其分別在1 mm，2 mm，3 mm，4 mm和5 mm深度時的漏磁信號變化，如圖9所示。

圖9 漏磁信號與深度關系

由圖9可知，隨著缺陷深度的加深，缺陷信號的軸向分量幅值及徑向分量峰谷高隨之增大，這和裂紋缺陷的漏磁信號變化規律一致。

3 漏磁檢測試驗

3.1 試驗平臺搭建

所設計的鋼軌探傷小車的磁化裝置采用的是牌號為N35的稀土釹鐵硼強磁鐵，該永磁體具有磁力大、磁性強的優點。通過霍爾傳感器來采集缺陷漏磁信號，其具體的特征參數如表1所示。

表1 霍爾元件特征參數

選取尺寸為330 mm×250 mm×6 mm、材料為U71Mn的鋼板作為試驗對象，并在其上通過人工制備了相應的缺陷，具體如表2所示。

表2 缺陷類型及尺寸

3.2 測試結果

3.2.1 裂紋類缺陷

試驗采用控制變量法，如圖10所示，選取1組2 mm寬和1組3 mm深的裂紋進行試驗，通過改變裂紋深度/寬度來獲取相應的漏磁信號變化。

由圖10可知，在寬度/深度不變的前提下，隨著裂紋深度/寬度的增大，漏磁信號的徑向分量峰谷高越大，與仿真結果一致。

圖10 裂紋類缺陷試驗結果

3.2.2 腐蝕類缺陷

選取1組直徑10 mm和1組3 mm深的圓柱形腐蝕缺陷進行試驗，通過改變缺陷深度/直徑來獲取相應的漏磁信號變化。如圖11所示。

圖11 腐蝕類缺陷試驗結果

由圖11可知，在直徑/深度不變的前提下，隨著缺陷深度/直徑的增大，漏磁信號的徑向分量峰谷高越大，同樣與仿真結果一致。

4 結束語

針對鐵路鋼軌軌面傷損檢測的需求，設計一種攜帶有漏磁檢測裝置的鋼軌探傷小車，并分析了漏磁檢測原理及檢測裝置的結構組成。

通過ANSYS仿真軟件對鋼軌軌面裂紋類和腐蝕類缺陷的漏磁場特征進行仿真分析，得出結論：漏磁檢測信號隨提離值的增大而逐漸下降；在裂紋類缺陷中，漏磁信號隨缺陷深度增大而增大；同時，隨著裂紋寬度的增大，漏磁場軸向分量幅值逐漸減小，徑向分量的峰谷高逐漸增加。在圓柱形缺陷中，漏磁信號隨著深度和直徑的增加而增大。

最后，通過制備人工缺陷，搭建起漏磁檢測試驗平臺，對相應的仿真結果進行了試驗，驗證了仿真結果的準確性，對現有的高速鐵路鋼軌缺陷狀態檢測具有一定的借鑒和指導意義。