鋼軌表面缺陷漏磁檢測的三維磁場分析

王 平,趙 颯,王海濤,宣建青 ,崔利東 ,田貴云,2

(1.南京航空航天大學(xué) 自動化學(xué)院,南京 210016;2.紐卡斯?fàn)柎髮W(xué),N EI 7RU,英國)

在高速運行狀態(tài)下,鋼軌的損傷缺陷主要表現(xiàn)為鋼軌踏面的斜線狀接觸疲勞裂紋,并沿斜向以一定角度迅速向軌頭內(nèi)部擴展并形成大尺寸橫向疲勞裂紋,最終導(dǎo)致鋼軌發(fā)生橫向折斷[1-2]。及時發(fā)現(xiàn)和判斷鋼軌缺陷顯得十分重要。

漏磁檢測具有無污染、不需耦合劑、快速、高可靠性等優(yōu)點,因此漏磁檢測技術(shù)被廣泛用于油氣管道、鐵路軌道等領(lǐng)域的缺陷檢測[3-4]。傳統(tǒng)的漏磁檢測方法,通常提取缺陷漏磁場的水平分量Bx(與外加磁場平行)和法向分B z(與被測試件表面垂直)的二維漏磁場信號進行缺陷識別,而B y(與外加磁場垂直)由于幅值較小常被忽略[5]。二維漏磁場信號的測量方法對規(guī)則的、外加磁場方向與缺陷主表面垂直的缺陷有較高的識別率,但當(dāng)缺陷主平面與外加磁場非垂直,或者實際缺陷是不規(guī)則形狀時,傳統(tǒng)的二維漏磁場信號測量方法將不能對缺陷的形狀和尺寸進行準確識別[4]。

為了克服傳統(tǒng)漏磁檢測技術(shù)存在的不足,實現(xiàn)對鋼軌表面復(fù)雜裂紋缺陷的準確識別,采用三維磁場測量方法。通過仿真和試驗,分析了鋼軌表面典型缺陷漏磁場的分布特征,證明該方法能很快地區(qū)別不同類型的缺陷,而且能為缺陷的定量分析提供更充分、準確的特征值。

1 缺陷漏磁場的有限元分析

為了觀察不同類型的缺陷漏磁場分布,首先采用有限元法對缺陷漏磁場的三維分布情況進行仿真分析。

1.1 利用Ansoft 電磁場有限元分析軟件建立仿真模型

由于鋼軌結(jié)構(gòu)復(fù)雜,現(xiàn)以軌頭部分(近似看作長方體)作為被測對象,在Ansoft 3D 軟件下建立鋼軌漏磁檢測裝置模型,如圖1 所示。檢測裝置各部件參數(shù)規(guī)格為:線圈2 000 匝, 磁軛為220 mm ×100 mm ×100 mm, 鋼軌為500 mm ×72 mm ×58 mm,空氣為90 mm×72 mm×1 mm?？諝鈱嶓w是為了對缺陷周圍進行網(wǎng)格細化,磁軛與鋼軌間的氣隙間距為2 mm。

圖1 鋼軌漏磁檢測裝置3D 模型

1.2 對鋼軌表面不同類型缺陷進行靜態(tài)仿真

經(jīng)過實地調(diào)研,發(fā)現(xiàn)鋼軌上存在3 種常見的不同類型的表面裂紋缺陷:①缺陷主平面和鋼軌走向及水平面均垂直(90°)。②缺陷主平面和水平面呈一定夾角(45°),與軌道走向垂直。 ③缺陷主平面與軌道走向呈一定夾角(45°),與水平面垂直。因此,以3 種不同類型的缺陷為鋼軌表面裂紋缺陷的典型代表,進行仿真分析。

對尺寸為2 0mm ×0.5mm ×4 mm的鋼軌表面缺陷進行仿真。選取離試件表面2 mm 處,缺陷周圍±30 mm 的直線上(x軸方向)觀察漏磁場的變化。圖2 為缺陷漏磁場的B x,By和B z分量分布。

可以明顯看出, ①, ②兩種缺陷的漏磁場B y分量沒有明顯規(guī)律性且幅值很小。傳統(tǒng)的漏磁檢測方法忽略缺陷漏磁場的By分量,只提取B x,Bz分量來實現(xiàn)對缺陷的定量分析是有效的。對于缺陷③,其B x,Bz分量與尺寸相同的缺陷①相比,曲線輪廓相似而幅值卻小很多,如果損失關(guān)鍵量B y的信息,而只從B x,Bz分量提取特征值,對缺陷的定量必然會失真。要實現(xiàn)對類型③的鋼軌表面缺陷的準確識別,必需結(jié)合缺陷漏磁場的B x,By,Bz分量提取特征值。

通過有限元仿真分析,確定了不同類型缺陷的漏磁場分布特征,證明了只有對缺陷漏磁場進行三維測量才能對鋼軌表面各種不同類型裂紋進行準確識別和定量分析。

圖2 缺陷的漏磁場分布圖

2 試驗分析

2.1 建立試驗平臺

在理論分析和仿真試驗的基礎(chǔ)上,建立漏磁檢測試驗平臺。平臺結(jié)構(gòu)如圖3 所示,由鋼軌試樣和傳感器部分、信號放大調(diào)理部分、數(shù)據(jù)采集部分、信號激勵部分、碼盤位移信號采集部分、鋼軌試樣、計算機處理部分以及檢測小車組成。

圖3 試驗平臺結(jié)構(gòu)圖

2.2 試驗結(jié)果

檢測所用鋼軌長1.4 m,為克服邊緣效應(yīng)的影響,以其中間700 mm 為被測區(qū)域,在其表面加工人工缺陷8 個,各缺陷的參數(shù)如表1 所示。

表1 各人工缺陷參數(shù)表

利用已建立的三維漏磁檢測系統(tǒng),在激勵線圈上施加15 V 的直流電壓,探頭固定在磁軛下方,磁軛放在檢測小車上,人工推動小車,對包含若干表面缺陷的鋼軌進行掃描檢測,掃描方向為軌道走向(即x方向),掃描速度＜0.5 m/s(忽略速度效應(yīng)的影響)。將三維霍爾探頭采集的漏磁場B x,B y,Bz分量及光碼盤采集的位移信號送至計算機處理,得到掃描波形如圖4 所示,圖5 為尺寸相同、類型不同的表1 中2,4,6 號缺陷的局部掃描波形圖。

圖4 中,由于背景磁場的不同,缺陷漏磁場B x,By,B z的基準線不同。 ①, ②兩種類型缺陷的漏磁場y分量變化太小,試驗所用的霍爾(A1302)探頭幾乎測不到By分量的變化。顯然,利用漏磁場By分量的不同,很容易將類型③和①, ②的缺陷區(qū)別開來。

圖4 漏磁場各分量掃描圖

由圖5 可以觀察到尺寸相同的3 個不同類型缺陷,其漏磁場Bx,By,Bz分量的曲線形狀和大小與仿真結(jié)果相吻合:

圖5 尺寸相同、類型不同的2, 4, 6 號缺陷漏磁場掃描圖

(1)①類缺陷為對稱的表面裂紋,其漏磁場Bx在缺陷中心線上方有峰值,左右對稱,且在波形兩側(cè)有一對大小相等的谷值;其漏磁場Bz分量曲線關(guān)于原點(缺陷表面中點)對稱,且在靠近原點兩側(cè)各有一個大小相等,正負相反的峰值;其漏磁場B y分量的變化不明顯,為一條幅值為0 的直線。

(2)②類缺陷與①類缺陷相比,其漏磁場B x分量的波形出現(xiàn)明顯的不對稱,左邊出現(xiàn)較大波谷,右邊波谷消失;Bz分量的正峰值變大,負峰值變小;By分量也為一條幅值在0 附近的直線。

(3)③類缺陷與①類缺陷相比,漏磁場Bx,Bz分量的曲線形狀與后者相同,但幅值為其1/2 左右;其漏磁場B y分量變化明顯。通過計算,發(fā)現(xiàn)③類缺陷的B x,B y峰值大小(基準線到峰值點的幅值)相等,這可以作為判斷與鋼軌走向呈45°夾角的一個特征值。

試驗證明,對鋼軌表面缺陷的漏磁場進行三維測量,克服了傳統(tǒng)的二維測量方法存在的不足,能快速識別不同類型的缺陷,而且能為缺陷的定量分析提供更充分的特征值,其優(yōu)越性非常明顯。

3 結(jié)論

通過有限元法,對鋼軌上常見的三種不同類型缺陷,運用Ansoft 軟件對其三維漏磁場的Bx,Bu和Bz分量的分布情況進行分析;采用三維漏磁檢測系統(tǒng)對三種不同類型缺陷的漏磁場信號進行檢測。仿真和試驗結(jié)果表明,缺陷的擾動不僅會導(dǎo)致漏磁場Bx,Bz分量的變化,而且會對漏磁場By分量產(chǎn)生一定的影響,特別是當(dāng)缺陷主平面與外加磁場非垂直,或者實際缺陷是不規(guī)則形狀時。類型③的缺陷,By分量與Bx分量存在著一定的對應(yīng)關(guān)系,這對于與軌道走向呈一定夾角缺陷的識別有重要意義。下一步的工作需要分析在與軌道走向呈不同夾角的鋼軌表面缺陷下,缺陷漏磁場By與Bx的對應(yīng)關(guān)系,同時需結(jié)合Bx,By,Bz分量,對任意形狀和任意走向的缺陷掃描成像。

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