地鐵垂向減震器座鉚釘氣隙的遠(yuǎn)場(chǎng)渦流檢測(cè)研究

丁鵬程，孟 鶴，趙佳佳，宋 凱

（1.南昌航空大學(xué)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)教育部重點(diǎn)試驗(yàn)室，江西 南昌 330063；2.南京南車(chē)浦鎮(zhèn)城軌車(chē)輛有限責(zé)任公司，江蘇 南京 210031）

地鐵垂向減震器座鉚釘氣隙的遠(yuǎn)場(chǎng)渦流檢測(cè)研究

丁鵬程1，孟 鶴2，趙佳佳2，宋 凱1

（1.南昌航空大學(xué)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)教育部重點(diǎn)試驗(yàn)室，江西 南昌 330063；2.南京南車(chē)浦鎮(zhèn)城軌車(chē)輛有限責(zé)任公司，江蘇 南京 210031）

針對(duì)在役鉚釘氣隙受鉚釘或者工件遮擋造成難以有效檢測(cè)與定量評(píng)估的問(wèn)題，建立ANSYS有限元仿真三維模型，開(kāi)展垂向減震器座鉚釘氣隙的遠(yuǎn)場(chǎng)渦流檢測(cè)仿真與試驗(yàn)研究。研究結(jié)果表明：有效電磁場(chǎng)可滲入鉚釘孔約10mm深處，具有檢測(cè)深度深，靈敏度高的優(yōu)點(diǎn)；提出定量表征氣隙的最優(yōu)特征量，在檢測(cè)信號(hào)的幅值、相位、實(shí)部、虛部這4個(gè)特征量中，信號(hào)虛部分量與鉚釘氣隙的線性相關(guān)系數(shù)高達(dá)0.999，最能表征氣隙。試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果與仿真結(jié)論相吻合，規(guī)律一致，證明研究成果的可信性。

遠(yuǎn)場(chǎng)渦流；鉚釘；氣隙；虛部

0 引 言

地鐵的垂向減震器座在鉚接時(shí)，由于存在鉚接誤差與應(yīng)力集中，使得鉚接初期擠壓較為嚴(yán)密，從而表現(xiàn)出鉚接質(zhì)量較好，然而車(chē)輛運(yùn)行時(shí)在疲勞載荷的作用下，鉚接配合發(fā)生變化，產(chǎn)生鉚釘氣隙，造成早期疲勞損失，導(dǎo)致垂向減震器座的鉚釘發(fā)生松動(dòng)，給列車(chē)帶來(lái)安全隱患。在役鉚釘氣隙受鉚釘或者工件遮擋，難以有效檢測(cè)與定量評(píng)估。

傳統(tǒng)測(cè)量鉚釘氣隙的方法是利用卡規(guī)人工測(cè)量氣隙大小，其工作強(qiáng)度大，測(cè)量的精度與工作人員的經(jīng)驗(yàn)水平有相當(dāng)大的關(guān)系，存在著不確定性，且對(duì)氣隙無(wú)法動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，測(cè)量數(shù)據(jù)不易電子存儲(chǔ)。

為減小人工測(cè)量誤差，降低勞動(dòng)強(qiáng)度，提高運(yùn)營(yíng)可靠性，實(shí)現(xiàn)對(duì)鉚釘氣隙的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，有必要為此引進(jìn)一種新的無(wú)損檢測(cè)方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)鉚釘質(zhì)量的智能檢測(cè)。

在役鉚釘?shù)臒o(wú)損檢測(cè)技術(shù)主要有超聲爬波法和脈沖渦流法。支文琪[1]用超聲爬波法對(duì)鉚釘表面裂紋進(jìn)行超聲成像，實(shí)現(xiàn)了鉚釘內(nèi)外壁裂紋的檢測(cè)與定位；Aldrin[2]分析了橫波的入射角與振動(dòng)方向?qū)β菪啦ǖ挠绊?，證明了螺旋爬波衰減大，無(wú)法遠(yuǎn)距離傳播；Yang等[3-4]設(shè)計(jì)了一種雙激勵(lì)探頭，對(duì)比了鋁鋼異質(zhì)鉚釘周裂紋的信號(hào)差異，采用圖像融合技術(shù)實(shí)現(xiàn)了鋼質(zhì)鉚釘周向裂紋的檢測(cè)；楊賓峰等[5-7]采用脈沖渦流技術(shù)對(duì)鉚釘裂紋進(jìn)行檢測(cè)，得到了缺陷位置和大小與檢測(cè)特征量之間的關(guān)系；吳少文[8]設(shè)計(jì)了脈沖渦流檢測(cè)系統(tǒng)，采用脈沖渦流法對(duì)鉚釘裂紋和腐蝕坑缺陷進(jìn)行檢測(cè)，并對(duì)檢測(cè)信號(hào)以及提離效應(yīng)進(jìn)行研究；鄒國(guó)輝等[9-10]針對(duì)鉚釘周邊裂紋設(shè)計(jì)了一款新型脈沖渦流傳感器，優(yōu)化了參數(shù)的選取，提高脈沖渦流法檢測(cè)鉚釘裂紋的檢測(cè)靈敏度；在信號(hào)處理方面，李巖松[11]研究鉚釘缺陷脈沖渦流信號(hào)的頻域特征，用于缺陷種類的識(shí)別。

綜上，超聲爬波法和脈沖渦流法，達(dá)到了一定的檢測(cè)效果但也存在諸多問(wèn)題，主要集中在兩個(gè)方面：1）超聲爬波法檢測(cè)鉚釘，利用的是螺旋傳播式的瑞利表面波，因此存在極大的衰減且只能檢測(cè)表面缺陷；2）脈沖渦流法檢測(cè)鉚釘，受趨膚效應(yīng)影響，只能檢測(cè)近表面氣隙，對(duì)深層氣隙無(wú)能為力。

本文開(kāi)展鉚釘氣隙的遠(yuǎn)場(chǎng)渦流檢測(cè)技術(shù)（remote field eddy current testing，RFECT）仿真與試驗(yàn)研究，以地鐵鉚釘為對(duì)研究對(duì)象，建立了ANSYS有限元仿真三維模型，分析了電磁場(chǎng)耦合能量分布，實(shí)現(xiàn)了對(duì)鉚釘氣隙的檢測(cè)，提出了表征氣隙的特征量，最后通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了結(jié)論的正確性。

1 鉚釘氣隙的RFECT機(jī)理

如圖1所示為地鐵垂向減震器座的實(shí)體結(jié)構(gòu)，由14個(gè)鉚釘將鋼質(zhì)垂向減震器座和鋁質(zhì)車(chē)邊梁鉚接在一起。當(dāng)鉚接不合格時(shí)，鉚釘與鉚釘孔之間存在鉚釘氣隙。

圖1 地鐵垂向減震器座實(shí)體結(jié)構(gòu)

圖2 地鐵鉚釘孔氣隙的RFECT機(jī)理

考慮到各個(gè)鉚釘屬性一致，鉚釘之間相距較遠(yuǎn)，使用RFECT檢測(cè)某個(gè)鉚釘時(shí)，對(duì)其他鉚釘沒(méi)有影響。因此對(duì)單個(gè)鉚釘及其鄰近區(qū)域而言，等效于該鉚釘將鋼板和鋁板鉚接在一起。為方便建立模型，實(shí)體結(jié)構(gòu)可簡(jiǎn)化為含單個(gè)鉚釘?shù)碾p層鉚接板結(jié)構(gòu)，如圖1右上角所示。

如圖2所示為地鐵鉚釘孔氣隙的RFECT檢測(cè)機(jī)理示意圖（剖面圖），激勵(lì)線圈套在鉚釘上，與鉚釘呈同軸放置，保證對(duì)鉚釘?shù)募?lì)效果，激勵(lì)線圈外圍依次包裹著屏蔽層和檢測(cè)線圈，兩者均與鉚釘呈同軸放置。當(dāng)給激勵(lì)線圈通以低頻交流電時(shí)，在激勵(lì)線圈周?chē)鷮⒏猩鰷u流，渦流將沿著兩條路徑傳播，一條為直接傳遞給檢測(cè)線圈的直接耦合路徑，另一條是依次穿過(guò)鉚釘、鉚釘氣隙、鋁板、鋼板的間接耦合路徑，由于屏蔽層的存在直接耦合路徑被阻斷，感生渦流只能通過(guò)間接耦合路徑到達(dá)檢測(cè)線圈，此時(shí)檢測(cè)線圈拾取穿過(guò)鉚釘又折回到上方的渦流信號(hào)，攜帶了鉚釘?shù)墓逃行畔?，可以反?yīng)鉚釘?shù)膶?dǎo)電，導(dǎo)磁特性以及鉚釘?shù)膿p傷和鉚接特性，通過(guò)分析此渦流信號(hào)就可以有效檢測(cè)鉚釘缺陷和氣隙。

2 仿真模型

圖3為垂向減震器座鉚釘氣隙的RFECT仿真模型。地鐵鉚釘RFECT仿真模型主要由鋼板、鋁板、鉚釘、氣隙、激勵(lì)線圈，屏蔽層以及檢測(cè)線圈構(gòu)成。計(jì)算實(shí)例參數(shù)見(jiàn)表1，表中r1為激勵(lì)線圈內(nèi)徑，r2為激勵(lì)線圈外徑，R1為檢測(cè)線圈內(nèi)徑，R2檢測(cè)線圈外徑，h為線圈高度，n為線圈匝數(shù)，Q為提離距離，G為氣隙大小，L為鉚釘長(zhǎng)度，D為鉚釘直徑，σ為鉚釘電導(dǎo)率，μr為鉚釘相對(duì)磁導(dǎo)率，I為激勵(lì)電流，f為激勵(lì)頻率。

圖3 仿真模型

表1 仿真參數(shù)

網(wǎng)格質(zhì)量的好壞直接影響著仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性與精確性，為保證網(wǎng)格質(zhì)量，進(jìn)行網(wǎng)格離散化處理，磁場(chǎng)變化最劇烈的鉚釘氣隙和鉚釘處區(qū)域網(wǎng)格剖分最密，遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)空氣域的網(wǎng)格最疏，網(wǎng)格由密到疏的過(guò)渡保證單元尺寸比例≥1/3，這樣既能保證鉚釘跟雙層鉚接板的計(jì)算精度，又可以減少網(wǎng)格數(shù)量，提高計(jì)算效率。

3 仿真研究及結(jié)果分析

3.1 氣隙中磁場(chǎng)強(qiáng)度分布

在渦流檢測(cè)中，線圈和導(dǎo)體試樣通過(guò)電磁場(chǎng)進(jìn)行耦合，傳遞信息。當(dāng)激勵(lì)頻率為100Hz，激勵(lì)電流為50 mA時(shí)，大小分別為0.2 mm和4 mm氣隙上磁場(chǎng)強(qiáng)度H分布，如圖4所示。由于線圈均垂直于氣隙放置，因此磁場(chǎng)強(qiáng)度的分布類似，但最大值卻不同H0.2=1067.78A/m，H4=937.719A/m。與4mm氣隙相比，0.2mm氣隙體積較小，能量分布更集中，因此電磁場(chǎng)耦合作用更強(qiáng)。此外有效電磁場(chǎng)強(qiáng)度均分布在鉚釘下10mm處，電磁場(chǎng)能量的深入，使得遠(yuǎn)場(chǎng)渦流法具有檢測(cè)近表面氣隙和深層氣隙的優(yōu)點(diǎn)，保證了對(duì)鉚釘?shù)臋z測(cè)效果。

圖4 電磁場(chǎng)分布

3.2 氣隙對(duì)檢測(cè)信號(hào)的影響

當(dāng)激勵(lì)頻率為100Hz，激勵(lì)電流為50mA下，改變氣隙大?。?.2~4.0mm），得到氣隙與檢測(cè)信號(hào)實(shí)部、虛部、幅值、相位的關(guān)系曲線，如圖5所示。如圖5（a）所示檢測(cè)信號(hào)實(shí)部和虛部隨氣隙的變化，可見(jiàn)氣隙為從0.2mm變化到4.0mm時(shí)，虛部由7.27mV逐漸增到10.12mV，變化幅度大；隨著氣隙的增大，實(shí)部先增大后減小，且變化緩慢幅度小。圖5（b）所示為檢測(cè)信號(hào)幅值、相位與氣隙的對(duì)應(yīng)關(guān)系，氣隙為0.2~4.0mm時(shí)，檢測(cè)信號(hào)的幅值為9.6~12.2mV；氣隙為0.2~4.0 mm時(shí)，檢測(cè)信號(hào)的相位呈現(xiàn)出先緩慢增長(zhǎng)后劇增的變化規(guī)律。當(dāng)氣隙在0.2~1.2mm與3.0~ 4.0mm之間同樣變化1mm，前者導(dǎo)致的相位變化量?jī)H為2%，后者卻為5%，這說(shuō)明對(duì)應(yīng)不同區(qū)間段氣隙，曲線檢測(cè)靈敏度不一致。

3.3 結(jié)果分析

圖5 仿真結(jié)果

表2 不同表征參數(shù)下的ΔA、K值、r2值

將數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合，得到實(shí)部、虛部、幅值以及相位的變化幅度ΔA、檢測(cè)靈敏度K及相關(guān)系數(shù)r2，比較四者的表征效果如表2所示。

可以看出，實(shí)部的變化幅度、檢測(cè)靈敏度及相關(guān)系數(shù)最低，首先排除實(shí)部表征氣隙；相位雖然具有最大的變化幅度與檢測(cè)靈敏度，但是對(duì)應(yīng)不同區(qū)間段氣隙，相位檢測(cè)靈敏度不一致，特別是對(duì)于微小氣隙的檢測(cè)靈敏度低，相位亦不適合表征氣隙；對(duì)比虛部和幅值，發(fā)現(xiàn)虛部的變化幅度、檢測(cè)靈敏度及相關(guān)系數(shù)這3個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)均優(yōu)于幅值，因此建議用虛部來(lái)表征氣隙的大小。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證及可信性分析

為證明仿真結(jié)果的正確性，特地用一個(gè)鉚釘氣隙的遠(yuǎn)場(chǎng)渦流檢測(cè)試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，檢測(cè)參數(shù)如表3所示。被測(cè)試樣是地鐵垂向減震器座與車(chē)邊梁的鉚接結(jié)構(gòu)件，加工大小為0.2 mm以及0.7 mm的氣隙各14個(gè)，因此每個(gè)數(shù)據(jù)都是經(jīng)過(guò)14次重復(fù)實(shí)驗(yàn)得出的結(jié)果，結(jié)果具有重復(fù)性和代表性。試驗(yàn)檢測(cè)圖如圖6所示，試驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。

表3 試驗(yàn)參數(shù)

圖6 試驗(yàn)測(cè)試

圖7 試驗(yàn)結(jié)果

可以看出試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果具有相同的變化規(guī)律即隨著氣隙的增大虛部的變化幅度大，實(shí)部變化緩慢，幅度小。由于試驗(yàn)結(jié)果是儀器經(jīng)過(guò)放大處理后的數(shù)據(jù)，加上試驗(yàn)條件存在噪聲和干擾，數(shù)值上不可能與仿真完全一致，但相同的變化規(guī)律足以說(shuō)明仿真的正確性。

5 結(jié)束語(yǔ)

以地鐵垂向減震器座為對(duì)研究對(duì)象，建立了氣隙遠(yuǎn)場(chǎng)渦流檢測(cè)的有限元仿真三維模型，分析了電磁場(chǎng)耦合能量分布，實(shí)現(xiàn)對(duì)鉚釘孔氣隙的檢測(cè)，提出了表征氣隙的特征量，最后通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)論的正確性。得到如下結(jié)論：

1）大小分別為0.2 mm和4 mm氣隙上磁場(chǎng)強(qiáng)度H分布類似，但最大值不同H0.2=1 067.78 A/m，H4=937.719A/m，此外有效電磁場(chǎng)強(qiáng)度均分布在鉚釘下約10mm處，電磁場(chǎng)能量的深入，保證了遠(yuǎn)場(chǎng)渦流法具有檢測(cè)近表面氣隙和深層氣隙的優(yōu)點(diǎn)。

2）氣隙為0.2~4.0 mm時(shí)，虛部的變化幅度為2.6mV，檢測(cè)靈敏度為0.76，線性相關(guān)系數(shù)高達(dá)0.999，利用此特征量能較好地實(shí)現(xiàn)氣隙的表征，建議采用虛部來(lái)表征氣隙的大小。

3）試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果與仿真結(jié)論相吻合，規(guī)律一致，證明研究成果的可信性。

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（編輯：李妮）

Remote field eddy current testing research of vertical absorber seat rail rivet hole gap in metro

DING Pengcheng1，MENG He2，ZHAO Jiajia2，SONG Kai1
（1.Key Laboratory of Nondestructive Test of Ministry of Education，Nanchang Hangkong University，Nanchang 330063，China；2.CSR Nanjing Puzhen Co.，Ltd.，Nanjing 210031，China）

Vertical absorber seat rail rivet hole gap in metro causes rivet loose easily，which endangers metro safety.Testing rail rivet hole gap of in service rivet was difficult because of the occlusion of rivet or workpiece.For this difficulty，this paper studied the remote field eddy current testing simulation of rail rivet hole gap.The results show that effective electromagnetic field can reach 10 mm deep below rivet ensure high sensitivity.Imaginary part can characterize gap better than amplitude，phase and real part for it’s linear correlation is 0.999.The experimental data tally with the simulation that proves reliable results.

remote field eddy current；rivet；rail rivet hole gap；imaginary part

A

：1674-5124（2017）02-0134-05

10.11857/j.issn.1674-5124.2017.02.027

2016-03-12；

：2016-05-11

國(guó)家自然科學(xué)基金（51265041）無(wú)損檢測(cè)技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基金（ZD201329005）江西省研究生創(chuàng)新專項(xiàng)基金（YC2014-S401）

丁鵬程（1988-），男，江西贛州市人，碩士研究生，專業(yè)方向?yàn)殡姶艧o(wú)損檢測(cè)。