微磁檢測在火車輪輪對檢測中的應(yīng)用研究

龐智輝，于潤橋，胡 誠，趙龍燦

(無損檢測技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(南昌航空大學(xué))，南昌 330063)

微磁檢測在火車輪輪對檢測中的應(yīng)用研究

龐智輝，于潤橋*，胡 誠，趙龍燦

(無損檢測技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(南昌航空大學(xué))，南昌 330063)

針對火車輪內(nèi)部缺陷，提出了一種基于地磁場環(huán)境下的無損檢測方法。首先理論分析微磁檢測應(yīng)用于火車輪輪對內(nèi)部缺陷的可行性，然后根據(jù)火車輪外觀尺寸設(shè)計(jì)火車輪微磁檢測系統(tǒng)，最后通過檢測預(yù)制人工孔洞缺陷的火車輪試塊完成微磁檢測的試驗(yàn)部分。研究采用閾值法處理磁梯度檢測信號，數(shù)據(jù)分析結(jié)果驗(yàn)證微磁檢測對火車輪內(nèi)部缺陷檢測的可行性。試驗(yàn)結(jié)果表明：試件中孔洞缺陷直徑一定時(shí)，埋藏深度越深，缺陷引起的磁感應(yīng)強(qiáng)度相對變化量越小，而當(dāng)孔洞缺陷埋深一定時(shí)，孔洞缺陷直徑越大，缺陷引起的磁感應(yīng)強(qiáng)度相對變化量也同樣會(huì)越小，但磁場的異常區(qū)域越大；采用閾值法可有效識別缺陷，并實(shí)現(xiàn)缺陷微磁檢測的可視化。

火車輪輪對；微磁檢測；檢測系統(tǒng)

0 引言

火車輪是火車的重要部件，對火車的行車安全起到至關(guān)重要的作用。車輪工作在復(fù)雜的受力環(huán)境下容易出現(xiàn)磨損、裂紋等損壞問題。而且我國火車的車輪多為碾鋼車輪，由于制作工藝的不完善，車輪本身就存在一定的制造缺陷。這些制造缺陷在復(fù)雜的工作環(huán)境下會(huì)不斷發(fā)展和擴(kuò)大，最終導(dǎo)致車輪開裂，引起安全事故[1-2]。

目前國外部分工業(yè)發(fā)達(dá)國家(美國、德國、日本等)都已經(jīng)形成了比較完善的車輪檢測體系和缺陷評估系統(tǒng)。對自動(dòng)缺陷判傷的研究已經(jīng)在技術(shù)上得到應(yīng)用[3-4]。意大利的研究人員研發(fā)出了一種激光超聲檢測技術(shù)用于火車輪的檢測中[5]。韓國在火車輪的無損檢測領(lǐng)域也有一定的突破，他們利用霍爾效應(yīng)來檢測車輪表面和近表面的缺陷[6-7]。我國在火車車輪缺陷檢測方面的研究和開發(fā)相對比較滯后，缺乏成熟的車輪在線自動(dòng)檢測系統(tǒng)。而且在檢測方法的選擇上多為傳統(tǒng)的無損檢測方法，例如超聲檢測、磁粉檢測、渦流檢測等。隨著國際交流機(jī)會(huì)的增多，國內(nèi)的很多學(xué)者也開始研究無損檢測新方法在火車車輪檢測中的應(yīng)用，例如超聲相控陣檢測技術(shù)[8-9]、電磁超聲檢測技術(shù)[10]、脈沖渦流檢測技術(shù)[11]等。但這些檢測方法都存在一定的弊端。磁粉檢測對工件表面的光潔度要求高，且只能檢測表面和近表面缺陷。渦流檢測也只能檢測近表面缺陷[11]。超聲檢測需要耦合劑，操作不夠便捷，而且對于平行于超聲傳播方向的缺陷檢測靈敏度不高。

基于以上問題，本研究提出了一種微磁檢測方法。首先，微磁檢測具有操作便捷檢測效率高等優(yōu)點(diǎn)且對于被撿工件表面光潔度沒有太高的要求。其次，該方法在檢測過程中無需耦合劑，對缺陷的走向沒有嚴(yán)格要求。再次，微磁檢測方法不存在趨膚效應(yīng)，對于表面和近表面以及一定深度的內(nèi)部缺陷均可以檢測。通過理論分析和檢測試驗(yàn)論證該技術(shù)的可行性，以將微磁檢測技術(shù)應(yīng)用于火車輪輪對的檢測。

1 微磁檢測的原理

物質(zhì)可分為抗磁性物質(zhì)，順磁性物質(zhì)和鐵磁性物質(zhì)。任何物質(zhì)都具有磁性，也就是說放入磁場中的任何物質(zhì)都具有磁特性[12]。而微磁檢測是近年來提出的一種新型無損檢測方法，根據(jù)工件在地磁場中與磁場的耦合作用導(dǎo)致缺陷和不連續(xù)部位出現(xiàn)異常磁場的原理來進(jìn)行檢測，這類異常磁場會(huì)在材料表面引起微弱的磁感應(yīng)強(qiáng)度變化，可以利用高精度測磁傳感器來測量材料表面

的磁感應(yīng)強(qiáng)度變化，從而實(shí)現(xiàn)對于缺陷檢測的目的。通過以上論述可知，微磁檢測技術(shù)對于鐵磁性物質(zhì)更加適用。故將微磁檢測技術(shù)應(yīng)用于火車輪輪對檢測中是可行的。圖1為微磁檢測原理示意圖，其模擬了火車輪內(nèi)的常見裂紋和夾雜類缺陷在地磁場的磁化狀態(tài)下周圍磁場的變化情況，通過測磁傳感器在火車輪表面測量該變化從而實(shí)現(xiàn)缺陷的檢測。

圖1 微磁檢測原理示意圖Fig.1 Principle diagram of micro-magnetic testing

2 微磁檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)分為兩部分，分別為檢測探頭和檢測儀器。檢測探頭負(fù)責(zé)電磁信號的測量，內(nèi)部裝有測磁傳感器。檢測儀器作為檢測信息的處理部分，起到將抽象的電磁信號轉(zhuǎn)換為直觀的圖像信息的作用。儀器內(nèi)部通過數(shù)據(jù)采集模塊、信號放大模塊和模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊將檢測到的電磁信號轉(zhuǎn)換成電信號，該電信號經(jīng)儀器的控制核心工控機(jī)的運(yùn)算處理后，以曲線和成像的形式在屏幕上顯示，該部分的主要內(nèi)容是對上位機(jī)界面的軟件編寫。圖2為微磁檢測系統(tǒng)檢測探頭。

圖2 微磁檢測系統(tǒng)檢測探頭Fig.2 Detection probe of micro-magnetic testing system

在系統(tǒng)設(shè)計(jì)部分重點(diǎn)介紹一下檢測探頭的設(shè)計(jì)。首先要了解火車輪的基本結(jié)構(gòu)，火車輪包括踏面、輪緣、輪輞、輪輻和輪轂。一般將火車輪的探傷部位分為3個(gè)區(qū)域，分別為輪緣區(qū)域、輪輞區(qū)域和輪輻區(qū)域[4]，其中較為容易產(chǎn)生缺陷的區(qū)域?yàn)檩喚壓洼嗇y區(qū)域，故將探頭的檢測面按照輪緣和踏面的尺寸設(shè)計(jì)成附著式的結(jié)構(gòu)，如圖3所示?？紤]到獨(dú)立的一個(gè)微磁檢測的測磁傳感器的磁測量面積有限，故將檢測探頭設(shè)計(jì)為多傳感器的陣列式探頭。根據(jù)每個(gè)傳感器單獨(dú)的測量面積以及避免出現(xiàn)重復(fù)采集區(qū)域的原則將傳感器的個(gè)數(shù)定為8個(gè)，即火車輪微磁檢測的檢測探頭為八通道測磁探頭。其中1～6通道為火車輪踏面的檢測區(qū)域，7、8通道為火車輪輪緣的檢測區(qū)域，如圖2b所示。

圖3 探頭的檢測實(shí)例圖Fig.3 Detection example diagram of probe

3 試驗(yàn)結(jié)果及討論

3.1 同一尺寸不同埋藏深度缺陷對檢測的影響

圖4為火車輪試塊同一尺寸不同埋藏深度缺陷示意圖，按圖中尺寸在試塊上加工2處平底孔缺陷，孔徑均為3 mm，長度均為40 mm，埋藏深度分別為10、30 mm，記為缺陷1和缺陷2。

缺陷1微磁檢測結(jié)果如圖5所示，圖中曲線對應(yīng)1～6號通道的檢測結(jié)果，由于此處的缺陷位于輪輞部位，故7、8號通道的輪緣檢測數(shù)據(jù)無缺陷信號。圖5a中位于最左邊的原始信號圖為檢測到的輪對踏面上的原始磁感應(yīng)強(qiáng)度值，位于右側(cè)的處理后信號圖為對原始信號的處理結(jié)果，即將原始的磁感應(yīng)強(qiáng)度值轉(zhuǎn)換成空間磁場梯度值。所謂空間磁場梯度值是指磁感應(yīng)強(qiáng)度沿著空間某一特定方向的變化率。若B代表磁感應(yīng)強(qiáng)度，x代表空間某一特定的方向，則磁場梯度為dB/dx。在均勻磁場空間中磁場梯度值變化波動(dòng)不大，而當(dāng)遇到缺陷引起的磁異常時(shí)磁場梯度值則會(huì)發(fā)生突變。該處理方法有利于缺陷信號的識別，能夠?qū)⒃即鸥袘?yīng)強(qiáng)度中由于缺陷引起的變化提取出來[13]。在處理后信號圖中的2條虛線為閾值線，位于上方的為閾值上限，位于下方的為閾值下限。閾值線的確定是將磁場梯度與概率統(tǒng)計(jì)相結(jié)合，設(shè)μ為磁場梯度的平均值，σ為磁場梯度的標(biāo)準(zhǔn)差，則均勻磁場空間的磁場梯度值在(μ-3δ,μ+3σ)區(qū)間內(nèi)的概率為99.7%。μ+3σ為閾值上限，μ-3σ為閾值下限，如果磁場梯度值超過了閾值線則可判定為缺陷信號[13]。從圖5a中可判定1～3號通道均檢測到了缺陷信號。

圖4 人工缺陷示意圖Fig.4 Artificial defects illustration

多通道的數(shù)據(jù)采集不僅避免了檢測盲區(qū)而且對于缺陷的初步定量和定位也有一定的幫助。以該檢測試驗(yàn)為例，由于1～3號通道檢測到了缺陷信號，可以大致計(jì)算得到缺陷的長度為1～3號通道的距離，結(jié)合探頭尺寸計(jì)算可以得到缺陷長度為48 mm，實(shí)際的缺陷長度為40 mm，2個(gè)結(jié)果相差8 mm。同時(shí)也可以確定缺陷位于靠近車輪外側(cè)的位置。結(jié)合圖5b可以更明確地看出缺陷的位置和大致形狀(該圖像是針對探頭內(nèi)1～6號通道的檢測結(jié)果)。圖5b中橫坐標(biāo)為掃查距離，縱坐標(biāo)為被檢車輪踏面的寬度。

圖5 人工缺陷1微磁檢測Fig.5 Micro-magnetic testing results of artificial defects 1

另一處人工缺陷2的微磁檢測結(jié)果如圖6所示。由于缺陷的埋藏深度增加，由缺陷引起的溢出踏面的磁異常信號必然會(huì)隨之減弱，通過比較2處缺陷的檢測結(jié)果也可以得到該結(jié)論。隨著埋藏深度的增加檢測到的原始信號越來越趨于平緩。但從以上2組試驗(yàn)結(jié)果比較來看，埋藏深度的增加并沒有影響缺陷的檢測，但有效檢測通道個(gè)數(shù)變少，這也可以說明，埋藏深度的不斷增加會(huì)造成微磁檢測的檢出率逐漸降低。本次檢測中有效檢測通道為1、2號通道，計(jì)算可得缺陷長為31 mm，而實(shí)際缺陷長度為40 mm，結(jié)果相差9 mm。

3.2 同一埋藏深度不同尺寸缺陷對檢測的影響

圖7為火車輪試塊同一埋藏深度不同尺寸缺陷示意圖，按圖中尺寸分別在2塊試塊上加工1處平底孔缺陷，埋藏深度均為40 mm，長度均為60 mm，孔徑分別為5、20 mm。記為缺陷3和缺陷4。

缺陷3微磁檢測結(jié)果如圖8所示，缺陷4微磁檢測結(jié)果如圖9所示。通過前述的磁場梯度算法與概率統(tǒng)計(jì)閾值線相結(jié)合的缺陷判斷方法可以判斷出，圖8中6號通道的磁場梯度值存在超過閾值線的情況，且幅度較大，故可以確定該通道檢測到了缺陷3引起的磁異常信號。圖9中3、4號通道的磁場梯度值存在超過閾值線的情況，且幅度較大，故可以確定這2個(gè)通道檢測到了缺陷4引起的磁異常信號。經(jīng)過比較發(fā)現(xiàn)，該檢測結(jié)果也與缺陷的實(shí)際位置所對應(yīng)的通道號數(shù)相同。

圖7 人工缺陷示意圖Fig.7 Artificial defects illustration

從本次試驗(yàn)的結(jié)果中可以總結(jié)得到，相同埋藏深度不同尺寸的缺陷對微磁檢測影響不大，但有效檢測通道個(gè)數(shù)減少，且從圖像中可以大致觀察出缺陷的大小。大缺陷的磁異常區(qū)域較大，故成像面積大。相反，小缺陷的磁異常區(qū)域小，故成像面積小。對前文提到的通過確定有效檢測通道來進(jìn)行缺陷定量和定位的方法，在本次試驗(yàn)中得到了進(jìn)一步的論證。觀察圖8b和圖9b中缺陷的中心位置，并與圖7中缺陷的實(shí)際位置進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn)，圖8b中缺陷的中心位置為距車輪外側(cè)面92.7 mm，而圖7a中實(shí)際的缺陷中心位置為距車輪外側(cè)面80 mm，檢測結(jié)果與實(shí)際結(jié)果相差12.7 mm。圖9b中缺陷的中心位置為距車輪外側(cè)面58 mm，而圖7b中實(shí)際的缺陷中心位置為距車輪

圖8 人工缺陷3微磁檢測Fig.8 Micro-magnetic testing results of artificial defects 3

圖9 人工缺陷4微磁檢測Fig.9 Micro-magnetic testing results of artificial defects 4

外側(cè)面65 mm，檢測結(jié)果與實(shí)際結(jié)果相差7 mm。結(jié)合3.1節(jié)中2組試驗(yàn)以及其他試驗(yàn)可以總結(jié)出，這種通過確定有效檢測通道來進(jìn)行缺陷定量定位的方法，誤差均在10 mm左右，可以應(yīng)用于檢測的初步定量定位階段。

4 結(jié)論

1) 微磁檢測信號表明缺陷孔徑相同時(shí)，埋深越大，超閾值線的磁梯度值幅度越小，即缺陷引起的磁感應(yīng)強(qiáng)度相對變化量越小，檢測信號變化越平緩；缺陷埋深相同時(shí)，孔徑越大，超閾值線的磁梯度值幅度也會(huì)越小，同樣缺陷引起的磁感應(yīng)強(qiáng)度相對變化量越小，檢測信號變化越平緩，但異常已出現(xiàn)：磁場的區(qū)域會(huì)隨孔徑尺寸的變大而變大。

2) 試驗(yàn)結(jié)果表明,采用閾值法處理磁梯度信號，可有效識別火車輪內(nèi)部缺陷。火車輪內(nèi)部缺陷處磁梯度信號超過，而無缺陷時(shí)磁梯度信號值落在范圍內(nèi)。

3) 通過檢測成像結(jié)果可以對缺陷初步定量和定位，誤差為10 mm，在該檢測方法后續(xù)主要工作就是實(shí)現(xiàn)缺陷的精確定量和定位。

4) 結(jié)合微磁檢測原理和火車輪試塊檢測試驗(yàn)，表明火車輪微磁檢測系統(tǒng)具有一定的實(shí)用性，為提高火車輪檢測效率提供了一種解決方案。

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Application Research on Micro-magnetic Testing of Train Wheels Detection

PANG Zhi-hui，YU Run-qiao*，HU Cheng，ZHAO Long-can

(KeyLaboratoryofNondestructiveTest(MinistryofEducation),NanchangHangkongUniversity,Nanchang330063,China)

In this paper, a non-destructive testing method based on geomagnetic field was proposed for internal defects in the train wheels. Firstly, the feasibility of micro-magnetic testing on the internal defects of train wheels was analyzed theoretically. Then, this paper designed the train wheels micro-magnetic testing system, according to the shape and size of the train wheels. Finally, the experimental part of the micro-magnetic testing was completed through testing the test blocks which were processed artificial holes. This article used the threshold method to deal with magnetic gradient detection signal. The data analysis results verified the feasibility of micro-magnetic testing on the internal defects detection of train wheels. The experiment results showed that: When the hole diameter was constant, the deeper the buried depth, the smaller the relative change in the magnetic induction intensity caused by the defects, and when the depth of the hole was certain, the larger the hole diameter, the relative change in the magnetic induction intensity caused by the defect was also smaller, but the abnormal area of the magnetic field was larger; The threshold method could effectively identify the defects and realized the visualization of the micro-magnetic testing.

train wheels; micro-magnetic testing; testing system

2017年1月16日

2017年3月25日

國家自然科學(xué)基金(51565043)；江西省青年科學(xué)基金(20151BAB2216016)

于潤橋(1963年-)，男，碩士，教授，主要從事系統(tǒng)工程、計(jì)算機(jī)仿真和電磁無損檢測等方面的研究。

TG115.28

A

10.3969/j.issn.1673-6214.2017.02.005

1673-6214(2017)02-0094-07