基于ACFM的軌道缺陷檢測系統(tǒng)設(shè)計和試驗

趙建明,邢艷東2,李 偉,葛玖浩3,袁新安,陳國明,劉 陽,朱玉凱

(1.中國石油大學(xué)(華東) 海洋油氣裝備與安全技術(shù)研究中心, 青島 266555;2.中國石化管道儲運(yùn)有限公司滄州輸油處, 滄州 061000;3. 南京航空航天大學(xué) 高速載運(yùn)設(shè)施的無損檢測監(jiān)控技術(shù)工信部重點試驗室, 南京 210016)

隨著我國鐵路提速戰(zhàn)略的實施，民眾對鐵路交通的安全運(yùn)行也提出了更高的要求[1-3]。由于機(jī)車的高速運(yùn)行，以及機(jī)車車輪和機(jī)車軌道之間的滾動接觸，機(jī)車車軌很容易產(chǎn)生應(yīng)力疲勞裂紋。應(yīng)力疲勞裂紋一般為多向、簇狀裂紋，檢測難度較大[4-5]。車軌應(yīng)力疲勞裂紋的存在嚴(yán)重威脅著鐵路交通的安全運(yùn)行，所以對鐵路軌道的定期檢測勢在必行。

圖1 交流電磁場檢測原理示意

交流電磁場檢測技術(shù)(Alternating Current Field Measurement，ACFM)是一種新型的無損檢測技術(shù)。該技術(shù)的檢測原理(見圖1)是：對激勵線圈施加一定頻率的正弦信號，使工件表面產(chǎn)生均勻的感應(yīng)電磁場。當(dāng)工件表面無裂紋時，感應(yīng)電流在工件表面均勻流動；當(dāng)試件表面存在裂紋時，感應(yīng)電流會從裂紋兩端和底部繞過，當(dāng)探頭移過缺陷區(qū)域時，x方向(設(shè)垂直電流場方向為x方向)的磁通密度曲線會出現(xiàn)兩個小的波峰和一個大的波谷，z方向(設(shè)垂直試件表面方向為z方向)的磁通密度曲線會出現(xiàn)一個波峰和一個波谷，Bx(x方向的磁通密度)波谷可以反映裂紋的深度，Bz(z方向的磁通密度)波峰波谷的間距反映缺陷的長度。交流電磁場檢測技術(shù)數(shù)字模型精確,具有非接觸測量、無需標(biāo)定、定量精度高等優(yōu)點[6-8]。

筆者基于交流電磁場檢測技術(shù)，依據(jù)鐵軌檢測的應(yīng)用工況，設(shè)計了便攜式機(jī)箱和檢測探頭，編寫了檢測軟件，形成了一套完整的鐵軌缺陷檢測系統(tǒng)，并對人工缺陷和自然缺陷的鐵軌試件進(jìn)行了檢測試驗。

1 檢測系統(tǒng)設(shè)計

1.1 檢測系統(tǒng)整體設(shè)計

交流電磁場鐵軌缺陷檢測系統(tǒng)外觀如圖2所示，交流電磁場軌道裂紋檢測系統(tǒng)主要由個人計算機(jī)、便攜式機(jī)箱和檢測探頭組成。當(dāng)系統(tǒng)工作時，便攜式機(jī)箱中的信號發(fā)生模塊產(chǎn)生正弦的交流電，經(jīng)過功率放大模塊，加載在檢測探頭的激勵線圈上，通過U型磁芯在鐵軌的表面感應(yīng)出均勻的電場；鐵軌的表面存在裂紋時，會引起表面均勻電場的擾動，進(jìn)而引起鐵軌上方磁場的擾動，檢測探頭中的磁場傳感器拾取畸變的磁場信號，經(jīng)過便攜式機(jī)箱中的信號采集模塊，傳輸?shù)絇C(計算機(jī))中，PC中裂紋識別軟件對采集到的信號進(jìn)行處理，進(jìn)而實現(xiàn)對鐵軌上裂紋的識別和報警。

圖2 交流電磁場鐵軌缺陷檢測系統(tǒng)外觀

圖3 便攜式機(jī)箱外觀

1.2 便攜式機(jī)箱設(shè)計

為了適應(yīng)現(xiàn)場檢測的需求，筆者設(shè)計了便攜式機(jī)箱(見圖3)，將信號發(fā)生模塊、信號采集模塊、穩(wěn)壓模塊和電源模塊集成到機(jī)箱中。信號發(fā)生模塊用于產(chǎn)生加載在檢測探頭上的激勵信號，系統(tǒng)采用直接數(shù)字合成技術(shù)(DDS)，結(jié)合STM8單片機(jī)和FPGA(現(xiàn)場可編程門陣列)構(gòu)架設(shè)計一種數(shù)字信號發(fā)生器，能夠產(chǎn)生頻率可調(diào)的正弦波和脈沖波；功率放大模塊用于放大信號發(fā)生模塊輸出的信號；信號采集模塊用于將檢測探頭中的模擬信號轉(zhuǎn)化為后期處理的數(shù)字信號，系統(tǒng)采用NI-6361OEM采集卡，最大采樣速度可達(dá)2 MS·s-1，最大采樣通道數(shù)為16；電源模塊用于整個檢測系統(tǒng)的供電，系統(tǒng)采用9 800 mA鋰電池供電，可以保持檢測系統(tǒng)正常工作6 h；穩(wěn)壓模塊用于將電源模塊產(chǎn)生的12 V電壓信號轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的±12 V和+5 V的輸出。

圖4 檢測探頭設(shè)計圖與實物圖

1.3 檢測探頭設(shè)計

檢測探頭是整個檢測系統(tǒng)的核心部分，對檢測效果起關(guān)鍵作用。檢測探頭主要由激勵線圈、U型磁芯、檢測傳感器組成。整個檢測系統(tǒng)設(shè)計了2種檢測探頭(見圖4)：單探頭和陣列探頭。激勵線圈采用直徑為0.15 mm的漆包線，線圈匝數(shù)為500匝。檢測傳感器為TMR(磁道磁阻)傳感器，與傳統(tǒng)的霍爾傳感器、AMR(磁性)和GMR(巨磁阻)傳感器相比，TMR傳感器具有低功耗、更大線性范圍、更高靈敏度和更小尺寸的優(yōu)點[10]。系統(tǒng)選用的TMR傳感器檢測范圍為±5 mm。單探頭的檢測范圍為10 mm，為了提高檢測效率，還設(shè)計了7陣列檢測探頭，一次性掃查可以覆蓋70 mm寬的距離[9]。探頭的殼體為鋁合金，底板為耐磨陶瓷。

1.4 檢測軟件設(shè)計

檢測軟件(界面示例見圖5)，主要對采集卡采集到的信號進(jìn)行處理，實現(xiàn)對裂紋的判定和預(yù)警。檢測軟件主要包括特征信號顯示和缺陷判定兩大模塊。特征信號顯示主要是C掃圖的顯示和各通道信號的顯示。缺陷判定主要是對特征信號界面所選定的信號進(jìn)行處理，得到判定信號后，將判定信號和預(yù)先設(shè)定的閾值進(jìn)行比較，當(dāng)判定信號大于閾值時，系統(tǒng)判定此處存在裂紋，進(jìn)行顯示和預(yù)警。

圖5 檢測軟件界面示例

2 試驗測試

2.1 人工缺陷檢測

利用設(shè)計的交流電磁場軌道缺陷檢測系統(tǒng)對鐵軌人工裂紋試件進(jìn)行檢測。人工裂紋試件外觀如圖6所示，鐵軌上自左向右存在4處裂紋，第1處為簇狀裂紋，其長度分別為30,30,40 mm，深度分別為3,5,5 mm，裂紋之間的間距為2 mm；第二處裂紋尺寸(長×深)為40 mm×5 mm，第3處裂紋尺寸(長×深)為30 mm×5 mm，第4處裂紋尺寸(長×深)為20 mm×4 mm，所有裂紋的寬均為0.2 mm。

圖6 人工裂紋試件外觀

打開檢測儀器，激勵頻率采用1 000 Hz，激勵電流為100 mA，使用陣列探頭掃過試件，檢測結(jié)果如圖7所示。由圖7(a)所示的特征信號的C掃圖可見，試件上存在4處缺陷，從第1處到第4處缺陷，缺陷越來越小，5號傳感器信號的畸變量最大，推斷缺陷離5號傳感器的位置最近；圖7(b)所示的缺陷判定面板顯示有4處缺陷，第1處到第4處缺陷尺寸依次減小。

圖7 人工缺陷試件的檢測結(jié)果

圖8 自然裂紋試件外觀

圖9 自然裂紋試件檢測結(jié)果

2.2 自然缺陷檢測

利用交流電磁場鐵軌缺陷檢測系統(tǒng)對自然裂紋試件(見圖8)進(jìn)行檢測。該試件的表面存在多處缺陷，利用單探頭對其進(jìn)行檢測，檢測結(jié)果如圖9所示。檢測結(jié)果顯示，試件的表面存在5處缺陷，其中第1處缺陷和其他缺陷距離較遠(yuǎn)，其他4處缺陷距離較近，第1處缺陷較小，第4處缺陷較大。第1處缺陷為圖8中最左端缺陷，另外4處缺陷為簇狀裂紋，距離較近。由此說明：交流電磁場缺陷檢測系統(tǒng)，可以實現(xiàn)鐵軌上裂紋的快速檢出，能夠初步判斷缺陷的位置和大小。

3 結(jié)論

基于交流電磁場檢測技術(shù)，依據(jù)鐵軌檢測的需求，設(shè)計開發(fā)出一套集檢測軟件-便攜式機(jī)箱-檢測探頭為一體的交流電磁場鐵軌檢測系統(tǒng)，并對鐵軌人工缺陷試件和自然缺陷試件進(jìn)行了檢測，結(jié)果表明：開發(fā)的交流電磁場鐵軌檢測系統(tǒng)可以實現(xiàn)鐵軌缺陷的快速檢測，能夠初步判斷缺陷的位置和大小。得到的結(jié)果可以為我國鐵路安全評估提供一定的數(shù)據(jù)支撐。