基于增強(qiáng)磁場(chǎng)渦流的高速軌道缺陷檢測(cè)方法

許 鵬 曾泓茗 朱晨露 王 平 耿 明 許 勇

1. 南京航空航天大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，南京，211106 2. 工業(yè)和信息化部高速載運(yùn)設(shè)施的無損檢測(cè)和監(jiān)控技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京，211106 3. 中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，武漢，430063

0 引言

隨著社會(huì)不斷發(fā)展，我國(guó)鐵路運(yùn)輸在里程和速度上實(shí)現(xiàn)了質(zhì)的飛躍。而鋼軌在經(jīng)過長(zhǎng)期使用之后會(huì)出現(xiàn)表面裂紋和內(nèi)部核傷，產(chǎn)生安全隱患。如果不能針對(duì)這種損傷采取措施，任其發(fā)展，最終會(huì)引發(fā)斷軌事故，甚至導(dǎo)致列車出軌、傾覆等重大事故發(fā)生。因此，對(duì)在役鋼軌采用無損檢測(cè)方法進(jìn)行缺陷傷損檢測(cè)成為保證鐵道運(yùn)輸安全的關(guān)鍵措施[1-2]。核傷是指鋼軌內(nèi)部疲勞裂紋，由鋼材的冶煉質(zhì)量不良和使用條件特殊2個(gè)因素引起，在應(yīng)力作用下，傷損逐漸擴(kuò)大，最終導(dǎo)致鋼軌斷裂，嚴(yán)重影響列車行車安全[3]。表面裂紋和內(nèi)部傷損的檢出是軌道檢測(cè)的重點(diǎn)。

渦流檢測(cè)具有無需耦合劑、檢測(cè)速度快、容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的特點(diǎn)，適合應(yīng)用于鐵軌的表面裂紋檢測(cè)[4-5]，但是，由于電流的趨膚效應(yīng)[6]，渦流強(qiáng)度隨著深度增大而衰減、明顯地集中在導(dǎo)體表面，渦流檢測(cè)對(duì)內(nèi)部缺陷的檢測(cè)能力較為薄弱。增強(qiáng)磁場(chǎng)的渦流可以抑制趨膚效應(yīng)，提高對(duì)埋藏缺陷的檢測(cè)能力。

在管道檢測(cè)中，常將磁場(chǎng)增強(qiáng)至磁飽和[7]，HEE等[8]分析了439不銹鋼管渦流探傷探頭的最佳磁通密度，設(shè)計(jì)了一種專用的磁飽和探頭；HAO等[9]分析計(jì)算了鐵磁管中增強(qiáng)磁場(chǎng)渦流檢測(cè)在磁飽和不足條件下的工作狀態(tài)；宋凱等[10]深入研究了增強(qiáng)磁場(chǎng)作用下，鋼管磁特性對(duì)渦流檢測(cè)的影響，指出現(xiàn)有評(píng)價(jià)手段的混亂。但管道檢測(cè)和軌道檢測(cè)中的增強(qiáng)磁場(chǎng)渦流的方法具有明顯的差別：①檢測(cè)速度不同——軌道檢測(cè)的檢測(cè)速度大于管道檢測(cè)的檢測(cè)速度，對(duì)檢測(cè)穩(wěn)定性有著更高的要求；②增強(qiáng)磁場(chǎng)的目的不同——管道檢測(cè)著眼于增強(qiáng)磁場(chǎng)對(duì)渦流檢測(cè)信噪比的提高，軌道檢測(cè)則意圖利用增強(qiáng)磁場(chǎng)提高渦流的內(nèi)部缺陷檢測(cè)能力；③施加激勵(lì)方式不同——鋼軌的形狀結(jié)構(gòu)與軌道的安全要求決定了軌道檢測(cè)不能采用管道檢測(cè)中常用的磁飽和結(jié)構(gòu)。

在以往對(duì)軌道檢測(cè)的研究中，對(duì)增強(qiáng)磁場(chǎng)渦流的檢測(cè)方法研究較少，如何施加直流激勵(lì)是一個(gè)重要問題。本文探索研究了一種結(jié)構(gòu)：在渦流線圈上增加一個(gè)U形磁軛，并對(duì)纏繞在上面的線圈施加直流激勵(lì)，通過磁軛傳導(dǎo)磁場(chǎng)到鋼軌，增強(qiáng)局部的磁場(chǎng)。這種軌道檢測(cè)方法與管道檢測(cè)方法不同的是，鋼軌中的渦流檢測(cè)磁場(chǎng)與增強(qiáng)磁場(chǎng)方向相切，而通常管道檢測(cè)中的渦流檢測(cè)方向與增強(qiáng)磁場(chǎng)方向相同。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了渦流線圈在局部增強(qiáng)磁場(chǎng)的環(huán)境下能夠提高對(duì)內(nèi)部傷損的檢測(cè)能力。

1 增強(qiáng)磁場(chǎng)渦流檢測(cè)原理

在磁場(chǎng)作用下，處于變化磁場(chǎng)中的導(dǎo)體內(nèi)部會(huì)形成渦流，渦流產(chǎn)生的焦耳熱又使電磁場(chǎng)的能量不斷損耗，因此在導(dǎo)體內(nèi)部的磁場(chǎng)是逐漸衰減的，表面的磁場(chǎng)強(qiáng)度大于深層的磁場(chǎng)強(qiáng)度。而渦流是由磁場(chǎng)感應(yīng)產(chǎn)生的，所以導(dǎo)體內(nèi)磁場(chǎng)強(qiáng)度的遞減性導(dǎo)致了渦流的遞減性。這種電流隨著深度的增大而衰減、明顯地集中在導(dǎo)體表面的現(xiàn)象稱為趨膚效應(yīng)。

隨著深度的增大，金屬內(nèi)的磁場(chǎng)強(qiáng)度和渦流密度均呈指數(shù)衰減，一般規(guī)定磁場(chǎng)強(qiáng)度和渦流密度降至表面值的1/e處的深度，稱為滲透深度，用字母δ表示，則滲透深度可表示為

(1)

式中，δ為滲透深度，m；f為頻率，Hz；μ為磁導(dǎo)率，H/m；σ為電導(dǎo)率，S/m。

在渦流探傷中，δ是一個(gè)很重要的參數(shù)，缺陷的檢出靈敏度與缺陷處的渦流密度有關(guān)。金屬表面的渦流密度最大，具有較高的檢出靈敏度；當(dāng)深度超過滲透深度δ時(shí)，渦流密度衰減至很小，檢出靈敏度就較低。由式(1)可知，減小鐵磁性材料的磁導(dǎo)率μ，能夠使?jié)B透深度δ增大。

Steel-1008是與鋼軌磁性類似的材料[11]，以此材料為例進(jìn)行分析。圖1是Steel-1008鋼材料的B-H曲線與μr-H曲線。其中，當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度為Hm時(shí)，相對(duì)磁導(dǎo)率μr最大，當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度為H0時(shí)，相對(duì)磁導(dǎo)率與磁場(chǎng)強(qiáng)度為0時(shí)的相對(duì)磁導(dǎo)率相等。故當(dāng)0H0時(shí)，磁導(dǎo)率隨著H增大而減小，且隨著磁飽和趨于常數(shù)，在這個(gè)區(qū)間，磁導(dǎo)率要小于初始磁導(dǎo)率。所以，增強(qiáng)磁場(chǎng)的目的就是使鋼軌處于H>H0區(qū)間，減小鋼軌磁導(dǎo)率，增加渦流檢測(cè)時(shí)渦流滲透深度。

圖1 Steel-1008材料磁化曲線Fig.1 Magnetization curve of Steel-1008

圖2所示為本文使用的增強(qiáng)磁場(chǎng)渦流檢測(cè)結(jié)構(gòu)，磁軛上纏繞激勵(lì)線圈，通入直流電流后，磁軛傳導(dǎo)磁場(chǎng)到被檢鋼軌，增強(qiáng)磁軛下方的鋼軌部分的磁場(chǎng)強(qiáng)度，減小鋼軌的磁導(dǎo)率。同時(shí)，在磁軛下放置差分渦流線圈，通入交流電流，在渦流線圈下方形成電渦流。因?yàn)殇撥壌艑?dǎo)率減小的緣故，電渦流的滲透深度增大。將磁軛和渦流線圈作為一個(gè)整體同時(shí)沿著鋼軌移動(dòng)，可以檢測(cè)鋼軌的表面裂紋和埋藏缺陷。

圖2 增強(qiáng)磁場(chǎng)渦流檢測(cè)結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of enhanced magnetic field eddy current testing

2 增強(qiáng)磁場(chǎng)渦流檢測(cè)仿真研究

采用有限元仿真軟件ANSYS建立磁場(chǎng)增強(qiáng)渦流檢測(cè)模型[12-13]，建立2D仿真模型如圖3所示。模型采用瞬態(tài)場(chǎng)仿真，于纏繞在磁軛的線圈上以電流密度形式施加直流激勵(lì)，于渦流探頭的線圈上以時(shí)間函數(shù)形式施加交流激勵(lì)。分別仿真渦流探頭下方不同深度處的電流密度和距離缺陷不同距離處的線圈兩端電壓。

圖3 增強(qiáng)磁場(chǎng)渦流檢測(cè)有限元仿真模型Fig.3 Finite element simulation model of eddy current testing with enhanced magnetic field

渦流線圈直徑為20 mm，高為12 mm，在其上施加頻率為50 kHz的電流激勵(lì)。磁軛線圈和渦流線圈的材料設(shè)為copper，鋼軌材料為Steel-1008，磁軛材料為ferrite，渦流線圈磁芯材料相對(duì)磁導(dǎo)率為2000，渦流線圈屏蔽層材料相對(duì)磁導(dǎo)率為150。缺陷寬1 mm，深4 mm。

渦流滲透深度δ反映了渦流檢測(cè)方法對(duì)內(nèi)部缺陷的檢測(cè)能力。仿真計(jì)算時(shí)，在渦流探頭下方作一條深度為2 mm的檢測(cè)線，計(jì)算出不同深度處的電流密度有效值，當(dāng)某一深度處的電流密度為表面電流密度的1/e時(shí)，這一深度記為渦流滲透深度。

渦流線圈的電壓幅值相位變化量直觀反映了實(shí)際檢測(cè)時(shí)的信號(hào)大小。分別改變模型中磁軛的提離l與間距d，對(duì)不同磁軛提離l和磁軛間距d時(shí)電渦流的渦流滲透深度、線圈經(jīng)過缺陷時(shí)的電壓幅值變化量進(jìn)行比對(duì)，可得出磁軛參數(shù)對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響。

2.1 改變磁軛提離

保持渦流檢測(cè)探頭不變，磁軛間距d保持為80 mm，只改變磁軛的提離l，分別為1，2，3，4，5，10，15，20 mm，研究渦流探頭下方鋼軌內(nèi)部電渦流的滲透深度、經(jīng)過缺陷時(shí)線圈兩端的電壓與磁軛提離l之間關(guān)系。如圖4所示，當(dāng)磁軛提離l增大時(shí)，渦流的滲透深度呈現(xiàn)減小趨勢(shì)，磁軛提離l<5 mm時(shí)，渦流的滲透深度減小速度較快；磁軛提離l>5 mm后，渦流的滲透深度減小速度放緩，并且趨近于無增強(qiáng)磁場(chǎng)時(shí)的渦流滲透深度(0.058 mm)。

圖4 不同磁軛提離時(shí)渦流滲透深度Fig.4 Eddy current penetration dept with different yoke lift off

由此可以得到，增強(qiáng)磁場(chǎng)渦流可以有效增大渦流的滲透深度δ，提高電渦流檢測(cè)方法檢測(cè)鋼軌深處缺陷的能力，同時(shí)，該檢測(cè)能力隨著磁軛提離l的增大而減小，若想得到最好的內(nèi)部缺陷檢測(cè)效果，需要盡量使磁軛靠近鋼軌。

如圖5所示，當(dāng)磁軛提離l從1 mm開始增大時(shí)，線圈電壓幅值變化量增大；當(dāng)磁軛提離l達(dá)到4 mm時(shí)，電壓幅值變化量達(dá)到最大；當(dāng)磁軛提離l繼續(xù)增大時(shí)，電壓幅值變化量先迅速下降，后趨于平穩(wěn)，接近無增強(qiáng)磁場(chǎng)時(shí)渦流檢測(cè)的-0.01 V。

圖5 不同磁軛提離時(shí)線圈電壓幅值變化Fig.5 Variation of coil voltage amplitude with different yoke lift off

在較小提離l(l<10 mm)下，增強(qiáng)磁場(chǎng)渦流可增大線圈電壓幅值變化量，電壓幅值變化量在提離為4mm附近達(dá)到最大值，擁有最好的表面缺陷檢測(cè)效果。隨著提離l增大，線圈電壓幅值變化量趨近無增強(qiáng)磁場(chǎng)時(shí)的變化量。由此可以得出：磁軛提離的較小增大即可增加檢測(cè)電壓信號(hào)的幅值，提高信噪比。

2.2 改變磁軛間距

保持渦流檢測(cè)探頭不變，磁軛提離l保持為1 mm，只改變磁軛的間距d，分別為70、80、90、100、110、120 mm，研究渦流探頭下方鋼軌內(nèi)部電渦流的滲透深度δ、經(jīng)過缺陷時(shí)線圈兩端的電壓與磁軛間距d之間關(guān)系。如圖6所示，提離l固定為1 mm，當(dāng)磁軛間距d增大時(shí)，渦流的滲透深度δ呈現(xiàn)緩慢減小趨勢(shì)，整體仍處于0.57～0.67 mm內(nèi)，沒有達(dá)到提離為2 mm時(shí)的0.54 mm。

圖6 不同磁軛間距下渦流滲透深度Fig.6 Eddy current penetration depth with different yoke spacing

當(dāng)磁軛提離l固定時(shí)，間距d越大，渦流滲透深度δ緩慢變小，但渦流滲透深度δ始終處于一個(gè)區(qū)間，所以，若想更好地檢測(cè)出內(nèi)部埋藏檢測(cè)，應(yīng)選用間距d較小的磁軛，以增大渦流滲透深度δ。

圖7 不同磁軛間距下線圈電壓幅值變化Fig.7 Variation of coil voltage amplitude with different yoke spacing

提離l固定為1 mm時(shí)，增大磁軛間距d，線圈電壓幅值變化量緩慢增大，整體處于0.15～0.19 V之間，沒有達(dá)到提離為2 mm時(shí)的0.27 V。

磁軛提離l固定時(shí)，間距d越大，渦流線圈經(jīng)過缺陷時(shí)的檢測(cè)信號(hào)幅值越大，實(shí)際檢測(cè)時(shí)獲得的檢測(cè)信號(hào)越大，適用于表面缺陷檢測(cè)。

磁軛的提離l和間距d會(huì)對(duì)檢測(cè)結(jié)果造成影響，且提離l變化帶來的影響遠(yuǎn)大于間距d的影響。提離l變大，渦流的滲透深度δ變小，不利于鋼軌內(nèi)部的檢測(cè)效果，且較小的提離l能夠增大線圈經(jīng)過缺陷時(shí)的電壓幅值變化量，提高渦流信號(hào)的信噪比；磁軛的間距d變化相較磁軛提離來說，對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響較小，在由提離決定的一定區(qū)間內(nèi)，磁軛的間距d越小，渦流的滲透深度δ越大，線圈經(jīng)過缺陷時(shí)電壓變化量越小，渦流信號(hào)的信噪比減小。

3 增強(qiáng)磁場(chǎng)渦流高速轉(zhuǎn)臺(tái)實(shí)驗(yàn)

3.1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)介紹

使用高速巡檢實(shí)驗(yàn)平臺(tái)對(duì)上述仿真過程進(jìn)行驗(yàn)證。在轉(zhuǎn)盤式鋼軌樣件上，依據(jù)常見鋼軌裂紋損傷，人為加工了一系列不同類型的表面裂紋和埋藏盲孔。其中，埋藏盲孔m1～m9的示意圖和相關(guān)參數(shù)如圖8和表1所示。

圖8 高速轉(zhuǎn)臺(tái)埋藏盲孔示意圖Fig.8 Schematic diagram of buried blind hole of high speed turntable

表1 埋藏盲孔相關(guān)參數(shù)Tab.1 Relevant parameters of buried blind hole

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)分為交流勵(lì)磁部分、直流勵(lì)磁部分和信號(hào)處理部分。在高速轉(zhuǎn)輪的相切位置放置差分渦流檢測(cè)探頭[14]，同時(shí)保證兩個(gè)線圈對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)的提離值相近，約為2 mm，以模擬在直軌上的檢測(cè)。應(yīng)用DDS(direct digital synthesizer)電路產(chǎn)生交流激勵(lì)信號(hào)，通過功率放大器放大后通入差分渦流線圈，經(jīng)過交流電橋[15]產(chǎn)生電渦流信號(hào)；在渦流探頭的正上方放置磁軛，在磁軛線圈中通入不同大小的直流電流，以施加直流磁場(chǎng)，磁化鋼軌。差分渦流探頭輸出檢測(cè)信號(hào)，由采集卡采集激勵(lì)信號(hào)Ui與檢測(cè)信號(hào)U0，交由上位機(jī)對(duì)檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，得到缺陷信息。

(a) 高速轉(zhuǎn)臺(tái)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖

(b) 高速轉(zhuǎn)臺(tái)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)實(shí)物圖圖9 高速轉(zhuǎn)臺(tái)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖與實(shí)物圖Fig.9 Schematic diagram and physical diagram of high speed turntable experimental system

采用IQ正交解調(diào)的方法對(duì)檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行解調(diào)。首先對(duì)帶通濾波器設(shè)置合適參數(shù)，濾除檢測(cè)信號(hào)U0中的直流成分和高頻噪聲，同時(shí)對(duì)激勵(lì)信號(hào)Ui作相同處理，保證兩者的相位不發(fā)生變化。濾波后兩信號(hào)相乘，另將激勵(lì)信號(hào)移相90°后同樣相乘，低通濾波得到I路信號(hào)I(t)和Q路信號(hào)Q(t)，最后得到線圈電壓的幅值信號(hào)和相位信號(hào)。

圖10 IQ正交解調(diào)Fig.10 IQ quadrature demodulation

3.2 檢測(cè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

在上述實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，交流激勵(lì)頻率為10 kHz，激勵(lì)峰峰值為10 V。分別在不施加直流激勵(lì)、施加50 V直流激勵(lì)、施加100 V直流激勵(lì)三種情況下進(jìn)行轉(zhuǎn)臺(tái)實(shí)驗(yàn)。

圖11所示為速度20 km/h時(shí)，三種直流激勵(lì)條件下轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)周期的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。探頭經(jīng)過每個(gè)缺陷可以解調(diào)得到一個(gè)雙峰的差分信號(hào)，信號(hào)的峰峰值與缺陷的尺寸相關(guān)，選取渦流幅值信號(hào)進(jìn)行對(duì)比。由圖11可以看出，不施加直流激勵(lì)時(shí)難以檢出埋藏缺陷；施加50 V直流激勵(lì)的情況下能夠從中辨識(shí)出m1、m8、m9三個(gè)埋藏缺陷，其他埋藏缺陷則淹沒在噪聲之中；施加100 V直流激勵(lì)的情況下能夠較明顯地分辨出m1、m2、m3、m4、m7、m8、m97個(gè)埋藏缺陷，并且m1、m8、m9埋藏缺陷的信號(hào)幅值要大于50 V直流激勵(lì)的情況，更易于區(qū)分。

(a) 無直流激勵(lì)

(b) 50 V直流激勵(lì)

(c) 100 V直流激勵(lì)圖11 不同直流激勵(lì)條件下的渦流信號(hào)Fig.11 Eddy current signals under different DC excitation conditions

無直流激勵(lì)、50 V直流激勵(lì)、100 V直流激勵(lì)信號(hào)峰峰值對(duì)比如圖12所示。分析開口裂紋信號(hào)的峰峰值可知，在增加直流激勵(lì)后，開口缺陷的雙峰信號(hào)中的負(fù)峰值會(huì)顯著增大，并且100 V直流激勵(lì)下的增大量要高于50 V直流激勵(lì)下的增大量。直流激勵(lì)磁軛能夠顯著增大開口缺陷信號(hào)峰峰值，并且直流激勵(lì)越大，峰峰值提高越大。

圖12 無直流激勵(lì)、50 V直流激勵(lì)、100 V直流激勵(lì)信號(hào)峰峰值對(duì)比Fig.12 The peak to peak comparison of signal under no DC excitation, 50 V DC excitation, 100 V DC excitation

總結(jié)以上實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象可知，當(dāng)系統(tǒng)僅有交流激勵(lì)時(shí)，渦流檢測(cè)對(duì)于埋深1 mm以下的埋藏盲孔檢測(cè)困難；增加50 V的直流激勵(lì)后，能夠檢出埋深1 mm處，孔徑3 mm以上的埋藏缺陷，較之無直流激勵(lì)的情況，開口裂紋的信號(hào)峰峰值更大，提高了信噪比；增加100 V的直流激勵(lì)后，最深可以檢測(cè)到埋深4 mm，孔徑3 mm的m4號(hào)埋藏盲孔，并且較之50 V直流激勵(lì)，進(jìn)一步增大了開口缺陷峰峰值，提高了信噪比。因此，采用磁飽和技術(shù)的渦流軌道檢測(cè)技術(shù)可以顯著提升對(duì)埋藏缺陷的檢出能力，提高缺陷信號(hào)信噪比。

4 結(jié)論

(1)提出了一種使用U形電磁鐵給渦流檢測(cè)施加直流磁場(chǎng)的結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)磁場(chǎng)渦流檢測(cè)可以有效提高渦流滲透深度，檢測(cè)內(nèi)部埋藏缺陷，同時(shí)提高開口缺陷的信噪比。

(2)建立了ANSYS有限元仿真模型，分析了增強(qiáng)磁場(chǎng)對(duì)渦流滲透深度δ和渦流檢測(cè)信號(hào)的影響。增強(qiáng)磁場(chǎng)渦流檢測(cè)可以顯著增大渦流滲透深度，并且增大線圈電壓幅值變化量。

(3)進(jìn)行了增強(qiáng)磁場(chǎng)渦流檢測(cè)實(shí)驗(yàn)，證實(shí)在高速檢測(cè)條件下，增強(qiáng)磁場(chǎng)渦流檢測(cè)的檢測(cè)效果。成功檢出了埋藏缺陷，增大了開口缺陷的信號(hào)幅值。