基于旋轉(zhuǎn)磁場磁化技術(shù)的鐵道機(jī)車車輛轉(zhuǎn)向架構(gòu)架整體磁粉檢測

程志義 姜 巖 周廣浩 董雙來 李建德

(1.中車長春軌道客車股份有限公司質(zhì)量保證部,130062,長春；2.西安永安磁粉探傷科技有限公司,710032,西安//第一作者，正高級工程師)

鐵道車輛轉(zhuǎn)向架構(gòu)架在工作狀態(tài)下承受著來自車體(枕梁或旁承)的壓力，以及來自軸箱的支撐力、牽引力、橫向作用力，來自制動單元(夾鉗)的制動力，還有來自橫向減振器、垂向減振器、抗蛇行減振器的作用力等，受力極為復(fù)雜，而且大多為交變的作用力。而在車輛運(yùn)行過程中，轉(zhuǎn)向架構(gòu)架一旦發(fā)生裂損失效，將有可能造成列車脫軌甚至顛覆的嚴(yán)重行車事故，因此轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的探傷檢測顯得尤為重要。

現(xiàn)代的機(jī)車車輛轉(zhuǎn)向架構(gòu)架多采用板材焊接而成，尤其是高速鐵路動車組車輛的轉(zhuǎn)向架構(gòu)架，采用高強(qiáng)度低合金結(jié)構(gòu)鋼焊接，母材采用下料后模壓成形的鋼板和厚壁鋼管經(jīng)過組對焊接而成。轉(zhuǎn)向架構(gòu)架如圖1所示。由于轉(zhuǎn)向架構(gòu)架本身結(jié)構(gòu)復(fù)雜，該組焊件的焊縫縱橫交錯，分布于構(gòu)架的各個部位，給焊縫焊接質(zhì)量檢測帶來了困難。采用馬蹄形探傷器進(jìn)行磁粉探傷檢測，不僅工作強(qiáng)度大，而且由于結(jié)構(gòu)自身的影響，有一些陰角部位探傷磁軛無法深入，檢測表面無法達(dá)到必要的磁場強(qiáng)度而成為檢測盲區(qū)，因而不能達(dá)到全表面磁粉檢測的需要。為此，研制了一種轉(zhuǎn)向架構(gòu)架專用的磁粉探傷設(shè)備。該設(shè)備可對構(gòu)架進(jìn)行整體磁化，有效提高了檢測效率、降低了探傷操作人員的勞動強(qiáng)度、消除了馬蹄形探傷器的檢測盲區(qū)，從而滿足了轉(zhuǎn)向架構(gòu)架制造、修理過程中表面缺陷檢測的迫切需要。

圖1 轉(zhuǎn)向架構(gòu)架示意圖

1 磁化方式的選擇

在實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中需要檢測的工件，其表面在任意方向都有可能存在缺陷，這就需要在所有檢測部位的表面獲得二維的切向磁場，即在工件所在的空間內(nèi)需要三維的磁場才能夠滿足工件探傷的需要[1]。

由于轉(zhuǎn)向架構(gòu)架結(jié)構(gòu)復(fù)雜、尺寸較大(高鐵動車組轉(zhuǎn)向架構(gòu)架尺寸為3 200 mm×2 900 mm×740 mm)，采用傳統(tǒng)的通電復(fù)合磁化不可能像規(guī)則的回轉(zhuǎn)體一樣在所有的外表面獲得均勻的表面磁場強(qiáng)度，無法滿足構(gòu)架探傷的需要。因此，采用了空間三維旋轉(zhuǎn)磁場非接觸磁化技術(shù)來對構(gòu)架進(jìn)行磁化，實(shí)現(xiàn)對構(gòu)架的整體表面磁粉檢測?？臻g三維旋轉(zhuǎn)磁場磁化技術(shù)用于磁粉探傷，該技術(shù)在我國20世紀(jì)80年代已有實(shí)用性探索，到90年代末期，在鐵道機(jī)車車輛行業(yè)的大型復(fù)雜形狀零件的磁粉檢測中進(jìn)行了深入的應(yīng)用研究，如在內(nèi)燃機(jī)車曲軸、齒輪和連桿，以及在機(jī)車車輛車鉤鉤體、鉤舌、鉤尾框和軸箱等零件的探傷中得到成功推廣應(yīng)用。尤其是采用井式結(jié)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)磁場井式多功能探傷機(jī)的成功開發(fā)，開創(chuàng)了磁粉探傷機(jī)采用井式結(jié)構(gòu)的先河，極大地發(fā)揮了旋轉(zhuǎn)磁場磁粉探傷的實(shí)用性優(yōu)勢，解決了車鉤鉤體、鉤舌、鉤尾框及軸箱等一系列復(fù)雜形狀零件磁粉探傷的難題，為形狀復(fù)雜的鑄鍛零件的制造、檢修行業(yè)提供了可靠的檢測手段。經(jīng)過近30年的實(shí)用性探索，我國旋轉(zhuǎn)磁場磁化技術(shù)用于磁粉探傷已經(jīng)積累了較為成熟的經(jīng)驗(yàn)，采用該磁化技術(shù)的磁粉探傷機(jī)也具有完全自主的知識產(chǎn)權(quán)。

2 旋轉(zhuǎn)磁場磁化技術(shù)的原理

旋轉(zhuǎn)磁場主要是采用接入不同交流電的多組相互交叉的磁化線圈，線圈之間形成幅值相同并互有一定角度和相位差的交變磁場，磁場之間相互疊加，最終形成磁場強(qiáng)弱隨時間改變的空間旋轉(zhuǎn)磁場[2-3]，如圖2所示。

圖2 垂直交叉的旋轉(zhuǎn)磁場

設(shè)在試件上于兩個互相垂直的方向上同時施加兩個磁場Hx(t)和Hy(t)，其幅植相同(H0x=H0y=H0)，頻率亦相同(fx=fy=fu)，設(shè)它們之間存在相位差α，則兩個分矢量的方程為：

Hx=H0cos(2πft+α1)

(1)

Hy=H0cos[(2πft+α1)+α]

(2)

式中：

α1——初相。

根據(jù)式(1)～(2)得到試件上某一點(diǎn)的合磁場H為上述兩個分磁場的矢量合成，其大小為：

(3)

合成矢量的相位角θ為：

θ=arctan(Hy/Hx)=

arctan[cosα-sinαtan(2πft+α1)]

(4)

即合成磁場的指向在一個平面內(nèi)作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，旋轉(zhuǎn)磁場因此而得名。

設(shè)相位差α=π/2，則：

(5)

θ=-(2πft+α1)

(6)

從式(5)～(6)可以看出，當(dāng)相位差α=π/2時，合成矢量的幅值為常值H0；而合成矢量的相位角θ與分矢量Hx的相位角(2πft+α1)方向相反而大小相等。即當(dāng)α=π/2時，合成矢量的軌跡依順時針方向作圓旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。

當(dāng)分矢量的相位差不等于π/2時，合成矢量在各方向上的大小不完全相等。合成矢量的軌跡作橢圓運(yùn)動，則旋轉(zhuǎn)磁場在各方向?qū)θ毕莸臋z測能力就不完全相同。

設(shè)x軸、y軸、z軸相互垂直，沿z軸方向設(shè)置第3組磁化線圈，其磁場方向與x軸、y軸所在的平面垂直，且場強(qiáng)接近，則3組磁化場Hx、Hy、Hz相互疊加后，可在其包容的空間內(nèi)形成三維空間磁化場。對于在磁場空間內(nèi)的工件，如圖3所示，由于在其任何位置均能獲得二維切向磁場，工件磁化后可清晰地顯示出任何方向的缺陷，滿足對復(fù)雜工件的檢測要求。

圖3 放入工件后的旋轉(zhuǎn)磁場

3 旋轉(zhuǎn)磁場磁化技術(shù)的特點(diǎn)

與傳統(tǒng)的通電周向磁化加縱向線圈的復(fù)合磁化方法相比，旋轉(zhuǎn)磁場探傷法有如下特點(diǎn)[4]：

1) 旋轉(zhuǎn)磁場在線圈包容的空間內(nèi)對探傷對象進(jìn)行多向磁化，可滿足不同形狀復(fù)雜零件的探傷需要，且該方法對不同形狀被檢測工件的適應(yīng)能力強(qiáng)。

2) 非接觸式磁化方式由于通電電極與被檢測工件未接觸，避免了常規(guī)復(fù)合磁化方法對工件可能造成的頂壓變形，以及電極打火灼傷工件的危險，操作較為安全。

3) 磁化裝置不與工件接觸，磁化電流大小不受接觸情況影響，磁場穩(wěn)定且檢測可靠。

4) 磁化裝置本身不與工件接觸，探傷過程無機(jī)械損傷，探傷機(jī)使用壽命長。

5) 要使同一工件不同部位獲得均勻的磁場強(qiáng)度，需要針對工件形狀來設(shè)置磁化線圈的布置、匹配磁化程序和磁化電流。

6) 旋轉(zhuǎn)磁場非接觸磁化是靠磁化裝置包容空間內(nèi)空氣中的磁場來實(shí)現(xiàn)對工件的磁化，相比通電復(fù)合磁化法需要更大的磁化功率。

4 設(shè)置轉(zhuǎn)向架構(gòu)架旋轉(zhuǎn)磁場磁化裝置

針對轉(zhuǎn)向架構(gòu)架這樣的大尺寸、形狀復(fù)雜的工件的磁粉探傷檢測需要，經(jīng)過分析計(jì)算，確定了該構(gòu)架探傷用的磁化裝置采用以交叉線圈為主，多組線圈對置、交錯相結(jié)合的旋轉(zhuǎn)磁場磁化裝置，以期達(dá)到以構(gòu)架縱梁、橫梁為主，兼顧各個耳板、支座、筋板等全構(gòu)架整體連續(xù)噴淋磁化完成探傷的目的。轉(zhuǎn)向架構(gòu)架在旋轉(zhuǎn)磁場中的示意如圖4所示。

圖4 轉(zhuǎn)向架構(gòu)架在旋轉(zhuǎn)磁場中的示意圖

5 降低電力消耗

為滿足轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的探傷靈敏度要求，需要在構(gòu)架所有檢測表面均獲得不低于2 400 A/m的表面磁場強(qiáng)度。而轉(zhuǎn)向架構(gòu)架尺寸大，旋轉(zhuǎn)磁場磁化裝置的斷面尺寸達(dá)到了4 100 mm×1 000 mm，所需要的瞬時磁化功率達(dá)到了200 kW以上。如此大的功率直接取自廠房供電系統(tǒng)，會給系統(tǒng)帶來嚴(yán)重的沖擊。為減少探傷過程中的電力消耗，采取了以下措施：

1) 采用了半包容的磁化方式對轉(zhuǎn)向架構(gòu)架進(jìn)行磁化，使得轉(zhuǎn)向架構(gòu)架在不斷轉(zhuǎn)動的過程中分扇區(qū)完成整體磁粉探傷；

2) 通過PLC(可編程邏輯控制器)程序的設(shè)定，實(shí)現(xiàn)磁化裝置中各線圈分組分時交替循環(huán)工作；

3) 在磁化電源系統(tǒng)中設(shè)置了無功功率補(bǔ)償回路。

上述措施的采納，使得電源消耗功率降低了50%以上，同時保證了可靠的磁化效果。

6 轉(zhuǎn)向架構(gòu)架表面磁懸液積聚的解決措施

為完成轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的磁粉探傷，構(gòu)架需要支撐在輸送系統(tǒng)的臺車上送入磁化裝置。在轉(zhuǎn)向架構(gòu)架噴淋磁化的過程中，盡管構(gòu)架在旋轉(zhuǎn)，但水平的表面會形成磁懸液的積聚，影響磁痕的保留和觀察，為此經(jīng)過試驗(yàn)采取了轉(zhuǎn)向架構(gòu)架傾斜旋轉(zhuǎn)噴淋磁化的方式進(jìn)行探傷。轉(zhuǎn)向架構(gòu)架輸送臺車托著構(gòu)架走行到探傷工位后，托架傾斜一定角度，然后再旋轉(zhuǎn)，在傾斜的狀態(tài)下旋轉(zhuǎn)、噴淋、磁化，避免了磁懸液的積聚，達(dá)到理想的磁痕顯示效果。

7 結(jié)語

采用旋轉(zhuǎn)磁場磁化技術(shù)對轉(zhuǎn)向架構(gòu)架整體進(jìn)行磁化，達(dá)到了理想的磁化效果。所研制的整套設(shè)備由旋轉(zhuǎn)磁場磁化裝置、磁化電源系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)、構(gòu)架輸送裝置、構(gòu)架翻轉(zhuǎn)裝置、磁懸液噴淋及回收系統(tǒng)、暗室及照明系統(tǒng)等組成。該設(shè)備采用非接觸的磁化方式對轉(zhuǎn)向架構(gòu)架進(jìn)行磁化，滿足了構(gòu)架整體磁粉檢測的需要。采用的三維旋轉(zhuǎn)磁場組合磁化技術(shù)，能夠全方位檢測構(gòu)架的表面缺陷。經(jīng)試驗(yàn)測試，達(dá)到了預(yù)期的表面磁場強(qiáng)度和綜合檢測靈敏度的要求，能夠?qū)崿F(xiàn)每小時檢測兩個構(gòu)架的檢測效率，轉(zhuǎn)向架構(gòu)架整體磁粉檢測的難題得到圓滿解決。