基于弱磁技術(shù)的火車輪踏面裂紋檢測(cè)

姜禹桐，熊樂超，張統(tǒng)偉，于潤(rùn)橋，傅 萍

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

0 引 言

火車輪是火車核心部件，其工作環(huán)境惡劣，目前，中國(guó)高速鐵路正在飛速發(fā)展，火車輪的質(zhì)量檢測(cè)對(duì)保證列車行駛安全起著關(guān)鍵作用。目前我國(guó)火車輪主要分為鑄鋼輪和輾鋼輪[1]。鑄鋼輪由于鑄造過程易產(chǎn)生夾雜、縮孔等缺陷，目前只有少部分老式車型應(yīng)用；輾鋼輪是我國(guó)鐵路車輛主型車輪，其強(qiáng)度高韌性好，且質(zhì)量較輕，更加安全可靠[2-3]。但輾鋼輪踏面耐磨性較差，車輪踏面常以高速度與鐵軌接觸，在長(zhǎng)時(shí)間的撞擊、摩擦下，易導(dǎo)致磨損、裂紋缺陷出現(xiàn)，即滾動(dòng)接觸疲勞[4-6]；同時(shí)由于列車制動(dòng)產(chǎn)生的熱負(fù)荷也會(huì)導(dǎo)致車輪的踏面形成制動(dòng)熱裂紋[7-8]，嚴(yán)重將導(dǎo)致車輪斷裂，引發(fā)安全事故。因此對(duì)火車輪踏面的快速檢測(cè)十分必要。

火車輪作為高速列車安全性與穩(wěn)定性的關(guān)鍵部件，各個(gè)國(guó)家的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)也較為嚴(yán)格[9-10]。對(duì)于國(guó)外工業(yè)水平突出的國(guó)家，在上世紀(jì)就已經(jīng)形成了完整的自動(dòng)化檢測(cè)體系與質(zhì)量評(píng)價(jià)系統(tǒng)[11-12]。美國(guó)最早在80年代開始針對(duì)火車輪踏面的缺陷開發(fā)自動(dòng)檢測(cè)設(shè)備，并在90年代初將電磁超聲(EMAT)技術(shù)應(yīng)用于火車輪缺陷識(shí)別[13]。日本鐵道技術(shù)研究所將振動(dòng)加速計(jì)放于軌道底部，通過測(cè)定振動(dòng)的加速度變化從而判斷車輪踏面缺陷損傷程度[14]。德國(guó)鐵路研發(fā)的充水耦合超聲設(shè)備將超聲波探頭放置在特定軌道凹槽內(nèi)，在列車經(jīng)過時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)車輪踏面的檢測(cè)[15]。國(guó)內(nèi)對(duì)于火車輪的檢測(cè)設(shè)備開發(fā)相對(duì)較晚，初期主要以超聲、磁粉、渦流等常規(guī)檢測(cè)技術(shù)為主。近年來，諸多學(xué)者探究新技術(shù)，并在火車輪踏面的檢測(cè)中得以應(yīng)用。北京鋼鐵總院利用電磁超聲換能器表面波法檢測(cè)火車輪，不僅實(shí)現(xiàn)了對(duì)踏面的檢測(cè)，同時(shí)解決了踏面與輪緣R角之間盲區(qū)的檢測(cè)[16]。叢明等利用機(jī)器視覺技術(shù)，通過工業(yè)攝像頭在輔助光源下采集踏面的光帶圖像，實(shí)現(xiàn)了智能識(shí)別踏面的損傷[17]。侯繼良等利用CCD圖像測(cè)量法評(píng)估踏面磨損程度，實(shí)現(xiàn)了踏面的靜態(tài)檢測(cè)[18]。程宏釗等利用非接觸三維掃描儀重構(gòu)車輪模型，通過對(duì)踏面模型的復(fù)現(xiàn)對(duì)比實(shí)現(xiàn)對(duì)踏面損傷的檢測(cè)[19]。以上檢測(cè)方法雖取得一定效果，但均存在一定弊端，主要集中在兩個(gè)方面：1）超聲法操作相對(duì)復(fù)雜，且檢測(cè)速度較慢；2）機(jī)器視覺與三維重構(gòu)受環(huán)境影響較大，且對(duì)踏面磨損減薄較為敏感，對(duì)裂紋和深度損傷檢測(cè)難度較大。

針對(duì)目前火車輪踏面裂紋檢測(cè)的難點(diǎn)，提出一種基于地磁場(chǎng)的弱磁檢測(cè)技術(shù)。弱磁檢測(cè)操作便捷，檢測(cè)速度快，且檢測(cè)過程無需耦合劑或勵(lì)磁設(shè)備；本次研究通過理論分析與檢測(cè)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證弱磁技術(shù)在火車輪踏面裂紋檢測(cè)的可行性；同時(shí)，利用裂紋處磁感應(yīng)強(qiáng)度幅值計(jì)算裂紋深度，實(shí)現(xiàn)對(duì)裂紋定深，為火車輪踏面的質(zhì)量評(píng)價(jià)提供了新思路。

1 磁化與弱磁檢測(cè)原理

磁化是指使原來不具有磁性的物質(zhì)獲得磁性的過程。物質(zhì)在外磁場(chǎng)作用下所顯現(xiàn)的磁性大小稱為磁化強(qiáng)度，是描述物質(zhì)磁化狀態(tài)的物理量。磁化強(qiáng)度受物質(zhì)本身與外磁場(chǎng)強(qiáng)度影響，具體表達(dá)式為：

式中：M——磁化強(qiáng)度，A/m；

H——磁場(chǎng)強(qiáng)度，A/m；

在磁化環(huán)境下，物質(zhì)所表現(xiàn)的磁場(chǎng)強(qiáng)弱與方向是外磁場(chǎng)強(qiáng)度與磁化強(qiáng)度的疊加量，用磁感應(yīng)強(qiáng)度來描述，具體關(guān)系為：

式中：B——磁感應(yīng)強(qiáng)度，T；

μ0——真空磁導(dǎo)率，其大小為 4π×10-7H/m。

外磁場(chǎng)強(qiáng)度相同的情況下，磁化率是影響磁化強(qiáng)度與磁感應(yīng)強(qiáng)度的唯一條件，根據(jù)物質(zhì)的磁化率不同，將材料分為5類：鐵磁性、順磁性、抗磁性、亞鐵磁性和反鐵磁性。由磁化的性質(zhì)可知，在空間磁場(chǎng)的作用下，一切物質(zhì)均具有一定的磁性。用來表征物質(zhì)在外磁場(chǎng)下磁化程度的物理量為相對(duì)磁導(dǎo)率μr，其與磁化率χ的表達(dá)式為：

在地磁場(chǎng)環(huán)境中，無論車輪與地磁場(chǎng)的相對(duì)方向如何放置，其受地磁場(chǎng)磁化后均為具有微弱磁場(chǎng)的磁體[20]。由式(3)可知，物質(zhì)若連續(xù)均勻，其磁導(dǎo)率是相同的。因此，當(dāng)車輪踏面無缺陷時(shí)，磁導(dǎo)率相同，磁化下表面的磁感應(yīng)強(qiáng)度應(yīng)該是均勻穩(wěn)定的。若存在缺陷，則在缺陷處磁導(dǎo)率會(huì)發(fā)生突變，表面磁感應(yīng)強(qiáng)度也會(huì)發(fā)生異常變化。火車輪踏面裂紋處為空氣填充，其磁導(dǎo)率小于微合金鋼磁導(dǎo)率，所以在裂紋處磁感應(yīng)強(qiáng)度將變小。因此，弱磁檢測(cè)技術(shù)正是利用缺陷處磁導(dǎo)率差異導(dǎo)致的磁感應(yīng)強(qiáng)度突變，通過實(shí)驗(yàn)室自主研發(fā)的高精度磁通門傳感器檢測(cè)材料在地磁場(chǎng)磁化后表面磁感應(yīng)強(qiáng)度的法向分量，并通過算法對(duì)磁感應(yīng)強(qiáng)度處理與分析，即可提取異常磁場(chǎng)區(qū)域，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)缺陷的識(shí)別。

圖1 裂紋與應(yīng)力信號(hào)波形對(duì)比圖

2 火車輪踏面裂紋檢測(cè)實(shí)驗(yàn)

弱磁檢測(cè)探傷儀器主要由檢測(cè)探頭、信號(hào)采集板、上位機(jī)和數(shù)據(jù)處理軟件4部分組成。檢測(cè)探頭采用實(shí)驗(yàn)室自主研發(fā)的高精度磁通門傳感器，分辨率為1 nT，量程為±250 000 nT。同時(shí)組成最多12通道的陣列探頭，可自選任意探頭檢測(cè)，增加檢測(cè)面積與效率。針對(duì)火車輪踏面的特殊結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了貼合踏面檢測(cè)的磁通門探頭工裝，如圖2所示。信號(hào)采集板將探頭采集到的磁感應(yīng)強(qiáng)度信號(hào)傳給上位機(jī)，通過數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)行信號(hào)分析。

圖2 火車輪踏面檢測(cè)工裝

實(shí)驗(yàn)試件為中國(guó)鋼鐵研究院提供的預(yù)制缺陷車輪對(duì)，每個(gè)車輪共有9條預(yù)設(shè)不同深度的裂紋缺陷，3×3排列，兩車輪預(yù)設(shè)缺陷位置相同，如圖3所示?；疖囕喥谀p下易萌生自然細(xì)小裂紋，且裂紋寬度極小，較大寬度裂紋不易出現(xiàn)，所以預(yù)設(shè)裂紋寬度均取0.5 mm來模擬真實(shí)細(xì)裂紋缺陷，裂紋長(zhǎng)度取10 mm，裂紋縱向間距80 mm，橫向間距20 mm。檢測(cè)實(shí)驗(yàn)共分為兩部分：首先對(duì)1號(hào)輪進(jìn)行檢測(cè)，通過信號(hào)特征驗(yàn)證弱磁檢測(cè)可行性，同時(shí)提出缺陷識(shí)別算法；其次，對(duì)于深度定量，由于真實(shí)缺陷裂紋寬度極小且相差甚微，寬裂紋缺陷出現(xiàn)概率極低，所以定深公式可不考慮裂紋寬度影響，利用1號(hào)輪數(shù)據(jù)分析裂紋深度與磁感應(yīng)強(qiáng)度之間的關(guān)系。最后通過對(duì)2號(hào)輪檢測(cè)并驗(yàn)證缺陷識(shí)別算法與深度計(jì)算公式的準(zhǔn)確性。

圖3 火車輪預(yù)設(shè)缺陷

檢測(cè)時(shí)將車輪放置于穩(wěn)定磁場(chǎng)環(huán)境，使用4個(gè)探頭由上自下沿踏面表面掃查，在第1行裂紋前80 mm處開始，在第3行裂紋后60 mm處停止，掃查距離共300 mm，每行裂紋位置為80 mm、160 mm、240 mm處，檢測(cè)路徑見圖4。檢測(cè)時(shí)手動(dòng)勻速移動(dòng)探頭，地磁場(chǎng)在局部小范圍內(nèi)可近似相等，磁通門傳感器采集火車輪踏面法向方向的磁感應(yīng)強(qiáng)度信號(hào)。檢測(cè)需在同一條件下重復(fù)多次掃查，以保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

圖4 檢測(cè)路徑

3 檢測(cè)結(jié)果與討論

3.1 1號(hào)車輪檢測(cè)結(jié)果與信號(hào)分析

圖5為1號(hào)車輪踏面表面的磁感應(yīng)強(qiáng)度曲線圖，1、2、3號(hào)探頭分別對(duì)應(yīng)第1列、第2列、第3列裂紋檢測(cè)信號(hào)，4號(hào)探頭為無缺陷的踏面檢測(cè)信號(hào)。圖中橫坐標(biāo)為掃查的距離，縱坐標(biāo)為磁感應(yīng)強(qiáng)度值。由圖可知1、2、3號(hào)探頭在75 mm、160 mm、240 mm處存在下凹的磁異常，且波動(dòng)趨勢(shì)明顯，與實(shí)際缺陷位置80 mm、160 mm、240 mm對(duì)比略有偏差，是由于手動(dòng)掃查速度略有不均導(dǎo)致。此外，1號(hào)探頭在無缺陷處出現(xiàn)磁飽和現(xiàn)象，在裂紋處磁信號(hào)下凹，原因?yàn)榈谝涣辛鸭y與輪緣距離較近，輾鋼輪在軋鋼或行駛中輪緣附近受應(yīng)力較大，力磁耦合作用造成磁飽和，但對(duì)缺陷檢測(cè)無影響。4號(hào)探頭檢測(cè)路徑為踏面無缺陷處，信號(hào)相對(duì)平穩(wěn)，無明顯波動(dòng)。由此說明利用弱磁檢測(cè)技術(shù)對(duì)于火車輪踏面裂紋進(jìn)行檢測(cè)是可行的，且信噪比良好，檢測(cè)效率高。

圖5 1號(hào)輪各探頭檢測(cè)信號(hào)

針對(duì)火車輪踏面裂紋缺陷的信號(hào)特征，提出一種利用極值差及閾值線聯(lián)合判斷缺陷的方法。對(duì)于離散磁感應(yīng)強(qiáng)度信號(hào)，極值差可以較好地反映磁感應(yīng)強(qiáng)度的波動(dòng)幅度，在無缺陷處磁感應(yīng)強(qiáng)度波動(dòng)較小，在裂紋處磁感應(yīng)強(qiáng)度波動(dòng)較大，所以通過波動(dòng)幅值的高低即可判斷是否存在缺陷，磁感應(yīng)強(qiáng)度幅值ΔB為峰值與兩邊駐點(diǎn)平均值之差，即:

圖6 極值差法計(jì)算流程圖

流程圖中對(duì)極差也同樣做閾值線判斷，目的是排除駐點(diǎn)處的波動(dòng)對(duì)缺陷點(diǎn)判斷的干擾。根據(jù)上述算法，得出各探頭波動(dòng)幅值曲線如圖7所示。

由圖7可知，極值差閾值線法能較明顯的識(shí)別出缺陷的幅值與位置，說明極值差閾值線法適用于踏面裂紋缺陷的判別。

圖7 1號(hào)輪磁感應(yīng)強(qiáng)度幅值曲線

對(duì)于判定裂紋深度，由于火車輪裂紋寬度均在0.5 mm以內(nèi)，且差距甚小，所以微小寬度變化對(duì)裂紋磁感應(yīng)強(qiáng)度影響不大，可忽略不計(jì)，所以只需分析裂紋深度與磁感應(yīng)強(qiáng)度幅值數(shù)值關(guān)系即可實(shí)現(xiàn)對(duì)裂紋的深度測(cè)定。表1為9個(gè)踏面裂紋的深度值與磁感應(yīng)強(qiáng)度異常幅值ΔB。

由表1裂紋的深度值與磁感應(yīng)強(qiáng)度異常幅值ΔB可以看出，裂紋深度與磁異常幅值呈正相關(guān)，幅值越大，裂紋深度越深。在同一深度下，各裂紋磁感應(yīng)強(qiáng)度差距較小，在允許范圍內(nèi)，誤差來源可能為深度刻傷時(shí)有些許差異。通過對(duì)已有數(shù)據(jù)的擬合，即可得出深度與裂紋磁感應(yīng)強(qiáng)度幅值的數(shù)值關(guān)系。

表1 1號(hào)車輪裂紋深度與幅值參數(shù)

傅里葉最小二乘擬合是對(duì)離散數(shù)據(jù)進(jìn)行線性處理的一種常用擬合方法，其利用遞歸算法不僅可以提高擬合度，同時(shí)可消除異常點(diǎn)干擾。通過傅里葉最小二乘擬合對(duì)裂紋幅值與深度進(jìn)行擬合，擬合公式為：

決定系數(shù) 0.993 8，修正決定系數(shù)0.990 7，擬合效果良好，準(zhǔn)確度高，誤差在允許范圍內(nèi)。綜合上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果，傅里葉最小二乘擬合深度曲線如圖8所示，弱磁檢測(cè)技術(shù)可實(shí)現(xiàn)對(duì)火車輪踏面裂紋的識(shí)別與定深。

圖8 傅里葉最小二乘擬合深度曲線

3.2 2號(hào)車輪檢測(cè)結(jié)果與深度驗(yàn)證

圖9為2號(hào)輪踏面表面的磁感應(yīng)強(qiáng)度曲線，由1、2、3號(hào)探頭可以看出，在70 mm、160 mm、240 mm處同樣出現(xiàn)下凹的磁異常信號(hào)，且磁異常位置與預(yù)設(shè)裂紋位置基本一致；4號(hào)探頭信號(hào)曲線無明顯磁異常，小幅度波動(dòng)因?yàn)榭拷喚壌嬖谶吘壭?yīng)，但對(duì)檢測(cè)無影響。

圖9 2號(hào)輪各探頭磁感應(yīng)強(qiáng)度信號(hào)

2號(hào)輪幅值曲線如圖10所示，由圖可知閾值線對(duì)缺陷的識(shí)別與判定較為準(zhǔn)確，裂紋處的波動(dòng)幅值遠(yuǎn)大于無缺陷點(diǎn)。

圖10 2號(hào)輪磁感應(yīng)強(qiáng)度幅值曲線

根據(jù)擬合公式，計(jì)算出2號(hào)輪各裂紋深度，與真實(shí)深度值對(duì)比。由表2對(duì)比結(jié)果可知，檢測(cè)深度值與真實(shí)深度值誤差小于±0.11 mm，在可接受誤差范圍內(nèi)，證明傅里葉最小二乘擬合應(yīng)用于火車輪踏面裂紋弱磁檢測(cè)深度計(jì)算是可行的，且計(jì)算結(jié)果精確，誤差率低。

表2 2號(hào)車輪裂紋檢測(cè)深度與真實(shí)深度參數(shù)

4 結(jié)束語

通過設(shè)計(jì)火車輪踏面預(yù)設(shè)裂紋缺陷實(shí)驗(yàn)，利用弱磁檢測(cè)技術(shù)對(duì)不同深度的裂紋進(jìn)行檢測(cè)，分析磁感應(yīng)強(qiáng)度數(shù)據(jù)，得出如下結(jié)論：

1)弱磁技術(shù)對(duì)于火車輪踏面裂紋的檢測(cè)是可行的，且基于極值差法與拉依達(dá)準(zhǔn)則的缺陷識(shí)別算法信噪比高，定位準(zhǔn)確。

2)利用傅里葉最小二乘擬合法結(jié)合磁感應(yīng)強(qiáng)度幅值實(shí)現(xiàn)對(duì)深度的計(jì)算，誤差率較小，在±0.11 mm內(nèi)，可進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)對(duì)火車輪的質(zhì)量評(píng)價(jià)。

3)弱磁檢測(cè)技術(shù)對(duì)于火車輪踏面缺陷檢測(cè)速度快，精度高，進(jìn)一步改進(jìn)可用于自動(dòng)化檢測(cè)，為火車輪踏面缺陷檢測(cè)提供新思路。