鋼軌表面缺陷漏磁檢測(cè)的三維特征分析

1 引言
我國(guó)高速鐵路的建設(shè)進(jìn)入了一個(gè)快速發(fā)展的階段，隨著鐵路客貨運(yùn)量的增大和列車(chē)速度的提高，輪軌滾動(dòng)接觸疲勞所造成的破壞變得越來(lái)越嚴(yán)重。在高速運(yùn)行狀態(tài)下，鐵軌的損傷缺陷則主要表現(xiàn)為鋼軌踏面的斜線狀接觸疲勞裂紋，并沿斜向以一定角度迅速向軌頭內(nèi)部擴(kuò)展并形成大尺寸橫向疲勞裂紋，最終導(dǎo)致鋼軌發(fā)生橫向折斷[1,2] ，如圖1所示。隨著列車(chē)速度的不斷提高，鐵路無(wú)車(chē)時(shí)間間隔不斷減少，這意味著鐵路維護(hù)要求越來(lái)越高，實(shí)現(xiàn)對(duì)鐵路鐵軌進(jìn)行高速巡檢，及時(shí)發(fā)現(xiàn)和判斷鐵軌缺陷顯得十分重要。

漏磁檢測(cè)具有無(wú)污染、不需耦合劑、快速、高可靠性等優(yōu)點(diǎn)，因此漏磁檢測(cè)技術(shù)被廣泛用于油氣管道、鐵路軌道等領(lǐng)域的缺陷檢測(cè)[3-4]。當(dāng)鐵磁性材料在外加磁場(chǎng)的作用下被磁化，若材料的表面或近表面存在裂紋等缺陷，由于缺陷磁導(dǎo)率小、磁阻大，在缺陷附近的磁感應(yīng)線分布會(huì)發(fā)生變化，一部分將泄漏出鐵磁材料表面，形成漏磁場(chǎng)[5-6]。漏磁信號(hào)隨著缺陷幾何尺寸及形狀不同而變化，采用漏磁檢測(cè)傳感器來(lái)檢測(cè)漏磁信號(hào)的變化，將獲得缺陷信息。

傳統(tǒng)的漏磁檢測(cè)方法，通常提取缺陷漏磁場(chǎng)的水平分量Bx（與外加磁場(chǎng)平行）和法向分Bz（與被測(cè)試件表面垂直）的二維漏磁場(chǎng)信號(hào)進(jìn)行缺陷識(shí)別，而B(niǎo)y（與外加磁場(chǎng)垂直）相對(duì)于另外2個(gè)分量由于幅值較小常被忽略[7]。二維漏磁場(chǎng)信號(hào)的測(cè)量方法對(duì)規(guī)則的、外加磁場(chǎng)方向與缺陷主表面垂直的缺陷有較高的識(shí)別率，但當(dāng)缺陷主平面與外加磁場(chǎng)非垂直，或者實(shí)際缺陷是不規(guī)則形狀時(shí)，傳統(tǒng)的二維漏磁場(chǎng)信號(hào)測(cè)量方法將不能對(duì)缺陷的形狀和尺寸進(jìn)行準(zhǔn)確識(shí)別[4]。

為了克服傳統(tǒng)漏磁檢測(cè)技術(shù)存在的不足，實(shí)現(xiàn)對(duì)鋼軌表面復(fù)雜裂紋缺陷的準(zhǔn)確識(shí)別，本文采用三維磁場(chǎng)測(cè)量方法。通過(guò)仿真和實(shí)驗(yàn)，分析了鋼軌表面典型缺陷漏磁場(chǎng)的分布特征，證明該方法能很快的區(qū)別不同類(lèi)型的缺陷，而且能為缺陷的定量分析提供更充分、準(zhǔn)確的特征值。

2 缺陷漏磁場(chǎng)的有限元分析
為了觀察不同類(lèi)型的缺陷漏磁場(chǎng)分布，首先采用有限元法對(duì)缺陷漏磁場(chǎng)的三維分布情況進(jìn)行仿真分析。
2.1 利用Ansoft電磁場(chǎng)有限元分析軟件建立仿真模型
Ansoft是美國(guó)Ansoft公司開(kāi)發(fā)的一款用于求解電磁場(chǎng)問(wèn)題的有限元分析軟件，該軟件利用自適應(yīng)分析法作為基本的網(wǎng)格剖分方法，使求解問(wèn)題的速度和效率得到提高[8]。

由于鋼軌結(jié)構(gòu)復(fù)雜，現(xiàn)只以軌頭部分（近似看作長(zhǎng)方體）作為被測(cè)對(duì)象，在Ansoft 3D下建立鋼軌漏磁檢測(cè)裝置模型，如圖2所示。表中空氣實(shí)體是為了對(duì)缺陷周?chē)M(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化。磁軛與鋼軌間的氣隙間距為2mm。各部分參數(shù)如表１所示：

2.2 對(duì)鋼軌表面不同類(lèi)型缺陷進(jìn)行靜態(tài)仿真
經(jīng)過(guò)實(shí)地調(diào)研，發(fā)現(xiàn)鋼軌上存在以下３種常見(jiàn)的不同類(lèi)型的表面裂紋缺陷：
（１）缺陷主平面和鋼軌走向及水平面均垂直(等同于夾角為90°)。
（２）缺陷主平面和水平面呈一定夾角，與軌道走向垂直。
（３）缺陷主平面與軌道走向呈一定夾角，與水平面垂直。
因此，以３種不同類(lèi)型的缺陷為鋼軌表面裂紋缺陷的典型代表，進(jìn)行仿真分析。表２介紹了鋼軌表面3不同類(lèi)型的缺陷，并將夾角選為45°。

對(duì)表２所示不同類(lèi)型的長(zhǎng)、寬、深分別為 20 mm、0.5 mm、4 mm的鋼軌表面缺陷進(jìn)行仿真。選取離試件表面２mm處，缺陷周?chē)?0 mm的直線上（x軸方向）觀察漏磁場(chǎng)的變化。圖３為缺陷漏磁場(chǎng)的Bx、By、Bz分量分布。

從圖３可以明顯的看出，①、②兩種缺陷的漏磁場(chǎng)By分量沒(méi)有明顯規(guī)律性且幅值很小。傳統(tǒng)的漏磁檢測(cè)方法忽略缺陷漏磁場(chǎng)的By分量，只提取Bx、Bz分量來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)缺陷的定量分析，顯然對(duì)于①、②兩種類(lèi)型的缺陷是有效的。

對(duì)于③，其Bx、Bz分量與長(zhǎng)寬深相同的類(lèi)型①缺陷相比，曲線輪廓相似而幅值卻小很多，如果損失關(guān)鍵量By信息，只從Bx、Bz分量提取特征值來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)缺陷的定量分析必然會(huì)失真。要實(shí)現(xiàn)對(duì)類(lèi)型③的鋼軌表面缺陷的準(zhǔn)確識(shí)別，必需結(jié)合缺陷漏磁場(chǎng)的Bx、By、Bz分量提取特征值。

通過(guò)有限元仿真分析，確定了不同類(lèi)型缺陷的漏磁場(chǎng)分布特征，證明了只有對(duì)缺陷漏磁場(chǎng)進(jìn)行三維測(cè)量才能對(duì)鋼軌表面各種不同類(lèi)型裂紋進(jìn)行準(zhǔn)確識(shí)別和定量分析。
3 實(shí)驗(yàn)分析
3.1試驗(yàn)平臺(tái)的建立
在理論分析和仿真試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，建立漏磁檢測(cè)的試驗(yàn)平臺(tái)。平臺(tái)結(jié)構(gòu)如圖4所示，由鋼軌試樣和傳感器部分、信號(hào)放大調(diào)理部分、數(shù)據(jù)采集部分、信號(hào)激勵(lì)部分、碼盤(pán)位移信號(hào)采集部分、鋼軌試樣、計(jì)算機(jī)處理部分以及檢測(cè)小車(chē)（圖5）組成。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析
    檢測(cè)所用鋼軌樣例長(zhǎng)1.4m，為克服邊緣效應(yīng)的影響，以其中間700mm為被測(cè)區(qū)域，在其表面加工人工缺陷8個(gè)。各缺陷的參數(shù)如表3所示。

利用已建立的三維漏磁檢測(cè)系統(tǒng)，在激勵(lì)線圈上施加15 V 的直流電壓，探頭固定在磁軛下方，磁軛放在檢測(cè)小車(chē)上，人工推動(dòng)小車(chē)對(duì)包含若干表面缺陷的鋼軌進(jìn)行掃描檢測(cè)，掃描方向?yàn)檐壍雷呦蚍较颍礊閤方向），掃描速度小于0.5m/s（忽略速度效應(yīng)的影響）。將三維霍爾探頭采集的漏磁場(chǎng)Bx、By、Bz分量及光碼盤(pán)采集的位移信號(hào)送至計(jì)算機(jī)處理，得到掃描波形如圖6、7所示。

圖6中，由于背景磁場(chǎng)的不同，缺陷漏磁場(chǎng)Bx、By、Bz的基準(zhǔn)線不同。①、②兩種類(lèi)型的缺陷的漏磁場(chǎng)ｙ分量變化太小，實(shí)驗(yàn)所用的霍爾（A1302）探頭幾乎測(cè)不到By分量的變化。顯然，利用漏磁場(chǎng)By分量的不同，很容易將類(lèi)型③的缺陷和①、②區(qū)別開(kāi)來(lái)。

由圖7可以觀察到長(zhǎng)、寬，深相同的b、d、ｆ3個(gè)不同類(lèi)型的缺陷，其漏磁場(chǎng)Bx、By、Bz分量的曲線形狀和大小與仿真結(jié)果相吻合：
（1）缺陷d為對(duì)稱(chēng)的表面裂紋，其漏磁場(chǎng)Bx在缺陷中心線上方有峰值，左右對(duì)稱(chēng)，且在波形兩側(cè)有一對(duì)大小相等的谷值；其漏磁場(chǎng)Bz分量曲線關(guān)于原點(diǎn)（缺陷表面中點(diǎn)）對(duì)稱(chēng)，且在靠近原點(diǎn)兩側(cè)各有一個(gè)大小相等，正負(fù)相反的峰值；其漏磁場(chǎng)By分量的變化不明顯，為一條幅值為０的直線。
（2）缺陷b，與缺陷ｄ相比，其漏磁場(chǎng)Bx分量的波形出現(xiàn)明顯的不對(duì)稱(chēng)，左邊出現(xiàn)較大波谷，右邊波谷消失；Bz分量的正峰值變大，負(fù)峰值變小，By分量也為一條幅值在０附近的直線。
（3）缺陷f，與缺陷ｄ相比，漏磁場(chǎng)Bx、Bz分量的曲線形狀與后者相同，但幅值為其1/2左右，其漏磁場(chǎng)By分量變化明顯。 通過(guò)計(jì)算，發(fā)現(xiàn)缺陷f 的Bx、By峰值大?。ɑ鶞?zhǔn)線到峰值點(diǎn)的幅值）相等，這可以作為判斷與鋼軌走向呈45°夾角的一個(gè)特征值。
試驗(yàn)證明：對(duì)鋼軌表面缺陷的漏磁場(chǎng)進(jìn)行三維測(cè)量方法，克服了傳統(tǒng)的二維測(cè)量方法存在的不足，能快速識(shí)別不同類(lèi)型的缺陷，而且能為缺陷的定量分析提供更充分的特征值，其優(yōu)越性非常明顯。

4 結(jié)論
通過(guò)有限元法，對(duì)鋼軌上常見(jiàn)的三種不同類(lèi)型缺陷，運(yùn)用Ansoft軟件對(duì)其三維漏磁場(chǎng)的Bx分量、By分量和Bz分量的分布情況進(jìn)行分析；采用三維漏磁檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)三種不同類(lèi)型缺陷的漏磁場(chǎng)信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明缺陷的擾動(dòng)不僅會(huì)導(dǎo)致漏磁場(chǎng)Bx、Bz分量的變化，而且會(huì)對(duì)漏磁場(chǎng)By分量產(chǎn)生一定的影響，特別是當(dāng)缺陷主平面與外加磁場(chǎng)非垂直，或者實(shí)際缺陷是不規(guī)則形狀時(shí)。類(lèi)型③的缺陷，By分量與Bx分量存在著一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系，這對(duì)于與軌道走向呈一定夾角缺陷的識(shí)別有重要意義。下一步的工作將分析在與軌道走向呈不同夾角的鋼軌表面缺陷下，缺陷漏磁場(chǎng)By 分量與Bx的對(duì)應(yīng)關(guān)系，同時(shí)結(jié)合Bx、By、Bz 分量對(duì)任意形狀和任意走向的缺陷掃描成像。
5 參考文獻(xiàn)
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作者簡(jiǎn)介
趙颯，（1988-），男，碩士研究生，研究方向：電磁無(wú)損檢測(cè)。
通訊地址：南京市白下區(qū)御道街29號(hào)230信箱
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