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      標(biāo)題: 鋼軌表面缺陷漏磁檢測(cè)的三維特征分析 [打印本頁]

      作者: 自由鳥/;f    時(shí)間: 2014-3-5 10:16
      標(biāo)題: 鋼軌表面缺陷漏磁檢測(cè)的三維特征分析
      1 引言
      我國高速鐵路的建設(shè)進(jìn)入了一個(gè)快速發(fā)展的階段,隨著鐵路客貨運(yùn)量的增大和列車速度的提高,輪軌滾動(dòng)接觸疲勞所造成的破壞變得越來越嚴(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。隨著列車速度的不斷提高,鐵路無車時(shí)間間隔不斷減少,這意味著鐵路維護(hù)要求越來越高,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。
      [attach]8481[/attach]


      漏磁檢測(cè)具有無污染、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[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的水平分量Bx(與外加磁場平行)和法向分Bz(與被測(cè)試件表面垂直)的二維漏磁場信號(hào)進(jìn)行缺陷識(shí)別,而By(與外加磁場垂直)相對(duì)于另外2個(gè)分量由于幅值較小常被忽略[7]。二維漏磁場信號(hào)的測(cè)量方法對(duì)規(guī)則的、外加磁場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,本文采用三維磁場測(cè)量方法。通過仿真和實(shí)驗(yàn),分析了鋼軌表面典型缺陷漏磁場的分布特征,證明該方法能很快的區(qū)別不同類型的缺陷,而且能為缺陷的定量分析提供更充分、準(zhǔn)確的特征值。

      2 缺陷漏磁場的有限元分析
      為了觀察不同類型的缺陷漏磁場分布,首先采用有限元法對(duì)缺陷漏磁場的三維分布情況進(jìn)行仿真分析。
      2.1 利用Ansoft電磁場有限元分析軟件建立仿真模型
      Ansoft是美國Ansoft公司開發(fā)的一款用于求解電磁場問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)缺陷周圍進(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:
      [attach]8482[/attach]


      [attach]8483[/attach]



      2.2 對(duì)鋼軌表面不同類型缺陷進(jìn)行靜態(tài)仿真
      經(jīng)過實(shí)地調(diào)研,發(fā)現(xiàn)鋼軌上存在以下3種常見的不同類型的表面裂紋缺陷:
      (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不同類型的缺陷,并將夾角選為45°。

      [attach]8484[/attach]


      對(duì)表2所示不同類型的長、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,缺陷周圍±30 mm的直線上(x軸方向)觀察漏磁場的變化。圖3為缺陷漏磁場的Bx、By、Bz分量分布。

      [attach]8485[/attach]


      [attach]8486[/attach]



      從圖3可以明顯的看出,①、②兩種缺陷的漏磁場By分量沒有明顯規(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的By分量,只提取Bx、Bz分量來實(shí)現(xiàn)對(duì)缺陷的定量分析,顯然對(duì)于①、②兩種類型的缺陷是有效的。

      對(duì)于③,其Bx、Bz分量與長寬深相同的類型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)合缺陷漏磁場的Bx、By、Bz分量提取特征值。

      通過有限元仿真分析,確定了不同類型缺陷的漏磁場分布特征,證明了只有對(duì)缺陷漏磁場進(jìn)行三維測(cè)量才能對(duì)鋼軌表面各種不同類型裂紋進(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(圖5)組成。

      [attach]8487[/attach]


      3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析
          檢測(cè)所用鋼軌樣例長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。

      [attach]8488[/attach]


      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)小車上,人工推動(dòng)小車對(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Bx、By、Bz分量及光碼盤采集的位移信號(hào)送至計(jì)算機(jī)處理,得到掃描波形如圖6、7所示。

      [attach]8489[/attach]


      圖6中,由于背景磁場的不同,缺陷漏磁場Bx、By、Bz的基準(zhǔn)線不同。①、②兩種類型的缺陷的漏磁場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By分量的不同,很容易將類型③的缺陷和①、②區(qū)別開來。

      由圖7可以觀察到長、寬,深相同的b、d、f3個(gè)不同類型的缺陷,其漏磁場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)稱的表面裂紋,其漏磁場Bx在缺陷中心線上方有峰值,左右對(duì)稱,且在波形兩側(cè)有一對(duì)大小相等的谷值;其漏磁場Bz分量曲線關(guān)于原點(diǎn)(缺陷表面中點(diǎn))對(duì)稱,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Bx分量的波形出現(xiàn)明顯的不對(duì)稱,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By分量變化明顯。 通過計(jì)算,發(fā)現(xiàn)缺陷f 的Bx、By峰值大小(基準(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。

      [attach]8490[/attach]


      4 結(jié)論
      通過有限元法,對(duì)鋼軌上常見的三種不同類型缺陷,運(yùn)用Ansoft軟件對(duì)其三維漏磁場的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)三種不同類型缺陷的漏磁場信號(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Bx、Bz分量的變化,而且會(huì)對(duì)漏磁場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非垂直,或者實(shí)際缺陷是不規(guī)則形狀時(shí)。類型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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      [3] 林俊明.漏磁檢測(cè)技術(shù)及發(fā)展現(xiàn)狀研究,無損探傷,2006.2(30):1-5
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      作者簡介
      趙颯,(1988-),男,碩士研究生,研究方向:電磁無損檢測(cè)。
      通訊地址:南京市白下區(qū)御道街29號(hào)230信箱
      郵編:210016
      電話:15195986084
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