鋼軌表面缺陷漏磁檢測的三維特征分析

1 引言
我國高速鐵路的建設進入了一個快速發展的階段，隨著鐵路客貨運量的增大和列車速度的提高，輪軌滾動接觸疲勞所造成的破壞變得越來越嚴重。在高速運行狀態下，鐵軌的損傷缺陷則主要表現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部擴展并形成大尺寸橫向疲勞裂紋，最終導致鋼軌發生橫向折斷[1,2] ，如圖1所示。隨著列車速度的不斷提高，鐵路無車時間間隔不斷減少，這意味著鐵路維護要求越來越高，實現對鐵路鐵軌進行高速巡檢，及時發現和判斷鐵軌缺陷顯得十分重要。

漏磁檢測具有無污染、不需耦合劑、快速、高可靠性等優點，因此漏磁檢測技術被廣泛用于油氣管道、鐵路軌道等領域的缺陷檢測[3-4]。當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，由于缺陷磁導率小、磁阻大，在缺陷附近的磁感應線分布會發生變化，一部分將泄漏出鐵磁材料表面，形成漏磁場[5-6]。漏磁信號隨著缺陷幾何尺寸及形狀不同而變化，采用漏磁檢測傳感器來檢測漏磁信號的變化，將獲得缺陷信息。

傳統的漏磁檢測方法，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（與被測試件表面垂直）的二維漏磁場信號進行缺陷識別，而By（與外加磁場垂直）相對于另外2個分量由于幅值較小常被忽略[7]。二維漏磁場信號的測量方法對規則的、外加磁場方向與缺陷主表面垂直的缺陷有較高的識別率，但當缺陷主平面與外加磁場非垂直，或者實際缺陷是不規則形狀時，傳統的二維漏磁場信號測量方法將不能對缺陷的形狀和尺寸進行準確識別[4]。

為了克服傳統漏磁檢測技術存在的不足，實現對鋼軌表面復雜裂紋缺陷的準確識別，本文采用三維磁場測量方法。通過仿真和實驗，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缺陷漏磁場的三維分布情況進行仿真分析。
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，該軟件利用自適應分析法作為基本的網格剖分方法，使求解問題的速度和效率得到提高[8]。

由于鋼軌結構復雜，現只以軌頭部分（近似看作長方體）作為被測對象，在Ansoft 3D下建立鋼軌漏磁檢測裝置模型，如圖2所示。表中空氣實體是為了對缺陷周圍進行網格細化。磁軛與鋼軌間的氣隙間距為2mm。各部分參數如表１所示：

2.2 對鋼軌表面不同類型缺陷進行靜態仿真
經過實地調研，發現鋼軌上存在以下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°。

對表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。

從圖３可以明顯的看出，①、②兩種缺陷的漏磁場By分量沒有明顯規律性且幅值很小。傳統的漏磁檢測方法忽略缺陷漏磁場的By分量，只提取Bx、Bz分量來實現對缺陷的定量分析，顯然對于①、②兩種類型的缺陷是有效的。

對于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，如果損失關鍵量By信息，只從Bx、Bz分量提取特征值來實現對缺陷的定量分析必然會失真。要實現對類型③的鋼軌表面缺陷的準確識別，必需結合缺陷漏磁場的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，證明了只有對缺陷漏磁場進行三維測量才能對鋼軌表面各種不同類型裂紋進行準確識別和定量分析。
3 實驗分析
3.1試驗平臺的建立
在理論分析和仿真試驗的基礎上，建立漏磁檢測的試驗平臺。平臺結構如圖4所示，由鋼軌試樣和傳感器部分、信號放大調理部分、數據采集部分、信號激勵部分、碼盤位移信號采集部分、鋼軌試樣、計算機處理部分以及檢測小車（圖5）組成。

3.2 實驗結果分析
    檢測所用鋼軌樣例長1.4m，為克服邊緣效應的影響，以其中間700mm為被測區域，在其表面加工人工缺陷8個。各缺陷的參數如表3所示。

利用已建立的三維漏磁檢測系統，在激勵線圈上施加15 V 的直流電壓，探頭固定在磁軛下方，磁軛放在檢測小車上，人工推動小車對包含若干表面缺陷的鋼軌進行掃描檢測，掃描方向為軌道走向方向（即為x方向），掃描速度小于0.5m/s（忽略速度效應的影響）。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送至計算機處理，得到掃描波形如圖6、7所示。

圖6中，由于背景磁場的不同，缺陷漏磁場Bx、By、Bz的基準線不同。①、②兩種類型的缺陷的漏磁場ｙ分量變化太小，實驗所用的霍爾（A1302）探頭幾乎測不到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區別開來。

由圖7可以觀察到長、寬，深相同的b、d、ｆ3個不同類型的缺陷，其漏磁場Bx、By、Bz分量的曲線形狀和大小與仿真結果相吻合：
（1）缺陷d為對稱的表面裂紋，其漏磁場Bx在缺陷中心線上方有峰值，左右對稱，且在波形兩側有一對大小相等的谷值；其漏磁場Bz分量曲線關于原點（缺陷表面中點）對稱，且在靠近原點兩側各有一個大小相等，正負相反的峰值；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分量的波形出現明顯的不對稱，左邊出現較大波谷，右邊波谷消失；Bz分量的正峰值變大，負峰值變小，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。 通過計算，發現缺陷f 的Bx、By峰值大小（基準線到峰值點的幅值）相等，這可以作為判斷與鋼軌走向呈45°夾角的一個特征值。
試驗證明：對鋼軌表面缺陷的漏磁場進行三維測量方法，克服了傳統的二維測量方法存在的不足，能快速識別不同類型的缺陷，而且能為缺陷的定量分析提供更充分的特征值，其優越性非常明顯。

4 結論
通過有限元法，對鋼軌上常見的三種不同類型缺陷，運用Ansoft軟件對其三維漏磁場的Bx分量、By分量和Bz分量的分布情況進行分析；采用三維漏磁檢測系統對三種不同類型缺陷的漏磁場信號進行檢測。仿真和實驗結果表明缺陷的擾動不僅會導致漏磁場Bx、Bz分量的變化，而且會對漏磁場By分量產生一定的影響，特別是當缺陷主平面與外加磁場非垂直，或者實際缺陷是不規則形狀時。類型③的缺陷，By分量與Bx分量存在著一定的對應關系，這對于與軌道走向呈一定夾角缺陷的識別有重要意義。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的對應關系，同時結合Bx、By、Bz 分量對任意形狀和任意走向的缺陷掃描成像。
5 參考文獻
[1] 鄧建輝，劉啟越，王飛龍，吳雄先.車速對鋼軌磨損影響及高速線路鋼軌選用，鋼鐵釩鈦，2006.9:27(3).
[2] 趙雪芹，鐘雯，王文健，劉啟躍.高速重載線路鋼軌損傷特性分析，潤滑與密封，2007，32(10)：100-102.
[3] 林俊明.漏磁檢測技術及發展現狀研究，無損探傷，2006.2（30）：1-5
[4]Yong Li, WILSON J W, TIAN G Y. Experiment and simulation study of3D magnetic field sensing for magnetic flux leakage defect characterization[J]. NDT&E International ,2007(40):179-184
[5]任吉林,林俊明. 電磁無損檢測[M]. 北京:科學出版社，2008:290-291.
[6] AL-NAEMI F I, HALL J P, MOSES A J. FEM modeling techniques of magnetic flux leakage-type NDT for ferromagnetic plate inspections[J]. Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 2006,304:790-793.
[7]NESTLEROTH J B, BUBENIK T A. Magnetic flux leakage technology for natural gas pipeline inspection[J].Technical Report GRI-00/0180[R]. Battelle, Topical Report to Gas Research Institute, February 1999.
[8] 杜志葉，阮江軍，王賢琴，張新平.基于Ansoft軟件的鋼管漏磁檢測三維有限元仿真研究,無損檢測[J]，2005,27(6):281-285


作者簡介
趙颯，（1988-），男，碩士研究生，研究方向：電磁無損檢測。
通訊地址：南京市白下區御道街29號230信箱
郵編：210016
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