自由鸟/;f 发表于 2014-3-5 10:16:24

钢轨表面缺陷漏磁检测的三维特征分析

1 引言
我国高速铁路的建设进入了一个快速发展的阶段,随着铁路客货运量的增大和列车速度的提高,轮轨滚动接触疲劳所造成的破坏变得越来越严重。在高速运行状态下,铁轨的损伤缺陷则主要表现为钢轨踏面的斜线状接触疲劳裂纹,并沿斜向以一定角度迅速向轨头内部扩展并形成大尺寸横向疲劳裂纹,最终导致钢轨发生横向折断 ,如图1所示。随着列车速度的不断提高,铁路无车时间间隔不断减少,这意味着铁路维护要求越来越高,实现对铁路铁轨进行高速巡检,及时发现和判断铁轨缺陷显得十分重要。


漏磁检测具有无污染、不需耦合剂、快速、高可靠性等优点,因此漏磁检测技术被广泛用于油气管道、铁路轨道等领域的缺陷检测。当铁磁性材料在外加磁场的作用下被磁化,若材料的表面或近表面存在裂纹等缺陷,由于缺陷磁导率小、磁阻大,在缺陷附近的磁感应线分布会发生变化,一部分将泄漏出铁磁材料表面,形成漏磁场。漏磁信号随着缺陷几何尺寸及形状不同而变化,采用漏磁检测传感器来检测漏磁信号的变化,将获得缺陷信息。

传统的漏磁检测方法,通常提取缺陷漏磁场的水平分量Bx(与外加磁场平行)和法向分Bz(与被测试件表面垂直)的二维漏磁场信号进行缺陷识别,而By(与外加磁场垂直)相对于另外2个分量由于幅值较小常被忽略。二维漏磁场信号的测量方法对规则的、外加磁场方向与缺陷主表面垂直的缺陷有较高的识别率,但当缺陷主平面与外加磁场非垂直,或者实际缺陷是不规则形状时,传统的二维漏磁场信号测量方法将不能对缺陷的形状和尺寸进行准确识别。

为了克服传统漏磁检测技术存在的不足,实现对钢轨表面复杂裂纹缺陷的准确识别,本文采用三维磁场测量方法。通过仿真和实验,分析了钢轨表面典型缺陷漏磁场的分布特征,证明该方法能很快的区别不同类型的缺陷,而且能为缺陷的定量分析提供更充分、准确的特征值。

2 缺陷漏磁场的有限元分析
为了观察不同类型的缺陷漏磁场分布,首先采用有限元法对缺陷漏磁场的三维分布情况进行仿真分析。
2.1 利用Ansoft电磁场有限元分析软件建立仿真模型
Ansoft是美国Ansoft公司开发的一款用于求解电磁场问题的有限元分析软件,该软件利用自适应分析法作为基本的网格剖分方法,使求解问题的速度和效率得到提高。

由于钢轨结构复杂,现只以轨头部分(近似看作长方体)作为被测对象,在Ansoft 3D下建立钢轨漏磁检测装置模型,如图2所示。表中空气实体是为了对缺陷周围进行网格细化。磁轭与钢轨间的气隙间距为2mm。各部分参数如表1所示:





2.2 对钢轨表面不同类型缺陷进行静态仿真
经过实地调研,发现钢轨上存在以下3种常见的不同类型的表面裂纹缺陷:
(1)缺陷主平面和钢轨走向及水平面均垂直(等同于夹角为90°)。
(2)缺陷主平面和水平面呈一定夹角,与轨道走向垂直。
(3)缺陷主平面与轨道走向呈一定夹角,与水平面垂直。
因此,以3种不同类型的缺陷为钢轨表面裂纹缺陷的典型代表,进行仿真分析。表2介绍了钢轨表面3不同类型的缺陷,并将夹角选为45°。



对表2所示不同类型的长、宽、深分别为 20 mm、0.5 mm、4 mm的钢轨表面缺陷进行仿真。选取离试件表面2mm处,缺陷周围±30 mm的直线上(x轴方向)观察漏磁场的变化。图3为缺陷漏磁场的Bx、By、Bz分量分布。






从图3可以明显的看出,①、②两种缺陷的漏磁场By分量没有明显规律性且幅值很小。传统的漏磁检测方法忽略缺陷漏磁场的By分量,只提取Bx、Bz分量来实现对缺陷的定量分析,显然对于①、②两种类型的缺陷是有效的。

对于③,其Bx、Bz分量与长宽深相同的类型①缺陷相比,曲线轮廓相似而幅值却小很多,如果损失关键量By信息,只从Bx、Bz分量提取特征值来实现对缺陷的定量分析必然会失真。要实现对类型③的钢轨表面缺陷的准确识别,必需结合缺陷漏磁场的Bx、By、Bz分量提取特征值。

通过有限元仿真分析,确定了不同类型缺陷的漏磁场分布特征,证明了只有对缺陷漏磁场进行三维测量才能对钢轨表面各种不同类型裂纹进行准确识别和定量分析。
3 实验分析
3.1试验平台的建立
在理论分析和仿真试验的基础上,建立漏磁检测的试验平台。平台结构如图4所示,由钢轨试样和传感器部分、信号放大调理部分、数据采集部分、信号激励部分、码盘位移信号采集部分、钢轨试样、计算机处理部分以及检测小车(图5)组成。



3.2 实验结果分析
    检测所用钢轨样例长1.4m,为克服边缘效应的影响,以其中间700mm为被测区域,在其表面加工人工缺陷8个。各缺陷的参数如表3所示。



利用已建立的三维漏磁检测系统,在激励线圈上施加15 V 的直流电压,探头固定在磁轭下方,磁轭放在检测小车上,人工推动小车对包含若干表面缺陷的钢轨进行扫描检测,扫描方向为轨道走向方向(即为x方向),扫描速度小于0.5m/s(忽略速度效应的影响)。将三维霍尔探头采集的漏磁场Bx、By、Bz分量及光码盘采集的位移信号送至计算机处理,得到扫描波形如图6、7所示。



图6中,由于背景磁场的不同,缺陷漏磁场Bx、By、Bz的基准线不同。①、②两种类型的缺陷的漏磁场y分量变化太小,实验所用的霍尔(A1302)探头几乎测不到By分量的变化。显然,利用漏磁场By分量的不同,很容易将类型③的缺陷和①、②区别开来。

由图7可以观察到长、宽,深相同的b、d、f3个不同类型的缺陷,其漏磁场Bx、By、Bz分量的曲线形状和大小与仿真结果相吻合:
(1)缺陷d为对称的表面裂纹,其漏磁场Bx在缺陷中心线上方有峰值,左右对称,且在波形两侧有一对大小相等的谷值;其漏磁场Bz分量曲线关于原点(缺陷表面中点)对称,且在靠近原点两侧各有一个大小相等,正负相反的峰值;其漏磁场By分量的变化不明显,为一条幅值为0的直线。
(2)缺陷b,与缺陷d相比,其漏磁场Bx分量的波形出现明显的不对称,左边出现较大波谷,右边波谷消失;Bz分量的正峰值变大,负峰值变小,By分量也为一条幅值在0附近的直线。
(3)缺陷f,与缺陷d相比,漏磁场Bx、Bz分量的曲线形状与后者相同,但幅值为其1/2左右,其漏磁场By分量变化明显。 通过计算,发现缺陷f 的Bx、By峰值大小(基准线到峰值点的幅值)相等,这可以作为判断与钢轨走向呈45°夹角的一个特征值。
试验证明:对钢轨表面缺陷的漏磁场进行三维测量方法,克服了传统的二维测量方法存在的不足,能快速识别不同类型的缺陷,而且能为缺陷的定量分析提供更充分的特征值,其优越性非常明显。



4 结论
通过有限元法,对钢轨上常见的三种不同类型缺陷,运用Ansoft软件对其三维漏磁场的Bx分量、By分量和Bz分量的分布情况进行分析;采用三维漏磁检测系统对三种不同类型缺陷的漏磁场信号进行检测。仿真和实验结果表明缺陷的扰动不仅会导致漏磁场Bx、Bz分量的变化,而且会对漏磁场By分量产生一定的影响,特别是当缺陷主平面与外加磁场非垂直,或者实际缺陷是不规则形状时。类型③的缺陷,By分量与Bx分量存在着一定的对应关系,这对于与轨道走向呈一定夹角缺陷的识别有重要意义。下一步的工作将分析在与轨道走向呈不同夹角的钢轨表面缺陷下,缺陷漏磁场By 分量与Bx的对应关系,同时结合Bx、By、Bz 分量对任意形状和任意走向的缺陷扫描成像。
5 参考文献
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任吉林,林俊明. 电磁无损检测. 北京:科学出版社,2008:290-291.
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杜志叶,阮江军,王贤琴,张新平.基于Ansoft软件的钢管漏磁检测三维有限元仿真研究,无损检测,2005,27(6):281-285


作者简介
赵飒,(1988-),男,硕士研究生,研究方向:电磁无损检测。
通讯地址:南京市白下区御道街29号230信箱
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nde7225030 发表于 2014-3-5 12:56:21

:)

sppmath 发表于 2015-6-23 17:25:02

好工作,学习了

中物技术 发表于 2015-6-25 09:16:21

学习学习

ddbest 发表于 2016-1-8 13:09:16

欢迎加入 【漏磁讨论组-检测仿真】159805849
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