高速漏磁檢測中鋼軌磁化強度的研究

熊龍輝，王 平，齊 婧，王海濤，田貴云，3，高運來（.南京航空航天大學自動化學院，南京 006；.北京青云航空儀表有限公司裝配分廠，北京 00086；3.Newcastle大學 電子電力與計算機工程學院，英國）

為滿足我國旅客運輸需求的快速增長，促進民生改善和經(jīng)濟建設(shè)，到2020年，我國將建設(shè)客車運行速度達200 k m/h以上的客運專線1.8萬公里以上，高鐵里程數(shù)將占據(jù)世界總里程數(shù)的一半以上[1]。然而，隨著高速鐵路里程數(shù)和列車運行速度的增加，鋼軌損傷探測的速度和精度將面臨新的挑戰(zhàn)。鋼軌的裂紋容易造成車輛脫軌、鐵路斷軌等重大安全事故，具有很大的危險性和隱蔽性。承載高速運行列車的鋼軌，其缺陷損傷主要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)部擴展，形成大尺寸橫向疲勞裂紋，最終導致鋼軌發(fā)生橫向折斷[2－3]。所以及時快速地檢測出微小裂紋具有重大意義。

目前常用的鐵路無損探傷技術(shù)主要是超聲檢測，但由于超聲檢測需要耦合劑且存在表面檢測盲區(qū)，很難滿足快速檢測的需求[4]。漏磁無損檢測技術(shù)通過對材料進行磁化，然后通過傳感器拾取被測材料的泄漏磁場，從而實現(xiàn)漏磁非接觸式快速無損檢測[5]。鋼軌材料的磁化強度直接影響漏磁檢測的靈敏度，所以要實現(xiàn)非接觸式快速漏磁檢測，首先得保證鋼軌材料的充分磁化。而且，在快速巡檢過程中，鋼軌材料的磁化過程是動態(tài)磁化，速度效應也會對磁化強度產(chǎn)生影響。同時，勵磁激勵電壓和勵磁激勵提離的選擇對材料磁化效果也是至關(guān)重要[6－7]的。

1 理論基礎(chǔ)

1.1 鋼軌磁化機理

作為鐵磁性材料的鋼軌，其磁化機理和其他鐵磁性材料一樣，現(xiàn)在普遍接受的理論模型是用磁疇解釋材料的磁化過程。材料內(nèi)部具有相同排列方向的一小塊區(qū)域內(nèi)的所有原子磁矩稱為磁疇。磁疇與磁疇之間稱為磁疇壁。數(shù)以萬計的磁疇壁和磁疇組成了宏觀材料。

在無外加磁場情況下，這些磁疇的磁矩方向雜亂無章，從而材料的總磁矩為零，宏觀上對外不表現(xiàn)出磁性，如圖1（a）所示。當加上較弱的外加磁場時，那些磁化方向和外加磁場方向一致或比較接近的磁疇體積開始慢慢擴大，而與外加磁場方向相反的磁疇體積漸漸減小，這一過程就是疇壁的位移，如圖1（b）和（c）所示。隨著外加磁場的增加，與磁疇方向不一致的磁疇磁矩將漸漸轉(zhuǎn)向磁場方向，如果外加磁場增加到一定值，所有的磁疇的磁矩都與外加磁場方向一致，這時即達到了飽和磁化，如圖1（d）和（e）所示[8]。

圖1 鐵磁性材料磁化過程示意圖

在外加磁場一定的情況下，鋼軌材料磁疇位移的過程所花費的時間，被稱為磁化時間。如果鋼軌沒有達到飽和磁化，此時鋼軌材料的磁疇就沒有完全反轉(zhuǎn)，材料的等效磁導率相對于飽和磁化的材料等效磁導率更小，此處稱為不同磁化狀態(tài)的材料磁導率的不同狀態(tài)。在高速漏磁檢測時，磁化時間直接影響檢測速度，所以該時間需要盡量縮短以提高檢測速度。鋼軌磁化的激勵電壓和傳感器及勵磁激勵的提離對檢測速度的影響至關(guān)重要。

1.2 磁路分析

1.2.1 磁場磁路定律及分析

在非均勻磁路中，安培環(huán)路定律如下式所示[9]：

式中：L是沿磁路選取的積分環(huán)路；N和I分別是線圈匝數(shù)和線圈傳導電流；H i，Bi，μi，l i和S i分別是第i段磁路的磁場強度、磁感應強度、磁導率、長度和截面積。根據(jù)磁場的高斯定理，閉合磁路中各截面的磁通量必定相等，所以式（1）可以寫成：

式中：NI稱為磁動勢，用εm表示稱為磁阻，用Rm表示；ΦRm稱為磁壓降。式（2）表示，閉合磁路的磁動勢等于各段磁路上磁壓降之和，這就是磁路定律。

根據(jù)安培環(huán)路定律分析裂紋漏磁檢測的磁路。該磁路分為三部分：磁軛部分、氣隙部分和被測件部分，如圖2所示。該磁路可以用式（3）表示。

圖2 鋼軌漏磁檢測磁路模型

式中：L0，L1，L2分別為氣隙部分、磁軛部分和被測件部分的磁路長度；S0，S1，S2分別為氣隙部分、磁軛部分和被測件部分的截面積，φ為磁路的磁通量；μ0，μ1，μ2分別為空氣、磁軛和被測件的磁導率。其中空氣磁導率μ0＝4π×10－7H/m為常數(shù)。

該磁路為磁軛部分、氣隙部分和被測件部分三部分磁阻串聯(lián)。其中空氣的磁導率遠遠小于磁軛和被測試件鋼軌的磁導率，所以空氣部分的磁阻遠遠大于氣隙部分和被測件部分，磁勢能大部分消耗于空氣氣隙處。

1.2.2 缺陷處磁阻分析

缺陷處的磁場分布可分為三部分，如圖3所示，材料部分、裂紋處空氣和傳感器檢測處空氣。這三部分的磁阻相當于并聯(lián)，它們對被測件部分的磁通量按磁阻的比例分配。此并聯(lián)電路的關(guān)系式如下：

圖3 鋼軌缺陷處的磁力線分布圖

在勵磁激勵提供的磁動勢和勵磁及傳感器提離不變時，隨著巡檢速度增加，被測材料的等效磁導率將減小而磁阻增大，所以整個磁路的磁阻將增加，磁通量將減小，被測材料的磁化強度將減弱。另一方面，在整個串聯(lián)磁路中，被測材料部分的磁阻增加，使得此部分消耗的磁動勢在整個磁路中所占比例將增加。并且在被測材料部分的并聯(lián)磁路中，由于材料部分的磁導率減小而磁阻的增加，裂紋處空氣和傳感器檢測部分的空氣磁導率不變，所以流過傳感器部分的磁通量在該部分所占比例將增加，即在整個磁路的磁通量減小程度比被測材料磁導率減小而導致的傳感器檢測部分的磁通量的增加程度小時，檢測到的缺陷漏磁場將增大。

在巡檢速度和勵磁及傳感器的提離不變時，隨著勵磁激勵的增加，整個磁路的磁通量將增加，被測材料的磁化強度將增強。另一方面，被測材料處磁化強度的增強，直接導致缺陷漏磁場的增加。

在巡檢速度和勵磁激勵的磁勢能不變時，隨著勵磁及傳感器提離的增加，在空氣隙處的磁阻將增加，所以整個磁路的磁通量將減小，導致被測材料的磁化強度減弱。另一方面，被測材料的磁化強度的減弱，將直接導致缺陷漏磁場的減小。

2 高速漏磁巡檢中的材料磁化強度試驗

在高速裂紋檢測過程中，對鋼軌磁化強度的驗證可以以鋼軌磁化狀態(tài)下的等效磁導率為切入點。通過上述理論基礎(chǔ)，從空氣間隙處磁感應強度和缺陷漏磁場的相對幅值這兩方面推導磁導率的狀態(tài)，從而驗證鋼軌的磁化狀態(tài)及漏磁檢測效果。

2.1 試驗驗證系統(tǒng)

鋼軌試驗驗證系統(tǒng)由兩部分組成：無損檢測高速試驗平臺和鋼軌裂紋檢測裝置。無損檢測高速試驗平臺運用軌道式轉(zhuǎn)盤代替鋼軌，轉(zhuǎn)盤表面設(shè)計成鋼軌的軌頭，且轉(zhuǎn)盤的材料采用鋼軌的材料，轉(zhuǎn)盤周長為2.667 m。以固定檢測裝置，軌道式轉(zhuǎn)盤高速轉(zhuǎn)動來模擬檢測裝置和被測鋼軌之間的相對運動。轉(zhuǎn)盤的線速度范圍為2～55 m/s。根據(jù)常見的鋼軌裂紋損傷，在軌道式轉(zhuǎn)盤上加工了一系列的人工缺陷。

鋼軌裂紋檢測裝置主要由磁化器、傳感器探頭、調(diào)理電路、采集卡及PC機處理器組成。磁化器包括正向磁軛和反向磁軛，磁軛勵磁線圈激勵為直流穩(wěn)定電壓，勵磁磁軛產(chǎn)生的磁化場對鋼軌的磁化方向相反。正向磁軛對鋼軌材料進行激勵磁化，從而使被測鋼軌裂紋處產(chǎn)生漏磁場以供檢測；反向磁軛對被測鋼軌進行反向磁化，使鋼軌材料的磁疇方向反轉(zhuǎn)，以便每一次鋼軌被正向磁軛磁化時都不受上一次磁化后的剩磁影響。傳感器探頭包括三維霍爾傳感器和特斯拉計。三維霍爾探頭檢測裂紋處的漏磁場的X，Y，Z三個方向的漏磁信號，特斯拉計檢測磁路空氣隙處的磁感應強度。調(diào)理電路主要由AD620儀用放大器對檢測到的信號進行偏置差分放大，將霍爾傳感器探測到的毫伏級檢測信號放大到±10 V范圍內(nèi)。數(shù)據(jù)采集卡采用ADLINK DAQ2204，采集頻率設(shè)置為120 k Hz，采集電壓范圍±10 V。PC機接收采集卡信號，并對信號進行分析。整個試驗驗證系統(tǒng)如圖4所示。

2.2 試驗結(jié)果分析

采用上述試驗驗證系統(tǒng)進行試驗，對軌道式轉(zhuǎn)盤上深度為4 mm，寬度為0.4 mm，水平角75°，垂直角90°的裂紋漏磁場的X分量（沿X方向的漏磁場分量）和磁路空氣隙處的磁感應強度進行分析。從巡檢速度、勵磁激勵和傳感器提離三個角度分析不同速度漏磁巡檢過程中的鋼軌材料磁導率的變化狀態(tài)。其中裂紋缺陷及其X分量和漏磁信號相對幅值示意圖如圖5所示。

圖4 試驗驗證系統(tǒng)

圖5 裂紋缺陷及其X分量和漏磁信號相對幅值示意圖

2.2.1 漏磁巡檢速度對鋼軌磁感應強度的影響

霍爾傳感器與被測鋼軌提離為15 mm，激勵電壓為10 V，檢測速度范圍為2～55 m/s。此時空氣隙處的磁感應強度隨速度的變化如圖6（a）所示，缺陷漏磁場X分量的相對幅值隨速度的變化如圖6（b）所示。

由圖6可知，隨著巡檢速度的增加，空氣隙處的磁感應強度減小，由于此時空氣的截面積和磁阻不變，所以空氣隙部分的磁動勢及整個磁路的磁通量是減小的，被測材料的磁化強度也是減弱的。此時的勵磁激勵的磁動勢和空氣及磁軛的磁阻是不變的。磁通量的減小是由于被測材料的磁導率減小而磁阻的增加，所以，速度的提高將導致被測材料磁化強度的減弱。

由圖6（b）可知，在速度為2～55 m/s范圍內(nèi)，隨著巡檢速度的增加，缺陷漏磁場的相對幅值會增加。一方面，隨著巡檢速度的增加，被測材料的等效磁導率將減小而磁阻增大，空氣隙和勵磁材料的磁阻不變，所以在此時勵磁激勵提供的總磁動勢不變的情況下，被測材料部分消耗的磁動勢是增加的。另一方面，由于漏磁場處空氣磁導率不變，即磁阻不變，然而鋼軌材料的磁導率減小，磁阻增加，所以由式（4）～（6）可知，鋼軌這一部分的磁通量分布在漏磁場處空氣處的比例增加。所以，在整個磁路的磁通量減小程度比被測材料磁導率減小而導致的傳感器檢測部分的磁通量的增加程度小時，檢測到的缺陷漏磁場將增大。即在實際檢測中，速度在2～55 m/s范圍內(nèi)，巡檢速度越高，裂紋漏磁信號的信噪比將越高，越利于缺陷的探測。

2.2.2 勵磁激勵對鋼軌磁感應強度的影響分析

霍爾傳感器與被測鋼軌提離為15 mm，線圈勵磁激勵電壓范圍為5～40 V，檢測速度為15 m/s。此時空氣隙處的磁感應強度隨激勵電壓的變化如圖7（a）所示，缺陷漏磁場X分量的相對幅值隨激勵電壓的變化如圖7（b）所示。

由圖7（a）可知，在漏磁巡檢速度和提離不變的情況下，隨著激勵的增加，空氣隙的磁感應強度也將增加。由于此時空氣的截面積和磁阻不變，所以空氣隙部分的磁動勢及整個磁路的磁通量是增加的。被測材料的磁化強度也是增強的。其主要原因就是激勵的增加導致整個磁路消耗的磁動勢的增加。所以，勵磁激勵的增加將導致被測材料磁化強度的增強。

由圖7（b）可知，在漏磁巡檢速度和提離不變的情況下，隨著勵磁激勵的增加，缺陷漏磁場的相對幅值將增加。其主要原因是被測材料的磁化強度的增加導致。所以在實際檢測中，在保證被測鋼軌和探頭順利相對運動的前提下，應盡量增加激勵源的電壓。

2.2.3 提離對磁導率的影響

高速漏磁巡檢試驗過程中，三維霍爾傳感器與勵磁磁軛固定在一起組成檢測探頭，使得檢測到被測鋼軌表面的距離（漏磁檢測探頭的提離）在2～30 mm范圍內(nèi)變化，勵磁激勵電壓為40 V，檢測速度為20 m/s。此時空氣隙處的磁場強度隨提離的變化如圖8（a）所示，缺陷漏磁場X分量的相對幅值隨提離的變化如圖8（b）所示。

圖6 漏磁巡檢速度對磁感應強度的影響

圖7 磁場隨激勵電壓的變化

圖8 提離對磁感應強度的影響

由圖8（a）可知，在巡檢速度和勵磁激勵的磁勢能不變時，隨著勵磁及傳感器的提離的增加，空氣隙處磁感應強度將減小。由于隨著勵磁及傳感器的提離L0的增加，所以在空氣隙處的磁阻是增加的。而勵磁激勵的磁動勢不變，所以空氣隙處磁感應強度是減小的，整個磁路的磁通量也是減小的，被測材料的磁化強度減弱。

由圖8（b）可知，在漏磁巡檢速度和勵磁激勵電壓不變的情況下，隨著激勵及傳感器的提離的增加，缺陷漏磁場的相對幅值將增加。其主要原因是被測材料的磁化強度減弱所致。所以在實際檢測中，在保證被測鋼軌和探頭順利相對運動的前提下，應盡量減小被測鋼軌和探頭的提離。

3 結(jié)語

通過對高速鋼軌漏磁檢測磁化狀態(tài)的研究發(fā)現(xiàn)，檢測速度、激勵電壓和提離對鋼軌的磁化狀態(tài)都有不同程度的影響。速度范圍在2～55 m/s時，速度越高，雖然鋼軌磁導率會逐漸下降，磁化強度減弱，但裂紋漏磁信號的檢測靈敏度將變高，更利于缺陷的探測。對于激勵電源，激勵電壓越高，被測材料磁化強度越強，裂紋漏磁場越強，所以在保證被測鋼軌和探頭順利相對運動的前提下，盡量增加激勵源的電壓。對提離的控制，實際檢測中在保證被測鋼軌和探頭順利相對運動的前提下，盡量減小被測鋼軌和探頭的提離，以減小磁動勢能的消耗并得到信噪比更高的缺陷漏磁信號。

由缺陷漏磁場隨速度的變化圖可知，當速度增加到一定程度后，缺陷漏磁場的增加將變得較之前緩慢，或有可能趨于飽和，或在速度達到一定程度后，缺陷漏磁場將呈減小的趨勢。達到飽和速度時，整個磁路的磁通量減小程度將等于被測材料磁導率減小而導致的傳感器檢測部分的磁通量的增加程度。所以，對缺陷漏磁場飽和時速度和速度更高以后漏磁場減小時的轉(zhuǎn)折速度的探究將有重大意義。

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