高速鐵路漏磁檢測缺陷識別技術(shù)探究

摘? 要：在高速鐵路鋼軌損傷檢查方面，還要提出有效的缺陷識別技術(shù)手段?；诖?，本文結(jié)合漏磁檢測原理提出了相應(yīng)的缺陷識別技術(shù)，對鋼軌缺陷信號采集、處理等過程展開了分析。通過開展缺陷檢測實驗可以發(fā)現(xiàn)，采用該技術(shù)至少能夠達(dá)到91%的缺陷識別率，因此能夠滿足高速鐵路檢測需求。

關(guān)鍵詞：高速鐵路;漏磁檢測;缺陷識別

中圖分類號：TP274? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ?文章編號：1671-2064（2019）24-0000-00

0引言

在高速鐵路運營的過程中，列車車輪將在鋼軌表面行進(jìn)，使得鋼軌需要承受車輪施加的循環(huán)作用力。在鋼軌與車輪接觸區(qū)，則容易產(chǎn)生接觸疲勞，導(dǎo)致鋼軌發(fā)生表面材料剝離、裂開等缺陷，給列車運行安全帶來威脅。而采用傳統(tǒng)檢測技術(shù)，難以實現(xiàn)鋼軌缺陷的準(zhǔn)確識別。應(yīng)用漏磁檢測技術(shù)則能實現(xiàn)鋼軌損傷探測，為鋼軌健康狀態(tài)評估提供技術(shù)支撐。

1高速鐵路漏磁檢測原理分析

在高速鐵路鋼軌檢測上，采用傳統(tǒng)接觸式超聲檢測技術(shù)容易受到高速運行列車帶來的振動干擾。采用漏磁檢測技術(shù)，能夠?qū)︿撥壉砻媛┐艌鲞M(jìn)行無損檢測。作為非接觸的檢測方式，可以盡可能減少檢測結(jié)果受到的振動干擾，因此能夠為高速檢測的實現(xiàn)提供技術(shù)支撐。從原理上來看，在鐵磁材料磁化后，缺陷部分會對磁力線進(jìn)行切割，導(dǎo)致材料表面出現(xiàn)漏磁場。通過對材料表面漏磁場變化進(jìn)行檢測，能夠發(fā)現(xiàn)材料存在的缺陷。如圖1所示，被測工件在磁化之前，內(nèi)部材料排布均勻、連續(xù)。磁化后，磁感應(yīng)線將受到內(nèi)部約束，使得工件表面出現(xiàn)平行磁通量。在內(nèi)部材料產(chǎn)生缺陷后，將產(chǎn)生較大的磁阻，磁導(dǎo)率則隨之減小，使得磁通量發(fā)生畸變，部分泄漏到材料表面，導(dǎo)致磁感應(yīng)線發(fā)生變化，能夠在漏磁檢測中被發(fā)現(xiàn)[1]。在對鋼軌進(jìn)行磁化時，可以采用永磁體激勵磁芯，利用激勵源產(chǎn)生的磁場對被測工件進(jìn)行處理。而磁化場擁有較強穿透能力，可以對工件近表面內(nèi)部缺陷進(jìn)行檢測，得到的信號位于低頻頻段，能夠與在高頻頻段集中的噪聲干擾區(qū)分開來，因此能夠滿足鐵路漏磁檢測需求。

2基于漏磁檢測的鋼軌缺陷識別技術(shù)

2.1缺陷信號采集

2.1.1檢測元件

采用漏磁檢測技術(shù)對鋼軌缺陷信號進(jìn)行采集，需要利用磁敏傳感器掌握被測鋼軌表面的漏磁場分布情況。考慮到霍爾元件低頻響應(yīng)特性良好，并且尺寸較小，擁有較高單位空間分辨率，因此可以用于實現(xiàn)檢測探頭設(shè)計。選用的UGN3503線性霍爾傳感器有效芯片面積不超0.2m㎡，鋼軌表面橫向?qū)?0mm，想要對鋼軌表面進(jìn)行覆蓋檢測，還要完成霍爾傳感器列陣的排布，用于對檢測方向、垂直列車前進(jìn)方向、垂直鋼軌表面方向的漏磁場信號進(jìn)行采集。每個方向分布16路傳感器，最終能夠得到48路的傳感器列陣。而霍爾元件在信號檢測方面只有一個有效面，所以需要使元件有效面處于檢測方向，分別為鋼軌徑向BX、鋼軌橫向BY和垂直鋼軌表面方向BZ，通過立體檢測確定鋼軌缺陷大小和深度[2]。

2.1.2采集電路

在鐵路漏磁檢測中，只有少數(shù)鋼軌存在缺陷，如果不斷采集鋼軌信號，將面臨較大數(shù)據(jù)運算負(fù)擔(dān)。為降低數(shù)據(jù)運算量，需要采用觸發(fā)采集電路，利用窗口比較器構(gòu)成的閘門電路進(jìn)行鋼軌缺陷信號檢測。在檢測發(fā)現(xiàn)鋼軌表面存在大缺陷時，電路將產(chǎn)生幅值較大漏磁信號，超出預(yù)先設(shè)定閾值將產(chǎn)生觸發(fā)信號。通過與外設(shè)觸發(fā)信號引腳連接，可以利用觸發(fā)信號使采集卡開始進(jìn)行缺陷信號采集。采用Altium Desiger軟件進(jìn)行仿真分析，能夠確定信號閾值為-1V和4V，電路將輸出高電平，超出閾值將輸出低電平。在檢測信號控制上，需要采用工業(yè)級運放芯片LM393，與閘門比較器輸出端連接，能夠用于實現(xiàn)電路調(diào)試。芯片比較信號為比較器正、負(fù)閾值電壓，采用電位器AD7376完成參數(shù)設(shè)置。在漏磁檢測系統(tǒng)工作過程中，利用上位機軟件完成采集卡有效信號設(shè)置后，可以對觸發(fā)采集閾值范圍進(jìn)行設(shè)定。采用串口通信方式，能夠?qū)f(xié)議發(fā)送至STM32下位機，促使其輸出控制電平，使數(shù)字電位器控制采集卡實現(xiàn)信號檢測。在傳感器列陣檢測發(fā)現(xiàn)存在電壓信號超閾值情況，電路輸出將從高電平轉(zhuǎn)向低電平，觸發(fā)采集設(shè)備對缺陷信號進(jìn)行采集。

2.2信號特征識別

2.2.1特征提取

針對采集到的缺陷信號，還要利用上位機進(jìn)行運算處理，完成信號特征識別。在檢測得到的鋼軌漏磁信號中，包含缺陷信號和各種干燥噪聲。在鋼軌缺陷位置，漏磁場將迅速增大，表現(xiàn)為異常信號波形。對信號進(jìn)行消噪處理后，才能完成波形特征提取，與對應(yīng)缺陷聯(lián)系在一起。從信號變化規(guī)律上來看，在缺陷深度不變時，漏磁場水平分量峰值將隨著缺陷深度增加而增加，反之深度不改變，將隨著寬度增加而增加，甚至出現(xiàn)雙峰情況。漏磁場垂直分量同樣符合這一變化規(guī)律，但峰值間距不會隨深度改變，但在一定范圍內(nèi)與寬度之間存在線性關(guān)系[3]。因此在缺陷信號處理中，需要確定缺陷深度和寬度，掌握走向、形狀等信息。漏磁場信號峰值通常大于正常區(qū)域，但為排除各種噪聲干擾，需要完成門限值設(shè)定，使背景磁場引發(fā)的幅度變化得到盡可能去除，以零值為基準(zhǔn)線對幅度變化進(jìn)行分析。而信號峰值差為特征量，與缺陷變化形狀相對，能夠用于判別缺陷。

2.2.2特征識別

在缺陷信號特征識別上，需要實現(xiàn)特征量的定量分析，根據(jù)信號強度完成缺陷尺寸推算。在實際分析時，需要采用支持向量機的信號融合統(tǒng)計識別方法，能夠結(jié)合多個信號波形特征進(jìn)行鋼軌缺陷識別。在各特征量間，存在非線性關(guān)聯(lián)關(guān)系。從信號中分離得到異常信號，能夠先完成缺陷定性判斷，然后抽取反映信號狀態(tài)的特征向量，采用分類器完成信號特征分類與判別，如圖2所示，需要輸入訓(xùn)練模式樣本特征數(shù)據(jù)，完成特征提取后得到判決準(zhǔn)則。經(jīng)過反復(fù)訓(xùn)練和學(xué)習(xí)，能夠?qū)?zhǔn)則進(jìn)行改進(jìn)，用于缺陷信號特征識別。在16個通道漏磁信號中，可以將27路信號當(dāng)成是訓(xùn)練樣本，用于實現(xiàn)各種缺陷識別特征提取，完成特征量融合，得到新的特征向量，完成SVM分類器訓(xùn)練，用于各種缺陷的識別和分類。而不同通道各個方向檢測信號對缺陷不同段進(jìn)行了覆蓋，在BX方向上包含峰值、峰谷間距、面積等特征量;BY方向包含峰寬比、面積、峰值、能量等特征量;BZ方向包含極限峰值、峰間距等?？傮w包含缺陷特征信息具有一致性，因此能夠取得良好特征識別效果。

2.3檢測承載分析

在漏磁檢測和缺陷識別過程中，需要利用承載機構(gòu)進(jìn)行檢測裝置的裝載，以便能夠使裝置伴隨著車輪運行對各處鋼軌進(jìn)行檢測。結(jié)合列車車輪結(jié)構(gòu)和軌道幾何尺寸，需要采用連接彈簧結(jié)構(gòu)和多部適應(yīng)承載小車進(jìn)行檢測裝置承載。在小車底部，可以進(jìn)行霍爾傳感器列陣電路板的固定，然后在鋼軌側(cè)面角進(jìn)行小車擺放，保證傳感器能夠與車輪貼合，能夠?qū)︿撥壟c車輪接觸面進(jìn)行檢測。實際在鋼軌巡檢的過程中，受表面不平整等因素的影響，容易導(dǎo)致承載結(jié)構(gòu)發(fā)生上下振動，使得檢測信號中存在大量干擾信號，疊加到缺陷信號上將導(dǎo)致裝置采集精度不高[4]。而利用小車頂部彈簧進(jìn)行微調(diào)，能夠使機構(gòu)緊貼鋼軌表面，避免檢測結(jié)果受到行車振動因素的影響。

3高速鐵路漏磁檢測的缺陷識別測試

3.1實驗平臺

按照上述方法進(jìn)行高速鐵路漏磁檢測與缺陷識別測試，可以在GTC-80X型鋼軌探傷車上進(jìn)行實驗平臺搭建。從檢測系統(tǒng)組成上來看，包含磁場激勵、上位機、傳感器列陣、工控機等。其中，磁場激勵可以通過在硅鋼片上纏繞線圈獲得，采取通電控制和改變電源大小方式對線圈的磁化場及磁場強度進(jìn)行調(diào)節(jié)，磁極與鋼軌表面保持2mm空氣間隙，磁化場強約1000mT。配備的數(shù)據(jù)采集卡能夠達(dá)到96路12位3MS/s采樣率，能夠?qū)?shù)據(jù)傳輸至上位機進(jìn)行處理、分析和顯示。在標(biāo)定線上進(jìn)行測試，需要在探傷車承載機構(gòu)上完成檢測裝置安裝，為每股鋼軌配備兩組探頭，并在探頭支架上進(jìn)行勵磁和消磁裝置安裝，探頭傳感器與鋼軌表面保持1mm距離。利用屏蔽線，能夠?qū)z測得到的信號傳遞給安裝在探傷車上的工控機、上位機等部分。在探傷車運行過程中，探頭可以完成漏磁信號檢測，并根據(jù)設(shè)定閾值確定是否進(jìn)行缺陷信號采集和上傳。

3.2實驗條件

實驗采用的軌道為轉(zhuǎn)盤鋼軌試樣，頂面和尺寸與正常軌道相同，材料為U71鋼軌，需要完成不同缺陷加工。結(jié)合缺陷深度、寬度和夾角等參數(shù)，可以劃分為A、B、C、D、E五組，編號范圍分別為1-4、4-7、8-11、12-15、16-19。第一組只有寬度不同，第二組只有深度不同，第三組只有水平角不同，第四組只有垂直角不同，第五組除深度與寬度外其他參數(shù)均不同。結(jié)合實際線路損傷情況，需要將小車運行速度設(shè)定在2-55km/h范圍內(nèi)。為驗證測試結(jié)果是否正確，需要采用人工檢測方式。而檢測的缺陷與鋼軌頂面、縱向等成一定角度，還要在鋼軌磁化時保證方向與缺陷盡量垂直相交，以便使缺陷能夠高效識別。

3.3測試結(jié)果

如表1所示，為測試結(jié)果。從表中數(shù)據(jù)可以看出，采用漏磁檢測技術(shù)進(jìn)行高速鐵路鋼軌缺陷識別，平均能夠達(dá)到98%的識別率，識別率最低能夠達(dá)到91%。C組缺陷識別之所以會受到影響，主要是由于缺陷與水平面角度不斷增加的過程中，缺陷信號幅值將會有所減小。而隨著檢測速度的增加，幅值將有所增加，信噪比也隨之提升，導(dǎo)致缺陷檢出率受到一定影響。通過頻譜分析可以發(fā)現(xiàn)，在巡檢速度得到最高值的情況下，車體振動信號頻率不超過50Hz。而在鋼軌接觸區(qū)域，缺陷信號頻率能夠達(dá)到100Hz以上，因此車體振動不會給檢測結(jié)果帶來過大干擾，能夠保證缺陷識別率在91%以上。此外，在55km/h運行速度下，采用傳感器成像技術(shù)進(jìn)行觀測，可以發(fā)現(xiàn)標(biāo)定線缺陷樣例的電磁信號列陣成像能夠看見清晰缺陷，成像大小、尺寸的變化趨勢與實際相符，因此采用漏磁檢測缺陷識別技術(shù)能夠滿足高速鐵路鋼軌檢測需求。

4結(jié)論

綜上所述，在高速鐵路漏磁檢測中，通過配備磁敏傳感器、信號處理設(shè)備、檢測承載機構(gòu)能夠得到用于鋼軌缺陷識別的裝置，順利實現(xiàn)鋼軌表面缺陷信號檢測和處理，達(dá)到91%以上的缺陷識別率，為鐵路檢修、維護工作的開展提供科學(xué)數(shù)據(jù)依據(jù)。因此相信伴隨著相關(guān)技術(shù)的發(fā)展與完善，系統(tǒng)能夠在高速鐵路管理方面獲得良好應(yīng)用前景。

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收稿日期：2019-11-02

作者簡介：陳雪菲（1996—），女，山東德州人，本科，助理工程師，研究方向：電氣工程及其自動化。