鋼軌漏磁檢測(cè)仿真分析及試驗(yàn)研究

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430063)

0 引言

為滿足我國(guó)快速增長(zhǎng)的旅客運(yùn)輸需求，截止到2018年底，我國(guó)高速鐵路營(yíng)業(yè)里程達(dá)到了2.9萬(wàn)km，超過(guò)全世界高鐵總里程的2/3。預(yù)計(jì)到2030年，高速鐵路網(wǎng)將連接主要城市群，實(shí)現(xiàn)相鄰大中城市間1～4 h交通圈，城市群內(nèi)0.5～2 h交通圈[1]。然而，隨著列車運(yùn)行速度和行車密度的增加，使輪軌滾動(dòng)接觸疲勞導(dǎo)致的鋼軌裂紋成為鋼軌損傷的主要缺陷[2-3]。

目前，針對(duì)鋼軌傷損的檢測(cè)方法主要有超聲檢測(cè)、渦流檢測(cè)、視覺(jué)檢測(cè)和漏磁檢測(cè)[4]。超聲檢測(cè)方法對(duì)鋼軌內(nèi)部傷損的檢測(cè)較為成熟，但存在表面及亞表面的檢測(cè)盲區(qū)，且檢測(cè)需涂抹耦合劑，檢測(cè)機(jī)構(gòu)復(fù)雜，對(duì)鋼軌滾動(dòng)接觸疲勞裂紋的檢測(cè)效果并不理想；渦流檢測(cè)可檢測(cè)到鋼軌表面及亞表面不同深度的缺陷，但檢測(cè)結(jié)果易受提離變化等多種干擾因素的影響，不適用于鋼軌裂紋的直觀和快速檢測(cè)；視覺(jué)檢測(cè)可有效檢測(cè)軌面擦傷、剝落掉塊等鋼軌表面狀態(tài)，難以檢測(cè)鋼軌表面微缺陷，更無(wú)法檢測(cè)內(nèi)部傷損；而漏磁檢測(cè)技術(shù)可有效檢測(cè)鋼軌軌頭表面及亞表面缺陷，具有檢測(cè)靈敏度高、檢測(cè)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)非接觸式的自動(dòng)化巡檢等優(yōu)點(diǎn)[5-9]。

針對(duì)鋼軌軌面?zhèn)麚p的檢測(cè)需求，設(shè)計(jì)了一種攜帶有漏磁檢測(cè)裝置的鋼軌探傷小車，并基于漏磁檢測(cè)原理，通過(guò)ANSYS仿真分析和缺陷試驗(yàn)，得出了漏磁檢測(cè)信號(hào)與傳感器提離值及鋼軌軌面相關(guān)缺陷尺寸的對(duì)應(yīng)變化關(guān)系。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 檢測(cè)原理

鋼軌漏磁檢測(cè)的原理如圖1所示。在永磁體產(chǎn)生的磁場(chǎng)作用下，鋼軌軌頭部分被磁化[10-11]，若鋼軌軌面完整平滑且無(wú)裂紋、腐蝕等缺陷，則軌頭被磁化后產(chǎn)生的磁力線，全部從軌頭內(nèi)部均勻穿過(guò)[12]；若軌頭的表面或亞表面存在裂紋等缺陷，則缺陷附近材質(zhì)的磁導(dǎo)率變小、磁阻變大，軌頭內(nèi)的磁場(chǎng)畸變，磁力線發(fā)生變化，部分磁力線溢出軌頭外，在軌頭缺陷周圍形成漏磁場(chǎng)[13]。

圖1 漏磁檢測(cè)原理示意

因此，當(dāng)軌頭表面及亞表面存在缺陷時(shí)，可使用霍爾傳感器等磁敏元件對(duì)缺陷漏磁場(chǎng)信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，磁敏元件經(jīng)過(guò)磁電轉(zhuǎn)換得到的電信號(hào)傳至上位機(jī)處理后，即可得到軌頭的相應(yīng)缺陷特征信息。

1.2 總體方案

針對(duì)鋼軌缺陷快速掃查的需求，采用模塊化的設(shè)計(jì)理念，提出了一種鋼軌探傷漏磁檢測(cè)小車。如圖2所示，該系統(tǒng)主要包括了探傷小車和漏磁檢測(cè)裝置。其中，漏磁檢測(cè)裝置主要包括了螺桿、驅(qū)動(dòng)機(jī)箱、支撐架、永磁體、鋼刷和霍爾傳感器。

漏磁檢測(cè)裝置通過(guò)支撐架固定于探傷小車上，驅(qū)動(dòng)機(jī)箱通過(guò)內(nèi)置電機(jī)控制螺桿做順/逆時(shí)針運(yùn)動(dòng)，從而帶動(dòng)檢測(cè)裝置上下運(yùn)動(dòng)，鋼刷用于清掃鋼軌表面，方便隨后的檢測(cè)，并使永磁體與被檢測(cè)鋼軌隔開一段距離，防止其與鋼軌吸附過(guò)緊，影響探傷小車整體的移動(dòng)檢測(cè)過(guò)程。

圖2 鋼軌探傷小車結(jié)構(gòu)組成

漏磁檢測(cè)過(guò)程如圖3所示，探傷小車的上位機(jī)系統(tǒng)控制永磁體貼近鋼軌，將鋼軌軌頭部分磁化，同時(shí)通過(guò)傳感器陣列模塊獲取軌頭缺陷的漏磁信號(hào)，對(duì)漏磁信號(hào)進(jìn)行放大、濾波等信號(hào)調(diào)理后，再經(jīng)由采集卡把信號(hào)采集后傳輸至上位機(jī)系統(tǒng)，最后由上位機(jī)系統(tǒng)將缺陷信息反饋給作業(yè)人員。

圖3 漏磁檢測(cè)系統(tǒng)

2 漏磁仿真分析

2.1 理論分析

在分析漏磁場(chǎng)和鋼軌軌面缺陷尺寸的相應(yīng)關(guān)系時(shí)，主要通過(guò)理論分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證進(jìn)行研究。理論分析主要有解析法和數(shù)值法[14]，解析法僅適用于特殊情況的缺陷求解，因此常采用數(shù)值法中的有限元法進(jìn)行近似求解。

漏磁場(chǎng)有限元分析問(wèn)題主要是相應(yīng)的邊界條件下麥克斯韋方程組的求解問(wèn)題，其微分形式為：

(1)

(2)

(3)

(4)

H為磁場(chǎng)強(qiáng)度；J為電流密度；D為電通密度；E為電場(chǎng)強(qiáng)度；B為磁通密度；ρv為電荷密度。

在有限元分析中，麥克斯韋求解的前提條件是

(5)

本構(gòu)方程為：

D=εE

(6)

B=μH

(7)

J=σE

(8)

ε為介電常數(shù)；μ為磁導(dǎo)率；σ為電導(dǎo)率。漏磁場(chǎng)為靜磁場(chǎng)，因此，麥克斯韋方程組可簡(jiǎn)化為：

×H=J

(9)

(10)

2.2 漏磁缺陷仿真

主要針對(duì)鋼軌踏面缺陷進(jìn)行研究，采用有限元分析軟件ANSYS對(duì)鋼軌軌頂踏面缺陷進(jìn)行漏磁場(chǎng)仿真分析。具體步驟如下。

a.有限元模型創(chuàng)建。將鋼軌軌頂踏面和漏磁檢測(cè)裝置的接觸面進(jìn)行建模簡(jiǎn)化，簡(jiǎn)化為平面進(jìn)行仿真分析，構(gòu)建好的有限元模型如圖4所示。

圖4 漏磁檢測(cè)有限元模型

b.定義單元及材料屬性。由于棱邊法具有精度高的優(yōu)點(diǎn)[15]，因此選用棱邊法進(jìn)行漏磁場(chǎng)分析，即定義仿真單元體為SOLID117。材料為高鐵鋼軌常用 U71Mn鋼。

c.網(wǎng)格劃分及求解。在ANSYS軟件中可對(duì)模型進(jìn)行自由網(wǎng)格、映射網(wǎng)格和智能網(wǎng)格劃分。在此，在缺陷附近采用智能網(wǎng)格劃分，在其他部分采用自由網(wǎng)格劃分相結(jié)合的形式。最后，通過(guò)定義好邊界條件，對(duì)漏磁仿真模型進(jìn)行求解。

高速鐵路鋼軌典型傷損主要有裂紋、腐蝕、肥邊和波磨等[16]，本次將以上傷損簡(jiǎn)化為矩形槽裂紋和圓柱形腐蝕坑模型，研究2類傷損尺寸對(duì)漏磁場(chǎng)信號(hào)的影響。

2.2.1 裂紋類缺陷仿真

裂紋類缺陷仿真主要研究以下幾個(gè)方面。

a. 漏磁信號(hào)與提離值關(guān)系。在對(duì)缺陷進(jìn)行漏磁檢測(cè)時(shí)，傳感器提離值的波動(dòng)對(duì)所測(cè)得的漏磁信號(hào)影響較大[17]。選取軸向長(zhǎng)度10 mm，深度2 mm的裂紋，分別采用1 mm，2 mm，3 mm，4 mm和5 mm提離值，研究其對(duì)漏磁信號(hào)的影響，如圖5所示。

圖5 漏磁信號(hào)與提離值關(guān)系

由圖5可知，漏磁信號(hào)的軸向分量幅值和徑向分量的峰谷高隨著提離值的增大而逐漸下降。通過(guò)綜合考慮提離值對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，選擇2 mm的提離值進(jìn)行仿真和試驗(yàn)較合適。

b. 漏磁信號(hào)與缺陷深度關(guān)系。選取10 mm長(zhǎng)裂紋，研究其分別在1 mm，2 mm，3 mm，4 mm和5 mm深度，傳感器提離值為2 mm時(shí)的漏磁信號(hào)變化規(guī)律。如圖6所示。

圖6 漏磁信號(hào)與深度關(guān)系

由圖6可知，漏磁信號(hào)軸向分量幅值和徑向分量的峰谷高隨缺陷深度增大而增大，并呈現(xiàn)一定的線性關(guān)系。

c.漏磁信號(hào)與缺陷長(zhǎng)度關(guān)系。選取2 mm深的裂紋，研究其分別在2 mm，4 mm，6 mm，8 mm和10 mm軸向長(zhǎng)度(即裂紋寬度)，提離值為2 mm時(shí)的漏磁信號(hào)變化，如圖7所示。

圖7 漏磁信號(hào)與長(zhǎng)度關(guān)系

由圖7可知，當(dāng)裂紋越寬，漏磁場(chǎng)軸向分量幅值逐漸減小，徑向分量的峰谷高逐漸增加。

2.2.2 腐蝕類缺陷仿真

腐蝕類缺陷仿真主要研究以下幾個(gè)方面。

a. 漏磁信號(hào)與直徑關(guān)系。選取2 mm深的圓柱形腐蝕缺陷，研究其分別在2 mm，4 mm，6 mm，8 mm和10 mm直徑時(shí)的漏磁信號(hào)變化規(guī)律，如圖8所示。

圖8 漏磁信號(hào)與直徑關(guān)系

由圖8可知，隨著直徑變大，缺陷漏磁信號(hào)的軸向分量幅值和徑向分量峰谷高也隨之變大。

b. 漏磁信號(hào)與深度關(guān)系。選取直徑為6 mm的圓柱形腐蝕缺陷，研究其分別在1 mm，2 mm，3 mm，4 mm和5 mm深度時(shí)的漏磁信號(hào)變化，如圖9所示。

圖9 漏磁信號(hào)與深度關(guān)系

由圖9可知，隨著缺陷深度的加深，缺陷信號(hào)的軸向分量幅值及徑向分量峰谷高隨之增大，這和裂紋缺陷的漏磁信號(hào)變化規(guī)律一致。

3 漏磁檢測(cè)試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)平臺(tái)搭建

所設(shè)計(jì)的鋼軌探傷小車的磁化裝置采用的是牌號(hào)為N35的稀土釹鐵硼強(qiáng)磁鐵，該永磁體具有磁力大、磁性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)霍爾傳感器來(lái)采集缺陷漏磁信號(hào)，其具體的特征參數(shù)如表1所示。

表1 霍爾元件特征參數(shù)

選取尺寸為330 mm×250 mm×6 mm、材料為U71Mn的鋼板作為試驗(yàn)對(duì)象，并在其上通過(guò)人工制備了相應(yīng)的缺陷，具體如表2所示。

表2 缺陷類型及尺寸

3.2 測(cè)試結(jié)果

3.2.1 裂紋類缺陷

試驗(yàn)采用控制變量法，如圖10所示，選取1組2 mm寬和1組3 mm深的裂紋進(jìn)行試驗(yàn)，通過(guò)改變裂紋深度/寬度來(lái)獲取相應(yīng)的漏磁信號(hào)變化。

由圖10可知，在寬度/深度不變的前提下，隨著裂紋深度/寬度的增大，漏磁信號(hào)的徑向分量峰谷高越大，與仿真結(jié)果一致。

圖10 裂紋類缺陷試驗(yàn)結(jié)果

3.2.2 腐蝕類缺陷

選取1組直徑10 mm和1組3 mm深的圓柱形腐蝕缺陷進(jìn)行試驗(yàn)，通過(guò)改變?nèi)毕萆疃?直徑來(lái)獲取相應(yīng)的漏磁信號(hào)變化。如圖11所示。

圖11 腐蝕類缺陷試驗(yàn)結(jié)果

由圖11可知，在直徑/深度不變的前提下，隨著缺陷深度/直徑的增大，漏磁信號(hào)的徑向分量峰谷高越大，同樣與仿真結(jié)果一致。

4 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)鐵路鋼軌軌面?zhèn)麚p檢測(cè)的需求，設(shè)計(jì)一種攜帶有漏磁檢測(cè)裝置的鋼軌探傷小車，并分析了漏磁檢測(cè)原理及檢測(cè)裝置的結(jié)構(gòu)組成。

通過(guò)ANSYS仿真軟件對(duì)鋼軌軌面裂紋類和腐蝕類缺陷的漏磁場(chǎng)特征進(jìn)行仿真分析，得出結(jié)論：漏磁檢測(cè)信號(hào)隨提離值的增大而逐漸下降；在裂紋類缺陷中，漏磁信號(hào)隨缺陷深度增大而增大；同時(shí)，隨著裂紋寬度的增大，漏磁場(chǎng)軸向分量幅值逐漸減小，徑向分量的峰谷高逐漸增加。在圓柱形缺陷中，漏磁信號(hào)隨著深度和直徑的增加而增大。

最后，通過(guò)制備人工缺陷，搭建起漏磁檢測(cè)試驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)相應(yīng)的仿真結(jié)果進(jìn)行了試驗(yàn)，驗(yàn)證了仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性，對(duì)現(xiàn)有的高速鐵路鋼軌缺陷狀態(tài)檢測(cè)具有一定的借鑒和指導(dǎo)意義。