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(shè)進(jìn)入了一個(gè)快速發(fā)展的階段，隨著鐵路客貨運(yùn)量的增大和列車速度的提高，輪軌滾動(dòng)接觸疲勞所造成的破壞變得越來越嚴(yán)重。在高速運(yùn)行狀態(tài)下，鐵軌的損傷缺陷則主要表現(xiàn)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(kuò)展并形成大尺寸橫向疲勞裂紋，最終導(dǎo)致鋼軌發(fā)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(shí)間間隔不斷減少，這意味著鐵路維護(hù)要求越來越高，實(shí)現(xiàn)對鐵路鐵軌進(jìn)行高速巡檢，及時(shí)發(fā)現(xiàn)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(yōu)點(diǎn)，因此漏磁檢測技術(shù)被廣泛用于油氣管道、鐵路軌道等領(lǐng)域的缺陷檢測[3-4]。當(dāng)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(dǎo)率小、磁阻大，在缺陷附近的磁感應(yīng)線分布會(huì)發(fā)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(tǒng)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(jìn)行缺陷識別，而By（與外加磁場垂直）相對于另外2個(gè)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(guī)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(dāng)缺陷主平面與外加磁場非垂直，或者實(shí)際缺陷是不規(guī)則形狀時(shí)，傳統(tǒng)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(jìn)行準(zhǔn)確識別[4]。

為了克服傳統(tǒng)漏磁檢測技術(shù)存在的不足，實(shí)現(xiàn)對鋼軌表面復(fù)雜裂紋缺陷的準(zhǔn)確識別，本文采用三維磁場測量方法。通過仿真和實(shí)驗(yàn)，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(qū)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(zhǔn)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(jìn)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(fā)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(yīng)分析法作為基本的網(wǎng)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(jié)構(gòu)復(fù)雜，現(xiàn)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(shí)體是為了對缺陷周圍進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化。磁軛與鋼軌間的氣隙間距為2mm。各部分參數(shù)如表１所示：

2.2 對鋼軌表面不同類型缺陷進(jìn)行靜態(tài)仿真
經(jīng)過實(shí)地調(diào)研，發(fā)現(xiàn)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(jìn)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(jìn)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(guī)律性且幅值很小。傳統(tǒng)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(shí)現(xiàn)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(guān)鍵量By信息，只從Bx、Bz分量提取特征值來實(shí)現(xiàn)對缺陷的定量分析必然會(huì)失真。要實(shí)現(xiàn)對類型③的鋼軌表面缺陷的準(zhǔn)確識別，必需結(jié)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(jìn)行三維測量才能對鋼軌表面各種不同類型裂紋進(jìn)行準(zhǔn)確識別和定量分析。
3 實(shí)驗(yàn)分析
3.1試驗(yàn)平臺的建立
在理論分析和仿真試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，建立漏磁檢測的試驗(yàn)平臺。平臺結(jié)構(gòu)如圖4所示，由鋼軌試樣和傳感器部分、信號放大調(diào)理部分、數(shù)據(jù)采集部分、信號激勵(lì)部分、碼盤位移信號采集部分、鋼軌試樣、計(jì)算機(jī)處理部分以及檢測小車（圖5）組成。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析
    檢測所用鋼軌樣例長1.4m，為克服邊緣效應(yīng)的影響，以其中間700mm為被測區(qū)域，在其表面加工人工缺陷8個(gè)。各缺陷的參數(shù)如表3所示。

利用已建立的三維漏磁檢測系統(tǒng)，在激勵(lì)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(dòng)小車對包含若干表面缺陷的鋼軌進(jìn)行掃描檢測，掃描方向?yàn)檐壍雷呦蚍较颍礊閤方向），掃描速度小于0.5m/s（忽略速度效應(yīng)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(jì)算機(jī)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(zhǔn)線不同。①、②兩種類型的缺陷的漏磁場ｙ分量變化太小，實(shí)驗(yàn)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(qū)別開來。

由圖7可以觀察到長、寬，深相同的b、d、ｆ3個(gè)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(jié)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(cè)有一對大小相等的谷值；其漏磁場Bz分量曲線關(guān)于原點(diǎn)（缺陷表面中點(diǎn)）對稱，且在靠近原點(diǎn)兩側(cè)各有一個(gè)大小相等，正負(fù)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(xiàn)明顯的不對稱，左邊出現(xiàn)較大波谷，右邊波谷消失；Bz分量的正峰值變大，負(fù)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(jì)算，發(fā)現(xiàn)缺陷f 的Bx、By峰值大小（基準(zhǔn)線到峰值點(diǎn)的幅值）相等，這可以作為判斷與鋼軌走向呈45°夾角的一個(gè)特征值。
試驗(yàn)證明：對鋼軌表面缺陷的漏磁場進(jìn)行三維測量方法，克服了傳統(tǒng)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(yōu)越性非常明顯。

4 結(jié)論
通過有限元法，對鋼軌上常見的三種不同類型缺陷，運(yùn)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(jìn)行分析；采用三維漏磁檢測系統(tǒng)對三種不同類型缺陷的漏磁場信號進(jìn)行檢測。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明缺陷的擾動(dòng)不僅會(huì)導(dǎo)致漏磁場Bx、Bz分量的變化，而且會(huì)對漏磁場By分量產(chǎn)生一定的影響，特別是當(dāng)缺陷主平面與外加磁場非垂直，或者實(shí)際缺陷是不規(guī)則形狀時(shí)。類型③的缺陷，By分量與Bx分量存在著一定的對應(yīng)關(guān)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(yīng)關(guān)系，同時(shí)結(jié)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(xiàn)
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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(qū)御道街29號230信箱
郵編：210016
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