基于大型鋼軌探傷車的頂面?zhèn)麚p漏磁檢測技術(shù)研究

徐其瑞，石永生，熊龍輝，王平

（1. 中國鐵路總公司 運輸局工務(wù)部，北京 100844；2. 中國鐵道科學(xué)研究院 基礎(chǔ)設(shè)施檢測研究所，北京 100081；3. 南京航空航天大學(xué) 自動化學(xué)院，江蘇 南京 210016）

基于大型鋼軌探傷車的頂面?zhèn)麚p漏磁檢測技術(shù)研究

徐其瑞1，石永生2，熊龍輝2，王平3

（1. 中國鐵路總公司 運輸局工務(wù)部，北京 100844；2. 中國鐵道科學(xué)研究院 基礎(chǔ)設(shè)施檢測研究所，北京 100081；3. 南京航空航天大學(xué) 自動化學(xué)院，江蘇 南京 210016）

我國鐵路主要依靠人工對鋼軌頂面?zhèn)麚p進(jìn)行檢查，缺乏有效的鋼軌頂面?zhèn)麚p深度檢測評價技術(shù)手段。研究基于大型鋼軌探傷車的頂面?zhèn)麚p漏磁檢測技術(shù)，設(shè)計開發(fā)了檢測探頭、模擬信號調(diào)理模塊、數(shù)據(jù)采集和處理模塊及上位機軟件，完成了鋼軌頂面?zhèn)麚p漏磁檢測系統(tǒng)的開發(fā)。該系統(tǒng)在實驗室條件下能夠以最高50m/s速度檢測寬度為0.2mm的頂面?zhèn)麚p，并進(jìn)行了40km/h的車載試驗。車載試驗表明，檢測系統(tǒng)在鋼軌探傷車上能夠安全運行，不干擾其他檢測設(shè)備，能夠適應(yīng)鐵路現(xiàn)場電磁環(huán)境，能夠檢測鋼軌頂面人工傷損，但對頂面微裂紋的檢測、電磁參數(shù)調(diào)整、安裝方式和試驗驗證需深入研究。

鋼軌；探傷車；漏磁檢測；頂面?zhèn)麚p

0 引言

列車車輪在鋼軌頂面運行過程中，鋼軌頂面與車輪接觸區(qū)將受到車輪施加的循環(huán)作用力，從而在鋼軌頂面接觸區(qū)產(chǎn)生接觸疲勞，進(jìn)一步惡化成鋼軌亞表面或表面微裂紋。如果微裂紋不及時處理，將擴展成鋼軌頂面大塊剝離，嚴(yán)重時可能導(dǎo)致鋼軌斷裂[1]。另一方面，鋼軌表面擦傷、掉塊和亞表面裂紋等傷損對現(xiàn)有鋼軌探傷車超聲檢測技術(shù)的超聲信號存在影響，造成回波點數(shù)增加，給軌頭核傷的判別帶來影響[2]。鋼軌表面?zhèn)麚p檢測技術(shù)對鋼軌線路養(yǎng)護(hù)維修保障具有重要意義。

目前我國普遍運用的鋼軌探傷車采用超聲檢測技術(shù)，可對鋼軌內(nèi)部傷損進(jìn)行檢測，但在鋼軌表面存在盲區(qū)，對于鋼軌表面擦傷、掉塊和亞表面裂紋等鋼軌頂面?zhèn)麚p無能為力[3]。另外，現(xiàn)有鋼軌視覺檢測法可檢測鋼軌表面掉塊，但對于表面開口細(xì)裂紋及亞表面裂紋的檢測存在一定局限性[4]。

鋼軌頂面?zhèn)麚p漏磁檢測設(shè)備通過鋼軌材料受磁化電磁場激勵所表現(xiàn)的電磁特性來對鋼軌頂面狀態(tài)及性能做出健康評估，該技術(shù)不僅可研究鋼軌頂面疲勞損傷機理，還可對鋼軌頂面?zhèn)麚p進(jìn)行檢測，進(jìn)而對鋼軌頂面狀態(tài)進(jìn)行評估[5]。北美Sperry公司對基于鋼軌探傷車的電磁感應(yīng)檢測技術(shù)作了大量研究及應(yīng)用，該技術(shù)將電流注入鋼軌軌頭，監(jiān)測軌頭中電流產(chǎn)生的電磁場，檢測數(shù)據(jù)可識別軌頭缺陷，特別是橫向缺陷和垂直劈裂[6]。英國Osbert International Inc.（TSC公司）在龐巴迪運輸公司支持下研制出ACFM步行式信息收集器，該儀器通過量化鋼軌裂紋的大小對鋼軌整體破壞程度進(jìn)行評估[7]。研究基于大型鋼軌探傷車的頂面?zhèn)麚p電磁檢測技術(shù)，實現(xiàn)對鋼軌頂面不同大小的傷損進(jìn)行評價。

1 漏磁檢測基本原理

漏磁檢測技術(shù)是通過磁敏傳感器拾取傷損漏磁場來實現(xiàn)傷損的評定，檢測原理示意見圖1。先對被檢材料進(jìn)行磁化，如果被檢材料材質(zhì)連續(xù)均勻，在被檢材料中的磁化場磁力線都將分布在材料內(nèi)部，此時磁力線既不會穿出材料表面也不會從材料表面穿入材料內(nèi)部，即不會形成漏磁場。然而，如果被磁化的材料表面及亞表面存在能切割磁化場磁力線的傷損時，由于傷損的磁導(dǎo)率小、磁阻較大，阻礙磁力線通過，大部分磁力線將優(yōu)先通過傷損下面磁導(dǎo)率大的材料內(nèi)部，該部分磁感應(yīng)強度將變得很大以至于難于通過更多磁力線，此時將有部分磁力線從傷損處溢出材料表面，從而形成傷損漏磁場[8]。

圖1 鋼軌頂面?zhèn)麚p漏磁檢測原理示意圖

漏磁檢測中使用霍爾元件等磁敏傳感器檢測傷損漏磁場，檢測到的漏磁場將因傷損的不同尺寸、形態(tài)表現(xiàn)出不同的漏磁信號。一般漏磁檢測技術(shù)的研究包括對被測材料磁化激勵的大小、拾取漏磁信號的傳感器、漏磁信號的傳輸處理及不同傷損漏磁場信號表現(xiàn)的不同特征，還包括傷損特征與信號特征的正演與反演，正演是已知傷損的形態(tài)特征求傷損漏磁場的分布特征，反演是已知傷損漏磁場的分布特征求傷損的形態(tài)特征，實際檢測中對傷損形態(tài)特征反演前需先對傷損漏磁信號做預(yù)處理[9]。

2 車載試驗平臺搭建

2.1 陣列式漏磁檢測探頭設(shè)計

陣列式漏磁檢測探頭設(shè)計包括磁芯和傳感器，其中傳感器設(shè)計采用陣列式傳感器，即根據(jù)實際被檢測鋼軌的寬度尺寸（70 mm）設(shè)計了16路霍爾傳感器陣列，在BX方向（鋼軌徑向，即檢測方向）布置了16路傳感器，用于采集漏磁場BX方向的漏磁信號（見圖2）。

圖2 霍爾傳感器陣列設(shè)計

陣列式分布的霍爾傳感器便于實現(xiàn)對鋼軌整個表面覆蓋性的漏磁檢測，對霍爾傳感器陣列采集到的漏磁信號處理分析，能直觀反映被測鋼軌試件表面的缺陷分布和特征。

2.2 漏磁檢測系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

漏磁檢測系統(tǒng)車載試驗平臺搭建于GTC-80X型鋼軌探傷車上，漏磁檢測系統(tǒng)框圖見圖3，檢測系統(tǒng)包括磁場激勵、傳感器陣列、模擬信號調(diào)理、數(shù)據(jù)采集及上位機系統(tǒng)。

圖3 車載式漏磁檢測系統(tǒng)

磁場激勵模塊采用線圈纏繞于硅鋼片制作的磁軛上，電源通過線圈產(chǎn)生磁化場，磁場強度可通過改變電源大小來調(diào)節(jié)。由于霍爾元件具有良好的低頻響應(yīng)特性，且其尺寸小，單位空間分辨率也高，非常適合用于陣列傳感器的設(shè)計。陣列探頭是為了能將軌面BX方向分量的信號進(jìn)行三維成像顯示，更直觀地反映出缺陷情況。模擬信號調(diào)理作用是對霍爾元件拾取的漏磁信號進(jìn)行交流耦合、模擬信號放大及低通濾波等處理，再將調(diào)理后的漏磁信號傳輸給數(shù)據(jù)采集部分。由于陣列傳感器拾取的數(shù)據(jù)量大，采用96路12位3 MS/s（兆點/秒）采樣率超高密度模擬輸入采集卡將數(shù)據(jù)輸送給上位機，然后上位機對采集的漏磁數(shù)據(jù)進(jìn)行保存、分析及顯示。

2.3 檢測系統(tǒng)安裝

漏磁檢測系統(tǒng)安裝于GTC-80X型鋼軌探傷車上，對標(biāo)定線上人工傷損進(jìn)行試驗驗證。在GTC-80X型鋼軌探傷車下的#字型轉(zhuǎn)向架機構(gòu)上，對應(yīng)每股鋼軌設(shè)置2組漏磁探頭承載支架，把由磁場激勵模塊和傳感器陣列模塊組成的檢測探頭安裝于探頭支架上。每股前后各安裝1套檢測探頭，探傷車正向運行時，前檢測探頭為磁場激勵及數(shù)據(jù)拾取傳感器，后檢測探頭為消磁裝置；當(dāng)探傷車反向運行時，后檢測探頭為磁場激勵及數(shù)據(jù)拾取傳感器，前檢測探頭為消磁裝置。檢測探頭安裝示意見圖4。然后通過屏蔽線將傳感器拾取的漏磁信號傳輸給安裝在探傷車上的信號調(diào)理模塊、數(shù)據(jù)采集卡及上位機系統(tǒng)。

圖4 檢測探頭安裝示意圖

3 試驗設(shè)計及數(shù)據(jù)分析

3.1 實驗室高速試驗設(shè)計及分析

3.1.1 實驗室人工傷損制作

根據(jù)實際線路傷損情況在最高速度達(dá)50 m/s的高速轉(zhuǎn)盤式鋼軌樣例上加工不同類型表面?zhèn)麚p。鋼軌表面裂紋損傷按照裂紋寬度、深度、傾斜角度及分布間距等不同類型分為6組。鋼軌表面裂紋示意見圖5（其中編號20—編號24、編號25—編號29各相鄰編號間間距依次為2 mm、4 mm、8 mm、16 mm），相關(guān)參數(shù)見表1。

圖5 轉(zhuǎn)盤式鋼軌表面裂紋示意圖

3.1.2 實驗室人工檢測試驗

電磁檢測系統(tǒng)初步驗證是基于高速試驗平臺的人工傷損進(jìn)行檢測驗證。實際檢測的傷損多與鋼軌縱向及鋼軌頂面形成一定角度，為便于檢測這類傷損，對鋼軌進(jìn)行磁化時磁化場的方向需與鋼軌傷損盡量垂直相交以便于傷損識別。鋼軌磁化場方向為沿列車運行方向縱向磁化且對鋼軌頂面進(jìn)行全覆蓋。實際驗證模型中設(shè)置勵磁激勵磁極與鋼軌頂面的空氣隙為2 mm，此處空氣隙磁化場強度約為1 000 mT；檢測探頭傳感器與鋼軌頂面間的提離值為1 mm。

（1）人工表面裂紋試驗。電磁檢測系統(tǒng)試驗驗證測得人工傷損BX分量漏磁信號見圖6，試驗檢測速度分為5 m/s和50 m/s，該信號為提取的高速試驗平臺旋轉(zhuǎn)一圈的傷損漏磁信號。

由圖6可知，通過信號BX分量可分辨出所有類型頂面人工傷損，且BX分量對發(fā)展走向與磁化場方向垂直的橫向傷損非常敏感，隨著兩方向夾角的減小，漏磁信號BX分量幅值將逐漸減小。漏磁信號BX分量的基準(zhǔn)線都將隨檢測速度的提高而上移，且信號幅值也將隨之增大。

表1 轉(zhuǎn)盤式鋼軌樣例盤表面裂紋參數(shù)

（2）傳感器成像試驗。采用16單元線陣列，對三維的漏磁場進(jìn)行實時成像（見圖7），為漏磁檢測設(shè)備實驗室試驗成像圖。通過實驗室試驗顯示成像發(fā)現(xiàn)，結(jié)合三維成像圖，對鋼軌上的人工傷損均可直觀顯示，有利于檢測人員對傷損的直觀識別。

圖6 鋼軌縱向磁化時各類裂紋三維霍爾信號

圖7 實驗室試驗顯示BX方向漏磁場成像

3.2 車載簡要試驗設(shè)計及分析

將搭建在GTC-80X型鋼軌探傷車上的漏磁檢測系統(tǒng)在標(biāo)定線上進(jìn)行裝車檢測車載試驗，以驗證該漏磁檢測系統(tǒng)在車載現(xiàn)場情況下的檢測能力。

3.2.1 標(biāo)定線人工傷損

在探傷車標(biāo)定線左右股上各有6根長度為6.25 m的人工傷損軌，人工傷損軌布置見圖8。定義列車輪緣側(cè)為鋼軌內(nèi)側(cè)，在東4根鋼軌頂面內(nèi)側(cè)上加工8個開口斜孔（見圖9）。人工傷損從鋼軌B端到A端分布分別為正向水平角為-26°，長度20 mm，孔徑為4 mm、5 mm、6 mm、7 mm的一組及正向水平角為26°，長度20 mm，孔徑為4 mm、5 mm、6 mm、7 mm的一組。

圖8 人工傷損軌布置

3.2.2 人工傷損試驗分析

搭建漏磁檢測系統(tǒng)的GTC-80X型鋼軌探傷車由標(biāo)定線A端向B端行駛檢測定義為正向檢測。由于線路限制，探傷車最高以40 km/h的速度進(jìn)行檢測試驗，提取東4根人工軌的16個通道正向檢測數(shù)據(jù)（見圖10），該圖為漏磁信號的BX方向。從下到上依次是第1通道—第16通道，分別從鋼軌頂面外側(cè)向內(nèi)側(cè)分布。通過漏磁信號可以發(fā)現(xiàn)，分布于鋼軌頂面外側(cè)的第15通道和第16通道傳感器檢測到了位于鋼軌頂面外側(cè)的8個人工傷損。

圖9 東4根人工開口孔示意圖

圖10 東4根人工軌16個通道正向檢測數(shù)據(jù)

將其中第15通道傳感器漏磁信號單獨提取分析（見圖11）。探傷車正向檢測時通過東4根人工軌的2組人工開口孔直徑依次為7 mm、6 mm、5 mm、4 mm，可以發(fā)現(xiàn)，正向檢測時檢測到的2組人工開口孔漏磁信號幅值依次減小。該車載漏磁檢測系統(tǒng)可準(zhǔn)確檢測出標(biāo)定線上人工傷損。

圖11 東4根人工軌第15通道傳感器漏磁信號

3.2.3 陣列傳感器成像

探傷車在40 km/h速度下標(biāo)定線東4根人工傷損樣例電磁信號陣列BX方向成像見圖12?？梢?，東4根鋼軌外側(cè)8條缺陷清晰可見，其成像大小尺寸變化趨勢與實際缺陷尺寸變化趨勢一致。

圖12 東4根人工傷損樣例電磁信號陣列BX方向成像

4 結(jié)論與展望

在對鋼軌頂面?zhèn)麚p分析和調(diào)研的基礎(chǔ)上，針對電磁檢測技術(shù)進(jìn)行仿真分析并搭建實驗室試驗平臺，設(shè)計開發(fā)了鋼軌頂面?zhèn)麚p檢測設(shè)備樣機。該樣機在實驗室試驗平臺進(jìn)行試驗驗證，并完成了車載高速試驗驗證工作，得出如下結(jié)論與建議：

（1）鋼軌頂面?zhèn)麚p漏磁檢測技術(shù)，目前國際上尚無成熟的應(yīng)用案例，在國內(nèi)也沒有相關(guān)的應(yīng)用產(chǎn)品。項目組現(xiàn)已完成了基礎(chǔ)傳感器設(shè)計制作，該傳感器在實驗室條件下能夠在50 m/s高速下檢測寬度為0.2 mm的頂面?zhèn)麚p。

（2）項目組試制了檢測樣機，在GTC-80X型鋼軌探傷車上進(jìn)行了最高速度40 km/h的車載試驗。該樣機在鋼軌探傷車上能夠安全運行，不干擾其他檢測設(shè)備，能夠適應(yīng)鐵路現(xiàn)場的電磁環(huán)境。并通過對標(biāo)定線人工開口孔的檢測試驗表明，該車載漏磁檢測系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確檢測出標(biāo)定線上人工傷損并區(qū)分不同尺寸傷損的大小。

（3）項目組下一步將根據(jù)具體試驗情況，進(jìn)一步改進(jìn)傳感器及其安裝方式，提高檢測速度，消除或減小提離振動影響，并對接觸式試驗的可行性進(jìn)行評估；進(jìn)一步研究閾值與傷損深度關(guān)系，研究濾波算法和傷損判定算法；在完成上述試驗的基礎(chǔ)上啟動電磁和超聲數(shù)據(jù)融合研究工作，并開展大型檢測設(shè)備專項研究。

[1]趙雪琴，鐘雯，王文健，等．高速重載線路鋼軌損傷特性分析[J]．潤滑與密封，2007，32(10)：100-102．

[2]石永生，馬運忠，傅強，等．鋼軌損傷車的檢測運用模式與傷損分級探討[J]．鋼軌探傷，2012(1)：96-98．

[3]石永生．依靠雜波設(shè)置探傷車檢測標(biāo)準(zhǔn)的分析探討[J].中國鐵路，2013(5)：67-70．

[4]高運來，王平，田貴云，等．基于電磁原理的鋼軌裂紋高速在線巡檢方法[J]．無損檢測，2012，34(12)：1-11．

[5]熊龍輝，王平，王海濤，等．高速漏磁檢測中鋼軌磁化強度的研究[J]．無損檢測，2013，35(11)：2-6．

[6]CLARK R．Rail flaw detection：overview and needs for future developments[J]．NDTamp;E，2004(37)：111-118．

[7]WANG PING，XIONG LONGHUI，SUN YINCHUN，et al．Features extraction of sensor array based PMFL technology for detection of rail cracks[J]．Measurement，2014，1(47)：613-626．

[8]任吉林，林俊明．電磁無損檢測[M]．北京：科學(xué)出版社，2008．

[9]王雪梅．無損檢測技術(shù)及其在軌道交通中的應(yīng)用[M]．成都：西南交通大學(xué)出版社，2010．

Research on Detection Technology of Top-Surface Damage and Magnetic Leakage Based on Large Flaw Detection Vehicle for Rails

XU Qirui1，SHI Yongsheng2，XIONG Longhui2，WANG Ping3
（1. Public Works，Transport Bureau，CHINA RAILWAY，Beijing 100844，China；2. Infrastructure Inspection Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China；3. College of Automation Engineering，Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing Jiangsu 210016，China）

The flaw detection of rail top-surface in China is mainly carried out manually, lacking effective technical means of profound testing and evaluation on top-surface damage. Research was carried out on the detection technology of top-surface damage and magnetic leakage based on large flaw detection vehicle for rails.Detection probe, analog signal modulation module, data collection amp; processing module and upper monitor software were designed, and the development of rail flaw detection system for top-surface damage and magnetic leakage was completed. Under laboratory conditions, the system can carry out damage detection on top-surface 0.2 mm wide at the speed of up to 50 m/s, and carry out vehicle experiment at 40 km/h. The experiment shows that the detection system can operate safely on the flaw detection vehicle without interfering other testing devices. The system proves to be able to adapt to the electromagnetic environment on railway site and detect the artificial damage on top-surface of rails. Nevertheless, it is still necessary to carry out profound research on issues such as micro crack detection on top-surface, adjustment to electromagnetic parameters, and method of installation and experimental verification.

rail； flaw detection vehicle；magnetic leakage detection；top-surface damage

U216.6

A

1001-683X（2017）10-0039-06

10.19549/j.issn.1001-683x.2017.10.039

國家重大儀器專項（2016YFF0103700）；中國鐵路總公司科技研究開發(fā)計劃項目（2017G003-D）

徐其瑞（1975—），男，高級工程師。

石永生（1980—），男，副研究員。E-mail：sys1048@126.com

責(zé)任編輯 高紅義

2017-03-23