地鐵垂向減震器座鉚釘氣隙的遠場渦流檢測研究

丁鵬程，孟 鶴，趙佳佳，宋 凱

（1.南昌航空大學無損檢測技術教育部重點試驗室，江西 南昌 330063；2.南京南車浦鎮城軌車輛有限責任公司，江蘇 南京 210031）

地鐵垂向減震器座鉚釘氣隙的遠場渦流檢測研究

丁鵬程1，孟 鶴2，趙佳佳2，宋 凱1

（1.南昌航空大學無損檢測技術教育部重點試驗室，江西 南昌 330063；2.南京南車浦鎮城軌車輛有限責任公司，江蘇 南京 210031）

針對在役鉚釘氣隙受鉚釘或者工件遮擋造成難以有效檢測與定量評估的問題，建立ANSYS有限元仿真三維模型，開展垂向減震器座鉚釘氣隙的遠場渦流檢測仿真與試驗研究。研究結果表明：有效電磁場可滲入鉚釘孔約10mm深處，具有檢測深度深，靈敏度高的優點；提出定量表征氣隙的最優特征量，在檢測信號的幅值、相位、實部、虛部這4個特征量中，信號虛部分量與鉚釘氣隙的線性相關系數高達0.999，最能表征氣隙。試驗測試結果與仿真結論相吻合，規律一致，證明研究成果的可信性。

遠場渦流；鉚釘；氣隙；虛部

0 引 言

地鐵的垂向減震器座在鉚接時，由于存在鉚接誤差與應力集中，使得鉚接初期擠壓較為嚴密，從而表現出鉚接質量較好，然而車輛運行時在疲勞載荷的作用下，鉚接配合發生變化，產生鉚釘氣隙，造成早期疲勞損失，導致垂向減震器座的鉚釘發生松動，給列車帶來安全隱患。在役鉚釘氣隙受鉚釘或者工件遮擋，難以有效檢測與定量評估。

傳統測量鉚釘氣隙的方法是利用卡規人工測量氣隙大小，其工作強度大，測量的精度與工作人員的經驗水平有相當大的關系，存在著不確定性，且對氣隙無法動態監測，測量數據不易電子存儲。

為減小人工測量誤差，降低勞動強度，提高運營可靠性，實現對鉚釘氣隙的動態監測，有必要為此引進一種新的無損檢測方法，實現對鉚釘質量的智能檢測。

在役鉚釘的無損檢測技術主要有超聲爬波法和脈沖渦流法。支文琪[1]用超聲爬波法對鉚釘表面裂紋進行超聲成像，實現了鉚釘內外壁裂紋的檢測與定位；Aldrin[2]分析了橫波的入射角與振動方向對螺旋爬波的影響，證明了螺旋爬波衰減大，無法遠距離傳播；Yang等[3-4]設計了一種雙激勵探頭，對比了鋁鋼異質鉚釘周裂紋的信號差異，采用圖像融合技術實現了鋼質鉚釘周向裂紋的檢測；楊賓峰等[5-7]采用脈沖渦流技術對鉚釘裂紋進行檢測，得到了缺陷位置和大小與檢測特征量之間的關系；吳少文[8]設計了脈沖渦流檢測系統，采用脈沖渦流法對鉚釘裂紋和腐蝕坑缺陷進行檢測，并對檢測信號以及提離效應進行研究；鄒國輝等[9-10]針對鉚釘周邊裂紋設計了一款新型脈沖渦流傳感器，優化了參數的選取，提高脈沖渦流法檢測鉚釘裂紋的檢測靈敏度；在信號處理方面，李巖松[11]研究鉚釘缺陷脈沖渦流信號的頻域特征，用于缺陷種類的識別。

綜上，超聲爬波法和脈沖渦流法，達到了一定的檢測效果但也存在諸多問題，主要集中在兩個方面：1）超聲爬波法檢測鉚釘，利用的是螺旋傳播式的瑞利表面波，因此存在極大的衰減且只能檢測表面缺陷；2）脈沖渦流法檢測鉚釘，受趨膚效應影響，只能檢測近表面氣隙，對深層氣隙無能為力。

本文開展鉚釘氣隙的遠場渦流檢測技術（remote field eddy current testing，RFECT）仿真與試驗研究，以地鐵鉚釘為對研究對象，建立了ANSYS有限元仿真三維模型，分析了電磁場耦合能量分布，實現了對鉚釘氣隙的檢測，提出了表征氣隙的特征量，最后通過試驗驗證了結論的正確性。

1 鉚釘氣隙的RFECT機理

如圖1所示為地鐵垂向減震器座的實體結構，由14個鉚釘將鋼質垂向減震器座和鋁質車邊梁鉚接在一起。當鉚接不合格時，鉚釘與鉚釘孔之間存在鉚釘氣隙。

圖1 地鐵垂向減震器座實體結構

圖2 地鐵鉚釘孔氣隙的RFECT機理

考慮到各個鉚釘屬性一致，鉚釘之間相距較遠，使用RFECT檢測某個鉚釘時，對其他鉚釘沒有影響。因此對單個鉚釘及其鄰近區域而言，等效于該鉚釘將鋼板和鋁板鉚接在一起。為方便建立模型，實體結構可簡化為含單個鉚釘的雙層鉚接板結構，如圖1右上角所示。

如圖2所示為地鐵鉚釘孔氣隙的RFECT檢測機理示意圖（剖面圖），激勵線圈套在鉚釘上，與鉚釘呈同軸放置，保證對鉚釘的激勵效果，激勵線圈外圍依次包裹著屏蔽層和檢測線圈，兩者均與鉚釘呈同軸放置。當給激勵線圈通以低頻交流電時，在激勵線圈周圍將感生出渦流，渦流將沿著兩條路徑傳播，一條為直接傳遞給檢測線圈的直接耦合路徑，另一條是依次穿過鉚釘、鉚釘氣隙、鋁板、鋼板的間接耦合路徑，由于屏蔽層的存在直接耦合路徑被阻斷，感生渦流只能通過間接耦合路徑到達檢測線圈，此時檢測線圈拾取穿過鉚釘又折回到上方的渦流信號，攜帶了鉚釘的固有信息，可以反應鉚釘的導電，導磁特性以及鉚釘的損傷和鉚接特性，通過分析此渦流信號就可以有效檢測鉚釘缺陷和氣隙。

2 仿真模型

圖3為垂向減震器座鉚釘氣隙的RFECT仿真模型。地鐵鉚釘RFECT仿真模型主要由鋼板、鋁板、鉚釘、氣隙、激勵線圈，屏蔽層以及檢測線圈構成。計算實例參數見表1，表中r1為激勵線圈內徑，r2為激勵線圈外徑，R1為檢測線圈內徑，R2檢測線圈外徑，h為線圈高度，n為線圈匝數，Q為提離距離，G為氣隙大小，L為鉚釘長度，D為鉚釘直徑，σ為鉚釘電導率，μr為鉚釘相對磁導率，I為激勵電流，f為激勵頻率。

圖3 仿真模型

表1 仿真參數

網格質量的好壞直接影響著仿真結果的準確性與精確性，為保證網格質量，進行網格離散化處理，磁場變化最劇烈的鉚釘氣隙和鉚釘處區域網格剖分最密，遠場區空氣域的網格最疏，網格由密到疏的過渡保證單元尺寸比例≥1/3，這樣既能保證鉚釘跟雙層鉚接板的計算精度，又可以減少網格數量，提高計算效率。

3 仿真研究及結果分析

3.1 氣隙中磁場強度分布

在渦流檢測中，線圈和導體試樣通過電磁場進行耦合，傳遞信息。當激勵頻率為100Hz，激勵電流為50 mA時，大小分別為0.2 mm和4 mm氣隙上磁場強度H分布，如圖4所示。由于線圈均垂直于氣隙放置，因此磁場強度的分布類似，但最大值卻不同H0.2=1067.78A/m，H4=937.719A/m。與4mm氣隙相比，0.2mm氣隙體積較小，能量分布更集中，因此電磁場耦合作用更強。此外有效電磁場強度均分布在鉚釘下10mm處，電磁場能量的深入，使得遠場渦流法具有檢測近表面氣隙和深層氣隙的優點，保證了對鉚釘的檢測效果。

圖4 電磁場分布

3.2 氣隙對檢測信號的影響

當激勵頻率為100Hz，激勵電流為50mA下，改變氣隙大小（0.2~4.0mm），得到氣隙與檢測信號實部、虛部、幅值、相位的關系曲線，如圖5所示。如圖5（a）所示檢測信號實部和虛部隨氣隙的變化，可見氣隙為從0.2mm變化到4.0mm時，虛部由7.27mV逐漸增到10.12mV，變化幅度大；隨著氣隙的增大，實部先增大后減小，且變化緩慢幅度小。圖5（b）所示為檢測信號幅值、相位與氣隙的對應關系，氣隙為0.2~4.0mm時，檢測信號的幅值為9.6~12.2mV；氣隙為0.2~4.0 mm時，檢測信號的相位呈現出先緩慢增長后劇增的變化規律。當氣隙在0.2~1.2mm與3.0~ 4.0mm之間同樣變化1mm，前者導致的相位變化量僅為2%，后者卻為5%，這說明對應不同區間段氣隙，曲線檢測靈敏度不一致。

3.3 結果分析

圖5 仿真結果

表2 不同表征參數下的ΔA、K值、r2值

將數據進行線性擬合，得到實部、虛部、幅值以及相位的變化幅度ΔA、檢測靈敏度K及相關系數r2，比較四者的表征效果如表2所示。

可以看出，實部的變化幅度、檢測靈敏度及相關系數最低，首先排除實部表征氣隙；相位雖然具有最大的變化幅度與檢測靈敏度，但是對應不同區間段氣隙，相位檢測靈敏度不一致，特別是對于微小氣隙的檢測靈敏度低，相位亦不適合表征氣隙；對比虛部和幅值，發現虛部的變化幅度、檢測靈敏度及相關系數這3個關鍵指標均優于幅值，因此建議用虛部來表征氣隙的大小。

4 試驗驗證及可信性分析

為證明仿真結果的正確性，特地用一個鉚釘氣隙的遠場渦流檢測試驗進行驗證，檢測參數如表3所示。被測試樣是地鐵垂向減震器座與車邊梁的鉚接結構件，加工大小為0.2 mm以及0.7 mm的氣隙各14個，因此每個數據都是經過14次重復實驗得出的結果，結果具有重復性和代表性。試驗檢測圖如圖6所示，試驗結果如圖7所示。

表3 試驗參數

圖6 試驗測試

圖7 試驗結果

可以看出試驗結果與仿真結果具有相同的變化規律即隨著氣隙的增大虛部的變化幅度大，實部變化緩慢，幅度小。由于試驗結果是儀器經過放大處理后的數據，加上試驗條件存在噪聲和干擾，數值上不可能與仿真完全一致，但相同的變化規律足以說明仿真的正確性。

5 結束語

以地鐵垂向減震器座為對研究對象，建立了氣隙遠場渦流檢測的有限元仿真三維模型，分析了電磁場耦合能量分布，實現對鉚釘孔氣隙的檢測，提出了表征氣隙的特征量，最后通過試驗驗證結論的正確性。得到如下結論：

1）大小分別為0.2 mm和4 mm氣隙上磁場強度H分布類似，但最大值不同H0.2=1 067.78 A/m，H4=937.719A/m，此外有效電磁場強度均分布在鉚釘下約10mm處，電磁場能量的深入，保證了遠場渦流法具有檢測近表面氣隙和深層氣隙的優點。

2）氣隙為0.2~4.0 mm時，虛部的變化幅度為2.6mV，檢測靈敏度為0.76，線性相關系數高達0.999，利用此特征量能較好地實現氣隙的表征，建議采用虛部來表征氣隙的大小。

3）試驗測試結果與仿真結論相吻合，規律一致，證明研究成果的可信性。

[1]支文琪.緊固組合件超聲成像與檢測技術的研究[D].杭州：浙江大學，2014.

[2]ALDRIN J C，BLODGETT M P，LINDGREN E A，et al. Scattering ofobliquely incidentshear wave from a cylindrical cavity[J].The journal of the acoustical society of America，2011，129（6）：3661-3675.

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[10]李朝夕，付躍文，鄒國輝.主成分分析在飛機多層結構層間腐蝕脈沖渦流檢測中的應用[J].失效分析與預防，2014，9（5）：263-265.

[11]李巖松.脈沖渦流檢測頻域特征提取與缺陷表征研究[D].廈門：廈門大學，2014.

（編輯：李妮）

Remote field eddy current testing research of vertical absorber seat rail rivet hole gap in metro

DING Pengcheng1，MENG He2，ZHAO Jiajia2，SONG Kai1
（1.Key Laboratory of Nondestructive Test of Ministry of Education，Nanchang Hangkong University，Nanchang 330063，China；2.CSR Nanjing Puzhen Co.，Ltd.，Nanjing 210031，China）

Vertical absorber seat rail rivet hole gap in metro causes rivet loose easily，which endangers metro safety.Testing rail rivet hole gap of in service rivet was difficult because of the occlusion of rivet or workpiece.For this difficulty，this paper studied the remote field eddy current testing simulation of rail rivet hole gap.The results show that effective electromagnetic field can reach 10 mm deep below rivet ensure high sensitivity.Imaginary part can characterize gap better than amplitude，phase and real part for it’s linear correlation is 0.999.The experimental data tally with the simulation that proves reliable results.

remote field eddy current；rivet；rail rivet hole gap；imaginary part

A

：1674-5124（2017）02-0134-05

10.11857/j.issn.1674-5124.2017.02.027

2016-03-12；

：2016-05-11

國家自然科學基金（51265041）無損檢測技術教育部重點實驗室基金（ZD201329005）江西省研究生創新專項基金（YC2014-S401）

丁鵬程（1988-），男，江西贛州市人，碩士研究生，專業方向為電磁無損檢測。