關于對鐵路貨車鉤尾框磁粉探傷設備的研制

王保福 賈銳 劉鵬飛

摘 ?要：文章介紹了一種創新型的鐵路貨車鉤尾框磁粉探傷設備的機理和測試結果。該設備既可對鐵路貨車13、17型車鉤尾框的外表面、內孔表面使用雙排梳齒形電極開合線圈進行周向磁化、縱向磁化使用電磁軛法進行磁化，也可根據鉤尾框的異形特性對其進行周縱向復合磁化，大大提高了鐵路貨車探傷設備的有限性能。

關鍵詞：鉤尾框;裂紋;磁粉探傷

中圖分類號：TG115.28 ? ? ?文獻標志碼：A ? ? ? ? 文章編號：2095-2945（2020）01-0027-03

Abstract： This paper introduces the mechanism and test results of an innovative magnetic particle testing equipment for railway freight car hook tail frame. The equipment can not only use double-row comb tooth electrode opening and closing coils for circumferential magnetization and longitudinal magnetization for the outer surface and inner hole surface of the coupler tail frame of railway freight cars 13 and 17， but also carry out circumferential and longitudinal compound magnetization according to the special-shaped characteristics of the hook tail frame， which greatly improves the limited performance of the railway freight car flaw detection equipment.

Keywords： hook tail frame; crack; magnetic particle inspection

引言

鉤尾框是列車高速重載和安全運行的關鍵部位，隨著這幾年我國鐵路的不斷提速，也對鉤尾框磁粉探傷的要求更加苛刻，并且近幾年來國內生產的磁粉探傷設備已經達到國際先進水平，遠遠擺脫了依靠向國外進口的形勢。然而對于一些大型且異型工件，對設備設計有很大的局限性，所以射陽縣無損檢測技術研究所和中國鐵路蘭州局集團有限公司嘉峪關車輛段共同研制了DZS-KⅡ型微控數字圖像鉤尾框磁粉探傷機。由于鉤尾框零件的結構特殊，尤其是該工件的前后彎角處（如圖1），在列車高速運行中，由于負荷過大造成的內應力，容易對鉤尾框造成損傷。如果鉤尾框在探傷檢測時未探測或漏探其表面的裂紋，而使用在運行中的列車上，將直接影響列車的運行安全。

目前，國鐵集團公司下屬的機務、車輛段修對鉤尾框進行磁粉探傷依舊使用小型便攜式探傷儀，該探傷方式容易導致工件表面真實裂紋的漏檢。但也有個別廠家生產了床式鉤尾框磁粉探傷機，但主要由兩種磁化結構：一是采用周向直接通電，縱向磁化線圈探傷;二是采用三維立體磁場探傷方法，這樣對鉤尾框內弧面等易損傷截面的檢測仍具局限性，造成的漏檢現象時有發生，且市場中現役的多數磁粉探傷設備都是通過模擬方式來調節磁化電流的大小，當達到相應的磁場的強度，當設備所在處所的電網電壓波動時，其磁場的強度也會隨之增強或減弱，該探傷設備受處所電網電壓波動的影響，對設備所產生的磁場強度及靈敏度都產生了較大影響，如電網電壓高時探傷靈敏度就高，反之電網電壓低時探傷靈敏度低，在靈敏度高時一些在正常范圍內不影響工件壽命的紋路都會隨之顯示出來，而在靈敏度低時，在磁化規范內應該顯示的裂紋卻顯示不了，最終增大了漏探幾率。

基于上述情況，射陽縣無損檢測技術研究所和中國鐵路蘭州局集團有限公司嘉峪關車輛段共同研制了一種針對貨車鉤尾框進行無損檢測的磁粉探傷設備。該探傷設備能夠完全適用于各種型號的鉤尾框，能夠對鉤尾框工件的所有部位進行全部探傷。該設備的磁化方法是將工件置于磁粉探傷設備所產生的按一定規律變化的磁場中，使工件被均勻磁化。若工件表面及距表面一定深度范圍內存有裂紋、缺陷，則該處就會因磁力線傳導不均勻而產生一個突變性磁壓差，它等效于一個微小的S-N磁極對。該設備周向磁化采用梳齒形開合線圈法，縱向磁化采用磁軛法，對鉤尾框進行整體濕法復合磁化探傷，該設備可利用可編程控制器，程控或人工操作，一次操作完成工件的噴淋、磁化等探傷工序。與國內市場同類產品相比較，設備從機械結構設計合理性、磁化線圈布局合理性、磁場覆蓋可靠性等方面均做到了先進水平。

1 原理概述

本次研制的鉤尾框磁粉探傷機采用臥式機電一體化結構，設備配備磁懸液的噴淋、回收、攪拌系統。設備磁化既可周向或縱向單獨磁化，又可周、縱向復合磁化，其磁化靈敏度高，可對工件進行全方位磁化，并能夠做到磁場的分布均勻，具有穩定性高、無漏檢等特點，規避了漏判、誤判的風險，更好地保障鐵路行車的安全。

探傷性能方面，首先本設備以所在處所現有的鉤尾框檢修流水線來設計微控數字鉤尾框磁粉探傷機的主體外形結構，磁化電路采用閉環數字控制，即“閉環控制電路”（見圖2）。閉環控制電路是指與控制對象存在反饋聯系的控制電路。為在設備中保持電流的穩定，加入一些測量比較元件組成閉環系統。該電路對周、縱向電流采用閉環控制電流，直接設定磁化電流（或磁勢），可保證電流（或磁勢）穩定，電流設定值和實際電流值偏差小于10%，以達到磁粉探傷的最佳效果，有效地解決了類似玉探傷設備因線圈電極、磁軛接觸部位長期磨損所導致接觸不良，造成的打火現象。其次設備可根據被探工件形狀的復雜性進行磁場演變，采用“雙排梳齒形電極開合線圈”，達到最佳的磁場分布結構，從而實現最佳磁化效果。

設備采用自研制的可控硅智能觸發模塊（見圖3）對可控硅的導通角進行精密控制，模塊內部由光電數字觸發元件、過電壓保護元件等主要元件構成，與常規觸發電路板相比較體積小，免接線，即插即用。是觸發電路板的更新換代產品。該裝置能夠有效地控制可控硅的導通角，從而對磁化電流實行穩定控制。

系統優化方面，在本次研制過程中，于探傷設備上加裝圖像采集、識別系統及新型LED冷光源照明裝置，高清相機在探傷設備工作時可沿著工件水平方向作來回運動，實現攝錄、抓拍等功能，并將采集到的圖像自動傳輸到計算機中通過圖像識別系統進行自動圖像識別，不僅替代了傳統人工觀察磁粉探傷工件，且實現了對探傷作業過程中出現的既有缺陷工件的源頭追溯。本設備用計算機控制程序實現了探傷數字化操作、探傷數據可網絡管理、自動記錄周縱向電流、自動記錄充退磁時間、對磁粉探傷進行日常性能校驗和季度性能交驗、探傷數據自動匯總、自動生成各種報表。

實際操作方面，該設備具有手動控制、自動控制。手動控制時可以完成工件夾緊、工件移進、旋轉、噴淋、磁化、轉動觀察、退磁、移出、松夾等動作，適用于探傷各項步驟的分步操作;自動操作時，本設備采用日本三菱PLC可編程控制器控制，可自動完成除人工觀察以外的工件夾緊-移

進-旋轉-噴淋-磁化-轉動觀察-退磁-移出-松夾等各個動作，大大降低了現場探傷作業人員的勞動強度。

使用維護方面，首先設備具備了自診斷功能，如發生系統或機械故障，工業控制計算機可根據設備故障的反饋，自動提示設備出現故障的部位，并給出相應的解決方案。其次，電氣部位采用模塊化設計，達到了即插即拔、即插即用的效果，避免因傳統的電路線紛雜亂造成維修人員檢修的困難。

2 主要技術參數

（1）輸入電源：

電源電壓：三相交流380V±10% 50Hz

輸入電流：瞬間最大電流130A

（2）輸出電源：

周向磁化電流：0-2000A（有效值）

縱向磁化電流：0-100A（有效值）

周向磁化磁勢：0-16000AT

縱向磁化磁勢;0-10000AT（線圈100匝）

（3）暫載率：30%

（4）退磁方式：自動衰減 ?退磁效果：≤0.5mT

（5）氣壓：≥0.45Mpa

（6）工作面照度：>1500Lx

（7）磁懸液濃度：黑色磁粉1.2～2.4mL/100mL

（8）整機絕緣電阻：>2MΩ

（9）外形尺寸（長×寬×高）：3200×1700×1900mm

（10）重量：1500Kg

3 功能及磁化參數的確定

3.1 功能確定

（1）該設備主要技術性能符合JB/T8290-2011《磁粉探傷機》要求。

（2）工件磁化原理采用了二路復合磁化技術，即：磁軛法產生鉤尾框周向磁場，雙排梳齒形電極開合線圈法產生鉤尾框縱向磁場。

（3）機械裝置：該設備采用臥式機電一體化結構，工件上下料采用水平方向進出，配合鉤尾框檢修作業流水線同步運行;梳齒形電極開合線圈、磁軛由氣缸驅動閉合，磁化結束自動返回;工件轉動觀察噴淋通過減速機驅動。

（4）該設備采用連續法濕法探傷，使鉤尾框全方位一次復合磁化，并顯示工件磁痕。

（5）具有手動/自動功能;周縱向磁化電路均采用可控硅模塊控制，并配合可控硅觸發模塊，以達到磁化電流的連續可調。

（6）該設備全部動作控制采用PLC可編程序控制器控制，自動化程度高，工作可靠，操作方便。

（7）該機配備圖像采集裝置攝取磁痕圖像，對探傷過程中發現磁痕的可追溯性。圖像采集裝置選用高清晰度、高分辨率的相機，采集圖像清晰，能夠適應各種復雜的檢修生產環境。

3.2 磁化原理、磁化參數的確定

鉤尾框內側前后彎角處的磁化：根據鉤尾框的內側面的形狀，采用梳齒型開合線圈法、磁軛法，進行復合磁化，進行周、縱向磁化探傷檢查 （見圖4）。

梳齒形開合線圈電流為1000A時，在鉤尾框上產生周向感應磁場;磁軛磁勢為4000AT時，在鉤尾框上產生縱向感應磁場。感應電流與磁場強度成正比，磁化電流越大，其產生的磁場越大。經現場試驗鉤尾框磁粉探傷機周向磁化電流在1000A，縱向磁勢在4000AT時，對鉤尾框進行復合磁化，其前后四個彎角處A1型15/50試片能夠清晰顯示。

4 中國鐵路蘭州局集團有限公司嘉峪關車輛段的測試結果（見表1）

5 嘉峪關車輛段使用意見

該設備自2017年7月至今在嘉峪關車輛段使用效果良好，運行正常，使用情況如下：

（1）探傷尾框300余件，手動探傷時為4min/件，自動探傷時為3min/件，運行狀態正常。

（2）氣缸、氣動閥、三聯件、電磁閥運行正常。

（3）傳動機構，轉動裝置、梳齒形開合線圈、磁軛等動作運行可靠。

（4）經過試用，靈敏度試片顯示清晰。

（5）對有裂紋工件探傷試驗時，裂紋清晰顯示。

（6）圖像攝取裝置結構運行正常，攝取的有裂紋工件圖片上能清晰準確地顯示磁痕。

6 結束語

該設備在用戶使用中得到了充分的認可。DZS-KⅡ型微控數字圖像鉤尾框磁粉探傷機主要依靠先進的磁粉探傷技術，使用維護簡單，維修方便快捷，低故障。鐵路行車事故造成的巨大經濟損失有目共睹，DZS-KⅡ型微控數字圖像鉤尾框磁粉探傷機能夠有效地保證鉤尾框工件質量缺陷問題，實現了對探傷工件表面缺陷的嚴格控制，為保證列車行車安全又新增了一把鎖。增加安全就是擴大經濟效益。

參考文獻：

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