基于旋轉磁場磁化技術的鐵道機車車輛轉向架構架整體磁粉檢測

程志義 姜 巖 周廣浩 董雙來 李建德

(1.中車長春軌道客車股份有限公司質量保證部,130062,長春；2.西安永安磁粉探傷科技有限公司,710032,西安//第一作者，正高級工程師)

鐵道車輛轉向架構架在工作狀態下承受著來自車體(枕梁或旁承)的壓力，以及來自軸箱的支撐力、牽引力、橫向作用力，來自制動單元(夾鉗)的制動力，還有來自橫向減振器、垂向減振器、抗蛇行減振器的作用力等，受力極為復雜，而且大多為交變的作用力。而在車輛運行過程中，轉向架構架一旦發生裂損失效，將有可能造成列車脫軌甚至顛覆的嚴重行車事故，因此轉向架構架的探傷檢測顯得尤為重要。

現代的機車車輛轉向架構架多采用板材焊接而成，尤其是高速鐵路動車組車輛的轉向架構架，采用高強度低合金結構鋼焊接，母材采用下料后模壓成形的鋼板和厚壁鋼管經過組對焊接而成。轉向架構架如圖1所示。由于轉向架構架本身結構復雜，該組焊件的焊縫縱橫交錯，分布于構架的各個部位，給焊縫焊接質量檢測帶來了困難。采用馬蹄形探傷器進行磁粉探傷檢測，不僅工作強度大，而且由于結構自身的影響，有一些陰角部位探傷磁軛無法深入，檢測表面無法達到必要的磁場強度而成為檢測盲區，因而不能達到全表面磁粉檢測的需要。為此，研制了一種轉向架構架專用的磁粉探傷設備。該設備可對構架進行整體磁化，有效提高了檢測效率、降低了探傷操作人員的勞動強度、消除了馬蹄形探傷器的檢測盲區，從而滿足了轉向架構架制造、修理過程中表面缺陷檢測的迫切需要。

圖1 轉向架構架示意圖

1 磁化方式的選擇

在實際工業生產中需要檢測的工件，其表面在任意方向都有可能存在缺陷，這就需要在所有檢測部位的表面獲得二維的切向磁場，即在工件所在的空間內需要三維的磁場才能夠滿足工件探傷的需要[1]。

由于轉向架構架結構復雜、尺寸較大(高鐵動車組轉向架構架尺寸為3 200 mm×2 900 mm×740 mm)，采用傳統的通電復合磁化不可能像規則的回轉體一樣在所有的外表面獲得均勻的表面磁場強度，無法滿足構架探傷的需要。因此，采用了空間三維旋轉磁場非接觸磁化技術來對構架進行磁化，實現對構架的整體表面磁粉檢測。空間三維旋轉磁場磁化技術用于磁粉探傷，該技術在我國20世紀80年代已有實用性探索，到90年代末期，在鐵道機車車輛行業的大型復雜形狀零件的磁粉檢測中進行了深入的應用研究，如在內燃機車曲軸、齒輪和連桿，以及在機車車輛車鉤鉤體、鉤舌、鉤尾框和軸箱等零件的探傷中得到成功推廣應用。尤其是采用井式結構的旋轉磁場井式多功能探傷機的成功開發，開創了磁粉探傷機采用井式結構的先河，極大地發揮了旋轉磁場磁粉探傷的實用性優勢，解決了車鉤鉤體、鉤舌、鉤尾框及軸箱等一系列復雜形狀零件磁粉探傷的難題，為形狀復雜的鑄鍛零件的制造、檢修行業提供了可靠的檢測手段。經過近30年的實用性探索，我國旋轉磁場磁化技術用于磁粉探傷已經積累了較為成熟的經驗，采用該磁化技術的磁粉探傷機也具有完全自主的知識產權。

2 旋轉磁場磁化技術的原理

旋轉磁場主要是采用接入不同交流電的多組相互交叉的磁化線圈，線圈之間形成幅值相同并互有一定角度和相位差的交變磁場，磁場之間相互疊加，最終形成磁場強弱隨時間改變的空間旋轉磁場[2-3]，如圖2所示。

圖2 垂直交叉的旋轉磁場

設在試件上于兩個互相垂直的方向上同時施加兩個磁場Hx(t)和Hy(t)，其幅植相同(H0x=H0y=H0)，頻率亦相同(fx=fy=fu)，設它們之間存在相位差α，則兩個分矢量的方程為：

Hx=H0cos(2πft+α1)

(1)

Hy=H0cos[(2πft+α1)+α]

(2)

式中：

α1——初相。

根據式(1)～(2)得到試件上某一點的合磁場H為上述兩個分磁場的矢量合成，其大小為：

(3)

合成矢量的相位角θ為：

θ=arctan(Hy/Hx)=

arctan[cosα-sinαtan(2πft+α1)]

(4)

即合成磁場的指向在一個平面內作旋轉運動，旋轉磁場因此而得名。

設相位差α=π/2，則：

(5)

θ=-(2πft+α1)

(6)

從式(5)～(6)可以看出，當相位差α=π/2時，合成矢量的幅值為常值H0；而合成矢量的相位角θ與分矢量Hx的相位角(2πft+α1)方向相反而大小相等。即當α=π/2時，合成矢量的軌跡依順時針方向作圓旋轉運動。

當分矢量的相位差不等于π/2時，合成矢量在各方向上的大小不完全相等。合成矢量的軌跡作橢圓運動，則旋轉磁場在各方向對缺陷的檢測能力就不完全相同。

設x軸、y軸、z軸相互垂直，沿z軸方向設置第3組磁化線圈，其磁場方向與x軸、y軸所在的平面垂直，且場強接近，則3組磁化場Hx、Hy、Hz相互疊加后，可在其包容的空間內形成三維空間磁化場。對于在磁場空間內的工件，如圖3所示，由于在其任何位置均能獲得二維切向磁場，工件磁化后可清晰地顯示出任何方向的缺陷，滿足對復雜工件的檢測要求。

圖3 放入工件后的旋轉磁場

3 旋轉磁場磁化技術的特點

與傳統的通電周向磁化加縱向線圈的復合磁化方法相比，旋轉磁場探傷法有如下特點[4]：

1) 旋轉磁場在線圈包容的空間內對探傷對象進行多向磁化，可滿足不同形狀復雜零件的探傷需要，且該方法對不同形狀被檢測工件的適應能力強。

2) 非接觸式磁化方式由于通電電極與被檢測工件未接觸，避免了常規復合磁化方法對工件可能造成的頂壓變形，以及電極打火灼傷工件的危險，操作較為安全。

3) 磁化裝置不與工件接觸，磁化電流大小不受接觸情況影響，磁場穩定且檢測可靠。

4) 磁化裝置本身不與工件接觸，探傷過程無機械損傷，探傷機使用壽命長。

5) 要使同一工件不同部位獲得均勻的磁場強度，需要針對工件形狀來設置磁化線圈的布置、匹配磁化程序和磁化電流。

6) 旋轉磁場非接觸磁化是靠磁化裝置包容空間內空氣中的磁場來實現對工件的磁化，相比通電復合磁化法需要更大的磁化功率。

4 設置轉向架構架旋轉磁場磁化裝置

針對轉向架構架這樣的大尺寸、形狀復雜的工件的磁粉探傷檢測需要，經過分析計算，確定了該構架探傷用的磁化裝置采用以交叉線圈為主，多組線圈對置、交錯相結合的旋轉磁場磁化裝置，以期達到以構架縱梁、橫梁為主，兼顧各個耳板、支座、筋板等全構架整體連續噴淋磁化完成探傷的目的。轉向架構架在旋轉磁場中的示意如圖4所示。

圖4 轉向架構架在旋轉磁場中的示意圖

5 降低電力消耗

為滿足轉向架構架的探傷靈敏度要求，需要在構架所有檢測表面均獲得不低于2 400 A/m的表面磁場強度。而轉向架構架尺寸大，旋轉磁場磁化裝置的斷面尺寸達到了4 100 mm×1 000 mm，所需要的瞬時磁化功率達到了200 kW以上。如此大的功率直接取自廠房供電系統，會給系統帶來嚴重的沖擊。為減少探傷過程中的電力消耗，采取了以下措施：

1) 采用了半包容的磁化方式對轉向架構架進行磁化，使得轉向架構架在不斷轉動的過程中分扇區完成整體磁粉探傷；

2) 通過PLC(可編程邏輯控制器)程序的設定，實現磁化裝置中各線圈分組分時交替循環工作；

3) 在磁化電源系統中設置了無功功率補償回路。

上述措施的采納，使得電源消耗功率降低了50%以上，同時保證了可靠的磁化效果。

6 轉向架構架表面磁懸液積聚的解決措施

為完成轉向架構架的磁粉探傷，構架需要支撐在輸送系統的臺車上送入磁化裝置。在轉向架構架噴淋磁化的過程中，盡管構架在旋轉，但水平的表面會形成磁懸液的積聚，影響磁痕的保留和觀察，為此經過試驗采取了轉向架構架傾斜旋轉噴淋磁化的方式進行探傷。轉向架構架輸送臺車托著構架走行到探傷工位后，托架傾斜一定角度，然后再旋轉，在傾斜的狀態下旋轉、噴淋、磁化，避免了磁懸液的積聚，達到理想的磁痕顯示效果。

7 結語

采用旋轉磁場磁化技術對轉向架構架整體進行磁化，達到了理想的磁化效果。所研制的整套設備由旋轉磁場磁化裝置、磁化電源系統、電氣控制系統、構架輸送裝置、構架翻轉裝置、磁懸液噴淋及回收系統、暗室及照明系統等組成。該設備采用非接觸的磁化方式對轉向架構架進行磁化，滿足了構架整體磁粉檢測的需要。采用的三維旋轉磁場組合磁化技術，能夠全方位檢測構架的表面缺陷。經試驗測試，達到了預期的表面磁場強度和綜合檢測靈敏度的要求，能夠實現每小時檢測兩個構架的檢測效率，轉向架構架整體磁粉檢測的難題得到圓滿解決。