基于弱磁技術的火車輪踏面裂紋檢測

姜禹桐，熊樂超，張統偉，于潤橋，傅 萍

(南昌航空大學 無損檢測技術教育部重點實驗室，江西 南昌 330063)

0 引 言

火車輪是火車核心部件，其工作環境惡劣，目前，中國高速鐵路正在飛速發展，火車輪的質量檢測對保證列車行駛安全起著關鍵作用。目前我國火車輪主要分為鑄鋼輪和輾鋼輪[1]。鑄鋼輪由于鑄造過程易產生夾雜、縮孔等缺陷，目前只有少部分老式車型應用；輾鋼輪是我國鐵路車輛主型車輪，其強度高韌性好，且質量較輕，更加安全可靠[2-3]。但輾鋼輪踏面耐磨性較差，車輪踏面常以高速度與鐵軌接觸，在長時間的撞擊、摩擦下，易導致磨損、裂紋缺陷出現，即滾動接觸疲勞[4-6]；同時由于列車制動產生的熱負荷也會導致車輪的踏面形成制動熱裂紋[7-8]，嚴重將導致車輪斷裂，引發安全事故。因此對火車輪踏面的快速檢測十分必要。

火車輪作為高速列車安全性與穩定性的關鍵部件，各個國家的質量標準也較為嚴格[9-10]。對于國外工業水平突出的國家，在上世紀就已經形成了完整的自動化檢測體系與質量評價系統[11-12]。美國最早在80年代開始針對火車輪踏面的缺陷開發自動檢測設備，并在90年代初將電磁超聲(EMAT)技術應用于火車輪缺陷識別[13]。日本鐵道技術研究所將振動加速計放于軌道底部，通過測定振動的加速度變化從而判斷車輪踏面缺陷損傷程度[14]。德國鐵路研發的充水耦合超聲設備將超聲波探頭放置在特定軌道凹槽內，在列車經過時實現對車輪踏面的檢測[15]。國內對于火車輪的檢測設備開發相對較晚，初期主要以超聲、磁粉、渦流等常規檢測技術為主。近年來，諸多學者探究新技術，并在火車輪踏面的檢測中得以應用。北京鋼鐵總院利用電磁超聲換能器表面波法檢測火車輪，不僅實現了對踏面的檢測，同時解決了踏面與輪緣R角之間盲區的檢測[16]。叢明等利用機器視覺技術，通過工業攝像頭在輔助光源下采集踏面的光帶圖像，實現了智能識別踏面的損傷[17]。侯繼良等利用CCD圖像測量法評估踏面磨損程度，實現了踏面的靜態檢測[18]。程宏釗等利用非接觸三維掃描儀重構車輪模型，通過對踏面模型的復現對比實現對踏面損傷的檢測[19]。以上檢測方法雖取得一定效果，但均存在一定弊端，主要集中在兩個方面：1）超聲法操作相對復雜，且檢測速度較慢；2）機器視覺與三維重構受環境影響較大，且對踏面磨損減薄較為敏感，對裂紋和深度損傷檢測難度較大。

針對目前火車輪踏面裂紋檢測的難點，提出一種基于地磁場的弱磁檢測技術。弱磁檢測操作便捷，檢測速度快，且檢測過程無需耦合劑或勵磁設備；本次研究通過理論分析與檢測實驗驗證弱磁技術在火車輪踏面裂紋檢測的可行性；同時，利用裂紋處磁感應強度幅值計算裂紋深度，實現對裂紋定深，為火車輪踏面的質量評價提供了新思路。

1 磁化與弱磁檢測原理

磁化是指使原來不具有磁性的物質獲得磁性的過程。物質在外磁場作用下所顯現的磁性大小稱為磁化強度，是描述物質磁化狀態的物理量。磁化強度受物質本身與外磁場強度影響，具體表達式為：

式中：M——磁化強度，A/m；

H——磁場強度，A/m；

在磁化環境下，物質所表現的磁場強弱與方向是外磁場強度與磁化強度的疊加量，用磁感應強度來描述，具體關系為：

式中：B——磁感應強度，T；

μ0——真空磁導率，其大小為 4π×10-7H/m。

外磁場強度相同的情況下，磁化率是影響磁化強度與磁感應強度的唯一條件，根據物質的磁化率不同，將材料分為5類：鐵磁性、順磁性、抗磁性、亞鐵磁性和反鐵磁性。由磁化的性質可知，在空間磁場的作用下，一切物質均具有一定的磁性。用來表征物質在外磁場下磁化程度的物理量為相對磁導率μr，其與磁化率χ的表達式為：

在地磁場環境中，無論車輪與地磁場的相對方向如何放置，其受地磁場磁化后均為具有微弱磁場的磁體[20]。由式(3)可知，物質若連續均勻，其磁導率是相同的。因此，當車輪踏面無缺陷時，磁導率相同，磁化下表面的磁感應強度應該是均勻穩定的。若存在缺陷，則在缺陷處磁導率會發生突變，表面磁感應強度也會發生異常變化。火車輪踏面裂紋處為空氣填充，其磁導率小于微合金鋼磁導率，所以在裂紋處磁感應強度將變小。因此，弱磁檢測技術正是利用缺陷處磁導率差異導致的磁感應強度突變，通過實驗室自主研發的高精度磁通門傳感器檢測材料在地磁場磁化后表面磁感應強度的法向分量，并通過算法對磁感應強度處理與分析，即可提取異常磁場區域，從而實現對缺陷的識別。

圖1 裂紋與應力信號波形對比圖

2 火車輪踏面裂紋檢測實驗

弱磁檢測探傷儀器主要由檢測探頭、信號采集板、上位機和數據處理軟件4部分組成。檢測探頭采用實驗室自主研發的高精度磁通門傳感器，分辨率為1 nT，量程為±250 000 nT。同時組成最多12通道的陣列探頭，可自選任意探頭檢測，增加檢測面積與效率。針對火車輪踏面的特殊結構，設計了貼合踏面檢測的磁通門探頭工裝，如圖2所示。信號采集板將探頭采集到的磁感應強度信號傳給上位機，通過數據處理軟件進行信號分析。

圖2 火車輪踏面檢測工裝

實驗試件為中國鋼鐵研究院提供的預制缺陷車輪對，每個車輪共有9條預設不同深度的裂紋缺陷，3×3排列，兩車輪預設缺陷位置相同，如圖3所示。火車輪疲勞磨損下易萌生自然細小裂紋，且裂紋寬度極小，較大寬度裂紋不易出現，所以預設裂紋寬度均取0.5 mm來模擬真實細裂紋缺陷，裂紋長度取10 mm，裂紋縱向間距80 mm，橫向間距20 mm。檢測實驗共分為兩部分：首先對1號輪進行檢測，通過信號特征驗證弱磁檢測可行性，同時提出缺陷識別算法；其次，對于深度定量，由于真實缺陷裂紋寬度極小且相差甚微，寬裂紋缺陷出現概率極低，所以定深公式可不考慮裂紋寬度影響，利用1號輪數據分析裂紋深度與磁感應強度之間的關系。最后通過對2號輪檢測并驗證缺陷識別算法與深度計算公式的準確性。

圖3 火車輪預設缺陷

檢測時將車輪放置于穩定磁場環境，使用4個探頭由上自下沿踏面表面掃查，在第1行裂紋前80 mm處開始，在第3行裂紋后60 mm處停止，掃查距離共300 mm，每行裂紋位置為80 mm、160 mm、240 mm處，檢測路徑見圖4。檢測時手動勻速移動探頭，地磁場在局部小范圍內可近似相等，磁通門傳感器采集火車輪踏面法向方向的磁感應強度信號。檢測需在同一條件下重復多次掃查，以保證數據的準確性。

圖4 檢測路徑

3 檢測結果與討論

3.1 1號車輪檢測結果與信號分析

圖5為1號車輪踏面表面的磁感應強度曲線圖，1、2、3號探頭分別對應第1列、第2列、第3列裂紋檢測信號，4號探頭為無缺陷的踏面檢測信號。圖中橫坐標為掃查的距離，縱坐標為磁感應強度值。由圖可知1、2、3號探頭在75 mm、160 mm、240 mm處存在下凹的磁異常，且波動趨勢明顯，與實際缺陷位置80 mm、160 mm、240 mm對比略有偏差，是由于手動掃查速度略有不均導致。此外，1號探頭在無缺陷處出現磁飽和現象，在裂紋處磁信號下凹，原因為第一列裂紋與輪緣距離較近，輾鋼輪在軋鋼或行駛中輪緣附近受應力較大，力磁耦合作用造成磁飽和，但對缺陷檢測無影響。4號探頭檢測路徑為踏面無缺陷處，信號相對平穩，無明顯波動。由此說明利用弱磁檢測技術對于火車輪踏面裂紋進行檢測是可行的，且信噪比良好，檢測效率高。

圖5 1號輪各探頭檢測信號

針對火車輪踏面裂紋缺陷的信號特征，提出一種利用極值差及閾值線聯合判斷缺陷的方法。對于離散磁感應強度信號，極值差可以較好地反映磁感應強度的波動幅度，在無缺陷處磁感應強度波動較小，在裂紋處磁感應強度波動較大，所以通過波動幅值的高低即可判斷是否存在缺陷，磁感應強度幅值ΔB為峰值與兩邊駐點平均值之差，即:

圖6 極值差法計算流程圖

流程圖中對極差也同樣做閾值線判斷，目的是排除駐點處的波動對缺陷點判斷的干擾。根據上述算法，得出各探頭波動幅值曲線如圖7所示。

由圖7可知，極值差閾值線法能較明顯的識別出缺陷的幅值與位置，說明極值差閾值線法適用于踏面裂紋缺陷的判別。

圖7 1號輪磁感應強度幅值曲線

對于判定裂紋深度，由于火車輪裂紋寬度均在0.5 mm以內，且差距甚小，所以微小寬度變化對裂紋磁感應強度影響不大，可忽略不計，所以只需分析裂紋深度與磁感應強度幅值數值關系即可實現對裂紋的深度測定。表1為9個踏面裂紋的深度值與磁感應強度異常幅值ΔB。

由表1裂紋的深度值與磁感應強度異常幅值ΔB可以看出，裂紋深度與磁異常幅值呈正相關，幅值越大，裂紋深度越深。在同一深度下，各裂紋磁感應強度差距較小，在允許范圍內，誤差來源可能為深度刻傷時有些許差異。通過對已有數據的擬合，即可得出深度與裂紋磁感應強度幅值的數值關系。

表1 1號車輪裂紋深度與幅值參數

傅里葉最小二乘擬合是對離散數據進行線性處理的一種常用擬合方法，其利用遞歸算法不僅可以提高擬合度，同時可消除異常點干擾。通過傅里葉最小二乘擬合對裂紋幅值與深度進行擬合，擬合公式為：

決定系數 0.993 8，修正決定系數0.990 7，擬合效果良好，準確度高，誤差在允許范圍內。綜合上述實驗結果，傅里葉最小二乘擬合深度曲線如圖8所示，弱磁檢測技術可實現對火車輪踏面裂紋的識別與定深。

圖8 傅里葉最小二乘擬合深度曲線

3.2 2號車輪檢測結果與深度驗證

圖9為2號輪踏面表面的磁感應強度曲線，由1、2、3號探頭可以看出，在70 mm、160 mm、240 mm處同樣出現下凹的磁異常信號，且磁異常位置與預設裂紋位置基本一致；4號探頭信號曲線無明顯磁異常，小幅度波動因為靠近輪緣存在邊緣效應，但對檢測無影響。

圖9 2號輪各探頭磁感應強度信號

2號輪幅值曲線如圖10所示，由圖可知閾值線對缺陷的識別與判定較為準確，裂紋處的波動幅值遠大于無缺陷點。

圖10 2號輪磁感應強度幅值曲線

根據擬合公式，計算出2號輪各裂紋深度，與真實深度值對比。由表2對比結果可知，檢測深度值與真實深度值誤差小于±0.11 mm，在可接受誤差范圍內，證明傅里葉最小二乘擬合應用于火車輪踏面裂紋弱磁檢測深度計算是可行的，且計算結果精確，誤差率低。

表2 2號車輪裂紋檢測深度與真實深度參數

4 結束語

通過設計火車輪踏面預設裂紋缺陷實驗，利用弱磁檢測技術對不同深度的裂紋進行檢測，分析磁感應強度數據，得出如下結論：

1)弱磁技術對于火車輪踏面裂紋的檢測是可行的，且基于極值差法與拉依達準則的缺陷識別算法信噪比高，定位準確。

2)利用傅里葉最小二乘擬合法結合磁感應強度幅值實現對深度的計算，誤差率較小，在±0.11 mm內，可進一步實現對火車輪的質量評價。

3)弱磁檢測技術對于火車輪踏面缺陷檢測速度快，精度高，進一步改進可用于自動化檢測，為火車輪踏面缺陷檢測提供新思路。