關于對鐵路貨車均衡梁磁粉探傷設備的研制

賈銳，張漢武，王遠新

（中國鐵路蘭州局集團有限公司嘉峪關車輛段，甘肅 嘉峪關 735100）

1 前言

均衡梁工件運用在K16A型礦石車上，是中車長江公司為滿足甘肅省酒泉鋼鐵集團在嘉境線上運輸鐵礦石而設計的，因行駛線路條件惡劣，轉向架蛇形運動嚴重，直接影響均衡梁疲勞強度，加劇了均衡梁損傷故障，減弱了轉向架的運行品質，與此同時，也對均衡梁探傷檢測的提出了更高的要求。數十年來，國內生產的同類檢測設備已經領先于國際水平，打破了國外廠商壟斷。不過，仍然存在部分冷門工件，國內依然沒有專用設備，因此，射陽縣無損檢測技術研究所和嘉峪關車輛段共同研制了DZS-XII型微控均衡梁數字磁粉探傷機。因均衡梁工件的結構特殊性，特別是圓銷孔及外部焊縫（如圖1），如均衡梁在探傷檢測時漏探其表面產生的裂紋，將對行車安全構成嚴重的威脅。

圖1 16型均衡梁探傷部位示意圖

目前，鐵路車輛檢修單位因均衡梁工件的單一性和不常見性，其探傷檢測仍然使用馬蹄形磁粉探傷儀進行檢測，并無專屬配套設備使用，該檢測方式極易導致工件表面潛在裂紋出現漏檢。曾有部分設備廠商設計生產了機床式均衡梁磁粉探傷機，但其與便攜式馬蹄磁粉探傷儀原理相同，只設有一組線圈，每次對工件進行檢測時，單次磁化僅能檢測一向，須將工件旋轉90°再次磁化，才能檢測出另外一向，這種檢測方式，不僅效率低下，還容易出現漏探現象。目前，國內的生產的磁粉探傷機都是運用模擬法來調節磁化電流，充磁電流達到相應規定的值，設備所在地的電網發生電壓波動時，比如，常見的“壓降”探傷設備的磁場強度也會隨之增強或者衰減，探傷靈敏度隨之也會受到極大的影響，一些在正常范圍內的細紋都會顯現，反之，應該顯現的裂紋卻不能準確地顯示，導致裂紋漏探，留存安全隱患。

結合上述的常見情況，嘉峪關車輛段與探傷機生產廠家射陽縣無損檢測技術研究所合作研制了一臺檢測鐵路貨車K16均衡梁的磁粉探傷機。能夠滿足K16型礦石車的均衡梁工件的探傷要求，能夠對均衡梁的圓銷孔及外部焊縫部位進行全面無死角探傷。原理是：將被檢測工件放置于磁粉探傷機產生的磁場中，工件被磁化。如果工件表面或淺層存在裂紋，該部位會因為磁力線傳導不均產生突變性磁壓差，相當于微小的S-N極。探傷機的周向磁化方式采用直接通電法，縱向磁化采用螺紋線圈感應法，對均衡梁工件做復合磁化作業，該探傷機通過可編程序控制器控制相應的輸入輸出點完成相關動作指令，計算機軟件程控或手動按鈕操作，可以操作完成探傷工件的磁懸液噴淋、探傷工件磁化流程。與同類產品相比，機械、電路、軟件設計等方面均達到了先進水平。

2 原理概述

微控均衡梁數字磁粉探傷機為機床式結構，探傷機設置有機械手抓取工裝、工件固夾機構、探傷磁懸液噴液循環系統、探傷照明裝置、磁粉探傷磁化機構、微控圖像機構、探傷觀察暗室機構。設備具有磁場分布均勻、穩定性好等特點，杜絕了漏判、誤判的作業風險，保障了K16型貨車運行的安全。

微控均衡梁數字磁粉探傷機綜合性能方面，微控均衡梁數字磁粉探傷機結合了設備處所占地情況來設計外形結構和控制外圍尺寸，其磁化電路運用閉環控制原理，見圖2。閉環控制是指與控制方存在關聯的控制電路。為了保持電流能在磁粉探傷機運行中穩定輸出，因此，集成一部分測量比較元件用來組成一個閉環系統。此電路對周、縱向電流完成了閉環控制，通過直接調整磁化電流或磁勢數值，保持穩定，磁粉探傷機上電流設定的數值和實際測定的電流的數值誤差不大于10%，達到最佳效果，解決了充磁打火問題。探傷機還可以兼容不同被探工件做磁化兼容，磁化線圈結構還創新采用“圓矩形電極雙磁路開合整體線圈”，磁場分布效果極佳。

圖2 閉環數字磁化控制電路原理圖

探傷機采用自行研發的可控硅觸發模塊對其自身導通角控制，內核為光電觸擊、過壓自保組件等構成，與現役設備上常規的觸發電路板卡相比下，它的占用空間更少，不用接線且熱插熱拔，對磁粉探傷機磁化電流的恒定控制功不可沒。

配套軟件優化方面，此次研發過程中，微控均衡梁數字探傷機運用了圖像采集模組，高清相機在探傷作業過程中會沿著與工件平行方位線性移動，完成攝像、定拍，將采集的圖像實時傳送到工業控制計算機中，經過處理軟件完成甄別，替代探傷人員觀察，實現對探傷工件的源頭追溯，見圖3。達到探傷作業數字化操作、數據網絡化管理、自動記錄探傷數據、對磁粉探傷日常和季度性能校驗、探傷數據自動匯總并生成校驗表。

圖3 圖像識別裝置及控制軟件

實操部分，該設備有手動、自動兩種操作模式。手動方式能完成周向電極、縱向線圈移至定點位置并磁化和退磁并返回初始點、均衡梁工件進出、旋轉、磁懸液噴淋；自動控制方式時，微控均衡梁數字磁粉探傷機可自動完成除人工觀察探傷工件以外的所有步驟，降低了現場探傷人員的勞動強度。

使用維護部分，設備具有運行自診功能，如發生故障，工控機將根據故障診斷模塊的反饋，提示故障單元，得出對應的排障建議。電路設計部分采用模組設計，達到熱插熱拔的效果，實現了傳統電路的集成化。

3 技術性能參數

（1）周向磁化電流：AC0～2000A連續可調；

縱向磁化磁勢：AC0～16000AN連續可調；

復合周向磁化電流：AC0～2000A連續可調；

復合縱向磁化磁勢：AC0～16000AN連續可調。

（2）退磁：①退磁方法：縱向電流衰減法；②退磁時間：5s；③退磁效果：剩磁額定值≤0.3mT；

（3）夾距行程：260～640mm。

（4）工件轉速：5r/min。

（5）檢測速率：0.5～1min/件。

（6）電流暫載率：滿載時不小于30%。

（7）電源：三相四線380V/100A（瞬時值）、50Hz。

（8）工作氣源：氣壓≮0.45Mpa;流量10-12L/min。

（9）機體尺寸：長3200mm×寬1020mm×高2570mm。

（10）重量：800kg。

（11）靈敏度：15/50A型試片清晰顯示。

（12）輻照度：＞800uw/cm2。（13）整機絕緣電阻＞2MΩ。

4 設備功能以及磁化參數的確定

4.1 設備功能的確定

（1）該微控均衡梁數字磁粉探傷機主要技術性能符合JB/T8290-2011《磁粉探傷機》要求。

（2）K16均衡梁工件磁化采用了二路復合磁化原理，即直接通電法產生周向磁場，螺紋感應線圈法產生縱向磁場。

（3）機械構造裝置：采用臥式結構，工件配備機械手工件抓取裝置運行；周向磁化電極、縱向磁化線圈由氣缸驅動伸縮到位，磁化結束自行返回；工件轉動觀察噴淋通過減速機運轉和磁懸箱中的潛水泵驅動。

（4）該磁粉探傷機采用連續法濕法熒光磁粉探傷，K16均衡梁工件整體一次性復合磁化，顯示工件磁痕。

（5）該磁粉探傷機具有手、自動功能；磁化電路機構采用可控硅模塊控制配合可控硅觸發模塊，實現電流數值的連續可調。

（6）該磁粉探傷機采用PLC控制，自動化程度高，工作可靠，操作簡易；配備圖像采集機構，對探傷過程采集存儲，選用高清的相機，具有數據可追溯性。

4.2 磁化原理以及磁化參數的確定

均衡梁內側前后彎角處的磁化：根據均衡梁的內側面的形狀，采用螺紋線圈法、直接通電法，進行復合磁化，進行周、縱向磁化探傷檢查，見圖4。

圖4 均衡梁感應電流法磁化示意圖

圓矩形電極雙磁路開合整體線圈的磁化電流達到2000A時，均衡梁工件表面形成周向磁場；當縱向磁勢達到16000AN時，均衡梁工件表面會產生縱向磁場。電流數值與形成的磁場強度成正比例，探傷磁化電流數值越大，磁場越大。經雙方現場聯合試驗，微控均衡梁數字磁粉探傷機的周向磁化電流達到2000A、縱向磁勢達到16000AN時，對均衡梁工件復合磁化，粘貼在均衡梁梁工件的圓銷孔及外部焊縫處的兩張A1型15/50試片顯示清晰。

5 嘉峪關車輛段和射陽縣無損檢測技術研究所的聯合測試結果（表1）

表1

6 設備使用情況

微控均衡梁數字探傷機于2017年3月在嘉峪關車輛段的修配車間完成了安裝、調試、試驗、驗收，運行至今，設備性能良好，故障率低、維修方便、兼容性好，使用具體情況如下：

（1）微控均衡梁數字磁粉探傷機運行期間檢測過的K16型均衡梁工件數量約450余件。

（2）設備運行效率：手操模式為4分鐘每件，自操模式時為3分鐘每件，運行狀態一切正常。

（3）氣動機構、機械機構、磁化機構、噴液機構、微控圖像機構、電氣機構運行正常。

（4）通過日常、季度校驗測試，試片顯示清晰，通過對有裂紋的樣板工件測試時，裂紋均正常完整清晰顯示，圖像采集也同步顯示清晰。

7 結語

微控均衡梁數字磁粉探傷機在用戶單位多年的使用過程中，各方面性能得到了充分的論證。微控均衡梁數字磁粉探傷機依托先進的電路設計、磁化方案、兼容設計，操作更方便，維修更便捷，故障率更低。歷來由鐵路行車事故導致的經濟損失有目共睹，DZS-XⅡ型微控均衡梁數字磁粉探傷機能夠提供均衡梁工件的安全保證，不放過任何一個影響鐵路行車安全的缺陷，為鐵路行車安全保駕護航。