王 平,楊雅榮,田貴云,2,姚恩濤,王海濤

(1.南京航空航天大學自動化學院,南京 210016;2.紐卡斯爾大學電子電力與計算機工程學院,NEI 7RU英國)

鐵路客車行車密度、載重量和速度的不斷提高,軌道故障也隨之增多。鋼軌受到車輪的擠壓和溫度影響,內部會產生局部的應力集中或松弛,從而導致鋼軌局部或全部的塑性扭曲、變形,造成構件整體強度的降低,特別是構件疲勞強度的降低,從而造成事故隱患。因此,對鋼軌各種缺陷,如應力、殘余應力和疲勞壽命的檢測有著十分重要的意義。目前,巴克豪森噪聲(MBN)檢測技術在無損檢測領域得到了新的應用,可以對鐵磁材料構件的應力、殘余應力和微觀結構進行檢測,從而對鐵磁性材料疲勞失效及壽命評估進行有效的診斷。在儀器制造方面,芬蘭[1]的 Stresstech研制出了檢測 MBN信號的μScan500C;德國弗勞恩霍夫無損檢測研究所研制了微結構及應力分析儀(3MA-Ⅱ)等。筆者在此主要研究鋼軌表面應力與不同特征值的對應關系,并分析溫度因素對MBN信號的影響。

1 MBN原理和特征值

1.1 MBN檢測原理

經多年研究[2]表明,對MBN信號直接產生影響的因素是材料的微觀組織結構。決定和影響材料的微觀組織結構的因素很多,比如材料的組成成分、受力、變形、熱處理過程和環(huán)境溫度等。這些因素都會直接或間接地決定或改變材料的微觀組織結構,因此都會對巴克豪森信號產生影響。所以,可通過巴克豪森噪聲方法檢測材料的應力和微觀組織結構。

20世紀30年代初,Bozorth和Dillinger等對巴克豪森信號進行了研究。測量了鐵磁材料中巴克豪森跳躍脈沖信號的平均大小、數(shù)目和分布,并給出平均跳躍能量表達式為[3]：

式中L為接收線圈長度為跳躍產生的平均平方電流;Ur為可逆磁導率;A為線路常數(shù);ρ為試樣電阻率;BS=4πM,M為磁化強度為磁化密度變化率。MBN信號的大小除與接收線圈匝數(shù)L,磁化強度M有關外,還與跳躍產生的平均平方電流I2av有關,而的大小來自被測區(qū)域的內應力,熱處理狀態(tài)、晶格取向等因素與其有關。

1.2 特征值提取

巴克豪森應力檢測中提取的特征值有五種,分別是均方根、平均值、振鈴數(shù)、包絡線和峰值時間。它們均能反映巴克豪森信號隨應力和微觀組織結構的變化關系。

1.2.1 均方根

噪聲的強度通常采用均方根值來表示,即表征的是噪聲的能量。均方根是研究噪聲強度最普遍的一種方法。而MBN是高頻噪聲,所以筆者采用均方根來研究與壓應力的對應關系。通過采樣一定周期的信號后進行統(tǒng)計分析,計算信號的平方根均值,公式為：

1.2.2 平均值

平均值是一個磁化周期中所有MBN信號被濾波后所形成包絡線的幅值電壓。由于MBN信號是隨機信號,均應采用統(tǒng)計的方法,統(tǒng)計量越大其檢測精度越高。采樣一定周期的信號后進行統(tǒng)計分析,計算峰值電壓的平均值,公式為：

1.2.3 振鈴數(shù)

振鈴數(shù)是在一個達到飽和磁化的周期中產生的幅值大于某一閾值的振鈴個數(shù),其值與閾值大小有關。即使是同一次檢測,若閾值不同,其值的大小也不同。一般閾值應盡可能小,但應大于檢測系統(tǒng)的噪聲幅值或某些存在但幅值不大的干擾信號幅值。從微觀理論上解釋為MBN信號產生在激勵信號上升和下降區(qū)。一個MBN信號是由無數(shù)多個180°磁疇壁翻轉而成,它的外在表現(xiàn)形式是一次振鈴(圖1)[4],選擇一個適當?shù)拈撝岛?超過閾值的電壓信號稱為一次振鈴,因此可以通過統(tǒng)計振鈴數(shù)來評估與應力的對應關系。MBN振鈴數(shù)與MBN信號溢出的強度密切相關,能夠反映材料的應力和微觀結構等信息。

圖1 MBN振鈴數(shù)示意圖

1.2.4 包絡線

包絡線[5]是指激勵信號上升周期或下降周期內一個MBN信號的輪廓。可以通過提取MBN信號包絡線來評估材料的應力和微觀結構等信息。MBN信號包絡線包含峰值、峰值時間和半高全寬等信息,可更加準確可靠地評估出材料內部的微觀結構,如材料內部的微小裂紋、腐蝕程度、應變和蠕變等信息都能通過包絡線反映出來。

1.2.5 峰值時間

峰值時間是指MBN信號最大值的時間。在這里,橫坐標為激勵信號半個周期的時間域。如果激勵信號頻率為50 Hz,那么橫坐標最大時間為10 ms,峰值時間即在10 ms內變化。在文獻[1]中特征值峰值位置就是文中的峰值時間。

2 試驗目的及方法

整個系統(tǒng)的硬件組成如圖2,共分為五大部分：

(1)磁化器 函數(shù)發(fā)生器用于產生50 Hz、4 V的正弦波。LPA05B型功率放大器對正弦波信號進行功率放大。磁化器采用 U型磁芯,并采用直徑0.25 mm的漆包線繞600匝。

(2)接收器 采用高頻磁芯,0.13 mm漆包線繞5 000圈,并采用銅箔屏蔽。

圖2 系統(tǒng)組成框圖

(3)放大電路 由于MBN信號只有毫伏級,需對信號進行放大。

(4)數(shù)據(jù)采集和信號處理 采用DAQ-2010數(shù)據(jù)采集卡采集數(shù)據(jù),在PC機的Matlab平臺上進行處理,信號處理方法有帶通濾波和小波去噪。

(5)應力加載設備 圖3所示為鋼軌應力加載模型,圖4為鋼軌應力檢測圖。

3 實際試驗和結果分析

試驗是在一段60 kg/m鋼軌上手動加載壓應力,在鋼軌表面測量壓應力與MBN信號對應關系,并提取MBN信號的不同特征值。在提取特征值前,筆者先對信號進行帶通濾波,濾除低頻和高頻噪聲,并對信號進行小波去噪。因為提取特征值采用的是統(tǒng)計方式,應盡量去除背景噪聲和一切影響MBN信號幅值的噪聲。

3.1 鋼軌材料MBN信號的頻帶范圍

研究人員認為[6],MBN信號的頻帶為1 k Hz～2 MHz。通常一般材料在1～500 k Hz頻段信號較豐富,且有明顯依賴于顯微組織、應力狀態(tài)的變化的特征。圖5是對信號FFT變換后的頻譜圖。從圖5中可以看出,60 kg/m鋼軌在100 k Hz時,MBN信號取得最大值。這與文獻[7]研究結果相吻合。

3.2 不同特征值與壓應力關系

3.2.1 均方根

圖6是MBN均方根與壓應力的關系。均方根表征的是MBN強度,從圖中可以看出,MBN均方根隨著壓應力的增大而減小,在60 MPa內具有比較好的線性關系。從磁疇理論解釋為,當受壓應力時,由于應力與磁疇的相互作用而產生附加磁彈性能,磁化方向趨向應力方向的疇縮小,磁化方向垂直應力方向的疇則擴大,當應力大到一定程度,則磁化方向垂直壓應力的疇將會吞并其他方向的疇而成長至由90°疇壁分割的磁疇。而巴克豪森信號主要是由180°磁疇翻轉而產生的,均方根主要與MBN幅值有關,180°磁疇隨著壓應力的增大而減少,故均方根也會隨著壓應力的增大而減小。

3.2.2 平均值

圖7是MBN平均值與壓應力的關系。從圖中可以看出,MBN平均值隨著壓應力的增大而減小,在60 MPa內具有比較好的線性關系。磁疇理論解釋原因如上節(jié)。MBN平均值實際上就是MBN峰值平均,所以平均值能更加直觀地表示出了噪聲的幅值大小。

3.2.3 振鈴數(shù)

圖8是MBN振鈴數(shù)與壓應力的關系。從圖中可以看出,MBN振鈴數(shù)隨著壓應力的增大而減小。MBN振鈴數(shù)表征的是180°磁疇翻轉的數(shù)量,磁疇翻轉數(shù)量與材料內部的磁疇數(shù)量和材料的幾何尺寸密切相關,但起最主要因素的是閾值大小。筆者選擇的是電壓0.3 V,當閾值選得太低或太高,振鈴數(shù)與應力的相關性都很差。所以,提取特征值振鈴數(shù)的關鍵是選擇閾值。由筆者經驗可以得出,閾值的選擇不要超過MBN信號最大值的三分之一,這樣得出的曲線具有比較好的相關性。

3.2.4 包絡線

圖9是MBN包絡線與壓應力對應關系。從圖中可以看出,包絡線的峰值隨著壓應力的增大而減小。峰值時間隨著應力變化存在一定的偏移。但包絡線不僅能反映峰值大小,還能反映形狀的變化。因為試驗采用的是同一鋼軌,而且鋼軌內部比較均勻。所以MBN包絡線僅能反映出峰值變化和峰值時間的變化。MBN包絡線適用于研究不同熱處理,以及不同微觀結構所導致包絡線形狀的變化。

3.2.5 峰值時間

圖10為MBN峰值時間與壓應力的關系。從圖中可以看出,MBN峰值時間隨著壓應力的增大而增大,具有一定的單調趨勢。

3.3 歸一化

為了便于分析不同特征值之間的關系,對不同特征值的結果數(shù)據(jù)進行歸一化處理。在此對均方根、平均值和振鈴數(shù)進行歸一化處理,因為三個特征值均隨壓應力的增大而減小,具有相同的變化趨勢。圖11是不同特征值的檢測值與壓應力的關系曲線。從圖中可以看出,在彈性范圍內,MBN均方根、平均值和振鈴數(shù)均與壓應力呈單調趨勢,隨著壓應力增大而減小,但變化快慢不同。不同特征值隨壓應力增加而變化的快慢反映了傳感器在檢測中的響應大小。響應大則檢測靈敏度高,否則反之。從檢測靈敏度的高低評價檢測效果,其MBN振鈴數(shù)更為優(yōu)越。在60 MPa以內,MBN均方根和平均值與應力具有比較好的線性關系,但均方根和平均值的絕對變化量和相對變化量都比振鈴數(shù)的要小。

圖11 歸一化結果

3.4 溫度對MBN影響結果試驗

眾所周知,鋼軌長期暴露在炎熱的夏天,軌溫會隨著氣溫的升高而升高,且軌溫高于氣溫20℃[8],而標定應力與MBN信號曲線是在常溫下進行的。如果要在炎熱夏天檢測應力值,鋼軌軌溫會對信號產生影響,導致檢測應力值不準確。不同的鋼軌材料,溫度對MBN信號影響關系也不同[9]。為了排除溫度本身對MBN信號影響,有必要研究溫度與MBN信號的關系。

筆者用紅外測溫槍實時檢測鋼軌表面溫度。圖12是溫度對MBN均方根的關系曲線。從圖中可以看出,MBN均方根隨著溫度的增加而減小,且呈比較好的線性關系。這樣就可以依據(jù)溫度對MBN信號影響關系,在不同溫度條件下準確地檢測出鋼軌應力值。

圖12 溫度與MBN均方根關系

4 結論和展望

研究分析了60 kg/m鋼軌表面應力和不同特征值的對應關系,得出如下試驗結果：

(1)MBN平均值、均方根和振鈴數(shù)都隨著壓應力的增大而減小,它們的變化率依次遞增。

(2)MBN包絡線包含MBN峰值和峰值時間兩部分信息,可用來提取兩部分信息評估應力大小。

(3)MBN峰值時間與壓應力具有一定的對應關系,隨著壓應力的增大而增大,具有一定的時間延遲。

(4)除溫度因素外,在其他因素不變的條件下,環(huán)境溫度變化范圍內,MBN均方根值隨溫度近似呈線性關系。通過此線性關系,可以在不同溫度條件下在線檢測鋼軌應力。

通過提取不同特征值與應力的對應關系,可以用標定MBN幅值和應力曲線的方法來檢測鋼軌表面應力,為后續(xù)檢測鋼軌表面應力提供有利條件。監(jiān)測鋼軌固定區(qū)內的MBN信號和溫度值來精確檢測鋼軌表面應力,可作為評價其是否存在超標應力的一種方法。

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