王保福 賈銳 劉鵬飛

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

關(guān)鍵詞：鉤尾框;裂紋;磁粉探傷

中圖分類號：TG115.28 ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)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(yùn)行的關(guān)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(nèi)生產(chǎn)的磁粉探傷設(shè)備已經(jīng)達(dá)到國際先進(jìn)水平，遠(yuǎn)遠(yuǎn)擺脫了依靠向國外進(jìn)口的形勢。然而對于一些大型且異型工件，對設(shè)備設(shè)計(jì)有很大的局限性，所以射陽縣無損檢測技術(shù)研究所和中國鐵路蘭州局集團(tuán)有限公司嘉峪關(guān)車輛段共同研制了DZS-KⅡ型微控?cái)?shù)字圖像鉤尾框磁粉探傷機(jī)。由于鉤尾框零件的結(jié)構(gòu)特殊，尤其是該工件的前后彎角處（如圖1），在列車高速運(yùn)行中，由于負(fù)荷過大造成的內(nèi)應(yīng)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(yùn)行中的列車上，將直接影響列車的運(yùn)行安全。

目前，國鐵集團(tuán)公司下屬的機(jī)務(wù)、車輛段修對鉤尾框進(jìn)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(dǎo)致工件表面真實(shí)裂紋的漏檢。但也有個別廠家生產(chǎn)了床式鉤尾框磁粉探傷機(jī)，但主要由兩種磁化結(jié)構(gòu)：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(nèi)弧面等易損傷截面的檢測仍具局限性，造成的漏檢現(xiàn)象時有發(fā)生，且市場中現(xiàn)役的多數(shù)磁粉探傷設(shè)備都是通過模擬方式來調(diào)節(jié)磁化電流的大小，當(dāng)達(dá)到相應(yīng)的磁場的強(qiáng)度，當(dāng)設(shè)備所在處所的電網(wǎng)電壓波動時，其磁場的強(qiáng)度也會隨之增強(qiáng)或減弱，該探傷設(shè)備受處所電網(wǎng)電壓波動的影響，對設(shè)備所產(chǎn)生的磁場強(qiáng)度及靈敏度都產(chǎn)生了較大影響，如電網(wǎng)電壓高時探傷靈敏度就高，反之電網(wǎng)電壓低時探傷靈敏度低，在靈敏度高時一些在正常范圍內(nèi)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(guī)范內(nèi)應(yīng)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(shù)研究所和中國鐵路蘭州局集團(tuán)有限公司嘉峪關(guān)車輛段共同研制了一種針對貨車鉤尾框進(jìn)行無損檢測的磁粉探傷設(shè)備。該探傷設(shè)備能夠完全適用于各種型號的鉤尾框，能夠?qū)︺^尾框工件的所有部位進(jìn)行全部探傷。該設(shè)備的磁化方法是將工件置于磁粉探傷設(shè)備所產(chǎn)生的按一定規(guī)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(nèi)存有裂紋、缺陷，則該處就會因磁力線傳導(dǎo)不均勻而產(chǎn)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(shè)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(jìn)行整體濕法復(fù)合磁化探傷，該設(shè)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(nèi)市場同類產(chǎn)品相比較，設(shè)備從機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(jìn)水平。

1 原理概述

本次研制的鉤尾框磁粉探傷機(jī)采用臥式機(jī)電一體化結(jié)構(gòu)，設(shè)備配備磁懸液的噴淋、回收、攪拌系統(tǒng)。設(shè)備磁化既可周向或縱向單獨(dú)磁化，又可周、縱向復(fù)合磁化，其磁化靈敏度高，可對工件進(jìn)行全方位磁化，并能夠做到磁場的分布均勻，具有穩(wěn)定性高、無漏檢等特點(diǎn)，規(guī)避了漏判、誤判的風(fēng)險，更好地保障鐵路行車的安全。

探傷性能方面，首先本設(shè)備以所在處所現(xiàn)有的鉤尾框檢修流水線來設(shè)計(jì)微控?cái)?shù)字鉤尾框磁粉探傷機(jī)的主體外形結(jié)構(gòu)，磁化電路采用閉環(huán)數(shù)字控制，即“閉環(huán)控制電路”（見圖2）。閉環(huán)控制電路是指與控制對象存在反饋聯(lián)系的控制電路。為在設(shè)備中保持電流的穩(wěn)定，加入一些測量比較元件組成閉環(huán)系統(tǒng)。該電路對周、縱向電流采用閉環(huán)控制電流，直接設(shè)定磁化電流（或磁勢），可保證電流（或磁勢）穩(wěn)定，電流設(shè)定值和實(shí)際電流值偏差小于10%，以達(dá)到磁粉探傷的最佳效果，有效地解決了類似玉探傷設(shè)備因線圈電極、磁軛接觸部位長期磨損所導(dǎo)致接觸不良，造成的打火現(xiàn)象。其次設(shè)備可根據(jù)被探工件形狀的復(fù)雜性進(jìn)行磁場演變，采用“雙排梳齒形電極開合線圈”，達(dá)到最佳的磁場分布結(jié)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)最佳磁化效果。

設(shè)備采用自研制的可控硅智能觸發(fā)模塊（見圖3）對可控硅的導(dǎo)通角進(jìn)行精密控制，模塊內(nèi)部由光電數(shù)字觸發(fā)元件、過電壓保護(hù)元件等主要元件構(gòu)成，與常規(guī)觸發(fā)電路板相比較體積小，免接線，即插即用。是觸發(fā)電路板的更新?lián)Q代產(chǎn)品。該裝置能夠有效地控制可控硅的導(dǎo)通角，從而對磁化電流實(shí)行穩(wěn)定控制。

系統(tǒng)優(yōu)化方面，在本次研制過程中，于探傷設(shè)備上加裝圖像采集、識別系統(tǒng)及新型LED冷光源照明裝置，高清相機(jī)在探傷設(shè)備工作時可沿著工件水平方向作來回運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)攝錄、抓拍等功能，并將采集到的圖像自動傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中通過圖像識別系統(tǒng)進(jìn)行自動圖像識別，不僅替代了傳統(tǒng)人工觀察磁粉探傷工件，且實(shí)現(xiàn)了對探傷作業(yè)過程中出現(xiàn)的既有缺陷工件的源頭追溯。本設(shè)備用計(jì)算機(jī)控制程序?qū)崿F(xiàn)了探傷數(shù)字化操作、探傷數(shù)據(jù)可網(wǎng)絡(luò)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(jìn)行日常性能校驗(yàn)和季度性能交驗(yàn)、探傷數(shù)據(jù)自動匯總、自動生成各種報表。

實(shí)際操作方面，該設(shè)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(jìn)、旋轉(zhuǎn)、噴淋、磁化、轉(zhuǎn)動觀察、退磁、移出、松夾等動作，適用于探傷各項(xiàng)步驟的分步操作;自動操作時，本設(shè)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(jìn)-旋轉(zhuǎn)-噴淋-磁化-轉(zhuǎn)動觀察-退磁-移出-松夾等各個動作，大大降低了現(xiàn)場探傷作業(yè)人員的勞動強(qiáng)度。

使用維護(hù)方面，首先設(shè)備具備了自診斷功能，如發(fā)生系統(tǒng)或機(jī)械故障，工業(yè)控制計(jì)算機(jī)可根據(jù)設(shè)備故障的反饋，自動提示設(shè)備出現(xiàn)故障的部位，并給出相應(yīng)的解決方案。其次，電氣部位采用模塊化設(shè)計(jì)，達(dá)到了即插即拔、即插即用的效果，避免因傳統(tǒng)的電路線紛雜亂造成維修人員檢修的困難。

2 主要技術(shù)參數(shù)

（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(jī)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(shù)的確定

3.1 功能確定

（1）該設(shè)備主要技術(shù)性能符合JB/T8290-2011《磁粉探傷機(jī)》要求。

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

（3）機(jī)械裝置：該設(shè)備采用臥式機(jī)電一體化結(jié)構(gòu)，工件上下料采用水平方向進(jìn)出，配合鉤尾框檢修作業(yè)流水線同步運(yùn)行;梳齒形電極開合線圈、磁軛由氣缸驅(qū)動閉合，磁化結(jié)束自動返回;工件轉(zhuǎn)動觀察噴淋通過減速機(jī)驅(qū)動。

（4）該設(shè)備采用連續(xù)法濕法探傷，使鉤尾框全方位一次復(fù)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(fā)模塊，以達(dá)到磁化電流的連續(xù)可調(diào)。

（6）該設(shè)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(jī)配備圖像采集裝置攝取磁痕圖像，對探傷過程中發(fā)現(xiàn)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(jī)，采集圖像清晰，能夠適應(yīng)各種復(fù)雜的檢修生產(chǎn)環(huán)境。

3.2 磁化原理、磁化參數(shù)的確定

鉤尾框內(nèi)側(cè)前后彎角處的磁化：根據(jù)鉤尾框的內(nèi)側(cè)面的形狀，采用梳齒型開合線圈法、磁軛法，進(jìn)行復(fù)合磁化，進(jìn)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(chǎn)生周向感應(yīng)磁場;磁軛磁勢為4000AT時，在鉤尾框上產(chǎn)生縱向感應(yīng)磁場。感應(yīng)電流與磁場強(qiáng)度成正比，磁化電流越大，其產(chǎn)生的磁場越大。經(jīng)現(xiàn)場試驗(yàn)鉤尾框磁粉探傷機(jī)周向磁化電流在1000A，縱向磁勢在4000AT時，對鉤尾框進(jìn)行復(fù)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(tuán)有限公司嘉峪關(guān)車輛段的測試結(jié)果（見表1）

5 嘉峪關(guān)車輛段使用意見

該設(shè)備自2017年7月至今在嘉峪關(guān)車輛段使用效果良好，運(yùn)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(yùn)行狀態(tài)正常。

（2）氣缸、氣動閥、三聯(lián)件、電磁閥運(yùn)行正常。

（3）傳動機(jī)構(gòu)，轉(zhuǎn)動裝置、梳齒形開合線圈、磁軛等動作運(yùn)行可靠。

（4）經(jīng)過試用，靈敏度試片顯示清晰。

（5）對有裂紋工件探傷試驗(yàn)時，裂紋清晰顯示。

（6）圖像攝取裝置結(jié)構(gòu)運(yùn)行正常，攝取的有裂紋工件圖片上能清晰準(zhǔn)確地顯示磁痕。

6 結(jié)束語

該設(shè)備在用戶使用中得到了充分的認(rèn)可。DZS-KⅡ型微控?cái)?shù)字圖像鉤尾框磁粉探傷機(jī)主要依靠先進(jìn)的磁粉探傷技術(shù)，使用維護(hù)簡單，維修方便快捷，低故障。鐵路行車事故造成的巨大經(jīng)濟(jì)損失有目共睹，DZS-KⅡ型微控?cái)?shù)字圖像鉤尾框磁粉探傷機(jī)能夠有效地保證鉤尾框工件質(zhì)量缺陷問題，實(shí)現(xiàn)了對探傷工件表面缺陷的嚴(yán)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(kuò)大經(jīng)濟(jì)效益。

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