姜禹桐，熊樂超，張統(tǒng)偉，于潤橋，傅 萍

(南昌航空大學 無損檢測技術(shù)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(huán)境惡劣，目前，中國高速鐵路正在飛速發(fā)展，火車輪的質(zhì)量檢測對保證列車行駛安全起著關(guān)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(chǎn)生夾雜、縮孔等缺陷，目前只有少部分老式車型應(yīng)用；輾鋼輪是我國鐵路車輛主型車輪，其強度高韌性好，且質(zhì)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(xiàn)，即滾動接觸疲勞[4-6]；同時由于列車制動產(chǎn)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(fā)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(wěn)定性的關(guān)鍵部件，各個國家的質(zhì)量標準也較為嚴格[9-10]。對于國外工業(yè)水平突出的國家，在上世紀就已經(jīng)形成了完整的自動化檢測體系與質(zhì)量評價系統(tǒng)[11-12]。美國最早在80年代開始針對火車輪踏面的缺陷開發(fā)自動檢測設(shè)備，并在90年代初將電磁超聲(EMAT)技術(shù)應(yīng)用于火車輪缺陷識別[13]。日本鐵道技術(shù)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(fā)的充水耦合超聲設(shè)備將超聲波探頭放置在特定軌道凹槽內(nèi)，在列車經(jīng)過時實現(xiàn)對車輪踏面的檢測[15]。國內(nèi)對于火車輪的檢測設(shè)備開發(fā)相對較晚，初期主要以超聲、磁粉、渦流等常規(guī)檢測技術(shù)為主。近年來，諸多學者探究新技術(shù)，并在火車輪踏面的檢測中得以應(yīng)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(xiàn)了對踏面的檢測，同時解決了踏面與輪緣R角之間盲區(qū)的檢測[16]。叢明等利用機器視覺技術(shù)，通過工業(yè)攝像頭在輔助光源下采集踏面的光帶圖像，實現(xiàn)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(xiàn)了踏面的靜態(tài)檢測[18]。程宏釗等利用非接觸三維掃描儀重構(gòu)車輪模型，通過對踏面模型的復(fù)現(xiàn)對比實現(xiàn)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(fù)雜，且檢測速度較慢；2）機器視覺與三維重構(gòu)受環(huán)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(shù)。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(shè)備；本次研究通過理論分析與檢測實驗驗證弱磁技術(shù)在火車輪踏面裂紋檢測的可行性；同時，利用裂紋處磁感應(yīng)強度幅值計算裂紋深度，實現(xiàn)對裂紋定深，為火車輪踏面的質(zhì)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(zhì)獲得磁性的過程。物質(zhì)在外磁場作用下所顯現(xiàn)的磁性大小稱為磁化強度，是描述物質(zhì)磁化狀態(tài)的物理量。磁化強度受物質(zhì)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(huán)境下，物質(zhì)所表現(xiàn)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(yīng)強度來描述，具體關(guān)系為：

式中：B——磁感應(yīng)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(yīng)強度的唯一條件，根據(jù)物質(zhì)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(zhì)可知，在空間磁場的作用下，一切物質(zhì)均具有一定的磁性。用來表征物質(zhì)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(huán)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(zhì)若連續(xù)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(yīng)強度應(yīng)該是均勻穩(wěn)定的。若存在缺陷，則在缺陷處磁導率會發(fā)生突變，表面磁感應(yīng)強度也會發(fā)生異常變化?；疖囕喬っ媪鸭y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(yīng)強度將變小。因此，弱磁檢測技術(shù)正是利用缺陷處磁導率差異導致的磁感應(yīng)強度突變，通過實驗室自主研發(fā)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(yīng)強度的法向分量，并通過算法對磁感應(yīng)強度處理與分析，即可提取異常磁場區(qū)域，從而實現(xiàn)對缺陷的識別。

圖1 裂紋與應(yīng)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(shù)據(jù)處理軟件4部分組成。檢測探頭采用實驗室自主研發(fā)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(jié)構(gòu)，設(shè)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(yīng)強度信號傳給上位機，通過數(shù)據(jù)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(yù)制缺陷車輪對，每個車輪共有9條預(yù)設(shè)不同深度的裂紋缺陷，3×3排列，兩車輪預(yù)設(shè)缺陷位置相同，如圖3所示?；疖囕喥谀p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(xiàn)，所以預(yù)設(shè)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(xiàn)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(shù)據(jù)分析裂紋深度與磁感應(yīng)強度之間的關(guān)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(yù)設(shè)缺陷

檢測時將車輪放置于穩(wěn)定磁場環(huán)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(nèi)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(yīng)強度信號。檢測需在同一條件下重復(fù)多次掃查，以保證數(shù)據(jù)的準確性。

圖4 檢測路徑

3 檢測結(jié)果與討論

3.1 1號車輪檢測結(jié)果與信號分析

圖5為1號車輪踏面表面的磁感應(yīng)強度曲線圖，1、2、3號探頭分別對應(yīng)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(yīng)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(xiàn)磁飽和現(xiàn)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(yīng)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(wěn)，無明顯波動。由此說明利用弱磁檢測技術(shù)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(lián)合判斷缺陷的方法。對于離散磁感應(yīng)強度信號，極值差可以較好地反映磁感應(yīng)強度的波動幅度，在無缺陷處磁感應(yīng)強度波動較小，在裂紋處磁感應(yīng)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(yīng)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(jù)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(yīng)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(nèi)，且差距甚小，所以微小寬度變化對裂紋磁感應(yīng)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(yīng)強度幅值數(shù)值關(guān)系即可實現(xiàn)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(yīng)強度異常幅值ΔB。

由表1裂紋的深度值與磁感應(yīng)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(guān)，幅值越大，裂紋深度越深。在同一深度下，各裂紋磁感應(yīng)強度差距較小，在允許范圍內(nèi)，誤差來源可能為深度刻傷時有些許差異。通過對已有數(shù)據(jù)的擬合，即可得出深度與裂紋磁感應(yīng)強度幅值的數(shù)值關(guān)系。

表1 1號車輪裂紋深度與幅值參數(shù)

傅里葉最小二乘擬合是對離散數(shù)據(jù)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(shù) 0.993 8，修正決定系數(shù)0.990 7，擬合效果良好，準確度高，誤差在允許范圍內(nèi)。綜合上述實驗結(jié)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(shù)可實現(xiàn)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(jié)果與深度驗證

圖9為2號輪踏面表面的磁感應(yīng)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(xiàn)下凹的磁異常信號，且磁異常位置與預(yù)設(shè)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(yīng)，但對檢測無影響。

圖9 2號輪各探頭磁感應(yīng)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(yīng)強度幅值曲線

根據(jù)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(jié)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(nèi)，證明傅里葉最小二乘擬合應(yīng)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(jié)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(shù)

4 結(jié)束語

通過設(shè)計火車輪踏面預(yù)設(shè)裂紋缺陷實驗，利用弱磁檢測技術(shù)對不同深度的裂紋進行檢測，分析磁感應(yīng)強度數(shù)據(jù)，得出如下結(jié)論：

1)弱磁技術(shù)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(jié)合磁感應(yīng)強度幅值實現(xiàn)對深度的計算，誤差率較小，在±0.11 mm內(nèi)，可進一步實現(xiàn)對火車輪的質(zhì)量評價。

3)弱磁檢測技術(shù)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。