孫振國(guó)，蔡 棟，李 東，2，張文增，陳 強(qiáng)

(1.清華大學(xué)機(jī)械工程系，北京100084;2.深圳大學(xué)光電工程學(xué)院，廣東深圳518060)

0 引言

為保證貨車車輪的安全使用和科學(xué)管理，需要定期對(duì)車輪的輻板裂紋進(jìn)行檢測(cè)，以淘汰報(bào)廢超出安全許可范圍的車輪。目前，國(guó)內(nèi)針對(duì)車輪輻板裂紋的研究主要集中在分析裂紋的成因和擴(kuò)展規(guī)律以及失效容限等［1-3］，而針對(duì)粗糙表面裂紋缺陷的探傷，目前的檢測(cè)技術(shù)一般需要對(duì)待檢車輪進(jìn)行或多或少的表面處理工作。傳統(tǒng)的檢測(cè)方法是磁粉探傷。這種檢測(cè)方法需先將輪對(duì)拆下，進(jìn)行表面清理，然后用磁粉對(duì)裂紋進(jìn)行顯影，手動(dòng)測(cè)量裂紋長(zhǎng)度，因而檢測(cè)周期長(zhǎng)、效率低，需要研究一種能適應(yīng)粗糙表面的實(shí)時(shí)在線檢測(cè)方法和設(shè)備。

渦流檢測(cè)能實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)非接觸式檢測(cè)，廣泛應(yīng)用于鐵道機(jī)車車輛［4］、油氣管道［5］、航空航天［6］等領(lǐng)域。受工件表面粗糙不平所引起的提離效應(yīng)的影響，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)需要對(duì)傳統(tǒng)的渦流檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行一定的改進(jìn)。對(duì)于抑制提離效應(yīng)的研究一直是渦流檢測(cè)領(lǐng)域的熱點(diǎn)，文獻(xiàn)［7-11］主要從信號(hào)處理角度實(shí)現(xiàn)對(duì)渦流檢測(cè)提離效應(yīng)的抑制。

本研究針對(duì)輻板裂紋渦流檢測(cè)中的變提離問(wèn)題，改進(jìn)探頭結(jié)構(gòu)，提出一種適用于火車車輪輻板裂紋渦流檢測(cè)的小體積探頭結(jié)構(gòu)，在保證高信噪比的前提下提高探頭的靈敏度，以實(shí)現(xiàn)對(duì)粗糙表面裂紋的準(zhǔn)確檢測(cè)。此外，本研究基于場(chǎng)路耦合模型［12］對(duì)探頭進(jìn)行有限元分析，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證所優(yōu)化的渦流檢測(cè)探頭的檢測(cè)效果。

1 探頭結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

在被測(cè)工件表面進(jìn)行渦流檢測(cè)時(shí)，往往會(huì)因?yàn)槎秳?dòng)或被測(cè)工件表面狀況的變化，導(dǎo)致探頭和被測(cè)工件表面之間的距離發(fā)生變化?？蓪u流檢測(cè)中提離效應(yīng)的影響，看作是在原感應(yīng)電壓信號(hào)上疊加了噪聲，即提離噪聲。實(shí)際探傷時(shí)，缺陷產(chǎn)生的電壓變化可能會(huì)淹沒(méi)在提離噪聲中，這將影響渦流檢測(cè)結(jié)果的可靠性。

本研究可從探頭設(shè)計(jì)角度抑制或消除提離噪聲，一種傳統(tǒng)的方法是采用自比較式的差動(dòng)探頭，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

檢測(cè)線圈采用差動(dòng)連接，當(dāng)探頭接近缺陷時(shí)，檢測(cè)線圈輸出不為零的電壓。但實(shí)際操作時(shí)，難以保證探頭在移動(dòng)過(guò)程中其始終垂直于被測(cè)工件的表面，特別是當(dāng)被測(cè)件表面粗糙不平時(shí)不能有效抑制提離噪聲。

為抑制提離噪聲，探頭應(yīng)在一定的提離高度時(shí)仍能保持足夠高的檢測(cè)靈敏度。因此，需要保證在一定提離范圍內(nèi)，探頭在被測(cè)工件中激勵(lì)的磁場(chǎng)變化平緩，并保持較高的信噪比。本研究從有效磁導(dǎo)率角度，設(shè)計(jì)適用于輻板裂紋檢測(cè)并有效抑制提離效應(yīng)的探頭。

考慮磁路存在氣隙的情況，磁路的有效磁導(dǎo)率如下式:

式中:μi—初始磁導(dǎo)率，le—有效磁路長(zhǎng)度，g—?dú)庀堕L(zhǎng)度。

本研究將渦流檢測(cè)探頭和被測(cè)工件當(dāng)作磁路的一部分，提離高度即為磁路的氣隙。磁路中的磁場(chǎng)強(qiáng)度隨磁路的有效磁導(dǎo)率的增大而增大。探頭設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)保證磁路的有效磁導(dǎo)率盡量大，即探頭和被測(cè)工件盡量構(gòu)成閉合的磁路，以保證足夠高的磁場(chǎng)強(qiáng)度。

文獻(xiàn)［13］提出了一種U 型磁芯探頭，該探頭的原理結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 U 型磁芯探頭結(jié)構(gòu)

檢測(cè)線圈1 和檢測(cè)線圈2 分別纏繞在U 型鐵氧體磁芯的兩扼上，一方面能保證感應(yīng)電壓差動(dòng)后能完全抵消，另一方面磁路具有較高的有效磁導(dǎo)率，可產(chǎn)生更大的磁場(chǎng)強(qiáng)度，提高了探頭的檢測(cè)靈敏度，從而達(dá)到抑制提離噪聲的效果。

在實(shí)際應(yīng)用中，U 型磁芯探頭雖然能很好地抑制提離效應(yīng)及其他噪聲，但由于探頭體積大，在形狀很不規(guī)則的車輪輻板上運(yùn)動(dòng)不方便，有位置死區(qū)，同時(shí)對(duì)裂紋長(zhǎng)度的測(cè)量精度也不高。

因此，本研究提出的并肩型探頭結(jié)構(gòu)如圖3所示，以實(shí)現(xiàn)對(duì)粗糙表面裂紋的更有效檢測(cè)。

圖3 并肩式磁芯探頭

并肩式磁芯探頭采用兩磁芯，檢測(cè)線圈1 和檢測(cè)線圈2 的結(jié)構(gòu)相同，纏繞在鐵氧體磁芯的下端。上端為倒“8”字形繞法的激勵(lì)線圈，各磁芯上所繞匝數(shù)相同。磁力線沿兩磁芯形成閉合回路，檢測(cè)線圈1 和2差動(dòng)連接，其感應(yīng)電壓相互抵消，輸出電壓為零。

該探頭性能和U 型磁芯相近，不僅能抑制提離效應(yīng)，同時(shí)對(duì)探頭的抖動(dòng)也不敏感，而且體積大大地減少，可作為點(diǎn)探頭。

2 探頭有限元分析

本研究采用場(chǎng)路耦合模型，通過(guò)有限元分析計(jì)算前文提到的3 種探頭的磁場(chǎng)分布，以驗(yàn)證所提探頭是否達(dá)到了提高磁感應(yīng)強(qiáng)度的目的。

筆者在有限元分析軟件ANSYS 中建立傳統(tǒng)差分式探頭、U 型磁芯探頭和并肩式探頭模型，設(shè)置相同的線圈參數(shù)和激勵(lì)參數(shù)，其中線圈均為60 匝，激勵(lì)頻率為5 000 Hz，得到各型磁力線分布和磁場(chǎng)強(qiáng)度分布圖。

傳統(tǒng)差分式探頭仿真結(jié)果如圖4所示。

圖4 傳統(tǒng)差分式探頭仿真結(jié)果

U 型磁芯探頭仿真結(jié)果如圖5所示。

圖5 U 型磁芯探頭仿真結(jié)果

并肩式磁芯探頭仿真結(jié)果如圖6所示。

圖6 并肩式磁芯探頭仿真結(jié)果

從圖5 和圖6 可以看出，U 型磁芯探頭和并肩式探頭磁力線在探頭端面分布較密，即此處產(chǎn)生磁感應(yīng)強(qiáng)度大;U 型磁芯探頭和并肩式探頭在探頭端面磁感應(yīng)強(qiáng)度要明顯大于傳統(tǒng)差分式探頭端面磁感應(yīng)強(qiáng)度。

由此可見(jiàn)，本研究提出的小體積探頭同樣能有效提高探頭的磁感應(yīng)強(qiáng)度。

3 裂紋檢測(cè)實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

首先筆者對(duì)前文所述的差動(dòng)式探頭、U 型磁芯探頭和并肩式探頭對(duì)提離的抑制性能進(jìn)行比較。

本研究所研制的探頭實(shí)物圖如圖7所示。

圖7 探頭實(shí)物圖

該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由5 部分構(gòu)成:激勵(lì)電路、渦流探頭、試塊、信號(hào)調(diào)理電路和示波器。其中，激勵(lì)電路包括正弦信號(hào)發(fā)生電路和功率放大電路，后者選用體積小、失真小的集成音頻功率放大芯片TDA2009A 進(jìn)行構(gòu)建。

實(shí)驗(yàn)時(shí)，采用的激勵(lì)頻率為5 kHz，探頭的激勵(lì)電流為0.5 A。試塊材料為50 鋼，尺寸為(長(zhǎng)×寬×高)300 mm×300 mm×20 mm。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中保持探頭與試塊面垂直，依次改變提離高度，測(cè)量相應(yīng)的線圈電壓。

由于不同探頭的結(jié)構(gòu)不同，因而在相同的激勵(lì)條件下感應(yīng)線圈所產(chǎn)生的電壓幅值也不同。為了比較隨提離高度增加信號(hào)衰減的變化趨勢(shì)，筆者對(duì)其進(jìn)行歸一化處理。

本研究通過(guò)實(shí)驗(yàn)獲得3 種探頭在不同提離高度的下的線圈電壓如圖8所示。

圖8 提離對(duì)不同探頭的影響

從圖8 可以看出，隨著提離高度的增大，各探頭的感應(yīng)電壓幅值均減少。通過(guò)比較不同探頭隨提離的變化曲線可知，具有閉合磁路的探頭對(duì)提離效應(yīng)的抑制優(yōu)于普通的差動(dòng)式探頭。

U 型磁芯探頭體積大，在車輪輻板上運(yùn)動(dòng)不方便，因此，在車輪輻板裂紋檢測(cè)中，采用并肩式探頭更為合適。并肩式探頭采用2 片1.2 mm ×4 mm ×20 mm 的鐵氧體TP3/I 型磁芯繞制，其結(jié)構(gòu)如圖7所示;其中，激勵(lì)線圈左右磁芯各繞60 匝。

探頭參數(shù)如表1所示。

表1 并肩式探頭參數(shù)

本研究所研制的并肩式探頭尺寸(長(zhǎng)×寬×高)約為4 mm×3 mm×20 mm。

將前述實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中的試塊替換成車輪，車輪輻板存在一個(gè)長(zhǎng)15 mm 寬5 mm 的裂紋。實(shí)驗(yàn)時(shí)，本研究分別對(duì)輻板的無(wú)裂紋位置和裂紋位置進(jìn)行掃描，檢測(cè)線圈經(jīng)參考電壓相量電路提離抑制后差分輸出幅值調(diào)制的正弦波，通過(guò)幅值包絡(luò)檢波放大處理后得到檢測(cè)信號(hào)。根據(jù)該信號(hào)的幅值判斷是否有裂紋。

當(dāng)探頭經(jīng)過(guò)裂紋時(shí)，其輸出波形如圖9所示。

圖9 探頭經(jīng)過(guò)裂紋時(shí)的輸出波形圖

本研究通過(guò)探頭在車輪輻板上進(jìn)行掃描，得到的探頭在車輪輻板上運(yùn)動(dòng)時(shí)輸出信號(hào)數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 并肩式探頭輻板裂紋檢測(cè)數(shù)據(jù)

其中，無(wú)裂紋處Δumax表示的是探頭運(yùn)動(dòng)過(guò)程中由于表面粗糙不平引起探頭提離或者晃動(dòng)造成的最大噪聲幅值;Δucrack表示檢測(cè)到裂紋時(shí)探頭輸出的電壓幅值。

由表2 可知，采用并肩式差動(dòng)探頭，裂紋產(chǎn)生的信號(hào)幅值遠(yuǎn)大于探頭提離或晃動(dòng)引起的噪聲，信噪比大于2.5，說(shuō)明該方法能適應(yīng)車輪表面凹凸不平、有防銹漆、氧化皮以及銹蝕等惡劣工況的能力，有效檢測(cè)出車輪輻板裂紋。車輪輻板無(wú)缺陷處Δumax相比鋁板提離變化大很多，這是由于車輪為鐵磁性材料，Δumax同時(shí)受表面磁導(dǎo)率變化的影響導(dǎo)致的。

本研究使用該探頭對(duì)前述的車輪輻板裂紋進(jìn)行長(zhǎng)度測(cè)量，在探頭中心距離裂紋邊緣1 mm 處，能輸出裂紋信號(hào)。沿裂紋長(zhǎng)度方向進(jìn)行垂直掃描，測(cè)得裂紋長(zhǎng)度約為16 mm。該實(shí)驗(yàn)表明，該探頭能用于車輪輻板的裂紋檢測(cè)，其裂紋長(zhǎng)度測(cè)量誤差約為2 mm。

4 結(jié)束語(yǔ)

為提高探頭的靈敏度，基于閉合磁路思想，本研究設(shè)計(jì)了一種適用于車輪輻板裂紋檢測(cè)的小體積差分式探頭，并利用有限元方法在場(chǎng)路耦合模型的基礎(chǔ)上對(duì)探頭進(jìn)行了磁場(chǎng)分布計(jì)算，驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)探頭在增強(qiáng)磁感應(yīng)強(qiáng)度方面的有效性。通過(guò)實(shí)驗(yàn)比較所提探頭與傳統(tǒng)差分探頭在提離效應(yīng)抑制方面的性能，并利用所提探頭對(duì)車輪輻板裂紋進(jìn)行了實(shí)際探傷。

研究結(jié)果表明，該探頭能有效抑制提離，提高檢測(cè)靈敏度，并能在一定程度上克服輻板表面粗糙、凸凹不平及銹蝕等影響，較準(zhǔn)確地檢出裂紋，信噪比大于2.5，并可實(shí)現(xiàn)車輪輻板裂紋長(zhǎng)度的定量測(cè)量，測(cè)量誤差不超過(guò)2 mm。

［1］田 軍.貨車車輪輻板孔裂紋及其運(yùn)用安全性研究［D］.北京:北京交通大學(xué)機(jī)械與電子控制工程學(xué)院，2014.

［2］肖 兵.鐵路貨車車輪疲勞分析方法研究［D］.北京:北京交通大學(xué)機(jī)械與電子控制工程學(xué)院，2012.

［3］周素霞，肖 楠，謝基龍.多軸載荷下車輪輻板裂紋擴(kuò)展特性研究［J］.工程力學(xué)，2010(1):41-46.

［4］CARBONI M，BERETTA S，LO C A.Research on corrosion fatigue of railway axles［J］.Insight-Non-Destructive Testing and Condition Monitoring，2011，53(7):361-367.

［5］黃松嶺，徐 琛，趙 偉，等.油氣管道變形渦流檢測(cè)線圈探頭的有限元仿真分析［J］.清華大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2011(3):390-394.

［6］丁 華，何宇廷，焦勝博，等.面向飛機(jī)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的花萼狀渦流傳感器優(yōu)化設(shè)計(jì)［J］.北京工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2013(12):1769-1776.

［7］HOU D，LIU B，TANG H，et al.Study of lift-off invariance transformation method for quantitative defect estimation in eddy current testing［J］.Insight-Non-Destructive Testing and Condition Monitoring，2015，57(2):92-97.

［8］YU Y，YAN Y，WANG F，et al.An approach to reduce lift-off noise in pulsed eddy current nondestructive technology［J］.NDT ＆ E International，2014(63):1-6.

［9］HE Y，PAN M，CHEN D，et al.PEC defect automated classification in aircraft multi-ply structures with interlayer gaps and lift-offs［J］.NDT ＆ E International，2013(53):39-46.

［10］TIAN G Y，HE Y，ADEWALE I，et al.Research on spectral response of pulsed eddy current and NDE applications［J］.Sensors and Actuators A:Physical，2013(189):313-320.

［11］HE Y，PAN M，LUO F，et al.Reduction of lift-off Effects in Pulsed Eddy Current for defect classification［J］.IEEE Transactions on Magnetics，2011，47(12):4753-4760.

［12］李 東，陳 強(qiáng)，孫振國(guó).基于場(chǎng)路耦合的渦流檢測(cè)的數(shù)值模擬［J］.清華大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2010(2):195-199.

［13］李 舒.基于脈沖渦流理論的便攜式缺陷檢測(cè)裝置研制［D］.北京:清華大學(xué)電機(jī)系，2005.