基于弱磁技术的火车轮踏面裂纹检测

姜禹桐，熊乐超，张统伟，于润桥，傅 萍

(南昌航空大学 无损检测技术教育部重点实验室，江西 南昌 330063)

0 引 言

火车轮是火车核心部件，其工作环境恶劣，目前，中国高速铁路正在飞速发展，火车轮的质量检测对保证列车行驶安全起着关键作用。目前我国火车轮主要分为铸钢轮和辗钢轮[1]。铸钢轮由于铸造过程易产生夹杂、缩孔等缺陷，目前只有少部分老式车型应用；辗钢轮是我国铁路车辆主型车轮，其强度高韧性好，且质量较轻，更加安全可靠[2-3]。但辗钢轮踏面耐磨性较差，车轮踏面常以高速度与铁轨接触，在长时间的撞击、摩擦下，易导致磨损、裂纹缺陷出现，即滚动接触疲劳[4-6]；同时由于列车制动产生的热负荷也会导致车轮的踏面形成制动热裂纹[7-8]，严重将导致车轮断裂，引发安全事故。因此对火车轮踏面的快速检测十分必要。

火车轮作为高速列车安全性与稳定性的关键部件，各个国家的质量标准也较为严格[9-10]。对于国外工业水平突出的国家，在上世纪就已经形成了完整的自动化检测体系与质量评价系统[11-12]。美国最早在80年代开始针对火车轮踏面的缺陷开发自动检测设备，并在90年代初将电磁超声(EMAT)技术应用于火车轮缺陷识别[13]。日本铁道技术研究所将振动加速计放于轨道底部，通过测定振动的加速度变化从而判断车轮踏面缺陷损伤程度[14]。德国铁路研发的充水耦合超声设备将超声波探头放置在特定轨道凹槽内，在列车经过时实现对车轮踏面的检测[15]。国内对于火车轮的检测设备开发相对较晚，初期主要以超声、磁粉、涡流等常规检测技术为主。近年来，诸多学者探究新技术，并在火车轮踏面的检测中得以应用。北京钢铁总院利用电磁超声换能器表面波法检测火车轮，不仅实现了对踏面的检测，同时解决了踏面与轮缘R角之间盲区的检测[16]。丛明等利用机器视觉技术，通过工业摄像头在辅助光源下采集踏面的光带图像，实现了智能识别踏面的损伤[17]。侯继良等利用CCD图像测量法评估踏面磨损程度，实现了踏面的静态检测[18]。程宏钊等利用非接触三维扫描仪重构车轮模型，通过对踏面模型的复现对比实现对踏面损伤的检测[19]。以上检测方法虽取得一定效果，但均存在一定弊端，主要集中在两个方面：1）超声法操作相对复杂，且检测速度较慢；2）机器视觉与三维重构受环境影响较大，且对踏面磨损减薄较为敏感，对裂纹和深度损伤检测难度较大。

针对目前火车轮踏面裂纹检测的难点，提出一种基于地磁场的弱磁检测技术。弱磁检测操作便捷，检测速度快，且检测过程无需耦合剂或励磁设备；本次研究通过理论分析与检测实验验证弱磁技术在火车轮踏面裂纹检测的可行性；同时，利用裂纹处磁感应强度幅值计算裂纹深度，实现对裂纹定深，为火车轮踏面的质量评价提供了新思路。

1 磁化与弱磁检测原理

磁化是指使原来不具有磁性的物质获得磁性的过程。物质在外磁场作用下所显现的磁性大小称为磁化强度，是描述物质磁化状态的物理量。磁化强度受物质本身与外磁场强度影响，具体表达式为：

式中：M——磁化强度，A/m；

H——磁场强度，A/m；

在磁化环境下，物质所表现的磁场强弱与方向是外磁场强度与磁化强度的叠加量，用磁感应强度来描述，具体关系为：

式中：B——磁感应强度，T；

μ0——真空磁导率，其大小为 4π×10-7H/m。

外磁场强度相同的情况下，磁化率是影响磁化强度与磁感应强度的唯一条件，根据物质的磁化率不同，将材料分为5类：铁磁性、顺磁性、抗磁性、亚铁磁性和反铁磁性。由磁化的性质可知，在空间磁场的作用下，一切物质均具有一定的磁性。用来表征物质在外磁场下磁化程度的物理量为相对磁导率μr，其与磁化率χ的表达式为：

在地磁场环境中，无论车轮与地磁场的相对方向如何放置，其受地磁场磁化后均为具有微弱磁场的磁体[20]。由式(3)可知，物质若连续均匀，其磁导率是相同的。因此，当车轮踏面无缺陷时，磁导率相同，磁化下表面的磁感应强度应该是均匀稳定的。若存在缺陷，则在缺陷处磁导率会发生突变，表面磁感应强度也会发生异常变化。火车轮踏面裂纹处为空气填充，其磁导率小于微合金钢磁导率，所以在裂纹处磁感应强度将变小。因此，弱磁检测技术正是利用缺陷处磁导率差异导致的磁感应强度突变，通过实验室自主研发的高精度磁通门传感器检测材料在地磁场磁化后表面磁感应强度的法向分量，并通过算法对磁感应强度处理与分析，即可提取异常磁场区域，从而实现对缺陷的识别。

图1 裂纹与应力信号波形对比图

2 火车轮踏面裂纹检测实验

弱磁检测探伤仪器主要由检测探头、信号采集板、上位机和数据处理软件4部分组成。检测探头采用实验室自主研发的高精度磁通门传感器，分辨率为1 nT，量程为±250 000 nT。同时组成最多12通道的阵列探头，可自选任意探头检测，增加检测面积与效率。针对火车轮踏面的特殊结构，设计了贴合踏面检测的磁通门探头工装，如图2所示。信号采集板将探头采集到的磁感应强度信号传给上位机，通过数据处理软件进行信号分析。

图2 火车轮踏面检测工装

实验试件为中国钢铁研究院提供的预制缺陷车轮对，每个车轮共有9条预设不同深度的裂纹缺陷，3×3排列，两车轮预设缺陷位置相同，如图3所示。火车轮疲劳磨损下易萌生自然细小裂纹，且裂纹宽度极小，较大宽度裂纹不易出现，所以预设裂纹宽度均取0.5 mm来模拟真实细裂纹缺陷，裂纹长度取10 mm，裂纹纵向间距80 mm，横向间距20 mm。检测实验共分为两部分：首先对1号轮进行检测，通过信号特征验证弱磁检测可行性，同时提出缺陷识别算法；其次，对于深度定量，由于真实缺陷裂纹宽度极小且相差甚微，宽裂纹缺陷出现概率极低，所以定深公式可不考虑裂纹宽度影响，利用1号轮数据分析裂纹深度与磁感应强度之间的关系。最后通过对2号轮检测并验证缺陷识别算法与深度计算公式的准确性。

图3 火车轮预设缺陷

检测时将车轮放置于稳定磁场环境，使用4个探头由上自下沿踏面表面扫查，在第1行裂纹前80 mm处开始，在第3行裂纹后60 mm处停止，扫查距离共300 mm，每行裂纹位置为80 mm、160 mm、240 mm处，检测路径见图4。检测时手动匀速移动探头，地磁场在局部小范围内可近似相等，磁通门传感器采集火车轮踏面法向方向的磁感应强度信号。检测需在同一条件下重复多次扫查，以保证数据的准确性。

图4 检测路径

3 检测结果与讨论

3.1 1号车轮检测结果与信号分析

图5为1号车轮踏面表面的磁感应强度曲线图，1、2、3号探头分别对应第1列、第2列、第3列裂纹检测信号，4号探头为无缺陷的踏面检测信号。图中横坐标为扫查的距离，纵坐标为磁感应强度值。由图可知1、2、3号探头在75 mm、160 mm、240 mm处存在下凹的磁异常，且波动趋势明显，与实际缺陷位置80 mm、160 mm、240 mm对比略有偏差，是由于手动扫查速度略有不均导致。此外，1号探头在无缺陷处出现磁饱和现象，在裂纹处磁信号下凹，原因为第一列裂纹与轮缘距离较近，辗钢轮在轧钢或行驶中轮缘附近受应力较大，力磁耦合作用造成磁饱和，但对缺陷检测无影响。4号探头检测路径为踏面无缺陷处，信号相对平稳，无明显波动。由此说明利用弱磁检测技术对于火车轮踏面裂纹进行检测是可行的，且信噪比良好，检测效率高。

图5 1号轮各探头检测信号

针对火车轮踏面裂纹缺陷的信号特征，提出一种利用极值差及阈值线联合判断缺陷的方法。对于离散磁感应强度信号，极值差可以较好地反映磁感应强度的波动幅度，在无缺陷处磁感应强度波动较小，在裂纹处磁感应强度波动较大，所以通过波动幅值的高低即可判断是否存在缺陷，磁感应强度幅值ΔB为峰值与两边驻点平均值之差，即:

图6 极值差法计算流程图

流程图中对极差也同样做阈值线判断，目的是排除驻点处的波动对缺陷点判断的干扰。根据上述算法，得出各探头波动幅值曲线如图7所示。

由图7可知，极值差阈值线法能较明显的识别出缺陷的幅值与位置，说明极值差阈值线法适用于踏面裂纹缺陷的判别。

图7 1号轮磁感应强度幅值曲线

对于判定裂纹深度，由于火车轮裂纹宽度均在0.5 mm以内，且差距甚小，所以微小宽度变化对裂纹磁感应强度影响不大，可忽略不计，所以只需分析裂纹深度与磁感应强度幅值数值关系即可实现对裂纹的深度测定。表1为9个踏面裂纹的深度值与磁感应强度异常幅值ΔB。

由表1裂纹的深度值与磁感应强度异常幅值ΔB可以看出，裂纹深度与磁异常幅值呈正相关，幅值越大，裂纹深度越深。在同一深度下，各裂纹磁感应强度差距较小，在允许范围内，误差来源可能为深度刻伤时有些许差异。通过对已有数据的拟合，即可得出深度与裂纹磁感应强度幅值的数值关系。

表1 1号车轮裂纹深度与幅值参数

傅里叶最小二乘拟合是对离散数据进行线性处理的一种常用拟合方法，其利用递归算法不仅可以提高拟合度，同时可消除异常点干扰。通过傅里叶最小二乘拟合对裂纹幅值与深度进行拟合，拟合公式为：

决定系数 0.993 8，修正决定系数0.990 7，拟合效果良好，准确度高，误差在允许范围内。综合上述实验结果，傅里叶最小二乘拟合深度曲线如图8所示，弱磁检测技术可实现对火车轮踏面裂纹的识别与定深。

图8 傅里叶最小二乘拟合深度曲线

3.2 2号车轮检测结果与深度验证

图9为2号轮踏面表面的磁感应强度曲线，由1、2、3号探头可以看出，在70 mm、160 mm、240 mm处同样出现下凹的磁异常信号，且磁异常位置与预设裂纹位置基本一致；4号探头信号曲线无明显磁异常，小幅度波动因为靠近轮缘存在边缘效应，但对检测无影响。

图9 2号轮各探头磁感应强度信号

2号轮幅值曲线如图10所示，由图可知阈值线对缺陷的识别与判定较为准确，裂纹处的波动幅值远大于无缺陷点。

图10 2号轮磁感应强度幅值曲线

根据拟合公式，计算出2号轮各裂纹深度，与真实深度值对比。由表2对比结果可知，检测深度值与真实深度值误差小于±0.11 mm，在可接受误差范围内，证明傅里叶最小二乘拟合应用于火车轮踏面裂纹弱磁检测深度计算是可行的，且计算结果精确，误差率低。

表2 2号车轮裂纹检测深度与真实深度参数

4 结束语

通过设计火车轮踏面预设裂纹缺陷实验，利用弱磁检测技术对不同深度的裂纹进行检测，分析磁感应强度数据，得出如下结论：

1)弱磁技术对于火车轮踏面裂纹的检测是可行的，且基于极值差法与拉依达准则的缺陷识别算法信噪比高，定位准确。

2)利用傅里叶最小二乘拟合法结合磁感应强度幅值实现对深度的计算，误差率较小，在±0.11 mm内，可进一步实现对火车轮的质量评价。

3)弱磁检测技术对于火车轮踏面缺陷检测速度快，精度高，进一步改进可用于自动化检测，为火车轮踏面缺陷检测提供新思路。