金屬磁記憶技術(shù)在無縫鋼軌溫度應(yīng)力檢測中的研究

1、2010年11月第11期(總146鐵 道 工 程 學 報J OU RNAL OF RA IL W AY ENG I NEER I NG S OC IETYN ov 2010NO.11(Ser .146收稿日期:2009-11-04作者簡介:劉磊,1985年出生,男,助理工程師。文章編號:1006-2106(201011-0056-05金屬磁記憶技術(shù)在無縫鋼軌溫度應(yīng)力檢測中的研究劉 磊1舒 迪1 董炳義2 邸錦玉2(1.北京化工大學, 北京100029; 2.北京鐵路局, 北京100071摘要:研究目的:如何對無縫鋼軌的溫度應(yīng)力進行連續(xù)、動態(tài)、準確的監(jiān)測,是鐵路部門長期懸而未決的難題。因此如果能

2、夠?qū)崟r檢測線路實際的縱向溫度應(yīng)力,對指導線路的維修,以及對發(fā)生脹軌和斷軌事故的可能性做出合理的評估具有重大的意義。研究結(jié)論:介紹了采用T S M -1M -4型金屬磁記憶檢測儀在無縫鋼軌溫度應(yīng)力檢測中的研究。在北京鐵路局豐臺工務(wù)段,對一段總長為1515m 的無縫鋼軌檢測過程中磁記憶檢測技顯示出良好的規(guī)律性。試驗表明,該技術(shù)在鐵路突發(fā)性脹軌事故的早期診斷檢測中具有很大的優(yōu)勢。關(guān)鍵詞:金屬磁記憶;無縫鋼軌;無損檢測;應(yīng)力集中區(qū)中圖分類號:TH 7 文獻標識碼:AResearch on Application ofM etalM agnetic M e m ory Tec hnology i n T

3、esti ng Te mperat ure Stress of Sea m less RailLI U Lei 1,S HU D i 1,DONG Bing -y i 2,D I Ji n -yu 2(1.B eiji n g U niversity o f Che m ica l Techno logy ,Be ijing 100029,Ch i n a ;2.B eiji n g Ra il w ay Adm i n istration ,Be ijing 100071,Ch i n aAbst ract :Research purposes :H ow to conti n uously

4、 ,dyna m ica ll y ,accurate l y m on itor the te m perature stress o f sea m less ra il is the proble m unsolved for long ti m e .Therefore ,real-ti m e detection of t h e actua l vertical te m perature o f the track is o f great sign ificance to instructi n g the track m a i n tenance and evaluati

5、n g the possibility o f appearance o fbroken rail and buck led track .R esearch concl u sions :The introducti o n is g iven to t h e research on app lication o fm eta lm agnati c m e m ory techno logy i n testi n g the te m perature stress of sea m less ra il by using TS M -1M -4M agneticM e m ory D

6、etector .App lication o fTS M -1M -4M agnetic M e m ory Detector in testi n g the te m perat u re stress of 1515m long rail adm i n istrated by Feng ta iTrack M a i n tenance Secti o n of B eiji n g R ail w ay Adm i n istration sho w s th i s m eta lm agnatic m e m ory techno logy has a b i g m erit

7、s i n early-ti m e diagnosis of sudden buc k led track .K ey w ords :m etalm agnetic m e m ory ;sea m less rai;l non-destructi v e tes;t stress concentrati o n 隨著鐵路高速化與重載化的發(fā)展,世界各國均廣泛采用無縫線路技術(shù)。由于無縫線路鋼軌不能自由伸縮,當軌溫發(fā)生變化時,將產(chǎn)生很大的軸向溫度力。過大的溫度力會導致鋼軌臌曲失穩(wěn)或斷裂,導致車輛脫軌,危及行車安全?，F(xiàn)有傳統(tǒng)無縫線路應(yīng)力檢測方法和手段的檢測范圍有很大的局限性。盡管人們已經(jīng)認識到對

8、設(shè)備進行100%考察的必要性,但在實踐中完成這項任務(wù)需要耗費大量時間以及人力、物力和財力。因此,傳統(tǒng)的無損檢測方法(超聲波,X 射線,磁粉探傷等由于其操作的復雜性,如要求對被測表面和檢測對象進行清理,人工磁化,貼附傳感器等,在檢測大型設(shè)備和大長度結(jié)構(gòu)件時受到嚴重限制。本文采用一種新的金屬無損檢測技術(shù)-金屬磁記憶檢測,該方法無需對被測對象表面進行專門處理,無需專門的磁化裝置。該方法可以快速在線檢測鋼軌應(yīng)力,具有廣闊的應(yīng)用前景。為了實現(xiàn)對鐵路鋼軌突發(fā)性脹軌事故的早期預(yù)報,在北京鐵路局豐臺工務(wù)段成功地開展了金屬磁記憶檢測儀在鐵路無縫鋼軌檢測中的應(yīng)用,并取得一定研究結(jié)果。1 金屬磁記憶檢測的理論基礎(chǔ)物

9、質(zhì)在磁場中由于受磁場的作用表現(xiàn)出一定的磁性,這種現(xiàn)象就稱之為磁化?，F(xiàn)代科學技術(shù)的發(fā)展,已經(jīng)揭示出磁的普遍性,即一切物質(zhì)都具有磁性,任何空間都存在磁場。外磁場中的任何物質(zhì)都能夠被磁化而獲得磁矩,單位體積的磁矩稱為磁化強度M。將物質(zhì)置于外磁場中,它的磁化強度將發(fā)生變化,磁化強度M和磁場H 的關(guān)系由下式表達:M= H或 =MH式中 磁體的磁化率,是表征磁體磁化難易程度的一個參量。鐵磁性物質(zhì)在外磁場作用下磁化過程會有磁滯回線,使其在外磁場作用下得到強烈磁化,而在應(yīng)力集中區(qū),微觀磁化結(jié)構(gòu)(磁疇受到外載荷的影響,會表現(xiàn)出不一樣的磁場強度,并且在載荷去除后還存有其特征。根據(jù)已確定的制件金屬中應(yīng)力集中、微缺陷

10、等與磁信號之間的相互聯(lián)系,引入了金屬磁記憶!概念并開發(fā)出新的無損檢測方法 金屬磁記憶檢測方法。金屬磁記憶檢測方法的檢測原理是利用工作載荷作用下形成的位錯穩(wěn)定滑移帶區(qū)域中出現(xiàn)的自有漏磁場來判斷構(gòu)件中的缺陷和應(yīng)力集中區(qū)。在任何人工磁化條件下,在處于工作狀態(tài)的構(gòu)件中都不可能取得像自有磁場這樣的信息來源。只有在地磁場這樣的微小外部磁場中,當承受載荷結(jié)構(gòu)中的變形能量超過外部磁場能量一個數(shù)量級時,這樣的信息才會被形成并被獲取。實際工作證明,金屬磁記憶方法既可在設(shè)備工作中,也可以在工作載荷去除后的修理中采用。這樣就為我們提供了一種可能性,即通過專用儀表讀取這一信息來評估設(shè)備的應(yīng)力-變形狀況,并在早期發(fā)現(xiàn)金屬

11、可能損傷的區(qū)域。2 載荷試驗試驗設(shè)備:TS M-1M-4型金屬磁記憶檢測儀、4通道傳感器、HY W-1000k N電液伺服萬能材料試驗機、U74鋼軌軌腰上截取的30c m的拉伸試件以及9c m的壓縮試件。 試驗步驟:用TS M-1M-4型儀器對U74鋼軌試件進行了載荷試驗。試驗選用拉、壓件試塊各一件,將被測試件加以固定,使其不發(fā)生偏移。從10kN開始,每次加壓(拉載荷遞增10kN,直至200kN,使用金屬磁記憶檢測儀對鋼軌試塊進行測量。將測得磁場強度值取平均,可以得到磁記憶信號(MMM磁場強度隨載荷的變化曲線。從圖1、圖2中可見MMM信號隨著拉應(yīng)力的增加而降低,隨著壓應(yīng)力的增加而增大。磁記憶信

12、號和載荷為近似線性關(guān)系。圖1 壓應(yīng)力-磁場強度信號曲線圖2 拉應(yīng)力-磁場強度信號曲線3 金屬磁記憶檢測儀的應(yīng)用試驗在北京鐵路局豐臺工務(wù)段內(nèi)豐臺-雙橋下行約9km400m處的一段總長為1515m的線路上(如圖3所示進行了的鋼軌溫度應(yīng)力檢測試驗。包括兩端伸縮區(qū)200m、固定區(qū)1275和兩端緩沖區(qū)40m。測試軌溫為3741。3.1 試驗設(shè)備技術(shù)指標:H p值測量范圍:%2000A/m測量通道數(shù):4通道探頭測量步長:16mm57第11期劉 磊 舒 迪 董炳義等:金屬磁記憶技術(shù)在無縫鋼軌溫度應(yīng)力檢測中的研究 圖3 被測區(qū)域示意圖(單位:m 圖4圖7為豐臺工務(wù)段內(nèi)豐臺-雙橋下行約9km 400m 處的一段

13、鋼軌(1515m 的實測數(shù)據(jù)圖。下圖為20m 長的緩沖區(qū)磁場分布曲線。緩沖區(qū)的磁場都非常小,磁場梯度值也不大。沒有發(fā)現(xiàn)明顯的應(yīng) 力集中特征。圖4 緩沖區(qū)圖5為伸縮區(qū)的數(shù)據(jù)曲線,該區(qū)域磁場在零值線附近及其以上變化,整體上磁場變化都不大,應(yīng)力分布 較為均勻。圖5 伸縮區(qū)從圖6中可以發(fā)現(xiàn)在40000mm 的位置磁場法向分量最大值達到120A /m,但梯度值很小,并沒有發(fā)現(xiàn) 異常。圖6 固定區(qū)圖7 固定區(qū)局部圖7為固定區(qū)內(nèi)5m 長的一段局部圖,從該圖中可以發(fā)現(xiàn)幾乎每隔50c m 都有一個應(yīng)力峰,總體在580A /m 之間變化,磁場梯度的變化量很小,通過反復測試、分析發(fā)現(xiàn)這是由于按相同間隔分布的道釘對傳

14、感器的補償探頭的影響所致的,并不是鋼軌存在應(yīng)力分布異常。測試所得數(shù)據(jù)曲線大部分在零線之上,變化均勻,且曲線上各點的梯度值均很小。根據(jù)磁記憶方法的判斷原理,這段鋼軌上應(yīng)力分布無異常。由于測量時,軌溫計顯示的溫度范圍為3741,略高出31的鎖定軌溫,故線路的溫度應(yīng)力不大。而我們測量所得的數(shù)據(jù)顯示,磁場強度的峰值平均值為80A /m 左右,對應(yīng)的壓應(yīng)力很小,所以沒有產(chǎn)生應(yīng)力集中的區(qū)域,測試結(jié)果與實際相吻合。試驗表明該技術(shù)在定性檢測無縫線路是顯示出性能可靠、檢測速度快的優(yōu)勢,如果結(jié)合定量的應(yīng)力檢測技術(shù),一定具有極大地應(yīng)用價值。4 金屬磁記憶檢測儀的研制4.1 硬件系統(tǒng)儀器系統(tǒng)分為三個部分。第一部分是信

15、號源,由霍爾傳感器產(chǎn)生電壓信號,信號通過差分放大,濾波得到較清晰的信號;第二部分是信號經(jīng)過A /D 轉(zhuǎn)換后送入單片機進行處理;第三部分是數(shù)據(jù)的顯示,這部分是通過繪圖程序完成,顯示結(jié)果以電壓-步長(U -L關(guān)系圖來顯示。系統(tǒng)框圖如圖8所示。58鐵 道 工 程 學 報2010年11月圖8 系統(tǒng)框圖傳感器采用了H oney w ell 公司的霍爾傳感器。設(shè)計四通道傳感器,三個檢測通道,一個補償通道,這樣可以通過補償探頭消除霍爾元件的不等位電勢,并且多傳感器融合提高了采集數(shù)據(jù)的可靠性。傳感器如圖9所示,將四個磁感應(yīng)芯片分別封裝在直徑為10mm 的銅管內(nèi),等間隔固定放置于尺寸為70mm &60m

16、m &15mm 的鐵盒內(nèi)以屏蔽外界的電磁干擾。圖9 傳感器系統(tǒng)的信號調(diào)理電路包括補償電路、放大電路、帶通濾波電路三個部分。直流放大器選擇L M 系列芯片。設(shè)計電路的放大倍數(shù)為90倍,補償放大電路如圖10 所示。圖10 補償及放大電路濾波電路是由典型的二階低通濾波電路和二階高通濾波電路級聯(lián)組成。其通帶范圍設(shè)定為80 200kH z 。4.2 控制系統(tǒng)控制電路系統(tǒng)由以下五部分組成:(1信號采集:通過控制A /D 采集卡實現(xiàn)對被測鐵磁材料的數(shù)據(jù)采集;(2輸入輸出接口:包括鍵盤輸入和被測數(shù)據(jù)的輸出顯示;(3數(shù)據(jù)管理:對采集信號數(shù)據(jù)的分配和存儲;(4信號融合:對采集的多通道數(shù)據(jù)進信號融合處理;(

17、5液晶顯示:將采集到的數(shù)據(jù)波形顯示在液晶屏上。根據(jù)實際情況,單片機采用的是STC 公司的89C52型單片機,A /D 轉(zhuǎn)換器用的芯片是TLC549,液晶顯示電路采用的是FYD12864-0402B 液晶顯示模塊,主程序主要完成TLC549初始化、液晶初始化、數(shù)模轉(zhuǎn)換,數(shù)據(jù)顯示等工作,主程序流程圖如圖11所示。圖11 主程序流程圖5 對比試驗研究采用自制的金屬磁記憶應(yīng)力檢測儀對CCSB 焊接鋼板(尺寸為39.5c m &30c m &8c m,焊道寬度約為14mm 不同位置的磁場強度進行檢測,然后用TSM -59第11期劉 磊 舒 迪 董炳義等:金屬磁記憶技術(shù)在無縫鋼軌溫度應(yīng)力檢

18、測中的研究1M -4型金屬磁記憶檢測儀對同樣的路徑檢測,對檢測結(jié)果進行對比。分別用自制金屬磁記憶檢測儀和TS M -1M -4型金屬磁記憶檢測儀選取同樣的步長(10mm ,對焊道X 軸下方第18號路徑進行檢測,并利用MM -Syste m 軟件分別對18號檢測路徑所有數(shù)據(jù)進行融合處理。得到檢測路徑的金屬磁記憶三維圖像,如圖12、圖13 所示。圖12 自制儀器磁記憶三維圖圖13 TS M -1M -4型儀器磁記憶三維圖圖12中的電壓的梯度最大值在坐標(235,10處,如圖13所示自有漏磁場的梯度最大值在坐標(240,10處。從單獨路徑的磁記憶信號可以看出,在X 方向自有漏磁場變化都較為平緩,梯度

19、最大值不超過6,在X 方向應(yīng)力分布較為均勻。分析結(jié)果表明,自制儀器準確檢測出了CCSB 焊接鋼板缺陷的位置。6 結(jié)論(1通過金屬磁記憶檢測儀在對鋼軌溫度應(yīng)力檢測過程中表現(xiàn)出滿足測試要求的重復性,并且靈敏度較高,測量結(jié)果可以反映出其所受應(yīng)力的變化情況。(2鋼軌的磁場強度值隨拉應(yīng)力的增加而降低,隨著壓應(yīng)力的增加而增大,與載荷為近似線性關(guān)系。(3實驗證明磁記憶檢測技術(shù)可以實現(xiàn)快速、在線、定性的檢測無縫線路應(yīng)力,如能與定量的應(yīng)力檢測技術(shù)相結(jié)合,將展現(xiàn)出極大的應(yīng)用價值。(4自制金屬磁記憶檢測儀其功能和性能基本滿足了檢測的要求。自制儀器檢測結(jié)果與TSM -1M -4型金屬磁記憶檢測儀測試數(shù)據(jù)進行了對比,得

20、出其性能可靠的結(jié)論。參考文獻:1 Dubov A A .Study of M eta l Properties u sing M agne ticM e mory Technique J.M etall oveden ie I T er m i cheskaya O brabotkaM etallov ,1997(9:35-39.2 A .DUBOV .Princ i p le Features of M etal M agne ticM e m ory M ethod and I n spection T ools as Co m pared to K nown M agnetic NDT

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