高速漏磁检测中钢轨磁化强度的研究

熊龙辉，王 平，齐 婧，王海涛，田贵云，3，高运来（.南京航空航天大学自动化学院，南京 006；.北京青云航空仪表有限公司装配分厂，北京 00086；3.Newcastle大学 电子电力与计算机工程学院，英国）

为满足我国旅客运输需求的快速增长，促进民生改善和经济建设，到2020年，我国将建设客车运行速度达200 k m/h以上的客运专线1.8万公里以上，高铁里程数将占据世界总里程数的一半以上[1]。然而，随着高速铁路里程数和列车运行速度的增加，钢轨损伤探测的速度和精度将面临新的挑战。钢轨的裂纹容易造成车辆脱轨、铁路断轨等重大安全事故，具有很大的危险性和隐蔽性。承载高速运行列车的钢轨，其缺陷损伤主要为钢轨踏面的斜线状接触疲劳裂纹，并沿斜向以一定角度迅速向轨头内部扩展，形成大尺寸横向疲劳裂纹，最终导致钢轨发生横向折断[2－3]。所以及时快速地检测出微小裂纹具有重大意义。

目前常用的铁路无损探伤技术主要是超声检测，但由于超声检测需要耦合剂且存在表面检测盲区，很难满足快速检测的需求[4]。漏磁无损检测技术通过对材料进行磁化，然后通过传感器拾取被测材料的泄漏磁场，从而实现漏磁非接触式快速无损检测[5]。钢轨材料的磁化强度直接影响漏磁检测的灵敏度，所以要实现非接触式快速漏磁检测，首先得保证钢轨材料的充分磁化。而且，在快速巡检过程中，钢轨材料的磁化过程是动态磁化，速度效应也会对磁化强度产生影响。同时，励磁激励电压和励磁激励提离的选择对材料磁化效果也是至关重要[6－7]的。

1 理论基础

1.1 钢轨磁化机理

作为铁磁性材料的钢轨，其磁化机理和其他铁磁性材料一样，现在普遍接受的理论模型是用磁畴解释材料的磁化过程。材料内部具有相同排列方向的一小块区域内的所有原子磁矩称为磁畴。磁畴与磁畴之间称为磁畴壁。数以万计的磁畴壁和磁畴组成了宏观材料。

在无外加磁场情况下，这些磁畴的磁矩方向杂乱无章，从而材料的总磁矩为零，宏观上对外不表现出磁性，如图1（a）所示。当加上较弱的外加磁场时，那些磁化方向和外加磁场方向一致或比较接近的磁畴体积开始慢慢扩大，而与外加磁场方向相反的磁畴体积渐渐减小，这一过程就是畴壁的位移，如图1（b）和（c）所示。随着外加磁场的增加，与磁畴方向不一致的磁畴磁矩将渐渐转向磁场方向，如果外加磁场增加到一定值，所有的磁畴的磁矩都与外加磁场方向一致，这时即达到了饱和磁化，如图1（d）和（e）所示[8]。

图1 铁磁性材料磁化过程示意图

在外加磁场一定的情况下，钢轨材料磁畴位移的过程所花费的时间，被称为磁化时间。如果钢轨没有达到饱和磁化，此时钢轨材料的磁畴就没有完全反转，材料的等效磁导率相对于饱和磁化的材料等效磁导率更小，此处称为不同磁化状态的材料磁导率的不同状态。在高速漏磁检测时，磁化时间直接影响检测速度，所以该时间需要尽量缩短以提高检测速度。钢轨磁化的激励电压和传感器及励磁激励的提离对检测速度的影响至关重要。

1.2 磁路分析

1.2.1 磁场磁路定律及分析

在非均匀磁路中，安培环路定律如下式所示[9]：

式中：L是沿磁路选取的积分环路；N和I分别是线圈匝数和线圈传导电流；H i，Bi，μi，l i和S i分别是第i段磁路的磁场强度、磁感应强度、磁导率、长度和截面积。根据磁场的高斯定理，闭合磁路中各截面的磁通量必定相等，所以式（1）可以写成：

式中：NI称为磁动势，用εm表示称为磁阻，用Rm表示；ΦRm称为磁压降。式（2）表示，闭合磁路的磁动势等于各段磁路上磁压降之和，这就是磁路定律。

根据安培环路定律分析裂纹漏磁检测的磁路。该磁路分为三部分：磁轭部分、气隙部分和被测件部分，如图2所示。该磁路可以用式（3）表示。

图2 钢轨漏磁检测磁路模型

式中：L0，L1，L2分别为气隙部分、磁轭部分和被测件部分的磁路长度；S0，S1，S2分别为气隙部分、磁轭部分和被测件部分的截面积，φ为磁路的磁通量；μ0，μ1，μ2分别为空气、磁轭和被测件的磁导率。其中空气磁导率μ0＝4π×10－7H/m为常数。

该磁路为磁轭部分、气隙部分和被测件部分三部分磁阻串联。其中空气的磁导率远远小于磁轭和被测试件钢轨的磁导率，所以空气部分的磁阻远远大于气隙部分和被测件部分，磁势能大部分消耗于空气气隙处。

1.2.2 缺陷处磁阻分析

缺陷处的磁场分布可分为三部分，如图3所示，材料部分、裂纹处空气和传感器检测处空气。这三部分的磁阻相当于并联，它们对被测件部分的磁通量按磁阻的比例分配。此并联电路的关系式如下：

图3 钢轨缺陷处的磁力线分布图

在励磁激励提供的磁动势和励磁及传感器提离不变时，随着巡检速度增加，被测材料的等效磁导率将减小而磁阻增大，所以整个磁路的磁阻将增加，磁通量将减小，被测材料的磁化强度将减弱。另一方面，在整个串联磁路中，被测材料部分的磁阻增加，使得此部分消耗的磁动势在整个磁路中所占比例将增加。并且在被测材料部分的并联磁路中，由于材料部分的磁导率减小而磁阻的增加，裂纹处空气和传感器检测部分的空气磁导率不变，所以流过传感器部分的磁通量在该部分所占比例将增加，即在整个磁路的磁通量减小程度比被测材料磁导率减小而导致的传感器检测部分的磁通量的增加程度小时，检测到的缺陷漏磁场将增大。

在巡检速度和励磁及传感器的提离不变时，随着励磁激励的增加，整个磁路的磁通量将增加，被测材料的磁化强度将增强。另一方面，被测材料处磁化强度的增强，直接导致缺陷漏磁场的增加。

在巡检速度和励磁激励的磁势能不变时，随着励磁及传感器提离的增加，在空气隙处的磁阻将增加，所以整个磁路的磁通量将减小，导致被测材料的磁化强度减弱。另一方面，被测材料的磁化强度的减弱，将直接导致缺陷漏磁场的减小。

2 高速漏磁巡检中的材料磁化强度试验

在高速裂纹检测过程中，对钢轨磁化强度的验证可以以钢轨磁化状态下的等效磁导率为切入点。通过上述理论基础，从空气间隙处磁感应强度和缺陷漏磁场的相对幅值这两方面推导磁导率的状态，从而验证钢轨的磁化状态及漏磁检测效果。

2.1 试验验证系统

钢轨试验验证系统由两部分组成：无损检测高速试验平台和钢轨裂纹检测装置。无损检测高速试验平台运用轨道式转盘代替钢轨，转盘表面设计成钢轨的轨头，且转盘的材料采用钢轨的材料，转盘周长为2.667 m。以固定检测装置，轨道式转盘高速转动来模拟检测装置和被测钢轨之间的相对运动。转盘的线速度范围为2～55 m/s。根据常见的钢轨裂纹损伤，在轨道式转盘上加工了一系列的人工缺陷。

钢轨裂纹检测装置主要由磁化器、传感器探头、调理电路、采集卡及PC机处理器组成。磁化器包括正向磁轭和反向磁轭，磁轭励磁线圈激励为直流稳定电压，励磁磁轭产生的磁化场对钢轨的磁化方向相反。正向磁轭对钢轨材料进行激励磁化，从而使被测钢轨裂纹处产生漏磁场以供检测；反向磁轭对被测钢轨进行反向磁化，使钢轨材料的磁畴方向反转，以便每一次钢轨被正向磁轭磁化时都不受上一次磁化后的剩磁影响。传感器探头包括三维霍尔传感器和特斯拉计。三维霍尔探头检测裂纹处的漏磁场的X，Y，Z三个方向的漏磁信号，特斯拉计检测磁路空气隙处的磁感应强度。调理电路主要由AD620仪用放大器对检测到的信号进行偏置差分放大，将霍尔传感器探测到的毫伏级检测信号放大到±10 V范围内。数据采集卡采用ADLINK DAQ2204，采集频率设置为120 k Hz，采集电压范围±10 V。PC机接收采集卡信号，并对信号进行分析。整个试验验证系统如图4所示。

2.2 试验结果分析

采用上述试验验证系统进行试验，对轨道式转盘上深度为4 mm，宽度为0.4 mm，水平角75°，垂直角90°的裂纹漏磁场的X分量（沿X方向的漏磁场分量）和磁路空气隙处的磁感应强度进行分析。从巡检速度、励磁激励和传感器提离三个角度分析不同速度漏磁巡检过程中的钢轨材料磁导率的变化状态。其中裂纹缺陷及其X分量和漏磁信号相对幅值示意图如图5所示。

图4 试验验证系统

图5 裂纹缺陷及其X分量和漏磁信号相对幅值示意图

2.2.1 漏磁巡检速度对钢轨磁感应强度的影响

霍尔传感器与被测钢轨提离为15 mm，激励电压为10 V，检测速度范围为2～55 m/s。此时空气隙处的磁感应强度随速度的变化如图6（a）所示，缺陷漏磁场X分量的相对幅值随速度的变化如图6（b）所示。

由图6可知，随着巡检速度的增加，空气隙处的磁感应强度减小，由于此时空气的截面积和磁阻不变，所以空气隙部分的磁动势及整个磁路的磁通量是减小的，被测材料的磁化强度也是减弱的。此时的励磁激励的磁动势和空气及磁轭的磁阻是不变的。磁通量的减小是由于被测材料的磁导率减小而磁阻的增加，所以，速度的提高将导致被测材料磁化强度的减弱。

由图6（b）可知，在速度为2～55 m/s范围内，随着巡检速度的增加，缺陷漏磁场的相对幅值会增加。一方面，随着巡检速度的增加，被测材料的等效磁导率将减小而磁阻增大，空气隙和励磁材料的磁阻不变，所以在此时励磁激励提供的总磁动势不变的情况下，被测材料部分消耗的磁动势是增加的。另一方面，由于漏磁场处空气磁导率不变，即磁阻不变，然而钢轨材料的磁导率减小，磁阻增加，所以由式（4）～（6）可知，钢轨这一部分的磁通量分布在漏磁场处空气处的比例增加。所以，在整个磁路的磁通量减小程度比被测材料磁导率减小而导致的传感器检测部分的磁通量的增加程度小时，检测到的缺陷漏磁场将增大。即在实际检测中，速度在2～55 m/s范围内，巡检速度越高，裂纹漏磁信号的信噪比将越高，越利于缺陷的探测。

2.2.2 励磁激励对钢轨磁感应强度的影响分析

霍尔传感器与被测钢轨提离为15 mm，线圈励磁激励电压范围为5～40 V，检测速度为15 m/s。此时空气隙处的磁感应强度随激励电压的变化如图7（a）所示，缺陷漏磁场X分量的相对幅值随激励电压的变化如图7（b）所示。

由图7（a）可知，在漏磁巡检速度和提离不变的情况下，随着激励的增加，空气隙的磁感应强度也将增加。由于此时空气的截面积和磁阻不变，所以空气隙部分的磁动势及整个磁路的磁通量是增加的。被测材料的磁化强度也是增强的。其主要原因就是激励的增加导致整个磁路消耗的磁动势的增加。所以，励磁激励的增加将导致被测材料磁化强度的增强。

由图7（b）可知，在漏磁巡检速度和提离不变的情况下，随着励磁激励的增加，缺陷漏磁场的相对幅值将增加。其主要原因是被测材料的磁化强度的增加导致。所以在实际检测中，在保证被测钢轨和探头顺利相对运动的前提下，应尽量增加激励源的电压。

2.2.3 提离对磁导率的影响

高速漏磁巡检试验过程中，三维霍尔传感器与励磁磁轭固定在一起组成检测探头，使得检测到被测钢轨表面的距离（漏磁检测探头的提离）在2～30 mm范围内变化，励磁激励电压为40 V，检测速度为20 m/s。此时空气隙处的磁场强度随提离的变化如图8（a）所示，缺陷漏磁场X分量的相对幅值随提离的变化如图8（b）所示。

图6 漏磁巡检速度对磁感应强度的影响

图7 磁场随激励电压的变化

图8 提离对磁感应强度的影响

由图8（a）可知，在巡检速度和励磁激励的磁势能不变时，随着励磁及传感器的提离的增加，空气隙处磁感应强度将减小。由于随着励磁及传感器的提离L0的增加，所以在空气隙处的磁阻是增加的。而励磁激励的磁动势不变，所以空气隙处磁感应强度是减小的，整个磁路的磁通量也是减小的，被测材料的磁化强度减弱。

由图8（b）可知，在漏磁巡检速度和励磁激励电压不变的情况下，随着激励及传感器的提离的增加，缺陷漏磁场的相对幅值将增加。其主要原因是被测材料的磁化强度减弱所致。所以在实际检测中，在保证被测钢轨和探头顺利相对运动的前提下，应尽量减小被测钢轨和探头的提离。

3 结语

通过对高速钢轨漏磁检测磁化状态的研究发现，检测速度、激励电压和提离对钢轨的磁化状态都有不同程度的影响。速度范围在2～55 m/s时，速度越高，虽然钢轨磁导率会逐渐下降，磁化强度减弱，但裂纹漏磁信号的检测灵敏度将变高，更利于缺陷的探测。对于激励电源，激励电压越高，被测材料磁化强度越强，裂纹漏磁场越强，所以在保证被测钢轨和探头顺利相对运动的前提下，尽量增加激励源的电压。对提离的控制，实际检测中在保证被测钢轨和探头顺利相对运动的前提下，尽量减小被测钢轨和探头的提离，以减小磁动势能的消耗并得到信噪比更高的缺陷漏磁信号。

由缺陷漏磁场随速度的变化图可知，当速度增加到一定程度后，缺陷漏磁场的增加将变得较之前缓慢，或有可能趋于饱和，或在速度达到一定程度后，缺陷漏磁场将呈减小的趋势。达到饱和速度时，整个磁路的磁通量减小程度将等于被测材料磁导率减小而导致的传感器检测部分的磁通量的增加程度。所以，对缺陷漏磁场饱和时速度和速度更高以后漏磁场减小时的转折速度的探究将有重大意义。

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