CN112179261A - 一种基于电磁响应的钢轨脱碳层厚度的检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于电磁响应的钢轨脱碳层厚度的检测方法，具体包括以下步骤：1)准备试样；2)多频扫描；3)有限元建模；4)对比验证结果；5)建立数据库。本发明与现有技术相比的优点在于：本发明通过电磁传感器实际测量以及有限元模型的计算，建立数据库，从而可以根据电磁信号判断任意脱碳层厚度。本方法简单高效，不破坏钢轨完整性，可以实时在线监测，结果真实准确，具有代表性。脱碳层厚度无损电磁检测为铁路系统钢轨维护提供定量分析，对钢轨在热处理过程中的生产参数具有一定的参考价值。能够极大程度缩短钢轨检测的周期，及时钢轨的健康状态进行维护，降低了钢轨的报废率，减少了铁路运行成本维护，延长了铁轨的服役时长。

Description

一种基于电磁响应的钢轨脱碳层厚度的检测方法

技术领域

本发明涉及一种基于电磁响应的钢轨脱碳层厚度的检测方法。

背景技术

高速铁路运输由于具备运量大、运速高、耗能少、污染小、安全舒适等优点，近年来得到迅速发展，在全国运输业中占有重要地位。在保证行车安全和平稳性的前提下，不断提高列车的运行速度和运量成为铁路运输追求的主要目标。近年来，我国铁路运输繁忙，铁路无车时间少，处于供给不足状态；运输线路状况差，超期服役的钢轨数量不断增多，钢轨损伤率较高。由于损伤造成的钢轨断裂的概率大幅提高，直接威胁着行车安全，造成灾难性的后果。因此一种新型的关于钢轨脱碳层厚度检测方法亟待研究。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于电磁响应的钢轨脱碳层厚度的检测方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案为：一种基于电磁响应的钢轨脱碳层厚度的检测方法，具体包括以下步骤：

1)准备试样：截取不同程度的脱碳钢轨试样，磨样抛光，采用金相显微镜观察方式，测量钢轨试样脱碳层厚度，获得不同脱碳层厚度；

2)多频扫描：利用电磁传感器探头对准试样钢轨待测量表面进行多频率扫描，使得电磁传感器与钢轨之间发生电磁互感，得到实际脱碳层厚度对应的电磁信号过零频率；

3)有限元建模：利用有限元软件建立电磁传感器脱碳层厚度检测模型。模型根据实际测量结果，输入脱碳层厚度、磁导率值、电导率值，计算脱碳层厚度对应的模拟电磁信号过零频率；

4)对比验证结果：结合实际测量和模型计算结果，进行对比验证，当测量和计算结果在误差范围内，说明有限元模型计算的正确性；

5)建立数据库：根据有限元模型计算，建立数据库，通过电磁传感器检测任意厚度脱碳层，与数据库信号对比，从而实现对任意脱碳层厚度的检测。

作为一种优选方案，所述步骤3)中模型定义的材料属性为空气、铁素体，珠光体以及铜线圈和铁芯。

作为一种优选方案，所述步骤4)中的误差范围为5％。

作为一种优选方案，所述步骤5)中的数据库信息包括磁导率、电导率、脱碳层厚度及其相互关系。

本发明与现有技术相比的优点在于：本发明旨在提出一种基于电磁感应原理的无损检测高速铁路钢轨表面脱碳层厚度的方法，通过电磁传感器实际测量以及有限元模型的计算，建立电磁信号(过零频率)-钢轨磁导率/电导率-脱碳层厚度关系数据库，从而可以根据电磁信号判断任意脱碳层厚度。相比于有损检测方法，本方法简单高效，不破坏钢轨完整性，可以实时在线监测，结果真实准确，具有代表性。相比于现有的无损检测方法，本发明方法建立的数据库一经建立便能重复快速使用，可以根据实际生产情况更新扩充。脱碳层厚度无损电磁检测为铁路系统钢轨维护提供定量分析，对钢轨在热处理过程中的生产参数具有一定的参考价值。能够极大程度缩短钢轨检测的周期，及时对处于服役状态的钢轨的健康状态进行维护，降低了钢轨的报废率，减少了铁路运行成本维护，延长了铁轨的服役时长。

附图说明

图1为钢轨表面脱碳层的金相组织示意图。

图2为电磁传感器信号原理图。

图3为钢轨脱碳层厚度确定流程图。

图4为电磁传感器脱碳层检测有限元模型图。

图5为样品表面电磁场分布云图。

图6为脱碳层厚度电磁模拟信号示意图。

图7为脱碳层厚度与过零频率之间的关系示意图。

具体实施方式

下面用具体实施例说明本发明，并不是对本发明的限制。

结合附图，一种基于电磁响应的钢轨脱碳层厚度的检测方法，方法实施流程如图3所示，具体包括以下步骤：

1)准备试样：截取不同程度的脱碳钢轨试样，磨样抛光，采用金相显微镜观察方式，测量钢轨试样脱碳层厚度，获得不同脱碳层厚度；

2)多频扫描：利用电磁传感器探头对准试样钢轨待测量表面进行多频率扫描，使得电磁传感器与钢轨之间发生电磁互感，得到实际脱碳层厚度对应的电磁信号过零频率；

3)有限元建模：利用有限元软件建立电磁传感器脱碳层厚度检测模型，如图4，模型定义的材料属性为空气、铁素体，珠光体以及铜线圈和铁芯。模型根据实际测量结果，输入脱碳层厚度、磁导率值、电导率值，计算脱碳层厚度对应的模拟电磁信号过零频率，脱碳层厚度如表1所示，结果如图6所示；

4)对比验证结果：结合实际测量和模型计算结果，进行对比验证，误差在5％范围内，说明有限元模型计算的正确性；

5)建立数据库：根据有限元模型计算，建立“磁导率-电导率-脱碳层厚度”数据库，通过电磁传感器检测任意厚度脱碳层，与数据库信号对比，从而实现对任意脱碳层厚度的检测。

表1为本发明实施脱碳层厚度

本发明的原理，碳是钢轨中主要的强化元素，它能够增加钢轨的强度、硬度以及耐磨性。钢轨脱碳(如图1所示)主要是在钢轨热轧成型过程中引起的钢轨表面材料组织转变的常见现象。热轧过程由于温度升高，钢轨中碳、铁元素氧化，钢轨表面会发生微观组织变化，既由屈服强度较高的珠光体转变成屈服强度较低的铁素体，进而形成脱碳层。另外，钢轨在焊接安装以及服役过程中，脱碳层厚度也会随之改变。钢轨如果没有通过预打磨方式将表面脱碳层厚度控制在临界值以内(小于0.5mm)，必将导致裂纹在脱碳层中快速扩展，最终导致钢轨断裂，钢轨实际服役寿命小于理论值因此测量并监控钢轨脱碳层厚度，为钢轨打磨提供数据支持，控制钢轨脱碳层厚度具有重要意义。本专利基于电磁响应原理，采用电磁传感器对脱碳层厚度进行无损检测。电磁传感器的组成一般包括铁芯(铁芯的形状以及大小根据被检测对象的尺寸来决定)，一个激励线圈以及多个感应线圈。在频率较低时，电涡流强度较小，电磁信号主要受到磁导率影响；随着频率的增加，电涡流强度增大，主要检测的物理量为磁导率和电导率；随着频率的进一步增加，趋附效应明显，趋附深度变小，电磁信号出现过零频率(电感为零时的频率)，如图2所示。

原理分析，电磁传感器是基于钢轨表面的微观组织变化引起的磁导率和电导率变化进行脱碳层厚度检测的。钢轨热轧过程中，温度高达1250℃，钢轨表面珠光体组织中的碳元素与空气中的氧元素相结合，生成CO2，使材料表面的碳含量减少，当碳元素含量减少为0时，钢轨表面的组织结构转变为铁素体。铁素体和珠光体对应的磁导率和电导率不同，从而引起电磁信号的不同响应。

本发明在具体实施时，根据发明流程实施步骤建立电磁信号-脱碳层厚度数据库，利用电磁传感器对实际钢轨表面的脱碳层进行检测，电磁探头垂直于钢轨表面进行频率扫描，得到结果如图7所示，图7表明了任意脱碳层厚度与过零频率的对应关系。通过本应用实例，证明了发明中建立的有限元模型的真实可靠性，同时说明了由模拟结果建立的数据库的准确性。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于电磁响应的钢轨脱碳层厚度的检测方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

1)准备试样：截取不同程度的脱碳钢轨试样，磨样抛光，采用金相显微镜观察方式，测量钢轨试样脱碳层厚度，获得不同脱碳层厚度；

2)多频扫描：利用电磁传感器探头对准试样钢轨待测量表面进行多频率扫描，使得电磁传感器与钢轨之间发生电磁互感，得到实际脱碳层厚度对应的电磁信号过零频率；

3)有限元建模：利用有限元软件建立电磁传感器脱碳层厚度检测模型。模型根据实际测量结果，输入脱碳层厚度、磁导率值、电导率值，计算脱碳层厚度对应的模拟电磁信号过零频率；

4)对比验证结果：结合实际测量和模型计算结果，进行对比验证，当测量和计算结果在误差范围内，说明有限元模型计算的正确性；

5)建立数据库：根据有限元模型计算，建立数据库，通过电磁传感器检测任意厚度脱碳层，与数据库信号对比，从而实现对任意脱碳层厚度的检测。

2.根据权利要求1所述的一种基于电磁响应的钢轨脱碳层厚度的检测方法，其特征在于：所述步骤3)中模型定义的材料属性为空气、铁素体，珠光体以及铜线圈和铁芯。

3.根据权利要求1所述的一种基于电磁响应的钢轨脱碳层厚度的检测方法，其特征在于：所述步骤4)中的误差范围为5％。

4.根据权利要求1所述的一种基于电磁响应的钢轨脱碳层厚度的检测方法，其特征在于：所述步骤5)中的数据库信息包括磁导率、电导率、脱碳层厚度及其相互关系。

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