CN112946064A - 针对高速列车轨道的被动激励电磁无损检测系统及检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种针对高速列车轨道的被动激励电磁无损检测系统和检测方法，该系统包括检测探头、检测辅助装置、驱动模块、信号调理模块和信号采集与处理模块；该方法首先将检测探头以给定提离固定在轨检轮式夹具，驱动轨检车相对标定轨道运动，并将检测探头的检出线圈电压信号通过信号调理和采集与处理模块记录，得到裂纹深度‑信号特征量标定曲线，然后对待检轨道进行检测，得到电压信号；最后基于标定曲线提取实验所得特征量对应的待检轨道裂纹深度值。本发明通过检测探头的永磁体与被测轨道的相对运动作为激励，简单易行且优势突出，适用于高速运动列车轨道的无损检测，在特种设备和轨道交通等领域拥有极大的应用前景，将带来巨大的社会效益。
Description
技术领域
本发明涉及一种轨道缺陷无损检测系统和方法，具体涉及一种针对高速列车轨道的被动激励电磁无损检测系统及检测方法。
背景技术
钢轨裂纹检测的特点有，表面开口裂纹在初期比较微小，深度较浅，容易形成微小缺陷簇，对检测灵敏度要求较高；亚表面裂纹在钢轨表面没有开口性伤口，缺陷深度有的大于8毫米，而宽度仅为几十微米，检测到亚表面裂纹缺陷需要较高的灵敏度仪器设备，传统无损检测方法包括超声检测(UT)、射线检测(RT)、磁粉检测(MT)、渗透检测(PT)和电涡流检测(ET)等，这些常规检测方法都能应用于钢轨裂纹检测，但针对于高速铁路的裂纹检测特性，几大常规检测都有它的局限性。超声检测是目前在钢轨裂纹检测中应用较广的检测方法，超声无损检测能达到80km/h的巡检速度，但是它在检测过程中需要在接触面上添加耦合剂，超声检测还存在表面及近表面盲区，同时，难于检测出细小裂纹，并且80km/h的检测速度已经不能满足高速铁路的检测效率。涡流检测是钢轨检测的主要手段之一，由于铁路部件的结构特点，涡流检测主要应用于列车轴承滚珠的检测、钢轨表面的损伤检测。磁粉检测和渗透检测都能对钢轨表面裂纹进行有效检测，射线检测能对钢轨表面及内部缺陷进行检测，但是这三种方法只能在静态下进行，检测效率低，不适合高速铁路的巡检。总体来看，这些方法均有激励系统复杂、无法实现高速扫查等显著缺点。
发明内容
为了克服上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种针对高速列车轨道的被动激励电磁无损检测系统及检测方法，具有激励检出系统简单，适用于高速检测，易实现的优点，可广泛应用于高速列车轨道的无损检测。
为达到以上目的，本发明采用如下技术方案：
一种针对高速列车轨道的被动激励电磁无损检测系统，包括检测探头1 和检测辅助装置，所述检测探头1由相连接的永磁体11和检出线圈12组成；所述检测辅助装置包括待检轨道2，轨检车3，驱动轨检车3前进的驱动模块 4，轨检轮式夹具5，信号调理模块6以及信号采集与处理模块7；所述待检轨道2平铺于地面，所述轨检车3位于待检轨道2的正上方，以保证后期检测时检测探头1不会偏离待检轨道2；所述轨检轮式夹具5的滚轮9放置于待检轨道2的表面，轨检轮式夹具5中间的夹子10中放置检测探头1，检测探头1通过其顶部的轴杆固定在轨检车3上，轴杆上套有弹簧8，弹簧8选择的原始长度和刚度系数以保证检测过程中轨检轮式夹具5的轮子9始终与待检轨道2的表面接触；所述检测探头1调整到指定提离，保证检测过程中检测探头的提离始终不变；所述驱动模块4连接轨检车3，信号调理模块6 的输入端连接检测探头的检出线圈12，输出端连接信号采集与处理模块7，通过信号调理模块6和信号采集与处理模块7对检测探头的检出线圈12电压信号进行处理分析，从而实现对待检轨道2进行检测的目的。
所述永磁体11采用剩磁大于1T、端面尺寸为20mm以上的永磁体。
所述的针对高速列车轨道的被动激励电磁无损检测系统的检测方法，
1)建立裂纹深度-信号特征量标定曲线：加工一段用于建立裂纹深度-信号特征量标定曲线的标定轨道，在标定轨道的表面加工不同深度的纵向裂纹；将标定轨道固定在地面上，调整轨检车3的位置，使其位于标定轨道的正上方，将检测探头1以一固定提离固定于轨检轮式夹具5中间的夹子10中，最后启动驱动模块4，驱动轨检车3向前运动，与此同时，检测探头1的永磁体11相对标定轨道作高速运动，根据法拉第电磁感应定律，标定轨道内部会产生涡流，涡流会激发二次磁场，处于二次磁场中的检测探头1的检出线圈 12会产生感应电压，将该电压信号通过信号调理模块6作低通滤波的同时将信号放大，然后通过信号采集与处理模块7记录数据，由于裂纹的深度会影响涡流的分布，从而影响检测探头1的检出线圈12的电压幅值，因此以检出线圈12的电压幅值为特征量对标定轨道的表面纵向裂纹进行标定，建立裂纹深度-信号特征量之间的拟合曲线，即为裂纹深度-信号特征量标定曲线；
2)通过实验获取待测轨道的裂纹检测特征量：将待检轨道2固定于步骤 1)中的标定轨道的位置，按照步骤1)的流程启动驱动模块4，使得轨检车 3以与步骤1)中完全相同的速度前进，得到检出线圈12的电压信号，并提取相应的电压幅值作为特征量；
3)计算待测轨道的裂纹深度：在步骤1)所得的标定曲线中，获取与步骤2)所得特征量相对应的裂纹深度值，即为待测轨道的裂纹深度。
所述的针对高速列车轨道的被动激励电磁无损检测系统的检测方法，其特征在于：步骤1)建立的裂纹深度-信号特征量标定曲线的表达式如下：
V＝-0.1021x2+1.1879x-0.192
其中，V为经信号采集与处理模块7输出的检测探头1的检出线圈电压， x为标定轨道的表面纵向裂纹深度。
和现有技术相比，本发明的优点如下：
1)本发明方法采用永磁体激励方法，具有激励探头简单、使用方便、易实现等优点，能广泛用于不同环境下金属部件缺陷的测量与评估。
2)由于该方法通过永磁体相对待检轨道运动，从而在待检轨道内产生涡流，因此本发明方法适用于高速检测，且具有检测速度越高，输出信号幅值越大，检测灵敏度越高的巨大优势，尤其适用于高速相对金属运动部件的无损检测。
附图说明
图1为针对高速列车轨道的被动激励电磁无损检测系统示意图。
图2为检测探头示意图。
图3为针对高速列车轨道的被动激励电磁无损检测方法流程图。
图4为标定曲线。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
如图1和图2所示，本发明针对高速列车轨道的被动激励电磁无损检测系统，包括检测探头和检测辅助装置，包括检测探头1和检测辅助装置，所述检测探头1由相连接的永磁体11和检出线圈12组成；所述检测辅助装置包括待检轨道2，轨检车3，驱动轨检车3前进的驱动模块4，轨检轮式夹具 5，信号调理模块6以及信号采集与处理模块7；所述待检轨道2平铺于地面，所述轨检车3位于待检轨道2的正上方，以保证后期检测时检测探头1不会偏离待检轨道2；所述轨检轮式夹具5的滚轮9放置于待检轨道2的表面，轨检轮式夹具5中间的夹子10中放置检测探头1，检测探头1通过其顶部的轴杆固定在轨检车3上，轴杆上套有弹簧8，弹簧8选择的原始长度和刚度系数以保证检测过程中轨检轮式夹具5的轮子9始终与待检轨道2的表面接触；所述检测探头1调整到指定提离，保证检测过程中检测探头的提离始终不变；所述驱动模块4连接轨检车3，信号调理模块6的输入端连接检测探头的检出线圈12，输出端连接信号采集与处理模块7，通过信号调理模块6 和信号采集与处理模块7对检测探头的检出线圈12电压信号进行处理分析，从而实现对待检轨道2进行检测的目的。
如图3所示，本发明提出的针对高速列车轨道的被动激励电磁无损检测系统的检测方法，其实现过程主要包括如下步骤：
1)建立裂纹深度-信号特征量标定曲线：加工一段用于建立裂纹深度-信号特征量标定曲线的标定轨道，在标定轨道(宽度70mm，长度50m，厚度 30mm)的表面加工5个间隔均匀的不同深度的纵向裂纹(长10mm，宽0.2mm，深度分别为1mm，2mm，3mm，4mm，5mm)；将标定轨道固定在地面上，调整轨检车3的位置，使其位于标定轨道的正上方，将检测探头1(检测探头的永磁体部分采用截面积20mm*20mm，高50mm的永磁体，剩磁1.3T，检出线圈部分采用外径3.2mm，内径1.2mm，高0.8mm，匝数140)以一固定提离固定于轨检轮式夹具5中间的夹子10中，最后启动驱动模块4，驱动轨检车3以80km/h的速度向前运动，与此同时，检测探头1的永磁体11相对标定轨道作高速运动，根据法拉第电磁感应定律，标定轨道内部会产生涡流，涡流会激发二次磁场，处于二次磁场中的检测探头1的检出线圈12会产生感应电压，将该电压信号通过信号调理模块6(作5kHz的低通滤波的同时将信号放大500倍)，然后通过信号采集与处理模块7记录数据，由于裂纹的深度会影响涡流的分布，从而影响检测探头1的检出线圈12的电压幅值，因此以检出线圈12的电压幅值为特征量对标定轨道的表面纵向裂纹进行标定，标定轨道的裂纹信息与对应的特征量如表1所示，建立裂纹深度-信号特征量之间的标定曲线如图4所示，其表达式为：
V＝-0.1021x2+1.1879x-0.192
其中，V为经信号采集与处理模块7输出的检测探头1的检出线圈电压， x为标定轨道的表面纵向裂纹深度。
表1标定件裂纹参数
2)通过实验获取待测轨道的裂纹检测特征量：将待检轨道固定于步骤1) 中的标定轨道的位置，按照步骤1)的流程启动驱动模块4，使得轨检车3 以与步骤1)中完全相同的速度(80km/h)前进，得到检出线圈12的电压信号，并提取相应的电压幅值作为特征量；
3)计算待测轨道的裂纹深度：在步骤1)所得的标定曲线中，获取与步骤2)所得特征量相对应的裂纹深度值，即为待测轨道的裂纹深度。待检轨道的三个裂纹的深度的检测值，真实值及相对误差如表2所示。
表2待测点钢衬厚度检测结果
由表2检测结果可知，检测误差在允许的范围内，从而证明本发明检测系统和检测方法的可行性。
Claims (4)
1.一种针对高速列车轨道的被动激励电磁无损检测系统，其特征在于：包括检测探头(1)、检测辅助装置、驱动模块(4)、信号调理模块(6)和信号采集与处理模块(7)，所述检测探头(1)由相连接的永磁体(11)和检出线圈(12)组成；所述检测辅助装置包括待检轨道(2)，轨检车(3)，驱动轨检车(3)前进的驱动模块(4)，轨检轮式夹具(5)，信号调理模块(6)以及信号采集与处理模块(7)；所述待检轨道(2)平铺于地面，所述轨检车(3)位于待检轨道(2)的正上方，以保证后期检测时检测探头(1)不会偏离待检轨道(2)；所述轨检轮式夹具(5)的滚轮(9)放置于待检轨道(2)的表面，轨检轮式夹具(5)中间的夹子(10)中放置检测探头(1)，检测探头(1)通过其顶部的轴杆固定在轨检车(3)上，轴杆上套有弹簧(8)，弹簧(8)选择的原始长度和刚度系数以保证检测过程中轨检轮式夹具(5)的轮子(9)始终与待检轨道(2)的表面接触；所述检测探头(1)调整到指定提离，保证检测过程中检测探头的提离始终不变；所述驱动模块(4)连接轨检车(3)，信号调理模块(6)的输入端连接检测探头的检出线圈(12)，输出端连接信号采集与处理模块(7)，通过信号调理模块(6)和信号采集与处理模块(7)对检测探头的检出线圈(12)电压信号进行处理分析，从而实现对待检轨道(2)进行检测的目的。
2.根据权利要求1所述的针对高速列车轨道的被动激励电磁无损检测系统，其特征在于：所述永磁体(11)采用剩磁大于1T、端面尺寸为20mm以上的永磁体。
3.权利要求1或2所述的针对高速列车轨道的被动激励电磁无损检测系统的检测方法，其特征在于：
1)建立裂纹深度-信号特征量标定曲线：加工一段用于建立裂纹深度-信号特征量标定曲线的标定轨道，在标定轨道的表面加工不同深度的纵向裂纹；将标定轨道固定在地面上，调整轨检车(3)的位置，使其位于标定轨道的正上方，将检测探头(1)以一固定提离固定于轨检轮式夹具(5)中间的夹子(10)中，最后启动驱动模块(4)，驱动轨检车(3)向前运动，与此同时，检测探头(1)的永磁体(11)相对标定轨道作高速运动，根据法拉第电磁感应定律，标定轨道内部会产生涡流，涡流会激发二次磁场，处于二次磁场中的检测探头(1)的检出线圈(12)会产生感应电压，将该电压信号通过信号调理模块(6)作低通滤波的同时将信号放大，然后通过信号采集与处理模块(7)记录数据，由于裂纹的深度会影响涡流的分布，从而影响检测探头(1)的检出线圈(12)的电压幅值，因此以检出线圈(12)的电压幅值为特征量对标定轨道的表面纵向裂纹进行标定，建立裂纹深度-信号特征量之间的拟合曲线，即为裂纹深度-信号特征量标定曲线；
2)通过实验获取待测轨道的裂纹检测特征量：将待检轨道(2)固定于步骤1)中的标定轨道的位置，按照步骤1)的流程启动驱动模块(4)，使得轨检车(3)以与步骤1)中完全相同的速度前进，得到检出线圈(12)的电压信号，并提取相应的电压幅值作为特征量；
3)计算待测轨道的裂纹深度：在步骤1)所得的标定曲线中，获取与步骤2)所得特征量相对应的裂纹深度值，即为待测轨道的裂纹深度。
4.根据权利要求3所述的检测方法，其特征在于：步骤1)建立的裂纹深度-信号特征量标定曲线的表达式如下：
V＝-0.1021x2+1.1879x-0.192
其中，V为经信号采集与处理模块(7)输出的检测探头(1)的检出线圈电压，x为标定轨道的表面纵向裂纹深度。
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