CN111766292A - 一种基于零提离滚动磁化的钢轨漏磁检测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于零提离滚动磁化的钢轨漏磁检测装置，该装置包括：用于产生激励磁场的磁化线圈、用于形成磁化回路的U型磁轭、与钢轨直接接触的仿形滚动磁化轮、用于安装在探头机构上的漏磁检测传感器阵列、以及用于缺陷位置定位的光栅编码器。U型磁轭、被检钢轨、仿形滚动磁化轮三者形成磁化回路。由于仿形滚动磁化轮与钢轨直接接触，可降低磁化回路磁阻，增强被检钢轨磁化强度，提高磁化深度。实现钢轨轨头上表面和轨头侧面的全覆盖磁化，最终可实现轨头表面及近表面的漏磁检测，具有磁化能力强、检测可靠性高等特点。
Description
技术领域
本发明涉及钢轨无损检测技术领域，具体涉及一种基于漏磁检测技术的钢轨无损探伤零提离滚动磁化漏磁检测装置。
背景技术
铁路运输在我国经济社会发展和现代化建设中发挥着重要支撑作用，是国民 经济大动脉、关键基础设施和重大民生工程。在高速铁路的快速发展和大范围成 功应用过程中，运行安全是高速铁路运营的基础条件，稍有不慎往往会造成灾难 性的安全事故，其中，提高钢轨基础设施的安全性和可靠性对保障铁路安全畅通 运行具有重大意义。
目前，钢轨无损检测技术主要有超声波、视觉检测、涡流检测、交变磁场检测、漏磁检测等技术。
超声检测利用超声波的反射、衍射、透射等特性，通过观察超声波在被测工件中的波形、回波、声速、衰减及共振等传播变化来判定被测工件的内部是否存在缺陷。但常规超声需要耦合剂填充满探头和被测件表面之间的空隙，对钢轨顶面疲劳损伤不能有效检出和评定，检测埋藏深度小于4mm的缺陷时会出现漏检。另外，该类探伤方法还有电磁超声与激光超声，运行速度不能超过32km/h。
视觉检测是指用人的眼睛或借助目视辅助器材如工业相机对被测工件进行检测，适于检测工件表面裂纹、形及腐蚀等缺陷。但是，光学图像法只能检测钢轨的表面缺陷，不能检测内部损伤。
涡流检测利用交变磁场在被测导电工件中产生旋涡状的感应电流，被测材料电导率、磁导率不同会影响涡流场的分布，材料中的缺陷会导致涡流场发生畸变。通过检测线圈测量电涡流引起的磁场，进一步可获得被测材料中的缺陷等特征。受限于趋肤效应，常规涡流法仅能检测材料表面和仅近表面缺陷，难以检测材料内部的缺陷。
交变磁场测量法通过测量工件表面感应磁场的变化实现材料缺陷的检测，可实现缺陷的准确定位和测量，具有非接触等优点。该方法对数据后处理要求更高，测量过程中外界影响因素较多，在钢轨自动化无损检测领域应用较少。
漏磁检测具有检测灵敏度高、探测深度广、自动化程度高、检测速度快等特点，适应于钢轨内/外部缺陷的高速检测。现有的钢轨漏磁无损检测设备还是存在以下缺点：第一，为了防止磁轭与钢轨发生接触磨损或碰撞，磁轭与钢轨之留有一定的间隙，磁化效率不高；第二，受传统磁化器的外形限制，只能磁化轨头上表面，无法磁化轨头侧表面，无法检测到轨头侧表面的缺陷；第三，由于钢轨表面平面度误差的存在，导致磁化器和钢轨之间的间隙不停地发生变化，磁化回路磁阻波动很剧烈，造成检测信号稳定性差，易发生漏检。
综上所述，目前铁路钢轨裂纹的无损检测正在从发现缺陷，朝着快速发现缺陷、全面发现缺陷、发现更小缺陷以及缺陷量化评价的方向发展。为此，有必要发明一种磁化钢轨能力更强，更稳定，能够实现钢轨轨头表面全覆盖检测，并实现缺陷精准定位的无损检测装置，对保证铁路运行安全和提高运输效率具有重要意义。
发明内容
针对现有钢轨无损探伤检测技术的现状与不足，本发明的目的旨在提供一种基于零提离滚动磁化的钢轨漏磁检测装置，以解决现有的钢轨漏磁无损检测技术中磁化效率低，磁化状态稳定性差，难以实现轨头表面和轨头侧面全覆盖检测等难题。
本发明提供的一种基于零提离滚动磁化的钢轨漏磁检测装置，其特征包括：用于产生激励磁场的磁化线圈、用于形成磁化回路的U型磁轭、与钢轨直接接触的仿形滚动磁化轮、用于安装在探头机构上的漏磁检测传感器阵列、以及用于缺陷定位的光栅编码器。U型磁轭、被检钢轨、仿形滚动磁化轮三者形成磁化回路。由于仿形滚动磁化轮与钢轨直接接触，可降低磁化回路磁阻，增强被检钢轨磁化强度，提高磁化深度。实现钢轨轨头上表面和轨头侧面的全覆盖磁化，最终可实现轨头表面及近表面的漏磁检测，具有磁化能力强、检测可靠性高等特点。
在上述技术方案中，所述磁轭为U型，其材料为铁氧体，长250mm至300mm，高60mm到70mm，以上尺寸要根据不同型号的钢轨，不同情况做出相应调整。
在上述技术方案中，所述采用直流线圈磁化，磁化线圈缠绕在U型磁轭中部，其匝数不小于2000匝。
在上述技术方案中，所述仿形滚动磁化轮母线与钢轨轨头外形相同，在检测过程中仿形滚动磁化轮具有磁化钢轨和提供运动导向的功能。
在上述技术方案中，所述仿形滚动磁化轮采用高导磁率材料。
在上述技术方案中，所述U型磁轭包络滚动仿形磁化轮，仿形滚动磁化轮和U型磁轭的间隙不大于1mm。
在上述技术方案中，所述U型磁轭前后端轮廓与仿形滚动磁化轮同心，U型磁轭对仿形滚动磁化轮的包角角度不小于135°。
在上述技术方案中，所述漏磁检测传感器阵列由多个磁敏元件（霍尔传感器或感应线圈）组成，外形与钢轨轨头相契合，整体与钢轨的提离距离不大于2mm。
在上述技术方案中，其中一个仿形滚动磁化轮上装有编码器，准确记录缺陷位置。
本发明提供的一种基于零提离滚动磁化的钢轨漏磁检测装置，是基于发明人以下的认识与灵感完成的。现有的漏磁检测设备存在一些缺点：第一，现在的钢轨磁化方式是用一组轮子托起磁化器，为了防止磁化器与钢轨发生接触磨损或碰撞，因此磁化器和钢轨之间一般会留有较大距离，由于空气的磁阻很大，导致钢轨的磁化效率不高，不够绿色环保；第二，现有漏磁检测装置中的磁化器只能磁化轨头上表面，无法磁化轨头侧表面，从而无法检测轨头侧表面上的缺陷；第三，由于钢轨的表面不是完全平整的，长期使用可能会发生形变，导致磁化器在行进过程中与钢轨的距离会不停变化，导致磁化回路不稳定，使得钢轨磁化强度发生变化，检测到的信号也不稳定，容易发生缺陷漏检的情况。针对现有漏磁检测设备的缺点，本发明提出一种零提离滚动磁化钢轨的方案，这个方案不但可以极大的提高了钢轨磁化效率，还实现了钢轨的稳定磁化。本发明第二个主要设计亮点是仿形滚动磁化轮，仿形滚动磁化轮的轮廓与钢轨相契合，不仅能提高磁化效率，同时还能磁化轨头上表面和侧表面，实现轨头上表面和侧表面的全覆盖漏磁检测。
本发明提供的一种钢轨无损探伤零提离漏磁检测装置，其具有以下十分突出的有益技术效果和优点：
1. 使缺陷磁信号更明显，更容易被检测到。由于采用高导磁率仿形滚动磁化轮，并且仿形滚动磁化轮与钢轨零提离接触，这样能最大限度的磁化钢轨，因此，本发明可以使缺陷磁信号更明显，更容易被检测到。
2. 可实现钢轨的稳定磁化。在检测过程中，即使钢轨部分区域形状发生变化，仿形滚动磁化轮始终与钢轨接触，形成稳定的磁化回路。
3.仿形滚动磁化轮的轮廓与钢轨相契合，不只是能提高磁化效率，还能磁化轨头上表面和侧表面，实现轨头上表面和侧表面的全覆盖漏磁检测。
本发明提供的一种基于零提离滚动磁化的钢轨漏磁检测装置，利用一对仿形滚动磁化轮和U型磁轭，在线圈下面放置磁敏元件矩阵，可实现对轨头上表面和侧表面缺陷的高速准确检测，而且装置结构简单、制造成本低，相较于市面上的常规漏磁检测更环保节能。本发明的完成对保证钢轨的安全运行和提高列车的运营效率具有重要意义。
附图说明
图1为一种基于零提离滚动磁化的钢轨漏磁检测装置结构示意图。
图2为一种基于零提离滚动磁化的钢轨漏磁检测装置剖视结构示意图。
图3为一种基于零提离滚动磁化的钢轨漏磁检测钢轨轨头上表面缺陷原理示意图。
图4为一种基于零提离滚动磁化的钢轨漏磁检测钢轨轨头侧表面缺陷原理示意图。
上述附图中的各图示标号表示对象为：1-钢轨；2-仿形滚动磁化轮；3- U型磁轭；4-线圈；5-编码器；6-探头机构；7-漏磁检测传感器阵列；8-钢轨轨头上表面缺陷；9-钢轨轨头侧面缺陷。
具体实施方式
下面结合附图给出本发明的具体实施方式，并通过具体实施方式对本发明的一种钢轨无损探伤零提离漏磁检测装置作进一步的说明。需要特别指出的是，本发明的具体实施方式不限于实施例所描述的形式。
在下面所述具体实施方式中所提到的方向用语，例如：上、下、左、右、前、后等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向用语仅仅是为了便于说明本发明，并非用来限制本发明。
本实施例的一种基于零提离滚动磁化的钢轨漏磁检测装置，其结构如图1和图2所示，构成包括用于产生激励磁场的磁化线圈4、用于形成磁化回路的U型磁轭3、与钢轨1直接接触的仿形滚动磁化轮2、装在探头机构6上用于拾取漏磁场信号的漏磁检测传感器阵列7、以及安用于缺陷位置定位的光栅编码器5。漏磁检测传感器阵列由多个磁敏元件（霍尔传感器或感应线圈）组成，外形与钢轨上表面相契合，整体与钢轨的距离不大于2mm。漏磁检测传感器阵列的信号输出端与数据采集/存储器信号输入端连接，数据采集/存储器信号输出端与计算机I/O口连接。作为检测装置主体部分安装在U型磁轭上的仿形滚动磁化轮和探头架上的漏磁检测传感器阵列，在钢轨1上表面作直线运动，漏磁检测传感器阵列检测钢轨表面的磁场变化情况，将收集到的信息传递给计算机处理，最后得到钢轨表面的缺陷信息。
采用本发明装置检测钢轨，钢轨轨头上表面缺陷8被检测出来的原理如图3所示。两个仿形滚动磁化轮2、U型磁轭3和钢轨1组成闭合的磁化回路，当钢轨存在切割磁力线的缺陷时，材料表面的缺陷或组织状态变化会使磁导率发生变化，由于缺陷的磁导率很小，磁阻很大，使磁路中的磁通发生畸变，磁感应线流向会发生变化，除了部分磁通会直接通过缺陷或材料内部来绕过缺陷，还有部分磁通会泄漏到材料表面上空，通过空气绕过缺陷再进入材料，于是就在钢轨表面形成了漏磁场。漏磁检测传感器阵列7获取到漏磁场信号，计算机进行信号处理，对漏磁场磁通密度分量进行分析能进一步了解相应缺陷特征比如宽度、深度。通过编码器5得知缺陷的位置。钢轨轨头侧面缺陷9被检测出来的原理如图4所示。原理与上述钢轨轨头上表面缺陷检测原理相同。
所以，采用本发明能快速准确的实现对钢轨表面和近表面的缺陷检测。
Claims (9)
1.一种基于零提离滚动磁化的钢轨漏磁检测装置，其特征包括：用于产生激励磁场的磁化线圈4、用于形成磁化回路的U型磁轭3、与钢轨1直接接触的仿形滚动磁化轮2、用于安装在探头机构6上的漏磁检测传感器阵列7、以及用于缺陷定位的光栅编码器5。
2.根据权利要求1所述的一种基于零提离滚动磁化的钢轨漏磁检测装置，其特征在于：磁轭为U型，其材料为铁氧体，长250mm至300mm，高60mm到70mm，以上尺寸要根据不同型号的钢轨，不同情况做出相应调整。
3.根据权利要求1所述的一种基于零提离滚动磁化的钢轨漏磁检测装置，其特征在于：采用直流线圈磁化，磁化线圈缠绕在U型磁轭中部，其匝数不小于2000匝。
4.根据权利要求1所述的一种基于零提离滚动磁化的钢轨漏磁检测装置，其特征在于：仿形滚动磁化轮母线与钢轨轨头外形相同，在检测过程中仿形滚动磁化轮具有磁化钢轨和提供运动导向的功能。
5.根据权利要求1所述的一种基于零提离滚动磁化的钢轨漏磁检测装置，其特征在于：仿形滚动磁化轮采用高导磁率材料。
6.根据权利要求1所述的一种基于零提离滚动磁化的钢轨漏磁检测装置，其特征在于：U型磁轭包络仿形滚动磁化轮，仿形滚动磁化轮和U型磁轭的间隙不大于1mm。
7.根据权利要求1所述的一种基于零提离滚动磁化的钢轨漏磁检测装置，其特征在于：U型磁轭前后端轮廓与仿形滚动磁化轮同心，U型磁轭对仿形滚动磁化轮的包角角度不小于135°。
8.根据权利要求1所述的一种基于零提离滚动磁化的钢轨漏磁检测装置，其特征在于：漏磁检测传感器阵列由多个磁敏元件（霍尔传感器或感应线圈）组成，外形与钢轨轨头相契合，整体与钢轨的提离距离不大于2mm。
9.根据权利要求1所述的一种基于零提离滚动磁化的钢轨漏磁检测装置，其特征在于：其中一个仿形滚动磁化轮上装有编码器，准确记录缺陷位置。
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