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新型线圈磁化法在铁路整体车轮磁粉检测中的应用
发布时间：2017-09-01
1前言
近年来随着我国铁路事业突飞猛进的发展,列车运行速度越来越快,列车运行的安全性、可靠性就成为铁路机车车辆运行中的一个更加重要的指标,这无疑对铁路机车车辆的质量提出了更高的要求。保证列车运行的安全性,车辆下部的走行部是非常重要的部件,车轮又是走行部的关键所在,因此,车轮的质量好坏直接影响到车辆运行的安全性。
如果在车轮上存在任何一个微小的超标缺陷,车轮的整体运行性能就会受到影响,甚至会造成重大的事故,尤其是在车轮上有裂纹存在,哪怕很小,都是非常可怕的,因此裂纹是绝对不允许存在的。
目前铁路企业对车轮的表面缺陷检测,大部分采用磁轭法或支杆法对车轮进行干法磁粉探伤。这种检测方法不但粉尘较大,工作环境差,工作效率低,而且检测灵敏度不高,不能完全保证缺陷不被漏检。随着无损检测技术的不断发展,检测设备的不断更新,对整体车轮的磁粉探伤我们改变了传统的车轮不动,磁场变化的方法,采用了车轮旋转磁化、旋转喷液、退磁三者一次性完成的荧光湿法检测方法。这种整体车轮的检测方法不但提高了检测灵敏度,而且也省去了单独给车轮退磁这道工序,提高了生产效率。
2检测原理与操作方法
2.1线圈中磁场的理论计算
整个线圈的形状如图1,它是由130匝扁平铜导线绕制而成,线圈匝间是绝缘的,而且整体浸泡环氧树脂,以保证线圈对地绝缘和增加线圈强度。它的理论计算如下:H= [KπNI(cosX- cosY)]/M(1)
式中H―线圈中心面上一点的磁场强度
X、Y―线圈中心面上任一点到线圈两断面的夹角
I―电流(安培)
N―线圈匝数
M―线圈长度(米)
K―比例常数
μ是空气中的磁导率,该点的磁感应强度为:B=μγ×H如果在线圈中充满铁磁性物质,那么该点的磁感应强度要比没有充满铁磁性物质大102～106倍以上,因为铁磁性物质的磁导率μγ是空气磁导率μ的102～106倍以上。因此当把旋转的车轮放在静止通电的线圈中,对车轮进行磁化,这相当于车轮不
动,给车轮施加了一个旋转磁场对车轮进行磁粉探伤,发现车轮表面及近表面的缺陷。
2.2操作方法
当在磁探工位有车轮时,操作人员操作线圈下降套住车轮直径2/5时停止,然后通电、喷磁悬液,直到整个车轮全部被磁悬液覆盖为止,然后带电升起线圈,操作人员用波长为3650埃的紫外线灯进行检查。
3分析
影响发现车轮表面及近表面缺陷的因素有两方面:(1)磁化系统及磁悬液的因素;(2)缺陷本身的因素。
3.1磁化系统对车轮表面及近表面缺陷检出的影响
从公式1可见,影响缺陷检出因素有线圈电流I的大小,线圈的匝数N,线圈的长度L以及(cosX-cosY)的大小。
线圈电流I增大,匝数N增多,线圈长度L减小,那么磁场强度H将增大,磁感应强度也增大。因为线圈长度L不大,所以(cosX-cosY)对磁场强度H的均匀度影响不大。
根据试验数据与实践表明,线圈匝数在130匝,负载励磁电流不小于40 A,是可以保证检出车轮上任一部位的表面裂纹。如果用15/50 A试片试验车轮任一部位,试片均显示清晰。磁悬液的配制应根据磁粉厂家的推荐为主,一般情况下,用梨形瓶测量,在100 ml荧光磁悬液中荧光磁粉所占的量为0.1～0.5 ml。
3.2缺陷本身对漏磁场的影响
在铁磁物质内,缺陷的磁导率和铁磁物质本身的磁导率不同,导致磁感应线在缺陷附近离开或进入试件表面形成一种称为漏磁场的磁场。在缺陷处形成的漏磁场吸附磁粉并形成磁痕,使操作者很直观地发现该缺陷。因此,缺陷的检出率和形成缺陷的漏磁场有直接的关系,也就是说缺陷的漏磁场直接影响缺陷的检出率,同样,缺陷的形状大小等都对缺陷的漏磁场有影响。
(1)铁磁材料被磁化状态对漏磁场的影响
磁感应强度B=μr×H,即铁磁材料的磁导率μr和外加的磁场强度H之积直接影响磁感应强度B;根据以前的检测结果,缺陷的漏磁感应强度的法向分量值随磁化场强度的增加而增加,但当磁化场强度达到一定的数值后,缺陷的漏磁感应强度的法向分量值的增加趋于平缓。再根据电磁学的磁荷观点分析,试件被磁化后,在试件的两端面和缺陷(主要是裂纹)两边的侧壁上形成正负磁荷,当磁化场强度达到一定数值后,即使再增加磁化场强度,在试件的两端面和缺陷(主要是裂纹)两边侧壁上的磁荷量也将增加的非常缓慢,此时,铁磁材料已进入磁饱和状态。因此,铁磁材料进入磁饱和状态后,外界磁化场强度对漏磁场的增加影响不大。因此,无限增大线圈的励磁电流,对于缺陷漏磁场的增大没有显著影响,无须无限增大电流。因为130匝线圈的电阻是一个定值,电压与电流成正比关系,因而也无须无限增大电压。根据实际情况,电压为380 V完全可以满足要求。
(2)缺陷大小对漏磁场的影响
缺陷的大小指缺陷的长度、深度和宽度。一般对缺陷的漏磁场有影响的是缺陷本身的深度和宽度,同样宽度的表面缺陷,如果深度不同,产生的漏磁场也不同,在一定范围内,漏磁场的增加与缺陷深度的增加几乎成线性关系。当深度增加到一定值后,漏磁场的增加变的缓慢。当缺陷的宽度很小时,漏磁场随着宽度的增加而增加,当缺陷宽度很大时,漏磁场反而下降,例如表面划痕就是这种情况。缺陷的深度和宽度之比称为缺陷的深宽比。缺陷的深宽比越大,漏磁场越大,缺陷越容易被发现;反之缺陷的深宽比越小,漏磁场越小,缺陷越不容易被发现。
(3)缺陷方向对漏磁场的影响
缺陷的方向分为两种,一种是缺陷在工件表面的方向与漏磁场方向之间的夹角,另一种是缺陷的深度方向与工件表面的夹角,即缺陷的倾角。缺陷垂直于磁场方向时,所形成的漏磁场最大,有利于缺陷的检出;若与磁场方向平行则几乎不产生漏磁场。
缺陷与工件表面的夹角(缺陷的倾角)由垂直逐渐倾斜成某一角的越深,那么这个圆心离工件表面越远,在工件表面形成的漏磁场强度也越小。同样的缺陷位于工件表面时,直到变为平行,漏磁场也由最大下降至零。因车轮在加磁线圈中是旋转的,这相当于给静止车轮施加了一个旋转磁场,因此,车轮上任一处的任一方向的裂纹均可以被发现。
(4)缺陷埋藏深度对漏磁场的影响
在工件的表层内存在缺陷时,则在工件表面上有漏磁场。漏磁场的分布以缺陷靠近工件表面的位置为中心呈近似半圆形状,缺陷埋藏,漏磁场最大,位于工件内部,随埋藏深度的增加,漏磁场逐渐减少,当埋藏深度足够大时,漏磁场将趋近于零。
(5)工件表面清洁度对漏磁场的影响
如果工件表面不干净,有覆盖层,那么工件表面的覆盖层会影响漏磁场,导致漏磁场的下降;同时也影响缺陷磁痕的显示。因此,车轮在磁探时,其表面必须保持干净、无污。
(6)工件材料及状态对漏磁场的影响
工件材质的晶粒越大,磁导率越大,矫顽力越
小,漏磁场就越小;相反,工件材质的晶粒越小,磁导率越小,矫顽力越大,漏磁场就越大。对碳钢而言,随着含碳量的增加,矫顽力也增加,但磁导率随着含碳量的增加反而下降,漏磁场增大。钢材的热处理对漏磁场的影响较大。正火和退火状态的钢材,其磁性差别不大,漏磁场也差别不大;而退火和淬火状态的磁性差别较大,淬火可提高钢材的矫顽力和剩磁,漏磁场增大;淬火后随着回火温度的升高,矫顽力降低,漏磁场也降低。
4总结
1、采用交流加磁,在完全满足技术条件的前提下,不但节省了整流设备,而且操作简单,容易实现,并且使被磁化的车轮容易退磁。
2、在实际的生产应用中,对铁路整体车轮进行磁粉探伤,这种探伤方法,设备不但结构简单,方便操作,而且节省了专门退磁这道工序,提高了工作效率,具有较好的发展前景。
3、发现裂纹的能力不但与设备性能有关,而且与裂纹的性质、状态等也有关。
4、操作工艺简单,易于实现操作自动化。
摘自：中国计量测控网
