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电涡流检测技术在地铁车辆检测中的应用

发表时间：2020/12/15 来源：《基层建设》2020年第24期作者：冯涛彭宇腾

[导读] 摘要：近年来，我国的交通行业有了很大进展，对电涡流检测技术的应用越来越广泛。

        成都地铁运营有限公司四川成都 610000
        摘要：近年来，我国的交通行业有了很大进展，对电涡流检测技术的应用越来越广泛。作为一种常规无损检测技术，易于实现对多个方向缺陷的高速自动化检测，具有简便、无需耦合剂等优点，常用于发现导电工件表面及近表面缺陷。文章重点介绍电涡流检测的工作原理、检测仪器及检测方法，并对地铁车辆转向架表面和车钩位置表面及近表面缺陷进行电涡流检测实验，定量评估缺陷的大致深度。通过实验，进一步验证了电涡流检测技术在地铁车辆金属表面及涂层覆盖下裂纹缺陷检测的优势及重要作用。
        关键词：地铁；车辆；电涡流检测；趋肤深度；车钩；转向架
        引言
        目前，国内只有屈指可数的几家公司在代理或开发电涡流缓速器产品，仅有少量投入试用；而其中逆向国外产品是主流做法。因涉及知识产权纠纷和不能从根本上掌握电涡流缓速器的设计机理与设计手段，国内电涡流缓速器自主开发举步艰难，制约了国内电涡流缓速器技术进步和市场拓展。
        1系统硬件设计
        电涡流传感器位移测量系统的硬件部分主要由信号发生模块、信号提取模块、相敏检波模块、后级输出模块、信号补偿模块组成。探测线圈作为电桥电路中的一支桥臂，激励信号施加到电桥电路中，利用差分放大器放大电桥信号；前置放大器输出的信号经过相敏检波电路进行解调，通过低通滤波器滤掉交流信号获取直流信号；解调出来的直流信号经过电压正偏置后由后级放大器进行零电位调整和放大，再由模拟数字转换器采集该信号，通过软件求出拟合方程，并利用微处理器进行信号的非线性校正和温度补偿；最后通过液晶显示器显示电涡流传感器的位移测量结果。
        2电涡流检测仪器
        电涡流检测仪器的种类很多，根据不同的检测目的可以将其分为导电仪、测厚仪和探伤仪。虽然它们各自的内部电路设计有所不同，根据不同检测对象的结构形状及材料属性，需要变更使用不同类型的线圈探头。如图 2 所示，常见的检测线圈探头类型分为以下 3 类。①产生高频的激励信号；②检测试件表面的电涡流变化情况；③呈现检测结果及缺陷信息。根据不同检测对象的结构形状及材料属性，需要变更使用不同类型的线圈探头常见的检测线圈探头类型分为以下3类。（1）穿过式线圈：主要用于检测管道，其为棒材等需要从线圈内部通过的导电试件。（2）内通过式线圈：此类线圈直接穿过被检测试件的内部，适合检出管件、小孔径钻孔、螺纹孔或厚壁管内部的表层缺陷。（3）放置式线圈：分为点式或探头式线圈。探伤检测时需要放置于被检测工件表面，此类线圈的体积较小，线圈内部一般带有磁芯并且灵敏度较高，适合检测各种板材及管材的表面，同时可针对复杂形状试件的指定位置处进行检测。

        图 1 不同类型的检测线圈
        3地铁车辆无损检测现状
        目前，国内地铁车辆检修采用日常维修和定期检修相结合的检修制度，根据《地铁设计规范》（GB50157-2013）相关规定，地铁车辆架修和大修周期分别为5年（或60万km）和10年（120万km），实际会根据车辆整体情况做出调整。对于一些累计运行时间较长的地铁车辆，需要增派人员组成专项小组对其转向架特殊部位（架体两侧及地面部分）进行人工目视检测，排除隐患。另外，当遇到表面被污染或者喷漆情况，如若需要检测其表面或近表面是否存在缺陷，往往需进行表面除漆工作及局部喷涂磁粉来复核确认缺陷。因此，为了提高检测准确率及效率，减少人力消耗，同时降低磁粉检测对人体安全的危害，地铁车辆检测对无损检测技术有较大需求。本次重点针对地铁车辆转向架表面和车钩位置表面及近表面缺陷开展电涡流测试。
        4电涡流检测技术在地铁车辆检测中的应用
        4.1磁性材料与散热结构的考虑
        电涡流缓速器的材料比较特殊，要求高导磁率、低矫顽力，低电阻率、耐高温抗氧化、耐腐蚀等，同时要考虑机械强度，因此以选用低碳合金钢为宜。由于电涡流缓速器是吸收机械功率并将其转化为热能的装置，因此散热结构是必要的考虑因素，可参照离心风机叶轮的形式设计。
        4.2转向架检测结果
        如图2所示，利用电涡流探头针对转向架表面及焊缝位置进行扫查，发现检测缺陷位于漆层下面（即工件近表面），通过电涡流测试仪电压信号出现的起止点位置测量，发现该内部缺陷的纵向长度大约为 1 cm。事先通过标准试块对电涡流的检测精度进行标定（即依次测量深度为 0.5 mm、1 mm 及 1.5 mm 的表面人工缺陷），建立电压信号幅值比对结果。实际检测过程中，缺陷的检出情况需要根据被检测对象的物理性质决定。电涡流探头的激励频率为 280 kHz，由此计算出的趋肤深度大致为 1 mm。通过电涡流探头针扫查对比发现该内部缺陷的深度大致为 1.5 mm。

        图2 转向架表面及焊缝缺陷检测
        4.3控制方式与控制思想
        缓速器可以选择手控、脚控、手脚并控等操纵方式，脚控又可以是单独踏板（与手控等效但应自动复位），或是与主制动器结合，一旦脚制动踏板踏下，即产生双重制动效果，但要求缓速器先于主制动起作用。控制器一般有继电器式和电子式两种，继电器式多分为四段控制，电子式则可以分为更多档，还可实现制动力平滑上升、延时起控、恒速控制、与其它电子控制系统通讯等功能。
        4.4电涡流缓速器的定性与转矩公式推导
        电涡流缓速器的工作原理与能耗制动状态下的鼠笼异步电动机工作原理相同，其制动力矩的大小都取决于转子中的能量损耗，包括涡流损耗和磁滞损耗；不同之处是：转子（电枢）的材料及磁极形状不同，同时，在转速变化时，电涡流缓速器转子中感生电流（涡流）渗透深度也不同，其中的磁场强度和导磁系数也是变化的。转子半径上对应于磁极有效长度的单位体积导体，随着转动——视为匀速转动，从N极过渡到S极，再过渡到N极，依次往复，即：转子静止状态下正弦交变磁场透过气隙周期性地穿过导体，在导体中产生涡流、产生热能；亦为：在定子的交替磁极与转子间形成的气隙中构成静态正弦交变磁场，供单位体积导体的转子导体去切割，进而形成涡流，消耗能量并阻碍转子的转动。
        结语
        综上所述，目前，国内地铁车辆车体底部关键部位的无损探伤技术的发展前景广阔，特别是针对车体转向架表面、焊缝及有涂层覆盖部位的探伤需求较高，而电涡流无损检测技术依靠电磁感应原理，可以快速高效地判别缺陷。未来，电涡流检测技术将配合其他诸如超声波检测技术等，向自动化、集成化的方向不断发展。
        参考文献：
        ［1］钦志伟，卢文科，左锋，等．霍尔效应式位移传感器的温度补偿［J］．传感技术学报，2019，32（7）：1040－1044．
        ［2］鲍丙豪，张小蝶，张元胜．磁弹耦合扭转波位移传感器输出电压理论研究［J］．传感技术学报，2018，31（6）：31－36．
        ［3］戴丽，朱顶贵，赵俊．适用于精准温度控制半导体激光治疗仪的新型光纤温度传感器［J］．传感技术学报，2019，32（4）：15－18．