金属磁记忆技术在无缝钢轨温度应力检测中的研究_图文

1、2010年11月第11期(总146铁 道 工 程 学 报J OU RNAL OF RA IL W AY ENG I NEER I NG S OC IETYN ov 2010NO.11(Ser .146收稿日期:2009-11-04作者简介:刘磊,1985年出生,男,助理工程师。文章编号:1006-2106(201011-0056-05金属磁记忆技术在无缝钢轨温度应力检测中的研究刘 磊1舒 迪1 董炳义2 邸锦玉2(1.北京化工大学, 北京100029; 2.北京铁路局, 北京100071摘要:研究目的:如何对无缝钢轨的温度应力进行连续、动态、准确的监测,是铁路部门长期悬而未决的难题。因此如果能

2、够实时检测线路实际的纵向温度应力,对指导线路的维修,以及对发生胀轨和断轨事故的可能性做出合理的评估具有重大的意义。研究结论:介绍了采用T S M -1M -4型金属磁记忆检测仪在无缝钢轨温度应力检测中的研究。在北京铁路局丰台工务段,对一段总长为1515m 的无缝钢轨检测过程中磁记忆检测技显示出良好的规律性。试验表明,该技术在铁路突发性胀轨事故的早期诊断检测中具有很大的优势。关键词:金属磁记忆;无缝钢轨;无损检测;应力集中区中图分类号:TH 7 文献标识码:AResearch on Application ofM etalM agnetic M e m ory Tec hnology i n T

3、esti ng Te mperat ure Stress of Sea m less RailLI U Lei 1,S HU D i 1,DONG Bing -y i 2,D I Ji n -yu 2(1.B eiji n g U niversity o f Che m ica l Techno logy ,Be ijing 100029,Ch i n a ;2.B eiji n g Ra il w ay Adm i n istration ,Be ijing 100071,Ch i n aAbst ract :Research purposes :H ow to conti n uously

4、 ,dyna m ica ll y ,accurate l y m on itor the te m perature stress o f sea m less ra il is the proble m unsolved for long ti m e .Therefore ,real-ti m e detection of t h e actua l vertical te m perature o f the track is o f great sign ificance to instructi n g the track m a i n tenance and evaluati

5、n g the possibility o f appearance o fbroken rail and buck led track .R esearch concl u sions :The introducti o n is g iven to t h e research on app lication o fm eta lm agnati c m e m ory techno logy i n testi n g the te m perature stress of sea m less ra il by using TS M -1M -4M agneticM e m ory D

6、etector .App lication o fTS M -1M -4M agnetic M e m ory Detector in testi n g the te m perat u re stress of 1515m long rail adm i n istrated by Feng ta iTrack M a i n tenance Secti o n of B eiji n g R ail w ay Adm i n istration sho w s th i s m eta lm agnatic m e m ory techno logy has a b i g m erit

7、s i n early-ti m e diagnosis of sudden buc k led track .K ey w ords :m etalm agnetic m e m ory ;sea m less rai;l non-destructi v e tes;t stress concentrati o n 随着铁路高速化与重载化的发展,世界各国均广泛采用无缝线路技术。由于无缝线路钢轨不能自由伸缩,当轨温发生变化时,将产生很大的轴向温度力。过大的温度力会导致钢轨臌曲失稳或断裂,导致车辆脱轨,危及行车安全。现有传统无缝线路应力检测方法和手段的检测范围有很大的局限性。尽管人们已经认识到对

8、设备进行100%考察的必要性,但在实践中完成这项任务需要耗费大量时间以及人力、物力和财力。因此,传统的无损检测方法(超声波,X 射线,磁粉探伤等由于其操作的复杂性,如要求对被测表面和检测对象进行清理,人工磁化,贴附传感器等,在检测大型设备和大长度结构件时受到严重限制。本文采用一种新的金属无损检测技术-金属磁记忆检测,该方法无需对被测对象表面进行专门处理,无需专门的磁化装置。该方法可以快速在线检测钢轨应力,具有广阔的应用前景。为了实现对铁路钢轨突发性胀轨事故的早期预报,在北京铁路局丰台工务段成功地开展了金属磁记忆检测仪在铁路无缝钢轨检测中的应用,并取得一定研究结果。1 金属磁记忆检测的理论基础物

9、质在磁场中由于受磁场的作用表现出一定的磁性,这种现象就称之为磁化。现代科学技术的发展,已经揭示出磁的普遍性,即一切物质都具有磁性,任何空间都存在磁场。外磁场中的任何物质都能够被磁化而获得磁矩,单位体积的磁矩称为磁化强度M。将物质置于外磁场中,它的磁化强度将发生变化,磁化强度M和磁场H 的关系由下式表达:M= H或 =MH式中 磁体的磁化率,是表征磁体磁化难易程度的一个参量。铁磁性物质在外磁场作用下磁化过程会有磁滞回线,使其在外磁场作用下得到强烈磁化,而在应力集中区,微观磁化结构(磁畴受到外载荷的影响,会表现出不一样的磁场强度,并且在载荷去除后还存有其特征。根据已确定的制件金属中应力集中、微缺陷

10、等与磁信号之间的相互联系,引入了金属磁记忆!概念并开发出新的无损检测方法 金属磁记忆检测方法。金属磁记忆检测方法的检测原理是利用工作载荷作用下形成的位错稳定滑移带区域中出现的自有漏磁场来判断构件中的缺陷和应力集中区。在任何人工磁化条件下,在处于工作状态的构件中都不可能取得像自有磁场这样的信息来源。只有在地磁场这样的微小外部磁场中,当承受载荷结构中的变形能量超过外部磁场能量一个数量级时,这样的信息才会被形成并被获取。实际工作证明,金属磁记忆方法既可在设备工作中,也可以在工作载荷去除后的修理中采用。这样就为我们提供了一种可能性,即通过专用仪表读取这一信息来评估设备的应力-变形状况,并在早期发现金属

11、可能损伤的区域。2 载荷试验试验设备:TS M-1M-4型金属磁记忆检测仪、4通道传感器、HY W-1000k N电液伺服万能材料试验机、U74钢轨轨腰上截取的30c m的拉伸试件以及9c m的压缩试件。 试验步骤:用TS M-1M-4型仪器对U74钢轨试件进行了载荷试验。试验选用拉、压件试块各一件,将被测试件加以固定,使其不发生偏移。从10kN开始,每次加压(拉载荷递增10kN,直至200kN,使用金属磁记忆检测仪对钢轨试块进行测量。将测得磁场强度值取平均,可以得到磁记忆信号(MMM磁场强度随载荷的变化曲线。从图1、图2中可见MMM信号随着拉应力的增加而降低,随着压应力的增加而增大。磁记忆信

12、号和载荷为近似线性关系。图1 压应力-磁场强度信号曲线图2 拉应力-磁场强度信号曲线3 金属磁记忆检测仪的应用试验在北京铁路局丰台工务段内丰台-双桥下行约9km400m处的一段总长为1515m的线路上(如图3所示进行了的钢轨温度应力检测试验。包括两端伸缩区200m、固定区1275和两端缓冲区40m。测试轨温为3741。3.1 试验设备3.1.1 俄罗斯#动力诊断公司Energod iagnosti k a Co. TESTER OF STRESS C ONCE NTRATI ON(TSC-1M-4仪表,配有(1型、2型、3型、4型探头用于检测钢轨内部应力集中区域。技术指标:H p值测量范围:%

13、2000A/m测量通道数:4通道探头测量步长:16mm57第11期刘 磊 舒 迪 董炳义等:金属磁记忆技术在无缝钢轨温度应力检测中的研究 图3 被测区域示意图(单位:m 最大扫描速度(步长为1mm 时:0.5m /s 每通道磁场测量基本相对误差:小于5%长度测量相对误差:小于5%3.1.2 俄罗斯#动力诊断公司E M I C -1M 磁测式裂纹电磁指示仪,查找线路的应力集中区。3.2 试验数据分析图4图7为丰台工务段内丰台-双桥下行约9km 400m 处的一段钢轨(1515m 的实测数据图。下图为20m 长的缓冲区磁场分布曲线。缓冲区的磁场都非常小,磁场梯度值也不大。没有发现明显的应 力集中特

14、征。图4 缓冲区图5为伸缩区的数据曲线,该区域磁场在零值线附近及其以上变化,整体上磁场变化都不大,应力分布 较为均匀。图5 伸缩区从图6中可以发现在40000mm 的位置磁场法向分量最大值达到120A /m,但梯度值很小,并没有发现 异常。图6 固定区图7 固定区局部图7为固定区内5m 长的一段局部图,从该图中可以发现几乎每隔50c m 都有一个应力峰,总体在580A /m 之间变化,磁场梯度的变化量很小,通过反复测试、分析发现这是由于按相同间隔分布的道钉对传感器的补偿探头的影响所致的,并不是钢轨存在应力分布异常。测试所得数据曲线大部分在零线之上,变化均匀,且曲线上各点的梯度值均很小。根据磁记

15、忆方法的判断原理,这段钢轨上应力分布无异常。由于测量时,轨温计显示的温度范围为3741,略高出31的锁定轨温,故线路的温度应力不大。而我们测量所得的数据显示,磁场强度的峰值平均值为80A /m 左右,对应的压应力很小,所以没有产生应力集中的区域,测试结果与实际相吻合。试验表明该技术在定性检测无缝线路是显示出性能可靠、检测速度快的优势,如果结合定量的应力检测技术,一定具有极大地应用价值。4 金属磁记忆检测仪的研制4.1 硬件系统仪器系统分为三个部分。第一部分是信号源,由霍尔传感器产生电压信号,信号通过差分放大,滤波得到较清晰的信号;第二部分是信号经过A /D 转换后送入单片机进行处理;第三部分是

16、数据的显示,这部分是通过绘图程序完成,显示结果以电压-步长(U -L关系图来显示。系统框图如图8所示。58铁 道 工 程 学 报2010年11月图8 系统框图传感器采用了H oney w ell 公司的霍尔传感器。设计四通道传感器,三个检测通道,一个补偿通道,这样可以通过补偿探头消除霍尔元件的不等位电势,并且多传感器融合提高了采集数据的可靠性。传感器如图9所示,将四个磁感应芯片分别封装在直径为10mm 的铜管内,等间隔固定放置于尺寸为70mm &60mm &15mm 的铁盒内以屏蔽外界的电磁干扰。图9 传感器系统的信号调理电路包括补偿电路、放大电路、带通滤波电路三个部分。直流放

17、大器选择L M 系列芯片。设计电路的放大倍数为90倍,补偿放大电路如图10 所示。图10 补偿及放大电路滤波电路是由典型的二阶低通滤波电路和二阶高通滤波电路级联组成。其通带范围设定为80 200kH z 。4.2 控制系统控制电路系统由以下五部分组成:(1信号采集:通过控制A /D 采集卡实现对被测铁磁材料的数据采集;(2输入输出接口:包括键盘输入和被测数据的输出显示;(3数据管理:对采集信号数据的分配和存储;(4信号融合:对采集的多通道数据进信号融合处理;(5液晶显示:将采集到的数据波形显示在液晶屏上。根据实际情况,单片机采用的是STC 公司的89C52型单片机,A /D 转换器用的芯片是T

18、LC549,液晶显示电路采用的是FYD12864-0402B 液晶显示模块,主程序主要完成TLC549初始化、液晶初始化、数模转换,数据显示等工作,主程序流程图如图11所示。图11 主程序流程图5 对比试验研究采用自制的金属磁记忆应力检测仪对CCSB 焊接钢板(尺寸为39.5c m &30c m &8c m,焊道宽度约为14mm 不同位置的磁场强度进行检测,然后用TSM -59第11期刘 磊 舒 迪 董炳义等:金属磁记忆技术在无缝钢轨温度应力检测中的研究1M -4型金属磁记忆检测仪对同样的路径检测,对检测结果进行对比。分别用自制金属磁记忆检测仪和TS M -1M -4型金属磁记

19、忆检测仪选取同样的步长(10mm ,对焊道X 轴下方第18号路径进行检测,并利用MM -Syste m 软件分别对18号检测路径所有数据进行融合处理。得到检测路径的金属磁记忆三维图像,如图12、图13 所示。图12 自制仪器磁记忆三维图图13 TS M -1M -4型仪器磁记忆三维图图12中的电压的梯度最大值在坐标(235,10处,如图13所示自有漏磁场的梯度最大值在坐标(240,10处。从单独路径的磁记忆信号可以看出,在X 方向自有漏磁场变化都较为平缓,梯度最大值不超过6,在X 方向应力分布较为均匀。分析结果表明,自制仪器准确检测出了CCSB 焊接钢板缺陷的位置。6 结论(1通过金属磁记忆检

20、测仪在对钢轨温度应力检测过程中表现出满足测试要求的重复性,并且灵敏度较高,测量结果可以反映出其所受应力的变化情况。(2钢轨的磁场强度值随拉应力的增加而降低,随着压应力的增加而增大,与载荷为近似线性关系。(3实验证明磁记忆检测技术可以实现快速、在线、定性的检测无缝线路应力,如能与定量的应力检测技术相结合,将展现出极大的应用价值。(4自制金属磁记忆检测仪其功能和性能基本满足了检测的要求。自制仪器检测结果与TSM -1M -4型金属磁记忆检测仪测试数据进行了对比,得出其性能可靠的结论。参考文献:1 Dubov A A .Study of M eta l Properties u sing M agn

21、e ticM e mory Technique J.M etall oveden ie I T er m i cheskaya O brabotkaM etallov ,1997(9:35-39.2 A .DUBOV .Princ i p le Features of M etal M agne ticM e m ory M ethod and I n spection T ools as Co m pared to K nown M agnetic NDT M ethods J.CINDE Jou rna,l 2006(3:16-20.3 M akar J M,T anner BK.Thee

22、ffec t ofstressesapproach i ng and exceed i ng th e yield po i n t on th e m agn etic p roperties of h igh strength p earlitic stee lsJ.NDT &E In ternat i ona,l 1998(2:117-127.4 Yu .M.G of man ,G.G.V i noku rova .D iagnostics ofControl of B end s i n S tea m P i pes Usi n g the M e thod of M agn

23、etic M e m ory of M etal J.Ther mal Engi n eeri n g ,2002(2:1026-1027.5 蔡珣,王怡之.磁记忆检测在无缝钢轨内应力测试中的可行性研究J.无损检测,2006(04:194-197.Cai Xun ,W ang Y izh.i Feasibility S tudy of Sea m less Rail M agn etic M e m ory T esti ng i n th e Stress T est J .Nondestructive T esting ,2006.6 黄清荣,张维.磁记忆检测技术在锅炉压力容器焊接残余应力测量中的应用分析J.无损探伤,2003(2:13-16.H uang Q i ngron g ,Z hang W e.i App li cation Analysis of M agn etic M e m ory T esti ng Techn ique i n B oiler and Pressu