电磁超声在车轮踏面探伤中的应用研究

　　0引言

　　伴随着高速铁路和重载铁路的发展，机车车辆轮对所承受的动态负载越来越大。在车轮踏面、轮辋、轮辐及辐板孔附件上易出现应力集中现象，使车轮产 生疲劳裂纹等故障，甚至车轮破碎，造成重大事故。因此列车运行的安全问题越来越突出，轮对的安全问题受到相关部门的高度重视。国内对于车轮的检测，早期主 要是依赖人工检测，如借助锤敲声响及外观检查等，发展到目前已初步建成的检测体系。在国内各车辆段、机务段等，已采用电磁超声技术(E-MAT)检测车轮 轮对。

　　较之传统的压电超声技术，EMAT 除了不需要耦合剂外，还具有能灵活地产生各种波形、对工件表面质量要求不高、发现自然缺陷能力强等优点。

　　1电磁超声检测机理

　　1.1电磁超声的激发和接收原理

　　如图 1 所示，EMAT 的物理结构由 3 部分组成：高频线圈用于产生高频激发磁场;磁铁用来提供外加磁场，可以是永久磁铁或直流电磁铁，也可以是交流电磁铁或脉冲电磁铁;工件(式样)为检测对象，工件的材质必须具有导电性或铁磁性，或导电性和铁磁性都具有。

　　当置于工件表面上的高频线圈通过高频电流时，在工件的趋肤层内产生涡流(或感应磁场，相当于电动机的转子)，此涡流在外加磁场(相当于电机定子 磁场)的作用下，会像电动机受到机械力作用而产生高频振动，形成超声波波源。接收超声波时，如同发电机转子在定子磁场中旋转，会在转子中产生感应电流一 样，工件表面的振荡也会在外加磁场力的作用下，在高频线圈中感应出电压而被仪器接收。存在于上述机制中的这些相互作用构成了检测的全过程。

　　1.2电磁超声在车轮踏面缺陷检测中的应用

　　1.2.1 检测原理

　　如图 2 和图 3 所示，EMAT 利用洛伦兹力产生的涡流效应在工件表面激发出与传播方向相反的2束表面波，所激发出的声波束沿着车轮踏面表面及近表面内周传播，形成对表面及近表面的全覆 盖检测。超声表面波在不同位置遇到缺陷时将形成不同的缺陷回波，通过对缺陷回波的分析就能探测出车轮表面缺陷。

　　电磁超声探伤系统利用超声表面波的脉冲反射原理进行缺陷检测。当轮对沿钢轨运行到探头位置，轮对踏面接触探头的瞬间，EMAT 在车轮踏面表面及近表面激发出电磁超声表面波脉冲，超声表面波将沿踏面表面及近表面圆周以很小的损耗传播。

　　当车轮踏面表面及近表面有裂纹或剥离等缺陷时，超声波在缺陷端面处的一部分能量被反射，沿原传播路径返回并被探头检测到，形成缺陷回波(图 4中 E 波);另一部分能量绕过缺陷端面继续传播，形成周期性回波(图 4 中 RT 波)。通过正常的周期回波(RT)与缺陷回波(E)的对比分析，可以定性分析轮对的踏面缺陷状况。