机车主极裂纹检测的数字相关测量方法

　　电力机车牵引电机主极断路已经成为影响电力机车安全运行的惯性故障,该故障是由于牵引电机主极接头在热应力、振动冲击、电磁力以及加工缺陷等共同作用下,经过列车长时间运行形成疲劳裂纹并扩展而形成的[1]。因此对牵引电机主极接头进行探伤,并对存在裂纹的主极快速进行处理或更换,防止断路事故的发生,具有经济价值和实际意义。

　　涡流检测通过测量电涡流信号的幅值与相位来判别或识别有关参数,但是影响涡流检测的因素很多,包括被测金属的电导率、磁导率、厚度、检测频率以及提离、边缘和裂纹等[2]。对于待测电机主极,其材料为黄铜,电导率、磁导率和厚度固定不变,检测频率通过实验确定为8 kHz,而且检测时将主极固定在两探头中间,提离效应大大减小,不再是主要的影响因素。因此,为了达到对电力机车主极进行有效探伤,就必须能够准确区分裂纹、正常和边缘引起的检测信号与激励信号的相位差的变化。

　　以下通过数字相关测量方法来测量主极的正常、裂纹及边缘检测信号与激励信号之间的相位差,以及探头依次经过主极边缘、正常、裂纹、正常到边缘整个过程时相位差变化的动态过程。最终实现了通过相位信息来获得被检测对象的特性,识别主极上有无裂纹。

　　1　数字相关法相位差测量原理

　　相关函数描述的是信号本身的某些特征(自相关函数)或表征两个信号之间的相似程度(互相关函数)。利用相关函数来分析信号的方法称为相关分析法。该法可进行信号特征的检测和提取,互相关函数还可消除随机噪声和干扰。以下利用两个正弦信号的互相关函数提取其相位信息[3]。

　　不同类型的信号,其相关函数定义不同。工程实际中的物理信号x(t)可以分为能量信号和功率信号。能量信号为总能量E有限的信号,即

　　由式(2)可知,两个同频正弦信号的互相关函数仍然是一个正弦或余弦信号,且频率和原信号相同,其初相角是原来两个信号的相位差。这就是相关函数测量相位差的原理[4]。

　　2　数字相关法测量主极的试验数据分析

　　试验采用自行设计制作的双探头传感器。激励探头线圈直径为12 mm,内径为4 mm,轴向厚度为8 mm,外部加了电磁屏蔽管;检测探头线圈直径为8 mm,内径为3 mm,轴向厚度为6 mm。

　　两探头固定在支撑框架上,间距为25 mm;激励频率为8 kHz。检测时将主极固定在两探头中间,以克服提离效应,然后分别对主极处于边缘、正常和裂纹三种状态进行检测。通过AC1856四路并行高速采集卡对激励信号和检测信号进行两路并行高速采集并存盘,最后运用数字相关测量方法得出其相位差[5]。三种状态各计算了50组数据,相位差统计见表1。将图1三种状态用高斯分布拟合后得图2。