钢轨连续非接触硬度检测的研究

　　1　前言

　　铁路是我国交通运输的主力,随着铁路运输的日益增长以及向高速、重载方向的发展,对钢轨质量的要求越来越高。其中均匀的硬度是钢轨高质量的一个重要方面。

　　在全长双频淬火工艺过程中,因工频淬火温度的波动造成钢轨纵向硬度值的波动使得质量不稳定。对硬度值目前无法全长连续检测。为此我们近年来开展了对钢轨双频淬火的全长连续非接触硬度检测的研究,对钢轨纵向硬度的区分度已达铁道部部标准。生产现场需要这种在线连续非接触检测轨头硬度的装置,而国内外还无适用的产品。为把该成果转化为生产力,可针对不同使用对象进行转化,即可用于钢轨淬火线的在线检测,又可用于钢轨打磨列车与打磨同步进行在役检测硬度。

　　2　电磁检测硬度的机理

　　根据铁磁材料的物理化学性能与电磁性能之间的基本关系可以知道:材料的金相组织和硬度对矫顽力、磁导率和电导率等有很大影响。因此,根据电涡流检测原理,只要测出电导率、磁导率等的变化,便可反应出材料硬度的变化。

　　如图1所示,当探头线圈的初级绕组通以交变电流,线圈绕阻就将产生一个交变磁场Hp。试件在该磁场作用下,在其表面产生涡流。而涡流又将产生交变磁场Hs。Hs的方向与Hp的方向相反,二者的合成磁场为Hp-Hs。线圈次级绕组的感应电势同合成磁场有关。在图1的试验方法中,感应电势可表示为:

　　式中　f　试验频率;

　　πD2

　　4次级线圈包围的面积;

　　D次级线圈的直径;

　　n次级线圈的圈数;

　　μr相对磁导率;

　　μeff有效磁导率;

　　Hp初级线圈磁场强度(奥斯特)。

　　试件的材料参数的变化改变了试件阻抗图,即改变了μeff值,进而表现在次级绕组感应电势E上:由于μeff有效磁导率是个复数,得到感应电压也有实部和虚部二个分量。按照通常以超前虚电压分量的表示方法,μeff实数分量出现在E虚部,而μeff虚部出现在E实部,于是,可以认为与某一频率有关的存在某一μeff值的试件的磁感应特性便可用含有E虚部和E实部测量电压表示。所以,如果采用某种方法,将测得的E感分解为基本分量E虚部和E实部(例如,利用初级线圈绕组作为参考相位),,然后,这两个分量经过进一步处理,可以使μeff这一复数值显示在显示器的屏幕上。

　　通过测量阻抗变化,可以测量出各种电性能和磁性能变化,从而可以评定材料的物理特性和化学特性,包括硬度、强度、晶体结构和热处理状态,这就是涡流检测的基本原理。本研究中试验采用电磁感应分选仪测量磁感应变化,其线路如图2。