轨道微磁智能探伤检测系统的研制与应用

1.前  言
        铁路不仅是国民经济的命脉，而且与人民生活息息相关，铁路轨道的伤损和故障将直接关系到行车安全，动辄车毁人亡，会造成巨大经济损失和极其恶劣的社会影响。随着提速和重载的需要，对铁道线路的质量和安全相应地提出越来越高的要求，也引起国家领导人与相关部门的高度重视。
        目前，铁路轨道的常规探伤采用超声波探伤法，但只限于标准轨，而道岔部位由于其截面不规则，超声波和其他传统探伤方法均无能为力，迄今尚是一个盲区，只能靠人工手锤敲和目视巡检解决。同时，超声波探伤法附加条件多：需要清理轨面，需要不断施加耦合剂—水（寒冬季节为防止水冻结，还需往水中添加酒精），需6至7人配合，操作繁琐、检测成本高、分辨率低、速度慢；另一方面，超声波法只能检出已经发生伤损的部位，而不能检出将要发生伤损或濒临伤损的部位，难以做到早期诊断、早期发现、早期预防。
        因此，铁路部门非常需要一种行之有效的新方法，能够扩大检测范围、简化操作难度、降低检测成本、提高检测质量，实现早期预报，以提高线路科学养护水平，防患于未然。铁道部刘志军部长在2006年3月31日的全路运输安全电视、电话会议上讲道：“安全基础建设是一项长期而艰巨的任务，要积极探索新方式、新方法，不断深化安全基础建设……加大安全投入，推进技术创新，提高技术装备保安全的水平。”
        
2.微磁探伤检测技术的基本原理
        微磁检测是一种全新的无损检测方法，于上世纪90年代末引进我国，是通过记录和分析产生在制件和设备应力集中区中的自有漏磁场的分布情况，来判定其表面和内部是否存在伤损缺陷。
        断裂力学揭示：任何材料中都存在着由各种缺陷构成的微裂纹，在外力作用下，这些微裂纹的扩展导致材料的断裂。由于存在裂纹，材料中应力不均匀，在裂纹尖端产生应力集中，并且有特殊的分布，形成一个裂纹尖端的应力场，该区域腐蚀、疲劳、蠕动、错位、滑移等金属内部微观缺陷的改变过程更加迅速和剧烈，最终导致构件的损伤。因此，金属构件的应力集中是造成突发性疲劳破坏的重要原因，而查找和检测应力集中状态，尤其是导致伤损和破坏的临界应力集中状态便成了评估诊断机器和金属构件的强度、可靠性和寿命的一个重要依据。微磁探伤检测技术正好可以满足这种要求，它基于两个基本原理：
        （1） 缺陷磁畴结点磁场原理：
        材料出现裂纹或坑点等缺陷时，其缺陷区磁畴结点在应力和地磁作用下发生不可逆的重新取向，对外显示磁性。因此，检测材料裂纹等缺陷磁畴结点发散到材料表面的磁场，就可推算出材料是否存在缺陷。这种检测技术既可检测表面裂纹等缺陷，又可检测内部缺陷，而且检测工艺简单，便于操作。
        对材料的微观磁特性研究可知，在外力作用下，会使材料中的晶格组织发生变化，如错位、滑移等。当受力较大时，晶格发生不可逆变化，使磁畴结构破坏，位错线（如前所述材料中的微观裂纹缺陷）穿过磁畴区，使之分裂，形成新的沿分裂线的畴壁，缺陷具有强的各向异性磁性，有效的设置了畴壁势垒，阻止畴壁通过缺陷，形成磁畴结点。随着应力增大，畴壁势垒增强，于是出现磁荷聚集，形成磁畴固定结点，产生定向磁场源。畴壁势垒的磁状态不可逆变化在工作载荷消除后还会保留，且与最大作用应力有关。若此缺陷不再扩展，则其缺陷磁场强度保持不变。
        当材料内部存在夹杂、气孔等其它原因形成的宏观缺陷时，也会破坏原来的晶格，引起磁各向异性，产生畴壁势垒，形成另一类磁畴固定结点。
        金属构件缺陷的产生主要发生在制造和使用中。缺陷的产生导致磁畴固定结点的存在，出现磁状态不可逆，形成内部磁源，这种磁畴固定结点称为微磁点。由于内部磁源产生的磁信号十分微弱，泄漏到材料表面的可检测信号就更微弱（小于10-8T），检测极为困难，需要采用高灵敏度磁传感器检测，常采用磁阻传感器，其检测过程称为缺陷微磁检测。
        （2）缺陷磁荷变异原理：
        按照磁荷理论，铁磁材料被磁化时，磁通的连续性在缺陷处被破坏，而在内部会出现磁荷分布，形成磁源。由实验测得的缺陷磁场分布，可认为磁荷集中分布在缺陷的两个侧面上。
        当磁场通过两种介质分界面时，磁感应强度的法线分量是连续的。因此，当缺陷磁场由铁磁区进入空气（缺陷区），有：
                                                     
式中，n为法线方向，H1、H2分别为铁磁区和空气中的磁场强度，M为磁化强度， μ0为真空导磁率。这表明缺陷磁场泄漏到空气中仍有一定强度，检测这一磁场就可发现缺陷，因此，磁传感器与被检工件有一定提离高度时，仍可检测缺陷泄漏到空气中的磁场，这就为非接触检测奠定了基础。
由电磁感应理论，法线分量在两种不同介质分界面上是不连续的，由于空气中M2=0，因而由交界面条件可得
        
              式中，δ为磁荷面密度，它是由μ0M法线分量在两种不同介质分界面上的不连续形成的，表明在边界处会发生变异，即出现正负峰，检测泄漏磁场的这一变异就可以发现裂纹等缺陷。而变异的峰值、位置等特性就反应了裂纹等缺陷的形状和尺寸。因此，磁荷变异理论就形成了探伤检测的基础。

        
3.系统的主要研究内容
        (1) 缺陷磁荷模型研究
        国内目前对微磁技术应用的机理多数局限在磁的一种现象，而对磁原理的本质规律尚缺乏研究和认识，尤其缺乏对缺陷漏磁场的量化研究和认识。本系统对微磁技术进行了深层研究。通过大量物理实验、数理统计和数学分析，反复求证微磁信号与钢轨内部缺陷的对应函数关系，并建立了相应的数学模型，也即缺陷磁荷模型，过程如图1所示。

                 
      图1：数学模型建立过程框图

        根据所建立的缺陷磁荷模型，对常见的V型裂纹进行仿真试验，验证了微磁波形随裂纹宽度、深度、长度变化规律；组合形裂纹的仿真实验结果与V形裂纹的情况大致相同，实际检测的波形与仿真曲线相比较，其相似度都在0.95以上，表明所建模型是符合实际的。
        (2) 首创基于材料裂纹磁畴结点磁荷变异检测理论的铁路轨道裂纹等缺陷检测技术，构建了基于裂纹生成与扩展规律的组合型磁荷模型，使这种检测在不需外激励的条件下可检测材料表面和内部裂纹等缺陷，形成了铁路轨道缺陷检测的一种新方法。
目前，微磁检测技术在国内许多行业得到应用，而对铁路轨道检测只有少数人进行过实验性探索，还没有人针对铁轨进行过深入研究，更没有人专门致力于采用这种新技术研发铁轨专用探伤检测系统，本系统填补了这项空白。
        (3) 创建基于优化原理的缺陷微磁信息提取方法和基于幅度标准,梯度标准双函数判别规则,从而提高了缺陷识别的可靠性。
        (4) 研制基于人工智能技术的微磁检测系统。本系统的软件平台用人工智能的专家系统思想建造,因此,系统实现智能化,检测过程自动进行,可替代人工分析、决策、判断，同时，具有相