外文翻译-ACFM检测在铁路和火车上的应用

ACFM 检测在铁路和火车上的应用检测在铁路和火车上的应用 D. Topp and M. Smith TSC Inspection Systems, Milton Keynes, England 概论：概论：ACFM 检测技术是一种电磁检测技术，广泛应用于石油和天然气工业检 测表面裂缝的大小。它比传统检测有很多种优势，最显著特点是不需要去除表面 漆层就可以进行检测，最近被应用在不同的铁的特殊检测上。现在这种技术已在 英国获得认证，一般用于车轮和平面轨道上的检测。 本文描述了 ACFM 技术和它在在职检测的背景。提及了一种新的检测铁轨头 “手推车”，并提出一些被检测出来具有复杂的几何形状裂缝的形成与滚动疲劳 有关。ACFM 同样地被应用于平面轴承和驱动轴承，还有转向架上。 本文同时还认为当从这种工艺移植到另一个行业即将面临的一些挑战。 操作人 员的培训同样被认为是对新技术的有效性要求。 这种新技术的验证通常要与现存 的技术进行盲试对比，但这不是必须的要求。破坏性切片一般应用新技术的发展 中，它可以精准地提供对系统能力的测量。无损和有损实验的结果都有讨论。 介绍： 交变磁场测量技术是一种电磁检测方式，能对探测表面裂缝大小和定量分 析。这种技术不需要去除工件表面漆层，最初在 1980 年代被发展应用于石油工 业，应用在那些需要提高海下检测的可靠性的项目上。其中，第一次应用 ACFM 是用于检测轴承。这是是由于当时检测的有效性，导致一次工件连接轴设上的轴 断裂致命事故。这次检测对比了铁道传统的的检测的方法，超越传统在铁路行业 中使用这些方法，随后通过一系列盲试验，其中发现 ACFM 方法优于传统的磁 粉探伤(MPI)和当时的一种先进的涡流方法。这些结果之后，发现这些技术能用 于检测铁轨上面，从而引起人们的兴趣。当时英国经历了一次重大的铁路损坏事 故，被认为问题是铁道网络检测的基础设施轨头产生裂纹的问题。更具体地说， 衡量角部裂纹(GCC)，这被认定为一个潜在的问题和检测人员高度关注并努力解 决这一问题， 包括确定裂缝的原因及一次轨道控制条件是已知存在。 ACFM 模式 被发展为检测这些归为严重深度缺陷的手段。尽管这些裂缝形态学上是复杂的， 但它在系统仍上良好的表现，使它现在依然应用于英国铁道网络中。 另一种应用是最近被开发得到的，检测转向架。像轴承这些用传统 MPI 检测 方式需要工件表面处理成光洁表面。而 ACFM 减少了这种需求和提供了可查证 的数据记录结果。这项应用是由英国庞巴迪运输公司开辟的，已在英国取得了认 证。 ACFM 模式模式：测量交流电场技术方法是一种电磁技术，它能探测和定量（长度 和深度）金属表面裂缝。这项技术的基础是交变电流可在较薄的导体表面感应出 电流。 通过接入一种经过处理得到的统一电流进入该区域，当该区域没有缺陷时 电流不会被干扰。如果裂缝出现则统一电流会失真，电流会绕着裂缝的尾部和下 部。因为电流是时交变电流，它在较薄的表面不会受裂缝的几何形状影响。 表面上的电磁场与电流相关，当电流在表面时，会被缺陷干扰。ACFM 技术一 个重要的因素是它能根据磁场干扰去测量导致干扰的缺陷大小。 这个发现突破来 自伦敦大学联合研究，提供了电场和磁场的数学模型，并且该研究在电感技术方 面比较先进。 尽管表面上的磁场是比较复杂的三维场，通过选择合适的正交轴，这使得测量 磁场分量存在可能性，该磁场表现了与自然干扰有关的裂缝的物理性质。图像 1 展示了统一交流电在表面时的平面图。这磁场分量说明 Bz 在图像一中与在裂缝 尾端产生电流的磁极互相影响，引起了在该平面上分量的电流转换。这些响应主 要是在缺陷尾部，这得到了缺陷的长度。磁场分量显示了 Bx 与当电流遇到缺陷 时电流表面密度减少量相响应，这也得到了缺陷的深度。通常来理论来说电流引 导垂直于裂缝方向， 所以为了使轴产生疲劳裂纹， 电流会被引导到一个轴线方向， 从而使其在缺陷在圆周方向上产生干扰。 在实践中，特殊的探头被发展出来，包含了远程磁场感应系统，用于引导磁场 进入分量方向上，还有特殊的合成磁场传感器能精确地测量分量上的磁场。这探 头要求组件无电接触，和可以在表面有漆层或尘垢也能应用。 图 1.ACFM 在缺陷附近的电流 电流干扰的磁场模型展现了理论预测的磁场干扰和它的测量数据之间很好的联系， 因此这 能使其有能力对磁场干扰做出测量， 和直接关联造成这些干扰的缺陷的大小。 注意到这模型 被限制在一个半椭圆形状的平面缺陷上，这种缺陷通常和疲劳缺陷相关。 从实践的角度来看， 这项技术可以只用一个单探头手动地在一个分量方向上移动。 经验表 明，在早期的电磁检测系统中，比如涡流检测设备，实际使用时会有很多缺点。许多来自其 他裂缝特征信号同时显示，导致了信号很难解释。比如，一组少量的探头从表面提起都能引 起很大的涡流响应。ACFM 技术从根本上消除了这种问题，通过使用统一磁场和精细的探 头和电子设计，特别是通过特殊的数据显示。通过标准的电脑来控制设备和展现数据。 图 2 上的左侧的曲线图显示了从一个手动部署探测器收集到的裂纹端和裂纹深度的传感 器的典型原始数据。图 2 的右边部分显示了一个蝶形图,当的缺陷存在，蝴蝶循环绘制在屏 幕，手动操作的操作者可以查找此独特形状来决定裂纹存在与否。检测到缺陷时，数据可随 时查看，以确定裂缝的深度无需校准。所有的数据由系统存储，并提供后续的审查和分析。 这对检测的目的和报告都特别有用。 由于交变使用远程均匀场， 很可能在同一位置产生不同结果。 这一概念用于车轴和轨道检 查，通过特殊的探头，展现出组件和包含多个磁场传感器。这一维传感器可以通过扫查表面 来对检测区域进行检测。 图 2.对缺陷的典型响应 ACFM 在轴承上的应用：在轴承上的应用：根据 ACFM 在工件连接轴实验的成功表现，它已 被逐渐被引进，用于轨道轴承的表面检测，用以代替 MPI 技术。由于 ACFM 能 透过漆层，所以不用去除漆层。这能节省很多时间又能保护原始涂层让其不受到 腐蚀。因为 ACFM 能记录所有的检测数据，会对轴承检测到缺陷时进行永久的 记录。轴承能在车上或不在车上都能被检测、在最近的案例中，这通常需要装在 工程车床上，挂接 ACFM 探头在力架上扫描滚动中的轴。在这种方式，整条轴 都能被在连续的螺旋扫描到。 如果在车轴上检测，用阵型探头更为常见。这是更大的探头，包含了多种传感 器， 能比标准探头检测更宽的区域。每个传感器采样会随着探测器移动和距离在 软件编码器日志上组成一个部分。 车轴在探测器下会有重叠部分的情况下绕轴扫 描。 用传统的检测技术难以检测的一个应力区域，这个区域是使用 EBR 电路的。 进入该区域时可能要移除电刷和它的支架会留下一个约 90mm 直径， 50mm 深度 的小圆孔。 MPI 技术由于被限制进入检测和使用时有电流通过它区域， 所以被认 为不适合用来探测。由于轴的几何形状，超声检测也被认为不可能。 一个传统的ACFM阵型探头被设计和制造成适合通过这圆孔及检测火车上的 轴在电刷。图 3.展示了包含 8 个传感器和能覆盖 70mm 区域的探头。 图 3.EBR 专用 ACFM 的阵型探头 ACFM 在铁轨上的应用：在铁轨上的应用：如上所述，ACFM 模式最初是由手动探测焊缝发 展而来。有些需求是很特殊的，通常检测区域是很狭窄接近焊趾和因为检测时手 动的，扫描速度可以相对较慢，短周期内大概 10mm 每秒。这要求对铁轨检测又 很不一样、当检测一个更宽的区域时，有这么一个要求，覆盖轨距面，轨距角和 穿过头到磁场一侧。这对检测速度要求很高，为了达到可接受的工艺要求。这也 是解释需要有自动化的原因。另一个重大挑战是在裂缝的形态。通常 GCC 包括 多个，以大的角度向运行方向紧密间隔的裂纹。裂缝通常倾斜于表面，初始穿透 以大约 30 度的角度，直到它们通过压缩层破裂，大约 5mm（0.2 英寸）的表面 下，当角度增大到大约 60 度。超声波测试，这是传统的贯彻执行，遭受“重叠 屏蔽”，即较浅的缺陷可能会掩盖更深层次的缺陷，从而筛下的最大缺陷深度。 浅裂纹也很难为超声波进行识别和分类。然而，由于当时的现有技术的局限性， 英国检验标准决定了 GCC 应根据最大表面长度而不是深度分类 - 这是对于比 较关键的工程方面。 轨道的覆盖检测是通过阵型传感器和轨道的形状实现的。 事实上这探头被设计 成带轮子的形状，以优化探测器的位置，即使在穿过铁路时。检测通过铁轨道时 一组传感器会被带着连续地扫描。通过这种方式，连续的扫描轨道能实现探头在 轨道上推着前行。 速度最初是被 5Hz 输入信号的样品概率所限制的。在这种应用中，这被提升 到 50KHz 和扫描速度变成了 2-3km 每小时。这必须承认的是这是高效的检测模 式，还有足量的数据一定能被收集到，不管是缺陷还是裂缝。 这系统被包装成手推车样式，完全自带电源和能连续操作 8 个小时。这探测仪 上固定已工作电脑，能为操作员控制系统和展示分析数据。操作员不需要太多解 释这数据。 ACFM 模式依预测靠交流电流在组件表面和模型重点集中在平面的半 椭圆裂缝上，典型的疲劳伤害。 这种大小的模型因此不被应用于和 GCC 相似的复杂的裂缝形状中。为了提供实 时裂缝大小测量，这就很需要考虑数学模型和它与 GCC 裂缝类型的关联。现存 模型已被决定会用作起始点和经验校正因素会被应用于考虑裂缝类型时。 这显然 需要大量裂缝生成行为的数据， 也很难被现有的无损技术检测到。 因为这个原因， 决定加入有损检测的步骤，可以用于观察裂缝形状特性，同时能得到 ACFM 盲 试有效的数据。 图 4.ACFM 轨道探测仪器 一组铁道网络的存在裂缝的铁轨被收集到， 和经过手杖检测后被切断确定缺陷 大小和形状。这信息是被用于发展经验误差测试模型的（图 5） 图 5.新旧模型的错误使用对比 图 6.轨道探测仪屏幕展示缺陷铁轨时样式 ACFM 技术在转向架上的应用：技术在转向架上的应用：铁轨转向架现在是用 MPI 和超声检测技术 检测的组合来检测的，这要求转向架是光洁的，和在 MPI 技术中需要清除掉检 测区域的涂层，而且，当转向架在使用中时很多区域是检测不到的。 尽管这不可能对所有使用中的转向架的进行表面处理， 所以很多区域不允许用 MPI 检测但能用 ACFM 检测。而且 ACFM 提供了一个高质量的方式用来检测缺 陷的深度和严重程度。 英国庞巴迪运输公司认证了 ACFM 检测转向架的潜力，同时引进了在检修和 使用时使用 ACFM 的项目给铁轨工艺。TSC 发展了设备和探头去检测他们目标 的缺陷，这种缺陷大小约 5mm 长，0.5mm 深，他们还为操作员简化了检测过程。 自动化缺陷探测为其他操作员带来简化和快速的检测过程。 为了提供一个可靠的 的和可以理解的报告格式给客户，一个半自动的总结报告议程被引进，它可以从 所有对特殊转向架检测情况组合报告结果。 为了评价这项技术的表现和确认它能否用于这项应用， 庞巴迪运输的共同认证 机构和 VAB 引导了一个广泛和详细的研究。这项研究涉及了检索所有过去的文 章和应用和成效报告和已有完整的危机评估，实验室试验和场地试验的报告。这 在最终得到了一个有工程联合和焊接协会的认可。 一个最开始的应用是英国 91 型转向架的检测，这种转向架有一开始难以接近 的焊缝在箱子部位。入口时在臂长出一个小孔上，能让探头接近焊趾。