关于对铁路货车钩尾框磁粉探伤设备的研制

王保福 贾锐 刘鹏飞

摘  要：文章介绍了一种创新型的铁路货车钩尾框磁粉探伤设备的机理和测试结果。该设备既可对铁路货车13、17型车钩尾框的外表面、内孔表面使用双排梳齿形电极开合线圈进行周向磁化、纵向磁化使用电磁轭法进行磁化，也可根据钩尾框的异形特性对其进行周纵向复合磁化，大大提高了铁路货车探伤设备的有限性能。

关键词：钩尾框;裂纹;磁粉探伤

中图分类号：TG115.28      文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2020）01-0027-03

Abstract： This paper introduces the mechanism and test results of an innovative magnetic particle testing equipment for railway freight car hook tail frame. The equipment can not only use double-row comb tooth electrode opening and closing coils for circumferential magnetization and longitudinal magnetization for the outer surface and inner hole surface of the coupler tail frame of railway freight cars 13 and 17， but also carry out circumferential and longitudinal compound magnetization according to the special-shaped characteristics of the hook tail frame， which greatly improves the limited performance of the railway freight car flaw detection equipment.

Keywords： hook tail frame; crack; magnetic particle inspection

引言

钩尾框是列车高速重载和安全运行的关键部位，随着这几年我国铁路的不断提速，也对钩尾框磁粉探伤的要求更加苛刻，并且近几年来国内生产的磁粉探伤设备已经达到国际先进水平，远远摆脱了依靠向国外进口的形势。然而对于一些大型且异型工件，对设备设计有很大的局限性，所以射阳县无损检测技术研究所和中国铁路兰州局集团有限公司嘉峪关车辆段共同研制了DZS-KⅡ型微控数字图像钩尾框磁粉探伤机。由于钩尾框零件的结构特殊，尤其是该工件的前后弯角处（如图1），在列车高速运行中，由于负荷过大造成的内应力，容易对钩尾框造成损伤。如果钩尾框在探伤检测时未探测或漏探其表面的裂纹，而使用在运行中的列车上，将直接影响列车的运行安全。

目前，国铁集团公司下属的机务、车辆段修对钩尾框进行磁粉探伤依旧使用小型便携式探伤仪，该探伤方式容易导致工件表面真实裂纹的漏检。但也有个别厂家生产了床式钩尾框磁粉探伤机，但主要由两种磁化结构：一是采用周向直接通电，纵向磁化线圈探伤;二是采用三维立体磁场探伤方法，这样对钩尾框内弧面等易损伤截面的检测仍具局限性，造成的漏检现象时有发生，且市场中现役的多数磁粉探伤设备都是通过模拟方式来调节磁化电流的大小，当达到相应的磁场的强度，当设备所在处所的电网电压波动时，其磁场的强度也会随之增强或减弱，该探伤设备受处所电网电压波动的影响，对设备所产生的磁场强度及灵敏度都产生了较大影响，如电网电压高时探伤灵敏度就高，反之电网电压低时探伤灵敏度低，在灵敏度高时一些在正常范围内不影响工件寿命的纹路都会随之显示出来，而在灵敏度低时，在磁化规范内应该显示的裂纹却显示不了，最终增大了漏探几率。

基于上述情况，射陽县无损检测技术研究所和中国铁路兰州局集团有限公司嘉峪关车辆段共同研制了一种针对货车钩尾框进行无损检测的磁粉探伤设备。该探伤设备能够完全适用于各种型号的钩尾框，能够对钩尾框工件的所有部位进行全部探伤。该设备的磁化方法是将工件置于磁粉探伤设备所产生的按一定规律变化的磁场中，使工件被均匀磁化。若工件表面及距表面一定深度范围内存有裂纹、缺陷，则该处就会因磁力线传导不均匀而产生一个突变性磁压差，它等效于一个微小的S-N磁极对。该设备周向磁化采用梳齿形开合线圈法，纵向磁化采用磁轭法，对钩尾框进行整体湿法复合磁化探伤，该设备可利用可编程控制器，程控或人工操作，一次操作完成工件的喷淋、磁化等探伤工序。与国内市场同类产品相比较，设备从机械结构设计合理性、磁化线圈布局合理性、磁场覆盖可靠性等方面均做到了先进水平。

1 原理概述

本次研制的钩尾框磁粉探伤机采用卧式机电一体化结构，设备配备磁悬液的喷淋、回收、搅拌系统。设备磁化既可周向或纵向单独磁化，又可周、纵向复合磁化，其磁化灵敏度高，可对工件进行全方位磁化，并能够做到磁场的分布均匀，具有稳定性高、无漏检等特点，规避了漏判、误判的风险，更好地保障铁路行车的安全。

探伤性能方面，首先本设备以所在处所现有的钩尾框检修流水线来设计微控数字钩尾框磁粉探伤机的主体外形结构，磁化电路采用闭环数字控制，即“闭环控制电路”（见图2）。闭环控制电路是指与控制对象存在反馈联系的控制电路。为在设备中保持电流的稳定，加入一些测量比较元件组成闭环系统。该电路对周、纵向电流采用闭环控制电流，直接设定磁化电流（或磁势），可保证电流（或磁势）稳定，电流设定值和实际电流值偏差小于10%，以达到磁粉探伤的最佳效果，有效地解决了类似玉探伤设备因线圈电极、磁轭接触部位长期磨损所导致接触不良，造成的打火现象。其次设备可根据被探工件形状的复杂性进行磁场演变，采用“双排梳齿形电极开合线圈”，达到最佳的磁场分布结构，从而实现最佳磁化效果。

设备采用自研制的可控硅智能触发模块（见图3）对可控硅的导通角进行精密控制，模块内部由光电数字触发元件、过电压保护元件等主要元件构成，与常规触发电路板相比较体积小，免接线，即插即用。是触发电路板的更新换代产品。该装置能够有效地控制可控硅的导通角，从而对磁化电流实行稳定控制。

系统优化方面，在本次研制过程中，于探伤设备上加装图像采集、识别系统及新型LED冷光源照明装置，高清相机在探伤设备工作时可沿着工件水平方向作来回运动，实现摄录、抓拍等功能，并将采集到的图像自动传输到计算机中通过图像识别系统进行自动图像识别，不仅替代了传统人工观察磁粉探伤工件，且实现了对探伤作业过程中出现的既有缺陷工件的源头追溯。本设备用计算机控制程序实现了探伤数字化操作、探伤数据可网络管理、自动记录周纵向电流、自动记录充退磁时间、对磁粉探伤进行日常性能校验和季度性能交验、探伤数据自动汇总、自动生成各种报表。

实际操作方面，该设备具有手动控制、自动控制。手动控制时可以完成工件夹紧、工件移进、旋转、喷淋、磁化、转动观察、退磁、移出、松夹等动作，适用于探伤各项步骤的分步操作;自动操作时，本设备采用日本三菱PLC可编程控制器控制，可自动完成除人工观察以外的工件夹紧-移

进-旋转-喷淋-磁化-转动观察-退磁-移出-松夹等各个动作，大大降低了现场探伤作业人员的劳动强度。

使用维护方面，首先设备具备了自诊断功能，如发生系统或机械故障，工业控制计算机可根据设备故障的反馈，自动提示设备出现故障的部位，并给出相应的解决方案。其次，电气部位采用模块化设计，达到了即插即拔、即插即用的效果，避免因传统的电路线纷杂乱造成维修人员检修的困难。

2 主要技术参数

（1）输入电源：

电源电压：三相交流380V±10% 50Hz

输入电流：瞬间最大电流130A

（2）输出电源：

周向磁化电流：0-2000A（有效值）

纵向磁化电流：0-100A（有效值）

周向磁化磁势：0-16000AT

纵向磁化磁势;0-10000AT（线圈100匝）

（3）暂载率：30%

（4）退磁方式：自动衰减  退磁效果：≤0.5mT

（5）气压：≥0.45Mpa

（6）工作面照度：>1500Lx

（7）磁悬液浓度：黑色磁粉1.2～2.4mL/100mL

（8）整机绝缘电阻：>2MΩ

（9）外形尺寸（长×宽×高）：3200×1700×1900mm

（10）重量：1500Kg

3 功能及磁化参数的确定

3.1 功能确定

（1）该设备主要技术性能符合JB/T8290-2011《磁粉探伤机》要求。

（2）工件磁化原理采用了二路复合磁化技术，即：磁轭法产生钩尾框周向磁场，双排梳齿形电极开合线圈法产生钩尾框纵向磁场。

（3）机械装置：该设备采用卧式机电一体化结构，工件上下料采用水平方向进出，配合钩尾框检修作业流水线同步运行;梳齿形电极开合线圈、磁轭由气缸驱动闭合，磁化结束自动返回;工件转动观察喷淋通过减速机驱动。

（4）该设备采用连续法湿法探伤，使钩尾框全方位一次复合磁化，并显示工件磁痕。

（5）具有手动/自动功能;周纵向磁化电路均采用可控硅模块控制，并配合可控硅触发模块，以达到磁化电流的连续可调。

（6）该设备全部动作控制采用PLC可编程序控制器控制，自动化程度高，工作可靠，操作方便。

（7）该机配备图像采集装置摄取磁痕图像，对探伤过程中发现磁痕的可追溯性。图像采集装置选用高清晰度、高分辨率的相机，采集图像清晰，能够适应各种复杂的检修生产环境。

3.2 磁化原理、磁化参数的确定

钩尾框内侧前后弯角处的磁化：根据钩尾框的内侧面的形状，采用梳齿型开合线圈法、磁轭法，进行复合磁化，进行周、纵向磁化探伤检查 （见图4）。

梳齿形开合线圈电流为1000A时，在钩尾框上產生周向感应磁场;磁轭磁势为4000AT时，在钩尾框上产生纵向感应磁场。感应电流与磁场强度成正比，磁化电流越大，其产生的磁场越大。经现场试验钩尾框磁粉探伤机周向磁化电流在1000A，纵向磁势在4000AT时，对钩尾框进行复合磁化，其前后四个弯角处A1型15/50试片能够清晰显示。

4 中国铁路兰州局集团有限公司嘉峪关车辆段的测试结果（见表1）

5 嘉峪关车辆段使用意见

该设备自2017年7月至今在嘉峪关车辆段使用效果良好，运行正常，使用情况如下：

（1）探伤尾框300余件，手动探伤时为4min/件，自动探伤时为3min/件，运行状态正常。

（2）气缸、气动阀、三联件、电磁阀运行正常。

（3）传动机构，转动装置、梳齿形开合线圈、磁轭等动作运行可靠。

（4）经过试用，灵敏度试片显示清晰。

（5）对有裂纹工件探伤试验时，裂纹清晰显示。

（6）图像摄取装置结构运行正常，摄取的有裂纹工件图片上能清晰准确地显示磁痕。

6 结束语

该设备在用户使用中得到了充分的认可。DZS-KⅡ型微控数字图像钩尾框磁粉探伤机主要依靠先进的磁粉探伤技术，使用维护简单，维修方便快捷，低故障。铁路行车事故造成的巨大经济损失有目共睹，DZS-KⅡ型微控数字图像钩尾框磁粉探伤机能够有效地保证钩尾框工件质量缺陷问题，实现了对探伤工件表面缺陷的严格控制，为保证列车行车安全又新增了一把锁。增加安全就是扩大经济效益。

参考文献：

[1]JB/T8290-2011.磁粉探伤机[Z].

[2]GB/T5616-1985.常规无损探伤应用导则[Z].

[3]尹鸿来，王增喜，迟雪松.旋转式钩尾框磁粉探伤机[J].机车车辆工艺，2001（4）：24-25.

[4]罗旭辉.磁粉探伤中的复合磁化[J].广东建材，2007（10）：28-30.