李 寧，王 勃，郭曉昕，賈正峰

0 引言

截至2022 年底，我國(guó)鐵路營(yíng)運(yùn)里程已達(dá)15.5萬(wàn)公里，其中高速鐵路4.2 萬(wàn)公里。隨著高速動(dòng)車組運(yùn)行速度及安全性能要求的不斷提高，電氣化鐵路接觸線作為向機(jī)車傳輸動(dòng)力的中間媒介，在保證機(jī)車正常運(yùn)行中起著至關(guān)重要的作用，且逐漸呈現(xiàn)出以銅為主合金元素的趨勢(shì)[1]。

目前，CT、CTA 兩類接觸線的導(dǎo)電率已達(dá)97%IACS 以上，接觸線作為與電力機(jī)車受電弓滑板接觸的導(dǎo)線部件，其材料特性不僅要求具備高導(dǎo)電率，同時(shí)還應(yīng)具有優(yōu)異的綜合機(jī)械性能[2-3]。據(jù)可查數(shù)據(jù)顯示[4-5]，接觸線故障在接觸網(wǎng)相關(guān)設(shè)備故障的總體占比中占據(jù)較大比例，而這些接觸線故障很大程度上與其生產(chǎn)環(huán)節(jié)的質(zhì)量管控密切相關(guān)。因此，如何在接觸線生產(chǎn)環(huán)節(jié)對(duì)其缺陷進(jìn)行在線檢測(cè)，有效降低因自身質(zhì)量所引起的事故率，已經(jīng)成為銅合金接觸線生產(chǎn)領(lǐng)域的一個(gè)重要課題。

銅合金接觸線規(guī)模化生產(chǎn)的拉制速度大致在0.2～0.6 m/s[6]，因銅合金接觸線生產(chǎn)工藝特點(diǎn)，部分缺陷存在于成品的次表面及內(nèi)部，人工目測(cè)無法檢測(cè)。在銅合金接觸線生產(chǎn)環(huán)節(jié)，多采用渦流檢測(cè)技術(shù)，如雙頻四通道渦流探傷[7]。傳統(tǒng)渦流檢測(cè)法多采用線圈作為激勵(lì)和檢測(cè)元件，檢測(cè)線圈的靈敏度與激勵(lì)線圈的激勵(lì)頻率成正比，因趨膚效應(yīng)的存在致使其在檢測(cè)深度和靈敏度間存在矛盾，且線圈元件不易滿足微型化、高精度的生產(chǎn)需求[8-10]，導(dǎo)致傳統(tǒng)渦流檢測(cè)法在銅合金接觸線檢測(cè)領(lǐng)域受到限制，在檢測(cè)過程中存在著漏檢、誤報(bào)等現(xiàn)象。

為克服傳統(tǒng)渦流檢測(cè)的限制，研究人員提出采用磁場(chǎng)傳感器代替檢測(cè)線圈單元的檢測(cè)方法[11-14]，這類方法獲得矢量信號(hào)，信息度更為豐富。針對(duì)銅合金接觸線生產(chǎn)過程中傳統(tǒng)渦流檢測(cè)方法存在的諸多不足，本文提出一種新渦流檢測(cè)法測(cè)量導(dǎo)體中的缺陷，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證其在銅合金接觸線領(lǐng)域應(yīng)用的可行性。新型渦流檢測(cè)法采用隧道磁阻傳感器（Tunnel Magneto Resistance，TMR）為測(cè)量元件，永磁體為激勵(lì)元件共同組成測(cè)量系統(tǒng)，該方法使測(cè)量、激勵(lì)元件實(shí)現(xiàn)微型化，測(cè)量結(jié)果為更加直觀的脈沖信號(hào)。

1 新型渦流檢測(cè)法檢測(cè)原理

新型渦流檢測(cè)法的原理如圖1 所示，電導(dǎo)率為σ的導(dǎo)電金屬試樣與永磁體提供的激勵(lì)磁場(chǎng)B間保持速度v的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，在導(dǎo)電金屬試樣內(nèi)部感應(yīng)產(chǎn)生渦流J：

圖1 新型渦流檢測(cè)法渦流分布示意圖

式中：E為外電場(chǎng)強(qiáng)度。

在外電場(chǎng)強(qiáng)度E= 0，且不計(jì)位移電流的條件下，渦流J將激發(fā)再生磁場(chǎng)B′，即渦流磁場(chǎng)，該渦流磁場(chǎng)可由安培定律確定。

式中：μ0為真空磁導(dǎo)率。

當(dāng)待測(cè)金屬試樣存在微顆粒缺陷時(shí)，因缺陷與金屬試樣間電導(dǎo)率的差異，渦流的大小及分布狀態(tài)將發(fā)生變化。相應(yīng)地，渦流磁場(chǎng)的空間狀態(tài)與待測(cè)金屬試樣無缺陷時(shí)也將發(fā)生變化。將磁場(chǎng)傳感器放置于待測(cè)試樣表面附近，即可通過其獲得試樣中缺陷形狀、尺寸、數(shù)量等特征信息。

2 實(shí)驗(yàn)裝置

2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及參數(shù)設(shè)置

為驗(yàn)證新型渦流檢測(cè)法在銅合金接觸線生產(chǎn)環(huán)節(jié)應(yīng)用的可行性及檢測(cè)效果，搭建了如圖2 所示的實(shí)驗(yàn)測(cè)量裝置。

圖2 實(shí)驗(yàn)測(cè)量裝置

實(shí)驗(yàn)過程中采用掃描圓盤側(cè)壁的方式代替接觸線實(shí)際生產(chǎn)中拉制成線的環(huán)節(jié)，測(cè)量元件的提離距離為0.10 mm，實(shí)驗(yàn)裝置的主要組成部件：三維平移臺(tái)、直流無刷電機(jī)、磁場(chǎng)傳感器、永磁體、圓銅盤試樣（導(dǎo)電率為100%IACS）、示波器等。實(shí)驗(yàn)裝置搭建在氣動(dòng)自平衡系統(tǒng)的光學(xué)平臺(tái)（型號(hào)ZTP-F-Y）上，可有效降低外界機(jī)械振動(dòng)；三維平移臺(tái)（HGAM306）可精確控制定位測(cè)量元件與待測(cè)試樣件間的空間位置；測(cè)量元件選用單軸敏感的隧道式磁阻傳感器（型號(hào)TMR9001），其采用由4 個(gè)TMR 傳感器元件組成的推挽式惠斯通全橋結(jié)構(gòu)，靈敏度達(dá)300 mV/V/Oe，選用AD8241 作為信號(hào)放大器；永磁體選用邊長(zhǎng)為2 mm 的立方體NdFeB（N36 系列）材質(zhì)的永磁體，磁化方向垂直于待測(cè)圓盤試樣側(cè)壁；銅圓盤試樣直徑為50.0 mm，厚度為5.0 mm，在其側(cè)壁分別制作等距直徑?=500、100、200 μm，非等距直徑?= 200、150、100 μm 的圓孔模擬微顆粒缺陷，銅圓盤試樣由直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)保持旋轉(zhuǎn)，其運(yùn)行線速度選定為0.4 m/s 和0.6 m/s 兩種；選用示波器（型號(hào)MDO3022，Tektronix）作為數(shù)據(jù)信號(hào)采集裝置，其帶寬為200 MHz，最高采樣速率達(dá)每秒2.5 G。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

新型渦流檢測(cè)法對(duì)等距缺陷圓銅盤試樣在0.4、0.6、0.8、1.1 m/s 4 種速度條件下的測(cè)量結(jié)果如圖3 所示。圖3 中?= 500、1 000、2 000 μm 3 類缺陷對(duì)應(yīng)的測(cè)量信號(hào)均非常明顯，其信號(hào)均具有較高的信噪比。在該測(cè)量條件下對(duì)多組數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行處理，如圖4 所示，可以看出，在測(cè)量較大尺寸的微顆粒缺陷時(shí)，測(cè)量信號(hào)的幅值與測(cè)量速度在一定區(qū)域內(nèi)呈線性關(guān)系。由此可知，在測(cè)量500 μm 以上量級(jí)的微顆粒缺陷時(shí)，測(cè)量速度對(duì)測(cè)量信號(hào)的獲取起著重要的作用。

圖3 不同測(cè)量速度時(shí)等距圓盤試樣測(cè)量結(jié)果

圖4 測(cè)量信號(hào)幅值與速度關(guān)系

非等距缺陷圓銅盤試樣在0.4、0.6、0.8、1.1 m/s 4 種速度條件下的測(cè)量結(jié)果如圖5 所示。在設(shè)定條件下，新型渦流檢測(cè)法可以檢測(cè)出?= 100 μm 的微顆粒缺陷。對(duì)于圖5 中4 組測(cè)量信號(hào)，經(jīng)計(jì)算，各組測(cè)量信號(hào)與待測(cè)試樣預(yù)制非等距缺陷位置相吻合，僅在圖5（b）測(cè)量條件下，新型渦流檢測(cè)法能測(cè)量到?= 100 μm 的微顆粒缺陷，其他測(cè)量條件下，可測(cè)量出150、200 μm 的微顆粒缺陷。

圖5 不同測(cè)量速度下非等距圓盤試樣測(cè)量結(jié)果

由圖6 可知，在測(cè)量小于200 μm 量級(jí)的微顆粒缺陷時(shí)，較高的測(cè)量速度不利于微小缺陷所引起磁場(chǎng)變化被測(cè)量單元所探測(cè)，因此在該種測(cè)量要求下，測(cè)量系統(tǒng)整體的穩(wěn)定性應(yīng)優(yōu)先于測(cè)量速度。

圖6 測(cè)量信號(hào)幅值與速度關(guān)系

綜上所述，可以得出利用永磁體作為激勵(lì)源的新型渦流檢測(cè)法在接觸線生產(chǎn)端檢測(cè)缺陷的可行性。針對(duì)測(cè)量結(jié)果中存在著與測(cè)量信號(hào)脈沖幅值較為相似的電勢(shì)波動(dòng)，這種情況在圖5 所示4 組測(cè)量信號(hào)中尤為明顯，這主要是直流電機(jī)與銅圓盤試樣的同軸度以及銅圓盤試樣自身圓度等因素所引起，這些因素將在后續(xù)實(shí)驗(yàn)中加以改進(jìn)完善，以提高測(cè)量信號(hào)的信噪比。

3 結(jié)論

（1）上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，新型渦流檢測(cè)法在銅合金接觸線生產(chǎn)環(huán)節(jié)缺陷檢測(cè)中的應(yīng)用是可行的，現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)條件下可檢測(cè)到最小?= 100 μm 量級(jí)的微顆粒缺陷；

（2）新型渦流檢測(cè)法在檢測(cè)不同尺寸的微顆粒缺陷時(shí)，測(cè)量系統(tǒng)整體穩(wěn)定性與測(cè)量速度之間具有不同的優(yōu)先級(jí)，這兩種測(cè)量因素之間的側(cè)重選擇是測(cè)量信號(hào)成功獲取的重要組成部分；

（3）新型渦流檢測(cè)法測(cè)量裝置簡(jiǎn)單可靠，脈沖信號(hào)可更加直觀反映缺陷相關(guān)信息，為實(shí)現(xiàn)銅合金接觸線生產(chǎn)過程的高效在線檢測(cè)提供了一種可借鑒的方法。