基于动生涡电流的钢轨高速电磁无损检测方法与机理研究

The existing nondestructive testing technologies and methods for both inside and outside defects of rail can’t match the train operation (with the speed of 200~350km/h), resulting in the low-speed testing way with a low transport efficiency. As a result, a novel electromagnetic nondestructive testing principle and method in hi-speed for metallic materials based on eddy current is proposed: the eddy current in the specimen is generated by the relative movement between the metal specimen and magnetic field, then, the perturbation of the eddy current loop and further its magnetic field will be caused by the defect, which can be detected by magnetic sensors. Firstly, based on Lenz's law and boundary conditions of electromagnetic field, by building the three-dimensional dynamic electromagnetic simulation method and hi-speed testing platform, the influence mechanism between the defects, the perturbation of the eddy current loop and its magnetic field is studied, together with the novel testing principle. Finally, according to the structural characteristics of the rail and defects, the testing method for rail based on eddy current is established. Because eddy current is distributed in the whole body of the specimen and proportional to the moving speed, resulting in a higher sensitivity for both inside and outside defects when the inspection is performed in a higher speed, significant to realization of the hi-speed testing for the rail and other metal specimens.

实现运行速度（200~350km/h）下的钢轨内/外缺陷全面探伤，现有的无损检测技术和方法均有难度，常用的低速巡检方式严重影响了钢轨运输效率。为此，提出一种基于动生涡电流的金属高速电磁无损检测原理与方法：利用金属切割磁力线产生的动生涡电流作为自发式激励，裂纹等缺陷会引起涡电流环路传导畸变，并在试件表面形成可探测的扰动电磁场。基于楞次定律和电磁场边界条件，采用三维动态电磁仿真和高速检测实验等手段，首先研究金属体内动生涡电流的分布规律、缺陷对涡电流环路的作用机制和试件表面扰动电磁场的生成机理，然后进一步阐明基于动生涡电流的无损检测原理，最后根据钢轨结构和缺陷特征，建立基于动生涡电流的钢轨高速电磁无损检测方法。分布于金属构件整体截面空间的涡电流激励在更高的探伤速度下会产生更高的内/外缺陷探伤灵敏度，对实现钢轨和其他金属构件的全面高速无损检测具有重要的理论意义和实用价值。

实现运行速度（200~350km/h）下的钢轨内/外缺陷全面探伤，现有的无损检测技术和方法均有难度，常用的低速巡检方式严重影响了钢轨运输效率。为此，本项目提出了一种基于动生涡电流的金属高速电磁无损检测原理与方法。针对新方法中的高速运动状态下铁磁体内涡电流环路分布模型、缺陷导致的动生涡电流环路传导畸变机制、涡电流环路畸变引起的试件表面扰动电磁场生成机理三大关键科学问题，本项目开展了金属体内动生涡电流环路分布、缺陷对动生涡电流环路传导的作用机制、涡电流环路畸变引起的试件表面扰动电磁场生成规律、以及钢轨高速无损检测技术与方法研究，并获得了以下重要研究成果：.⑴为研究超高速钢轨检测过程中的电磁热现象，利用旋转运动代替直线运动，研制了线速度为678Km/h的超高转速动生涡流检测实验平台; ⑵通过理论计算、仿真和实验，研究了轴向和周向磁化下金属构件内部动生涡流的三维空间分布及其对铁磁构件的动态磁化影响，发现动生涡流对试件内外部缺陷形成了不同的影响机制，揭示了多维磁化下动生涡电流分布及其与缺陷相互作用机理；⑶ 基于理论研究成果，针对钢轨、钢管、钢板提出了多维磁场激励方法，实现了不同形态和走向缺陷的全覆盖检测；⑷ 针对钢轨高速高精检测需求，在分析被测构件几何形状、缺陷形态、传感器扫查姿态对检测信号的影响基础上，基于高磁导率材料的磁引导效应，提出了基于磁引导的微观缺陷大提离高精电磁传感方法；⑸ 此外，根据研究过程中发现的动生涡流热效应，提出了基于动生涡流激励的电磁热多物理场耦合检测方法。.本项目学术成果包括：⑴申请发明专利10项，已授权4项；⑵ 发表学术专著1部；⑶第一作者或通讯作者发表高质量SCI论文14篇。本项目获得动生涡流钢轨高速检测研究成果已应用于国家自然科学基金重大科学仪器开发专项“钢轨接触疲劳及裂纹多物理高速巡检监测技术攻关和仪器研发”中，主要包括钢轨高速检测的电磁传感器设计以及高速热成像检测的激励应用。