车轴磁粉探伤机退磁系统的研究及改进

刘子硕

摘要：通过对车轴荧光磁粉探伤磁化原理及过程的研究，尽可能减少交流电退磁后对车轴剩磁量的影响，最终目标将剩磁量由原来的4~4.5GS，降低至0.5-1.5GS，同时消除因剩磁量超限车轴返工的问题，提探伤效率，探伤作业后的车轴尽可能低的消除剩磁量，确保行车安全质量。

关键词：磁粉探伤 剩磁量 换向退磁 交流接触器

根据2021年度在国铁集团机辆工作会议上提出的“核心技术要领掌握还不充分，工装设备水平和检测试验手段需要进一步补强。”的要求，针对荧光磁粉探伤机退磁系统深入研究及改进。

一、研究背景及现状

轮对作为铁路货车关键走行部位，是铁路行车质量安全的重要组成部分，承载着铁路货车安全重担，对于轮对来说最大的安全质量隐患便是裂纹，尤其在车轴应力集中部位更是裂纹易发区域，如果不能及时发现车轴裂纹，将对列车行车造成巨大安全隐患，最终导致车辆事故的发生。所以探伤作业对轮对质量安全起到了保障性作用。为了不断提高探伤行业质量检测水平，通过研究探伤作业机理，更新完善探伤设备，才能持续推动探伤行业发展。

随着我国科技不断进步，磁粉探伤机的研制已经达到了一定的高度，高精端检测仪器的使用和微机数字化信息的处理提升了探伤机整体探伤质量，但在现场使用中还存在一些不足，磁粉探伤机探伤工件时为了更清晰检查出裂纹，必须对工件进行磁化，待探伤作业后对工件进行退磁处理，经过对现场车轴磁粉探伤机磁化、退磁后测量的数据采集发现，大部分探伤后的车轴依旧存在4-5GS剩磁量，《铁路货车轮轴组装检修及管理规则》中规定磁化探伤后的车轴经退磁后车轴剩磁≤5Gs，现场车轴退磁后剩磁量接近限度值，存在安全质量隐患。剩磁危害较大，剩磁量越大越容易吸附铁屑、磁粉及磁性粉尘，导致压装轴承后容易出现热轴、轴承卡滞等涉及轴承质量问题，影响行车质量安全。结合这一轮轴探伤现状，我们对车轴荧光磁粉探伤机的磁化及退磁机理进行分析，研究制定措施，将车轴探伤退磁后的剩磁量尽可能减少。

二、车轴磁化过程研究

（一）车轴荧光磁粉探伤机探伤作业原理

磁化是磁粉探伤作业比较重要的一个环节，磁力线是形象描绘磁场分布的一些曲线，磁力线具有连续性，当铁磁性工件被磁化后，也具有连续的磁线特性，铁磁性材质在被磁化后，其本身所产生的磁力线也保持着这种特性，所以对于内部没有缺陷的工件来说，其磁力线均匀的延工件形状展开，工件的磁极也是在磁化的两端产生，但如果工件材料有缺陷(如裂纹、夹渣、气孔等)，则磁化时会在缺陷部位形成“漏磁场”，工件上就会形成更多的磁极，而且磁极产生的部位在缺陷的两侧，磁力线的密度在这里也会增加，如果将磁粉(或磁悬液) 喷淋或涂撒到裂纹缺陷的周围，由于受磁力线密度强度的影响，在缺陷处形成明显可见的磁粉堆积，磁粉堆积形状就是裂纹等缺陷的形状。车轴荧光磁粉探伤机的检测原理就是利用了铁磁性材料在磁化后裂纹区域会形成更多磁极的现象来检测工件的，当检测车轴的表面和近表面有裂纹等缺陷时，这个部位产生磁极且磁力线在此集中，通过磁悬液喷淋到车轴的外表面，根据荧光磁粉的特性，在紫外线灯的照射下将发出荧色亮光，正常工件上的光点是均匀的，而缺陷处受磁极和磁力线集中影响，磁粉将在缺陷处堆积，因此缺陷处便清晰可见了，这种检测铁磁性材料缺陷的方法被广泛的应用在了焊缝检测和铁磁材料的检测。车轴荧光磁粉探伤机采用的是复合式磁化方式，即纵向磁化和周向磁化，这样就能全方位检测车轴的裂纹情况，且设计生产是流水线式作业，为设计合理采用通过式，即将车轴通过输送装置送到探伤机内，然后探伤完毕后输送到下一个工位。

（二）车轴磁化过程分析

对于特定的磁化物质而言电流越大磁化量也越大，但物体的形状、温度、阻值等对于磁化量的影响也是十分巨大的，所以对于车轴磁化量的研究，要求环境温度10-30摄氏度，空气湿度不大于80%，还要考虑车轴除通电电流以外的其他物理因素对磁化量的影响。

根据铁磁材料的磁特性分析，铁磁材料一般可分为：硬磁材料、软磁材料和矩磁材料这三种，硬磁材料：是矫顽力大于102A/m的铁磁材料，它被磁化后，磁滞回线的面积大，也就是剩磁量比较大。软磁材料：软磁材料和硬磁材料相反，它的矫顽力较小，这样它也就易被磁化，但磁化后的剩磁量较小，它的磁滞回线面积的形状是窄而细长。矩磁材质：矩磁材料的矫顽磁力较小，如果矩磁材料被磁化，其剩余磁感应强度接近于饱和值Bm。若在外部磁场的方向有规律变化的情况下被磁化，其磁感应强度B总是处于Bm和-Bm之间的剩磁状态^[2]。

三、车轴磁粉探伤机退磁系统的改进原理及措施

改进退磁系统的机理

磁粉探伤使用的电源形式有两种，一种用直流电磁化，另一种用交流电磁化。磁化时用什么电源，退磁时使用同样的电源来退磁。退磁时需要消除铁磁材料的磁矫顽力，直流电退磁时，在减弱电流值的同时，需要不断的改变电流的方向。交流电的方向自身是不断变化的，所以在退磁时只需要改变电流的大小即可，但交流电由于有趋肤效应的存在，对于像铁路货车车轴这样的大尺寸工件而言，退磁后，工件上仍然还有较大的剩磁量。我们通过实验测试发现，普通交流退磁后，货车车轴的剩磁量在4-5GS，过大的剩磁量对于铁路货车的行车安全有极大的危害，滚动轴承在磁场中运动会产生感应电流，感应电流的存在会使货车滚动轴承间的动压油膜遭到破坏，进而造成热轴等行车安全事故的发生。因此尽可能减少车轴的剩磁量是保证货车行车安全的重要保障。

去剩磁的关键就是要打乱铁磁材料磁化时被有序排列的磁畴方向，使其恢复到无序的杂乱状态，这样就达到了磁中性状态，退磁也可以看做是磁化的逆过程。打乱铁磁材料磁畴排布的方法有多种，常见的方式方法有热处理退磁、机械振动退磁、反转磁场退磁，车轴荧光磁粉探伤作业使用的退磁方法为反转磁场退磁，反向退磁是给带有磁性的铁磁性材料增加与其磁性相反的磁力，使其内部的磁畴达到无序状态。反向退磁的方法主要有两种，即交流退磁法和直流退磁，交流电退磁法是在工业生产中最常见的退磁方式，车轴荧光磁粉探伤机采用的是交流退磁方法，所用的是380V、50HZ的交流电，由于交流电的方向是不断变换的，所以退磁时只需要慢慢降低交流电的电流电压值，就可以将铁磁材料的剩磁量降低，但是交流退磁法存在这样一个弱点，那就是趋肤效应，且对于像车轴这样的大尺寸工件，因为趋肤效应的影响很难彻底清除退掉工件内部的剩磁，针对这一难题，通过分析退磁原理，发现使用与磁化时反向的交流电退磁可以减弱趋肤效应，就可以解决这一问题。由于交流电的方向和幅值随时间呈周期性正弦波不断的变换，可以通过采集交变电过零点的时间^[3]，在此基础上延迟触发信号的输出，控制退磁电路导通的时间，进而实现退磁电路在交流电不同的相位导通，这样就实现了退磁交流电流的交替衰减，并在退磁线圈中产生了交替衰减变化的退磁磁场为工件退磁。

1. 中国机械工程学会无损检测分会编.射线检测 .北京：机械工程出版社，2004.

2. 田民波.磁性材料「M].北京:清华大学出版社，2001

3. 郎九梅.退磁装置的改进原理〔J〕试验技术与试验机，2001, 41: 1-2；