地铁垂向减震器座铆钉气隙的远场涡流检测研究

丁鹏程 1袁 孟 鹤 2袁 赵佳佳 2袁 宋 凯 1（1. 南昌航空大学无损检测技术教育部重点试验室，江西 南昌 330063；

2. 南京南车浦镇城轨车辆有限责任公司，江苏 南京 210031）

摘 要院针对在役铆钉气隙受铆钉或者工件遮挡造成难以有效检测与定量评估的问题，建立 ANSYS 有限元仿真三

维模型，开展垂向减震器座铆钉气隙的远场涡流检测仿真与试验研究。研究结果表明：有效电磁场可渗入铆钉孔约

10mm 深处，具有检测深度深，灵敏度高的优点；提出定量表征气隙的最优特征量，在检测信号的幅值、相位、实部、虚

部这 4 个特征量中，信号虚部分量与铆钉气隙的线性相关系数高达 0.999，最能表征气隙。试验测试结果与仿真结论

相吻合，规律一致，证明研究成果的可信性。

关键词院远场涡流；铆钉；气隙；虚部

文献标志码院A 文章编号院1674-5124渊2017冤02-0134-05

Remote field eddy current testing research of vertical absorber seatrail rivet hole gap in metro

DING Pengcheng1，MENG He2，ZHAO Jiajia2，SONG Kai1（1. Key Laboratory of Nondestructive Test of Ministry of Education，Nanchang Hangkong University，

Nanchang 330063，China；2. CSR Nanjing Puzhen Co.，Ltd.，Nanjing 210031，China）

Abstract: Vertical absorber seat rail rivet hole gap in metro causes rivet loose easily， whichendangers metro safety. Testing rail rivet hole gap of in service rivet was difficult because of theocclusion of rivet or workpiece. For this difficulty，this paper studied the remote field eddy currenttesting simulation of rail rivet hole gap. The results show that effective electromagnetic field canreach 10 mm deep below rivet ensure high sensitivity. Imaginary part can characterize gap betterthan amplitude，phase and real part for it’s linear correlation is 0.999. The experimental datatally with the simulation that proves reliable results.Keywords: remote field eddy current；rivet；rail rivet hole gap；imaginary part

收稿日期院2016-03-12曰收到修改稿日期院2016-05-11基金项目院国家自然科学基金渊51265041冤

无损检测技术教育部重点实验室基金

渊ZD201329005冤江西省研究生创新专项基金渊YC2014-S401冤

作者简介：丁鹏程渊1988-冤袁男袁江西赣州市人袁硕士研究生袁专业方向为电磁无损检测遥

0 引 言地铁的垂向减震器座在铆接时袁由于存在铆接误

差与应力集中袁使得铆接初期挤压较为严密袁从而表

现出铆接质量较好袁然而车辆运行时在疲劳载荷的

作用下袁铆接配合发生变化袁产生铆钉气隙袁造成早

期疲劳损失袁导致垂向减震器座的铆钉发生松动袁给列车带来安全隐患遥 在役铆钉气隙受铆钉或者工件

中国测试CHINA MEASUREMENT & TEST Vol.43 No.2February，2017第 43 卷第 2 期2017 年 2 月

doi院10.11857/j.issn.1674-5124.2017.02.027

第 43 卷第 2 期

遮挡袁难以有效检测与定量评估遥传统测量铆钉气隙的方法是利用卡规人工测量

气隙大小袁其工作强度大袁测量的精度与工作人员的

经验水平有相当大的关系袁存在着不确定性袁且对气

隙无法动态监测袁测量数据不易电子存储遥为减小人工测量误差袁降低劳动强度袁提高运营

可靠性袁实现对铆钉气隙的动态监测袁有必要为此引

进一种新的无损检测方法袁实现对铆钉质量的智能

检测遥在役铆钉的无损检测技术主要有超声爬波法和

脉冲涡流法遥支文琪[1]用超声爬波法对铆钉表面裂纹

进行超声成像袁实现了铆钉内外壁裂纹的检测与定

位曰Aldrin[2]分析了横波的入射角与振动方向对螺旋

爬波的影响袁证明了螺旋爬波衰减大袁无法远距离

传播曰Yang 等 [3-4]设计了一种双激励探头袁对比了铝

钢异质铆钉周裂纹的信号差异袁采用图像融合技术

实现了钢质铆钉周向裂纹的检测曰杨宾峰等 [5-7]采用

脉冲涡流技术对铆钉裂纹进行检测袁得到了缺陷位

置和大小与检测特征量之间的关系曰吴少文[8]设计了

脉冲涡流检测系统袁采用脉冲涡流法对铆钉裂纹和

腐蚀坑缺陷进行检测袁并对检测信号以及提离效应

进行研究曰邹国辉等[9-10]针对铆钉周边裂纹设计了一

款新型脉冲涡流传感器袁优化了参数的选取袁提高脉

冲涡流法检测铆钉裂纹的检测灵敏度曰 在信号处理

方面袁李岩松[11]研究铆钉缺陷脉冲涡流信号的频域特

征袁用于缺陷种类的识别遥综上袁超声爬波法和脉冲涡流法袁达到了一定的

检测效果但也存在诸多问题袁主要集中在两个方面院1冤超声爬波法检测铆钉袁利用的是螺旋传播式的瑞

利表面波袁因此存在极大的衰减且只能检测表面缺

陷曰2冤脉冲涡流法检测铆钉袁受趋肤效应影响袁只能

检测近表面气隙袁对深层气隙无能为力遥本文开展铆钉气隙的远场涡流检测技术渊re鄄

mote field eddy current testing袁RFECT冤仿真与试验

研究袁以地铁铆钉为对研究对象袁建立了 ANSYS 有

限元仿真三维模型袁分析了电磁场耦合能量分布袁实现了对铆钉气隙的检测袁提出了表征气隙的特征量袁最后通过试验验证了结论的正确性遥1 铆钉气隙的 RFECT机理

如图 1 所示为地铁垂向减震器座的实体结构袁由 14 个铆钉将钢质垂向减震器座和铝质车边梁铆

接在一起遥当铆接不合格时袁铆钉与铆钉孔之间存在

铆钉气隙遥考虑到各个铆钉属性一致袁铆钉之间相距较远袁

使用 RFECT检测某个铆钉时袁对其他铆钉没有影响遥

因此对单个铆钉及其邻近区域而言袁等效于该铆钉将

钢板和铝板铆接在一起遥为方便建立模型袁实体结构

可简化为含单个铆钉的双层铆接板结构袁如图 1 右

上角所示遥如图 2 所示为地铁铆钉孔气隙的 RFECT 检测

机理示意图渊剖面图冤袁激励线圈套在铆钉上袁与铆钉

呈同轴放置袁保证对铆钉的激励效果袁激励线圈外围

依次包裹着屏蔽层和检测线圈袁两者均与铆钉呈同

轴放置遥当给激励线圈通以低频交流电时袁在激励线

圈周围将感生出涡流袁涡流将沿着两条路径传播袁一条为直接传递给检测线圈的直接耦合路径袁另一条是

依次穿过铆钉尧铆钉气隙尧铝板尧钢板的间接耦合路

径袁由于屏蔽层的存在直接耦合路径被阻断袁感生涡

流只能通过间接耦合路径到达检测线圈袁此时检测

线圈拾取穿过铆钉又折回到上方的涡流信号袁携带

了铆钉的固有信息袁可以反应铆钉的导电袁导磁特性

以及铆钉的损伤和铆接特性袁通过分析此涡流信号

就可以有效检测铆钉缺陷和气隙遥

铆钉

车边梁

垂向减震器座

钢板 铝板铆钉

图 1 地铁垂向减震器座实体结构

激励线圈

铆钉

屏蔽层 检测线圈

钢板

铝板气隙间接耦合涡流

直接耦合涡流

图 2 地铁铆钉孔气隙的 RFECT 机理

丁鹏程等：地铁垂向减震器座铆钉气隙的远场涡流检测研究 135

中国测试 2017 年 2 月

2 仿真模型图 3 为垂向减震器座铆钉气隙的 RFECT 仿真

模型遥地铁铆钉 RFECT 仿真模型主要由钢板尧铝板尧铆钉尧气隙尧激励线圈袁屏蔽层以及检测线圈构成遥计算实例参数见表 1袁表中 r1 为激励线圈内径袁r2 为激

励线圈外径袁R1 为检测线圈内径袁R2 检测线圈外径袁h 为线圈高度袁n 为线圈匝数袁Q 为提离距离袁G 为

气隙大小袁L 为铆钉长度袁D 为铆钉直径袁滓 为铆钉电

导率袁滋r 为铆钉相对磁导率袁I 为激励电流袁f 为激励

频率遥

网格质量的好坏直接影响着仿真结果的准确性

与精确性袁为保证网格质量袁进行网格离散化处理袁磁场变化最剧烈的铆钉气隙和铆钉处区域网格剖分

最密袁远场区空气域的网格最疏袁网格由密到疏的过

渡保证单元尺寸比例逸1/3袁这样既能保证铆钉跟双

层铆接板的计算精度袁又可以减少网格数量袁提高计

算效率遥3 仿真研究及结果分析3.1 气隙中磁场强度分布

在涡流检测中袁线圈和导体试样通过电磁场进

行耦合袁传递信息遥 当激励频率为 100 Hz袁激励电流

为 50 mA 时袁大小分别为 0.2 mm 和 4 mm 气隙上磁

场强度 H 分布袁如图 4 所示遥 由于线圈均垂直于气

隙放置袁因此磁场强度的分布类似袁但最大值却不

同 H0.2=1 067.78 A/m袁H4=937.719 A/m遥 与 4 mm 气隙

相比袁0.2 mm 气隙体积较小袁能量分布更集中袁因此

电磁场耦合作用更强遥 此外有效电磁场强度均分布

在铆钉下 10mm 处袁电磁场能量的深入袁使得远场涡

流法具有检测近表面气隙和深层气隙的优点袁保证

了对铆钉的检测效果遥

3.2 气隙对检测信号的影响

当激励频率为 100Hz袁激励电流为 50 mA 下袁改变气隙大小渊0.2~4.0mm冤袁得到气隙与检测信号实部尧虚部尧幅值尧相位的关系曲线袁如图 5 所示遥如图 5渊a冤所示检测信号实部和虚部随气隙的变化袁可见气隙

为从 0.2mm 变化到 4.0 mm 时袁虚部由 7.27 mV 逐渐

增到 10.12 mV袁变化幅度大曰随着气隙的增大袁实部

先增大后减小袁且变化缓慢幅度小遥 图 5渊b冤所示为

检测信号幅值尧相位与气隙的对应关系袁气隙为

0.2~4.0mm 时袁检测信号的幅值为 9.6~12.2mV曰气隙

为 0.2~4.0 mm 时袁检测信号的相位呈现出先缓慢增

长后剧增的变化规律遥 当气隙在 0.2~1.2mm 与 3.0~4.0mm 之间同样变化 1mm袁前者导致的相位变化量

仅为 2%袁后者却为 5%袁这说明对应不同区间段气

隙袁曲线检测灵敏度不一致遥3.3 结果分析

将数据进行线性拟合袁得到实部尧虚部尧幅值

钢板铝板

屏蔽层

检测线圈

激励线圈

铆钉

气隙

图 3 仿真模型

参数 数值 参数 数值

r1/mm 10 L/mm 37r2/mm 15 D/mm 9.5h/mm 6 滓/渊S窑m-1冤 5.5伊106

n 200 滋r 80Q/mm 0.5 I/mA 50G/mm 0.2~4.0 f/Hz 100R1/mm 20 R2/mm 25

表 1 仿真参数

图 4 电磁场分布

1.145 18178.918356.691534.464

1 067.78890.009712.237

渊a冤0.2mm气隙

H/渊A窑m-1冤

937.719788.887640.056491.225342.393193.56244.730 6

渊b冤4mm气隙

H/渊A窑m-1冤

136

第 43 卷第 2 期

实部虚部

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0气隙/mm

6.06.57.07.58.08.59.09.5

10.010.5

渊a冤检测信号实部和虚部随气隙尺寸的变化曲线

相位

幅值

12.512.011.511.010.510.09.5

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0气隙/mm

4950515253545556

渊b冤检测信号幅值和相位随气隙尺寸变化的曲线

图 5 仿真结果

以及相位的变化幅度 驻A尧检测灵敏度 K 及相关系

数 r2袁比较四者的表征效果如表 2 所示遥可以看出袁实部的变化幅度尧检测灵敏度及相关

系数最低袁首先排除实部表征气隙曰相位虽然具有

最大的变化幅度与检测灵敏度袁但是对应不同区间

段气隙袁相位检测灵敏度不一致袁特别是对于微小气

隙的检测灵敏度低袁相位亦不适合表征气隙曰对比虚

部和幅值袁发现虚部的变化幅度尧检测灵敏度及相

关系数这 3 个关键指标均优于幅值袁因此建议用虚

部来表征气隙的大小遥4 试验验证及可信性分析

为证明仿真结果的正确性袁特地用一个铆钉气

隙的远场涡流检测试验进行验证袁检测参数如表 3所示遥 被测试样是地铁垂向减震器座与车边梁的铆

接结构件袁加工大小为 0.2 mm 以及 0.7 mm 的气隙

各 14 个袁因此每个数据都是经过 14 次重复实验得

出的结果袁结果具有重复性和代表性遥试验检测图如

图 6 所示袁试验结果如图 7 所示遥可以看出试验结果与仿真结果具有相同的变化

规律即随着气隙的增大虚部的变化幅度大袁实部变

化缓慢袁幅度小遥由于试验结果是仪器经过放大处理

后的数据袁加上试验条件存在噪声和干扰袁数值上不

可能与仿真完全一致袁但相同的变化规律足以说明

仿真的正确性遥5 结束语

以地铁垂向减震器座为对研究对象袁建立了气

隙远场涡流检测的有限元仿真三维模型袁分析了电

磁场耦合能量分布袁实现对铆钉孔气隙的检测袁提出

了表征气隙的特征量袁最后通过试验验证结论的正

确性遥 得到如下结论院

表征参数 驻A K r2

虚部 2.85 0.76 0.999实部 0.60 0.16 0.795幅值 2.60 0.69 0.998相位 6.60 1.78 0.977

表 2 不同表征参数下的 驻A尧K 值尧r2 值

驱动频率院0.100 kHz 参考电流院0.00mA 驱动电流院50.00mA采样频率院100Hz 前放增益院30 dB 后放增益院20 dB

表 3 试验参数

图 6 试验测试

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0气隙/mm

020406080

100120 实部

虚部

图 7 试验结果

丁鹏程等：地铁垂向减震器座铆钉气隙的远场涡流检测研究 137

中国测试 2017 年 2 月

析遥 可以看出袁SCZT 的分段处理可以准确测量频率

动态变化信号袁频率测量最大相对误差约0.0047%袁幅值测量最大相对误差约0.25%遥4 结束语

在瞬时 EMI 测量中袁采用 FFT-SCZT组合算法具

有如下优点院1冤对 EMI 辐射较大的频谱袁SCZT 算法具有分

辨率尧中心频段尧带宽可定义的特点袁频率分辨力与

实时性均优于 FFT遥2冤FFT 对整个频带进行初扫袁确定需要细分的

频带袁SCZT 算法用来对受关注的频段进行细分袁以提高频率分辨率遥

3冤FFT-SCZT 组合算法可准确测量幅值动态变

化尧频率动态变化信号袁幅值动态变化的频率尧幅值

测量相对误差分别小于 0.004 5%尧2.4%袁频率动态变

化信号的频率尧幅值测量相对误差分别小于 0.0047%尧0.25%遥

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渊编辑院李妮冤

渊上接第 112 页冤

1冤大小分别为 0.2 mm 和 4 mm 气隙上磁场强

度 H 分布类似袁但最大值不同 H0.2=1 067.78 A/m袁H4=937.719A/m袁此外有效电磁场强度均分布在铆钉

下约 10mm 处袁电磁场能量的深入袁保证了远场涡流

法具有检测近表面气隙和深层气隙的优点遥2冤气隙为 0.2~4.0 mm 时袁虚部的变化幅度为

2.6mV袁检测灵敏度为 0.76袁线性相关系数高达 0.999袁利用此特征量能较好地实现气隙的表征袁建议采用

虚部来表征气隙的大小遥3冤试验测试结果与仿真结论相吻合袁规律一致袁

证明研究成果的可信性遥参考文献

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渊编辑院李妮冤

138