退磁场及夹具长度对车轴纵向磁化效果的影响.pdf
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1、第 43 卷第 4 期2023 年 8 月铁 道 机 车 车 辆RAILWAY LOCOMOTIVE&CARVol.43 No.42023Aug.退磁场及夹具长度对车轴纵向磁化效果的影响李立凡1,黄永巍2,胡祺昆2(1 中国铁道科学研究院 研究生部,北京 100081;2 中国铁道科学研究院集团有限公司 金属及化学研究所,北京 100081)摘 要 为了研究机车车辆车轴磁粉探伤纵向磁化时退磁场的影响,依据磁荷理论,对与车轴几何形状近似相同的圆柱体钢棒表面退磁因子进行了推导,得到了退磁场在圆柱体钢棒表面的分布规律,并通过实物磁化试验进行了验证。针对车轴磁粉探伤时退磁场影响车轴两端探伤效果的现象,
2、提出了利用车轴磁粉探伤机的夹具消除退磁场影响的方案,并验证了该方案的可行性,得到了车轴磁粉探伤机夹具合理的长度范围。关键词 车轴;纵向磁化;退磁因子;夹具长度中图分类号:U279.4 文献标志码:A doi:10.3969/j.issn.1008-7842.2023.04.15磁粉探伤作为机车车辆探伤领域常用探伤方法之一,其原理是利用被磁化的铁磁性工件因表面或近表面裂纹等不连续性缺陷,使磁力线发生局部畸变而产生的漏磁场吸附施加于工件表面的磁粉,从而形成放大缺陷的磁痕。磁粉探伤能否成功检出缺陷就取决于被探工件在缺陷部位的漏磁场是否达到足够的磁场强度。在对车轴进行磁粉探伤时,需要对车轴通电进行周向
3、磁化以检测轴向缺陷,并通过外加轴向磁场对车轴进行纵向磁化以检测周向缺陷。车轴等轴类工件在外磁场中纵向磁化时会产生与外加磁场方向相反的磁场,称为退磁场,退磁场的存在会减弱外加磁场对检测工件的磁化效果。窦华梅分析了由于退磁场的影响,导致某轴型超高强度钢零件在进行纵向磁化磁粉探伤时磁痕显示不清晰的情况,但未进一步对退磁场的大小以及对工件表面磁场强度的分布规律进行计算和探究1。文中研究发现退磁场在车轴表面呈现两端大中间小的分布情况,导致车轴两端的磁场强度低于车轴中间部位的磁场强度,这可能会致使车轴两端磁场强度达不到要求而造成缺陷漏检。夹具作为车轴磁粉探伤机的重要组成构件,其主要作用为夹紧固定车轴,并传
4、导电流通过车轴,对车轴进行周向磁化。研究发现,作为车轴的延长块,夹具还能消除或减弱退磁场对车轴纵向磁化的影响,其效果取决于夹具长度。目前车轴磁粉探伤机夹具长度对纵向磁化时车轴两端磁场强度的影响未有研究,推导计算并通过试验验证了车轴表面退磁因子以及退磁场的分布规律并结合车轴磁粉探伤的实际情况提出了合理的夹具长度范围。1 车轴表面退磁因子的计算与试验验证 1.1磁场理论对于磁场的产生,物理学有 2 种理论:分子电流理论和磁荷理论。在分子电流理论中,磁介质的微观基本单元由环形电流产生的“磁分子”;在磁荷理论中,磁介质的基本单元为磁偶极子。这 2种理论虽然以不同的微观模型对磁场的产生进行解释,但二者均
5、服从高斯定理和安培环路定理等基础电磁学定理,这也保证了 2 种理论的宏观结论是等效的2。在解释退磁场的产生时,相较于分子文章编号:1008-7842(2023)04-0088-06引用格式:李立凡,黄永巍,胡祺昆.退磁场及夹具长度对车轴纵向磁化效果的影响J.铁道机车车辆,2023,43(4):88-93.基金项目:中国铁路总公司科技研究开发计划(2017J003-G)第一作者:李立凡(1997-)男,硕士研究生(修回日期:2022-03-01)通信作者:黄永巍(1967-)男,研究员第 4 期退磁场及夹具长度对车轴纵向磁化效果的影响电流理论磁荷理论更为清晰简便,因此选用磁荷理论对退磁场进行研究
6、。1.2磁场表面退磁因子计算当车轴在磁场强度为 H0的外加磁场中沿轴向被磁化后,在车轴两端面会分别聚集正负磁荷,呈现出 N、S 磁极,从而产生磁场强度为 H附加磁场,在磁荷理论中磁场强度 H 对应于电场强度 E,从正磁荷(无限远处)出发终止于负磁荷(无限远处),因此在车轴中该附加磁场与外加磁场方向相反3,称为退磁场,如图 1 所示。空间各处的真实磁场强度 H 为外加磁场强度H0与退磁场强度 H的矢量和,为式(1):H=H0+H(1)通常情况下退磁场强度 H与磁化强度 M 的关系为式(2)4:H=-NM(2)式中:N 为退磁因子;M 为磁化强度。在理想情况下,认为整根车轴在外加磁场中被均匀磁化,
7、且将车轴模型化为长度为 L、半径为R 的圆柱体,如图 2 所示。按磁荷理论,被均匀磁化的车轴两端面上均匀地分布着异种磁荷,磁荷面密度为,根据磁化强度的定义,此时该圆柱的磁化强度 M 等于其磁荷面密度 5。计算均匀磁化圆柱体的两端面在圆柱外表面产生的退磁场的磁场强度需要先计算一个端面产生的退磁场的磁场强度,然后计算另一个端面产生的退磁场的磁场强度,再将两者进行矢量相加得出车轴表面退磁场的分布情况,建立如图 3 所示坐标系进行计算3。在端面上任意取一个小面元 dS,面元 dS 的面积为式(3):dS=rdrd(3)该面元所携带的磁荷为式(4):qm=dS=rdrd(4)计算其在圆柱表面任意一点 Q
8、 处所产生的磁场强度,Q 点的坐标为(0,r,z),则这一面元在 Q处产生的磁场强度为式(5):dH=qm4l2(5)其中 l 为面元 dS 到点 Q 的距离3,为式(6):l=()rcos2+()R-rsin2+z2(6)由于外加磁场方向为 Z 轴方向,因此对于退磁场 H,只需要考虑其沿 Z 轴的分量 Hz为式(7):Hz=Hcos=zHl(7)所以dHz为式(8):dHz=zqm4l3(8)对 dHz进行积分即可求得一个端面在点 Q 产生的磁场强度 Z 轴方向的分量为式(9):图 1外加磁场与退磁场在空间的分布情况图 3圆柱端面在圆柱外侧表面产生的退磁场计算坐标系图 2轴向均匀磁化的圆柱体
9、磁介质89铁 道 机 车 车 辆第 43 卷 Hz1=40R02rzddr()rcos2+()R-rsin2+z232(9)则另一端面在该点产生的磁场强度 Z 轴方向的分量为式(10):Hz2=40R02r()L-z ddr()rcos2+()R-rsin2+z232(10)则两端面在点 Q 产生的退磁场磁场的强度沿Z 轴方向分量为式(11):Hz总=40R02rzddr()rcos2+()R-rsin2+z232+40R02r()l-z ddr()rcos2+()R-rsin2+z232(11)根据磁化强度 M 的定义可以得知,式中的 即为磁化强度 M,故可知退磁因子沿 Z 轴方向的分量为式
10、(12):Nz=140R02rzddr()rcos2+()R-rsin2+z232+140R02r()l-z ddr()rcos2+()R-rsin2+(L-z)232(12)分析式(12)可以发现 Nz为 Q 点与圆柱端面的距离 z 以及 Q 点与圆柱轴线的距离 r 的函数,而影响函数图像的系数有 2 个:圆柱的长 L 以及圆柱的半径 R,为了使 L 和 R 对 Nz的影响更加统一,引入长 径 比k=LR,为 了 使 公 式 更 加 简 洁,令n=zR,=rR。对于确定的圆柱体而言,其半径 R 为定值,则n 和 就可以用来表示任意一点 Q 与圆柱端面的距离以及与距离轴线的距离。经 过 简 化
11、 所 求 圆 柱 体 表 面 退 磁 因 子 为式(13):Nz=140102ndd()cos2+()1-sin2+n232+140102()k-n dd()cos2+()1-sin2+(k-n)232(13)代入不同的 n 值即可得到圆柱体表面不同位置处退磁因子沿轴向的分量。对于大多数机车车辆车轴而言,其长径比 k20,因此几何形状与之相似的 k=20 的圆柱体钢棒表面退磁因子的计算结果可以大致说明车轴表面退磁因子的分布状况,如图 4 所示。由图 4 可以发现车轴表面任意一点的退磁因子的大小与该点距车轴端面的距离有关,整体呈现两端大中间小的趋势,在距离车轴两端约 15%的范围内为退磁场的主要
12、影响区域,该区域内退磁因子的值远大于中间部位退磁因子的值。1.3试验验证及数据分析为了验证计算结果的正确性,进行试验测量车轴磁粉探伤过程中纵向磁化时车轴表面的磁场强度沿轴向的分量。试验采用的车轴磁粉探伤机为 CJW-3000 型,使用的车轴长度为 2 180 mm,最大直径为轮座部位 199 mm,使用该车轴的机车型号为长征 2 型内燃机车。由磁场强度 H 的边值关系可知,在无传导电流的界面上磁场强度 H 的切向分量连续,即界面两侧磁场强度的切向分量相等2,因此车轴外表面与 车 轴 内 表 面 的 磁 场 强 度 的 切 向(轴 向)分 量 相等。在车轴上取 15 个测量点使用磁强计测量磁场强
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