磁记忆检测原理及其应用技术的研究

论文摘要

随着科学技术的快速发展,人们对产品质量的要求越来越高,构件的质量检测由常规的宏观缺陷检测发展到缺陷源的早期诊断。国外学者经过潜心研究,于二十世纪九十年代提出一种新的检测技术—磁记忆检测技术。与常规检测技术相比,磁记忆检测技术具有快速、无外加磁场及检测成本低等优点。但由于该技术发展历史短暂,从技术原理到检测装备研发,再到实际应用,还有许多问题尚待研究。本文结合中国南方机车车辆集团公司科技项目“磁记忆技术在铁道车辆重要件检测中应用研究”(2004 NCK 057),对磁记忆检测技术原理、装备研发及实际应用中的若干关键技术进行了理论与实际应用研究,深化了对磁记忆技术的理解和认识,开发了磁记忆检测装备和磁记忆检测数据分析系统软件,为磁记忆检测技术的实际应用提供了技术保证。磁记忆检测的原理实际上是磁弹性和磁机械效应共同作用的结果。依据铁磁学原理,探讨了地磁效应使铁磁构件产生磁性的机理,研究了铁磁构件在磁弹性及磁致伸缩效应的共同作用下产生磁记忆效应的机理。解释了磁记忆技术能够检测、确定构件缺陷及应力集中部位的原因。研究认为磁记忆检测技术是对铁磁构件进行早期诊断唯一行之有效的无损检测方法。基于磁记忆检测技术原理,设计了磁记忆检测装置的工作原理及内部结构组成。提出了既可以检测记录Hp (y)值,也能够记录漏磁场梯度变化|Kσ_Z|值的设计思路,方便了检测人员对检测构件的分析判断。另外,对检测装置的硬件电路和软件系统及检测探头分别进行了分析研究和设计,特别是对检测探头的关键组成——磁敏传感器进行了详细分析研究,最终设计制造出了磁记忆检测装置,并成功实现了产品化。结合磁记忆检测技术数据记录特征,并根据VB编程语言理论,开发了基于Microsoft Windows的迅速、简便、功能全面的磁记忆检测数据处理软件系统。该数据处理系统可以将数据记录导入特定的数据库,对数据记录进行方便的管理,还可以与通用的excel进行交互,最终将数据记录以直观形象的方式进行多种图表类型的显示,并可以进行一些数学的分析,为深入研究磁记忆技术的实际应用提供了科学工具,具有很大的实际应用价值。通过试验及实际应用研究、分析,认为对于特定构件,一定存在判断该构件存在缺陷或存在应力集中及潜在缺陷的漏磁场梯度|Kσ_Z|值,提出了以漏磁梯度|Kσ_Z|值作为判据来判断构件存在缺陷或应力集中及潜在缺陷的新方法。在对部分试样的应力状态进行ANSYS有限元分析后,进行了拉伸试验和磁记忆检测试验。并在不同缺陷试件、不同检测路径、不同检测方向、不同材质钢材对磁记忆检测影响的试验研究的基础上,归纳出了一些对实际应用非常有指导意义的结论,并对结论进行了理论分析研究。通过分析,认为构件的应力集中与应变会导致所在部位的漏磁场出现规律性的变化,即应力集中处漏磁场的梯度具有最大值,而且塑性较差、屈强比较高的材料更容易在缺陷处产生大的漏磁场梯度值|Kσ_Z|。另外,随着轴向拉伸力F的增大,试样缺陷处漏磁场的法向分量的最大值Hp(y)max减小,最大漏磁梯度|Kσ_Z|值减小,塑性变形后下降趋缓,但更为稳定。通过磁记忆技术在铁道机车车辆车轮辐板孔、钩体、钩舌、钩尾框等重要构件及焊缝检测中的应用研究,并与磁粉探伤、X—射线探伤及解剖结果进行了对比,建立了磁记忆检测与磁粉探伤、X—射线探伤检测结果对应关系。研究表明,当KσZ值分别≧50和≧100时,采用磁记忆技术检测辐板孔和车钩,其检测结果的准确度和可信度优于常规磁粉探伤方法;当|Kσ_Z|≧50时,采用磁记忆技术检测焊缝,其检测结果的准确度和可信度优于常规X—射线探伤方法,并对其进行了验证。同时验证了磁记忆检测技术在铁磁构件检测中的适用性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 常用无损检测技术概述
• 1.2.1 射线检测（Radiographic Testing，RT）
• 1.2.2 超声波检测（Ultrasonic Testing，UT）
• 1.2.3 磁粉检测（Magnetic particle Testing ， MT）
• 1.2.4 渗透检测（Penetrant Testing， PT）
• 1.2.5 涡流检测（Eddy current Testing, ET）
• 1.3 磁记忆无损检测的特点
• 1.4 磁记忆检测的研究现状
• 1.4.1 国外研究现状
• 1.4.2 国内研究现状
• 1.5 课题来源、意义和目的
• 1.6 本文主要研究内容
• 1.7 本章小结
• 2 磁记忆检测基础理论研究
• 2.1 引言
• 2.2 物质的磁性
• 2.2.1 物质的磁性慨述
• 2.2.2 物质磁性的分类
• 2.2.3 弱磁物质的磁化
• 2.2.4 铁磁物质的磁化
• 2.3 物质磁性的产生
• 2.3.1 宏观物质磁性产生
• 2.3.2 微观物质磁性产生
• 2.4 铁磁物质的磁化机理
• 2.4.1 铁磁物质的磁性特征
• 2.4.2 铁磁物质的磁化机理
• 2.5 铁磁物质的磁化效应
• 2.5.1 磁致伸缩效应
• 2.5.2 磁扭转效应及其逆效应
• 2.5.3 磁弹性效应
• 2.6 金属的力学特性
• 2.6.1 外力和内力
• 2.6.2 应力和应变
• 2.6.3 应力集中
• 2.6.4 位错
• 2.7 本章小结
• 3 磁记忆检测机理研究
• 3.1 序言
• 3.2 磁记忆检测原理
• 3.3 磁记忆的产生机理研究
• 3.3.1 地磁感应效应
• 3.3.2 磁弹性和磁致伸缩效应
• 3.3.3 磁记忆产生机理
• 3.4 本章小结
• 4 磁记忆检测装置研究
• 4.1 序言
• 4.2 磁记忆检测装置设计原理
• 4.3 磁记忆检测仪器结构及工作原理
• 4.4 磁记忆检测信号处理及控制系统设计
• 4.4.1 上位机软件系统设计
• 4.4.2 检测系统软件设计
• 4.5 磁记忆检测探头的研制
• 4.5.1 磁敏电阻的原理
• 4.5.2 磁敏电阻的材料及结构特性
• 4.5.3 磁敏电阻的基本应用电路
• 4.5.4 磁敏电阻型磁记忆传感器的研制
• 4.5.5 磁敏传感器滤波电路及消磁电路设计
• 4.5.6 磁记忆检测探头制作
• 4.6 仪器技术特点
• 4.6.1 仪器面板结构
• 4.6.2 仪器性能特点
• 4.7 本章小节
• 5 磁记忆检测数据分析系统开发
• 5.1 序言
• 5.2 系统总体结构
• 5.3 功能概述
• 5.4 功能实现
• 5.4.1 登录和验证码输入程序
• 5.4.2 主界面程序设计
• 5.4.3 数据操作窗口程序
• 5.4.4 添加和修改窗口程序
• 5.4.5 数据查询和导入EXCEL 程序
• 5.4.6 图表显示程序
• 5.4.7 公共模块
• 5.4.8 帮助文档的制作
• 5.5 功能使用说明
• 5.5.1 数据接收
• 5.5.2 记录操作
• 5.5.3 数据查询
• 5.5.4 图表显示
• 5.6 本章小结
• 6 磁记忆检测模拟研究及分析
• 6.1 序言
• 6.2 试验研究
• 6.2.1 研究目的
• 6.2.2 研究流程
• 6.2.3 试件材料
• 6.2.4 试件形状
• 6.2.5 研究内容
• 6.3 试验结果
• 6.3.1 部分缺口试样的ANSYS 应力模拟
• 6.3.2 非线性缺陷对磁记忆信号影响
• 6.3.3 线形缺陷对磁记忆信号影响
• 6.3.4 不同检测路径对磁记忆检测结果的影响
• 6.3.5 平行位置和垂直位置测量结果的比较
• 6.3.6 不同型号钢对磁记忆敏感性的比较
• 6.4 试验结论及分析
• 6.5 本章小结
• 7 磁记忆检测的应用研究
• 7.1 序言
• 7.2 磁记忆技术在车轮辐板孔检测中的应用研究
• 7.2.1 检测方法及过程
• 7.2.2 检测结果
• 7.2.3 结论及分析
• 7.3 磁记忆技术在车钩检测中应用研究
• 7.3.1 检测方法及过程
• 7.3.2 检测结果
• 7.3.3 结论及分析
• 7.4 磁记忆技术在焊缝检测中的应用研究
• 7.4.1 检测方法及过程
• 7.4.2 检测结果
• 7.4.3 结论及分析
• 7.5 本章小结
• 8 全文总结与研究展望
• 8.1 全文总结
• 8.2 研究展望
• 致谢