Электронная библиотека Веда
Цели библиотеки
Скачать бесплатно
Доставка литературы
Доставка диссертаций
Размещение литературы
Контактные данные
Я ищу:
Библиотечный каталог российских и украинских диссертаций

Вы находитесь:
Диссертационные работы России
Технические науки
Методы контроля и диагностика в машиностроении

Диссертационная работа:

Горделий Виталий Иванович. Разработка автоматизированных систем неразрушающего контроля рельсов с применением электромагнитно-акустических преобразователей : диссертация ... кандидата технических наук : 05.02.11. - Новосибирск, 2005. - 152 с. : ил. РГБ ОД,

смотреть содержание
смотреть введение
Содержание к работе:

Введение 4

Глава 1. Анализ действующих систем неразрушающего контроля рельсов

1.1. Классы типов и видов дефектов в рельсах. Вероятность их

обнаружения средствами НК 13

L2. Анализ современных методов неразрушающего контроля рельсов . 15

  1. Системы неразрушающего контроля рельсов при их производстве, эксплуатации, восстановлении и сварке 22

  2. Мобильные средства НК рельсов в процессе их эксплуатации 29

  3. Интегральный критерий эффективности средств контроля рельсов в пути 38

  4. Обоснование необходимости создания средств УЗК рельсов на базе

ЭМА-преобразователей. Конкретизация задач исследования 41

Глава 2. Изучение работы электромагнитно-акустических
преобразователей
48

2.1. Конструктивные особенности и работа электромагнитно-
акустических преобразователей 48

2.2. Патентно-литературный обзор по конструкции, особенностям работы

и использованию ЭМА-преобразователей 50

Глава 3. Исследование электромагнитно-акустических преобразователей
поперечных волн
62

  1. Постановка задачи и её теоретическое решение 62

  2. Изучение магнитного тракта ЭМА-преобразователей 71

3.3. Измерительный стенд и изучение особенностей генерации
поперечных волн одним токопроводом и одним диполем 77

3.4. Особенности конструирования ЭМА-преобразователей, работающих
под прямыми углами 87

3.5. Проектирование ЭМА-преобразователей, работающих под
наклонными углами 89

3.6. О применении W — метода неразрушающего контроля рельсов с

помощью двунаправленных ЭМА-преобразователей 93

Глава 4. Исследование волн Рэлея, излучаемых электромагнитно-
акустическими преобразователями 105

  1. Исследование рэлеевских волн, излучаемых токопроводом и диполем 105

  2. Изучение работы ЭМА-преобразователей для рэлеевских волн ... 108 Глава 5. Разработка принципов построения и конструктивных решений средств входного автоматизированного бесконтактного ультразвукового неразрушающего контроля старогодных рельсов на рельсосварочных комплексах 120

5.1 Вводные замечания 120

5.2. Принципы построения, конструирования и особенности
функционирования установок входного бесконтактного УЗК старогодных
рельсов для РСП 121

5.3. Описание особенностей эксплуатации установки —
УД-ЭМА-РСП-01 124

Заключение 135

Список литературы 137

Введение к работе:

Рельс представляет собой один из наиболее ответственных элементов железнодорожного пути. Он испытывает многократные нагрузки, достигающие 50 МПа и более, обусловленные прохождением по нему подвижного состава. Причём, движение поездов сопровождаются короткими ударами, сила которых растёт с повышением их скорости. Кроме того, на рельс воздействуют термические нагрузки сезонного типа до ±40С, а также дополнительные суточные тепловые удары, доходящие до ±20 С. При этом он испытывает химические, коррозионные и электромагнитные статические нагрузки, существенно усложняющие условия его эксплуатации. На него воздействует влага и масла, кислоты и щёлочи, всегда присутствующие в воздухе. Зачастую имеют место напряжения, возникающие под действием деформации щебенчатой подушки, шпал и самого грунта, остаточные термонапряжения, прочностные, химические неоднородности и др. Возникают локальные и протяжённые неровности поверхности рельсов, имеют место разновысокость стыков, присутствуют лёд, снег и влажность, способствующие возникновению дополнительных нагрузок.

В результате такого комплексного воздействия в рельсах накапливаются усталостные и термические повреждения, зарождается межкристаллитная коррозия. Появляются дефекты как поверхностного, так и внутреннего расположения, перераспределяющие механические напряжения внутри рельсов и нарушающие их однородность. Это нередко ведёт к их разрушению, приводящему к громадным материальным и человеческим потерям. Так, около 30% всех аварийных ситуаций, возникающих на железных дрогах страны, происходит именно из-за изломов рельсов [12,13].

И такое происходит не только в России. Так, во Франции средствами неразрушающего контроля ежегодно обнаруживается до 5 тыс. рельсов, подлежащих замене ввиду наличия усталостных трещин и других недопустимых дефектов. В Нидерландах каждый год находится в среднем 0.07 дефекта на километр железнодорожного пути. В Италии после обследования 3500 км. железнодорожной сети в 1990 году было установлено 1156 поперечных трещин, 65 - горизонтальных, 21 радиальная трещина от

болтовых отверстий, 732 - продольно-вертикальные трещины и 22 трещины в сварных стыках. Причём, на каждые 20 км. пути приходился один остродефектный рельс. Тем не менее, в том же году в Италии произошло 300 изломов рельсов [9]. Лишь за 1988 - 1988 годы на железных дорогах США число крушений из-за дефектных рельсов составило 25% от общего их количества, причём 40% убытков от аварий произошло именно по этой причине [7]. В этой связи диагностика работы рельсов является весьма актуальной задачей. Проблема в значительной мере обостряется при износе рельсов, при исчерпывании ими своего эксплуатационного ресурса, а такое в России не редкость.

Эффективным, а в ряде случаев и единственно возможным средством, препятствующим возникновению чрезвычайных ситуаций на железнодорожном транспорте вследствие изломов рельсов из-за появляющихся в них дефектов, служат методы и средства неразрушающего контроля. В самом деле, в начале 1950-х годов количество повреждений рельсов в СССР на 100 км пути достигало 230 — 280 штук в год и это наносило огромный ущерб всему народному хозяйству. Поэтому были приняты меры по разработке и внедрению аппаратуры и методов, способных производить неразрушающую диагностику рельсов. Эта работа уже продолжается несколько десятилетий и руководством МПС ей уделяется пристальное внимание.

Так, Приказом МПС России от 16. 08. 94г № 12 Ц в целях ресурсосбережения и совершенствования организации введено в действие "Положение о системе ведения путевого хозяйства на железных дорогах Российской Федерации", основанное на классификации путей по их эксплуатационным характеристикам. Кроме того, на основе Приказа №12Ц в 1997 г. МПС России утверждено и с 01. 04. 97 введено в действие "Положение о системе неразрушающего контроля рельсов и эксплуатации средств рельсовой дефектоскопии в путевом хозяйстве Российской Федерации", систематизировавшее коренные изменения в системе неразрушающего контроля рельсов. В них предусмотрена разработка, изготовление и поставка на железные дороги комплекса новых средств неразрушающего контроля

(НК). Отмечается необходимость проведения соответствующих научных разработок, проектирования, изготовления и доводки новых средств, определяемых этим "Положением". Это обстоятельство нашло отражение в планах НИОКР и финансирования МПС РФ. Вследствие этого затраты только на приобретение автомотрис и вагонов-дефектоскопов за 2001 - 2005 годы планируется довести до 772.8 млн. рублей (в ценах 2000 года) и 316,6 млн. рублей намечено израсходовать на дефектоскопы сплошного и вторичного контроля.

Однако только техническими средствами надёжность выявления дефектов на железнодорожном транспорте не ограничивается. Для уверенной работы всей системы НК организованы службы Метрологической экспертизы, испытаний и сертификации средств НК, Подготовки и аттестации специалистов. Производится аккредитация лабораторий и коллективов, выделяются структуры, которым можно доверить выполнение столь ответственных неразрушающих испытаний.

Всего к настоящему времени на железнодорожном транспорте России неразрушающим контролем занято до 20 тыс. работников разной квалификации (от инженера до рабочего). В эксплуатации находится около 6 тыс. дефектоскопов различного типа. Ими ежегодно только в путевом хозяйстве страны контролируется более 4 млн. км пути и 3 млн. сварных стыков. И к настоящему времени эти усилия начинают приносить зримую пользу. Так, по данным МПС России, в результате работы структур НК на железных дорогах страны ежегодно обнаруживается от 100 до 150 тысяч дефектных рельсов, в том числе от 30 до 47 тыс. остродефектных, т.е. подлежащих немедленной замене. Предотвращается свыше 70 тыс. потенциально возможных изломов ответственных объектов пути и подвижного состава.

В результате состояние рельсового хозяйства страны постоянно улучшается и за последние 10 лет количество ОДР (остро дефектных рельсов) на железных дорогах страны, выявленных средствами дефектоскопии, понизилось почти в 2 раза. Число изломов рельсов сократилось в 2.7 раза, а

количество аварий, произошедших из-за некачественного контроля, уменьшилось почти в 5 раз.

И тем не менее, проблему безопасной эксплуатации железнодорожного транспорта ещё нельзя считать полностью разрешённой. Имеется ещё немало проблем, которые требуют неукоснительного решения.

Так, вероятность обнаружения дефектов при однократном проходе равна всего 0.5, а поэтому достаточная эффективность достигается за счёт высокой, в ряде случаев избыточной частоты контроля рельсового пути (от 24 до 60 раз в год одних и тех же участков). Из имеющихся систем НК 65% относятся к съёмным дефектоскопам и только 2% - к автоматизированным. Съёмные дефектоскопы перемещаются операторами вручную, а поэтому такой контроль не только весьма трудоёмок, но его результаты в значительной мере зависят от квалификации и добросовестности персонала. Часть дефектов в полевых условиях такими устройствами обнаруживаются неудовлетворительно (коды дефектов 21, 52, 53, 55, 56 и др.), а некоторые практически не выявляются (например, дефектов кода 60 и 69). Эта проблема обостряется ещё в большей мере в зимний период.

В имеющихся автоматизированных средствах контроля обычно применяются магнитный и ультразвуковой способы обнаружения дефектов. В то же время с помощью магнитного метода обнаруживаются только поверхностные и приповерхностные дефекты вблизи поверхности катания рельса. С помощью ультразвука выявляются дефекты, располагаемые на любой глубине, однако его чувствительность заметно понижается при поиске вертикальных трещин, некоторых дефектов, находящихся в нижней части головки, в шейке, а особенно в подошве рельса. Кроме того, при использовании пьезопреобразователей требуется их надёжный акустический контакт с контролируемым объектом. Поэтому применяются всевозможные контактные жидкости, использование которых в экстремальных условиях (мороз, грязь, лёд, масла, шероховатость поверхности и проч.) затруднено. Достоверность НК с применением ультразвуковых мобильных систем заметно понижается с увеличением скорости их движения. Поэтому надёжность обнаружения дефектов с помощью съёмных дефектоскопов пока ещё

оказывается в целом выше, чем мобильных. В результате, несмотря на все имеющиеся недостатки съёмных дефектоскопов, отказаться от них пока ещё нельзя.

Во 2-й половине XX века в СССР и за рубежом активно проводились научные и исследовательские работы по применению электромагнитно-акустического эффекта для целей НК. На его основе разрабатывались специальные электромагнитные акустические преобразователи (ЭМАП), способные работать как в качестве излучателей, так и приёмников звука. С их помощью открывается возможность осуществлять НК изделий бесконтактно, не применяя какие-либо промежуточные жидкости, работать с ультразвуковыми сигналами произвольной поляризации, в широком диапазоне частот, температур и скоростей. При этом существенно понижаются требования к степени шероховатости поверхности контролируемых изделий, к их загрязнённости, к наличию масел и ржавчины. Стабилизируется акустический контакт преобразователей с поверхностью рельса.

Однако чувствительность НК с применением существующих ЭМАП оказалась ниже, чем с использованием ПЭП. И это объясняется не только недостаточной амплитудой возбуждаемых акустических сигналов (примерно на 2 порядка меньшей, чем у ПЭП), но и сравнительно высоким уровнем создаваемых ими акустических помех и принимаемых электромагнитных шумов. Кроме того, выяснилось, что существующие ЭМАПы уверенно работают только под нормальным к поверхности углом излучения и при использовании волн Рэлея, однако при работе под наклонными углами они функционируют значительно хуже. При увеличении скорости движения растёт уровень электромагнитных шумов. Поэтому, несмотря на их безусловные достоинства, до настоящего времени ЭМА-преобразователи ещё используются сравнительно мало.

В этой связи целью настоящей диссертационной работы является кардинальное повышение эффективности систем автоматизированного ультразвукового контроля (УЗК) рельсов в процессе их производства, эксплуатации, восстановления и сварки путём создания специализированных

средств дефектоскопии на базе ЭМАП с использованием современных комплексов автоматики и вычислительной техники.

Для достижения поставленной цели потребовалось решить следующие задачи:

- оценить перспективы применения ЭМАП для решения актуальных
проблем НК рельсов;

выполнить анализ достижений в направлении создания многофункциональных ЭМАП и возможностей используемой аппаратуры НК рельсов;

выполнить комплекс экспериментальных и теоретических исследований зависимости функциональных характеристик ЭМАП от их конструктивных и физических параметров с целью повышения чувствительности контроля и достижения соотношений сигнал/помеха, обеспечивающих обнаружение потенциально опасных дефектов в рельсах;

- обосновать принципы построения и конструктивные варианты ЭМАП
применительно к НК рельсов;

разработать эффективные схемы прозвучивания рельсов при их эксплуатации в пути и при восстановлении на РСП, эффективно реализующие преимущества ЭМАП;

создать функциональную схему программно-аппаратного комплекса для бесконтактного ультразвукового контроля рельсов и реализовать её в работающих установках;

разработать структурную схему и технические предложения по созданию установки для входного бесконтактного ультразвукового контроля старогодных рельсов, осуществить авторский надзор и научное руководство за её разработкой и внедрением.

В рамках решаемых задач диссертация состоит из следующих разделов.

Первая глава посвящена анализу действующих систем НК рельсов. В ней описаны классы типов и кодов дефектов в рельсах, а также оценивается вероятность их обнаружения существующими средствами НК. Установлены коды дефектов, которые надёжно обнаруживаются современными средствами НК рельсов, а также такие, достоверность выявления которых недостаточна.

Выполнен анализ современных методов неразрушающего контроля рельсов, используемых как в России, так и за рубежом. Описаны применяемые схемы контроля, используемые конструктивные решения и их достоинства.

Произведён обзор средств, используемых для НК рельсов при их производстве, эксплуатации, восстановлении и сварке. При этом особое внимание уделено мобильным средствам НК как наиболее производительным и перспективным. Подробно описаны автомотрисы дефектоскопные и вагоны-дефектоскопы, разработанные под руководством автора в НПО «ВИГОР» и поставляемые на железные дороги страны. Показаны наиболее интересные конструктивные решения и возможности применяемой аппаратуры. Обоснована необходимость создания средств УЗК рельсов на базе ЭМА-преобразователей как основы для стабилизации акустического контакта и повышения на этой основе надёжности, производительности и удобства выполнения контроля.

Вторая глава посвящена изучению работы электромагнитно-
акустических преобразователей. В ней подробно описана физика процесса
излучения и приёма акустических импульсных сигналов с использованием
электромагнитно-акустического эффекта. Показана особенность

формирования сигналов различного типа и поляризации, и чем она достигается. Выполнен патентно-литературный анализ наиболее важных работ, посвященных ЭМА-преобразователям. Установлены их опробованные качества, достоинства и недостатки, имеющиеся конструктивные решения и перспективы развития.

В третьей главе выполняется исследование электромагнитно-акустических преобразователей поперечных волн. С этой целью созданы модели и выполнен расчет магнитного тракта преобразователей, что позволило оптимизировать их конструкцию. Описан измерительный стенд, применяемый для выполнения экспериментальных исследований. Изучены особенности генерации поперечных волн одним токопроводом и диполем. Проанализированы особенности работы прямых и наклонных ЭМА-преобразователей. Выполненные исследования позволили разработать конструкцию ЭМА-преобразователей, способных последовательно язлучать и

принимать поперечные волны как под углом 35, так и под углом 60. Причём, сигналы, излучаемые и принимаемые такими преобразователями, незначительны под углами, заметно отличающимися от рабочих, что существенно повышает помехоустойчивость НК. На базе указанного преобразователя выполнен теоретический расчёт схемы размещения и оптимизированной работы пары таких ЭМА-преобразователей, способных «просматривать» практически всё сечение головки рельсов под углами, близкими к плоскости сечения.

В четвёртой главе приведены результаты исследования волн Рэлея,
излучаемых электромагнитно-акустическими преобразователями с описанием
физики поверхностных волн и классических работ, посвященных их
свойствам. Измеряются характеристики рэлеевских волн, излучаемых одним
токопроводом и одиночным диполем. При этом главное внимание уделяется
исследованию закономерности ослабления этих волн и формированию их
диаграммы направленности. Далее приводятся результаты

экспериментальных исследований волн Рэлея, излучаемых ЭМА-преобразователями, особенностей их распространения в специальных образцах и в рельсе, характер отражения и прохождения через вертикальные пропилы и другие модели дефектов типа 21 и ЗОГ.

В пятой главе подробно описаны конструкция, отдельные узлы и работа установки УД-ЭМА-РСП-01, предназначенной для контроля старогодных рельсов на рельсосварочных предприятиях. Рассматриваются конструктивные особенности, преимущества таких установок по сравнению с ранее применявшимися для указанных целей съёмными дефектоскопами.

В заключении представлены основные выводы из диссертационной работы.

В подборе материалов, их обработке и выполнении отдельных теоретических и экспериментальных исследований принимали участие сотрудники НИИ «ВИГОР» г. Москва, МИФ «АФИНА» г. Кишинёв, которым автор выражает глубокую благодарность. Автор считает необходимым также отметить большой вклад в решение представленных на рассмотрение задач доктора технических наук, члена-корреспондента Академии

электротехнических наук России Боброва В.Т. и профессора, доктора технических наук Чабанова В.Е., которым автор выражает искреннюю признательность.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы по исследуемой тематике. Он включает в себя 178 наименования, в том числе 40 работ автора, из них 21 без соавторов.

Подобные работы
Яцун Михаил Андреевич
Разработка теории экранированных вихретоковых преобразователей и их применение для контроля труб нефтяного сортамента
Гранкин Александр Константинович
Разработка систем контроля технологического процесса сварочного комплекса
Баев Алексей Романович
Акустический контакт на основе магнитных жидкостей и разработка преобразователя для ультразвуковой дефектоскопии
Валиев Масхут Маликович
Математическое моделирование электромагнитных систем контроля качества ферромагнитных изделий
Марков Анатолий Аркадиевич
Методология и средства ультразвукового контроля рельсов
Королев Михаил Юрьевич
Магнитодинамический метод контроля рельсов. Методология расчета полей и сигналов
Андреев Анатолий Борисович
Разработка и исследование операционных преобразователей электрических величин для систем технологического контроля изделий микроэлектроники
Агальцов Андрей Геннадиевич
Разработка и исследование лазерного преобразователя информации для системы непрерывного автоматического контроля точек росы
Якимов Евгений Валерьевич
Исследование, разработка и применение методов защиты от помех преобразователей больших сопротивлений, применяемых при контроле изоляции кабельных изделий
Малышев Константин Васильевич
Разработка технологического метода повышения эксплуатационных показателей нелинейных преобразователей спектра радиосигналов путем применения AlGaAs гетероструктур

© Научная электронная библиотека «Веда», 2003-2013.
info@lib.ua-ru.net