Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ современного состояния магнитной дефектоскопии рельсов и роль расчетных моделей в ее совершенствовании
1.1. Общие сведения о методах и средствах магнитной дефектоскопии рельсов 9
1.2. Обзор экспериментальных и теоретических исследований в области мапіитодинамического метода контроля рельсов 15
1.3. Актуальные вопросы магнитодинамического метода контроля рельсов и роль расчетных моделей в их решении 33
Выводыпо1 главе 38
Глава 2. Исследование основных факторов магнитодинамического контроля рельсов
2.1. Основные физические явления, происходящие в процессе магнитодинамического контроля рельсов. Возможность их отражения с помощью расчетных моделей 39
2.2. Анализ факторов, оказывающих наибольшее влияние на эффективность расчетных моделей 44
2.3. Исследование магнитных и электрических параметров рельсовой стали 48
2.4. Явление магнитной вязкости и необходимость его учета при разработке средств магнитодинамического контроля рельсов 52
2.5. Остаточная намагниченность рельсов. Результаты исследований 61
Выводы по 2 главе 69
Глава 3. Расчетные модели магнитодинами-ческого метода контроля рельсов
3.1. Общие принципы построения расчетных моделей. Проблема их адекватности реальным физическим процессам 71
3.2. Разработка магнитостатической модели для оценки поля рассеяния намагничивающего устройства 80
3.3. Магнитодинамическая модель для оценки поля в рельсе 96
3.4. Расчетные модели для оценки сигналов в искательном устройстве от различных объектов рельсового пути 104
Выводы по 3 главе 126
Глава 4. Применение расчетных моделей для исследования информационных характеристик сигнала при различных условиях контроля
4.1. Исследование влияния различных факторов на параметры сигнала от дефекта 128
4.2. О возможности определения устойчивых классификационных признаков для создания алгоритмов автоматизированной обработки сигналов от объектов рельсового пути 146
Выводы по 4 главе 151
Заключение 153
Литература
- Обзор экспериментальных и теоретических исследований в области мапіитодинамического метода контроля рельсов
- Анализ факторов, оказывающих наибольшее влияние на эффективность расчетных моделей
- Разработка магнитостатической модели для оценки поля рассеяния намагничивающего устройства
- О возможности определения устойчивых классификационных признаков для создания алгоритмов автоматизированной обработки сигналов от объектов рельсового пути
Введение к работе
Ключевой проблемой обеспечения безопасности движения на железных дорогах является контроль состояния и своевременное обнаружение дефектов в рельсах в процессе их эксплуатации.
Для скоростного неразрушающего контроля рельсов в пути в настоящее время применяются два метода - ультразвуковой и магнитный. В последние годы эти методы используются в комплексе, что позволяет значительно повысить информативность, а, следовательно, и достоверность результатов контроля.
Преимущества магнитного метода, по сравнению с ультразвуковым, заключаются в уверенном обнаружении наиболее опасных дефектов в виде сильноразвитых поперечных трещин в головке рельса, продольных трещин и расслоений, надежном контроле поверхностных слоев головки, получении четкой топографии пути, бесконтактности, широком диапазоне рабочих температур, возможности проведения контроля на высоких скоростях.
Основные направления дальнейшего развития магнитного метода связаны с созданием более качественных устройств намагничивания рельсов, усовершенствованием искательных устройств, внедрением автоматизированной обработки сигналов и т.д. Однако реализация имеющихся и потенциальных возможностей магнитного метода затруднена в силу отсутствия до настоящего времени эффективных расчетных моделей, адекватно отражающих все аспекты процесса магнитодинамического контроля рельсов, начиная от их намагничивания и заканчивая формированием сигналов от дефектов. Из-за сложности физических процессов, происходящих в материале рельса при его намагничении полем движущегося электромагнита, и отсутствия надежных аналитических методов для их описания разработка средств магнитной дефектоскопии осуществлялось до сих пор, фактически, только на основе экспериментальных данных, возможности которых ограничены. Это обстоятельство существенно сдерживало прогресс в области магнитной дефектоскопии рельсов на протяжении десятилетий
5 и в настоящее время является наиболее актуальной проблемой, без решения которой затруднено дальнейшее развитие магнитного метода.
В связи с этим целью настоящей работы явилась разработка комплекса расчетных моделей, направленных на повышение эффективности действующих и вновь создаваемых средств магнитодинамического контроля рельсов.
Для достижения этой цели потребовалось решить следующие задачи:
1) Провести исследование основных факторов магнитодинамического
метода контроля рельсов, оказывающих наибольшее влияние на эффективность
расчетных моделей, а именно:
разработать типовые методики и исследовать основные магнитные и электрические характеристики материала рельса как исходные данные, необходимые при построении средств магнитного контроля;
исследовать магнитную вязкость рельсовой стали и ее влияние на процесс намагничивания рельса и предельную скорость контроля магнитным методом;
изучить остаточную намагниченность рельсов и необходимость учета этого явления при проектировании средств магнитной дефектоскопии рельсов.
2) Разработать обобщенную схему и комплекс математических моде
лей для расчета сигналов от различных объектов рельсового пути как основу
построения более совершенных средств магнитной дефектоскопии, в том числе:
статическую расчетную модель для оценки поля рассеяния намагничивающего устройства;
динамическую модель для определения поля в рельсе с учетом движения намагничивающего устройства относительно рельса;
- расчетные модели для основных объектов рельсового пути.
3) Исследовать с применением расчетных моделей информационные
характеристики сигналов от дефекта в виде поперечной трещины, для чего:
изучить влияние различных факторов на параметры сигнала от дефекта;
выявить возможность определения устойчивых классификационных признаков дефектов рельсов.
Для решения поставленных задач использовались методы исследования, основанные на теории электромагнитного поля (аналитические и численные методы решения краевых задач), теории вероятностей и математической статистики. Экспериментальные исследования выполнялись с применением методов моделирования и путем натурных измерений. Решение задач, обработка теоретических и экспериментальных данных выполнялись на ЭВМ с использованием как стандартных, так и специально разработанных программ.
На защиту выносятся следующие основные положения:
В число исходных данных, требуемых для расчета скоростных средств магнитной дефектоскопии рельсов, наряду с обычными для задач электродинамики магнитными и электрическими характеристиками рельсовой стали необходимо включать параметры ее магнитной вязкости, без учета которой невозможно правильно оценить глубину промагничивания рельса и, в частности, предельную скорость контроля магнитным методом.
При проектировании устройств намагничивания необходимо учитывать исходное магнитное состояние рельсов для обеспечения их надежного промагничивания. Уровень воздействующего поля должен превосходить исходную остаточную намагниченность рельсов с заданным коэффициентом запаса. При этом намагниченность, создаваемая устройством намагничивания, вполне достаточна для контроля рельсов по методу остаточного намагничения.
Помимо поля в рельсе существенным источником воздействия на объекты рельсового пути является поле рассеяния намагничивающего устройства. Роль этого поля является определяющей при формировании сигналов от шпаль-ных подкладок, стыковых накладок, стрелочных переводов. Для его описания пригодна статическая модель, разработанная на основе метода конечных разностей.
Усовершенствованная и всесторонне исследованная в работе магнито-динамическая модель адекватно отражает основные явления, происходящие при промагничивании элементов рельсового пути на разных скоростях, что подтверждается не только качественным, но и количественным совпадением ре-
7 зультатов расчета с экспериментальными данными, в том числе, полученными
другими авторами.
5. При построении расчетных моделей для различных объектов рельсового пути, включая дефекты, наиболее целесообразно использовать обобщенную поэтапную схему, позволяющую учесть максимальное число факторов, оказывающих влияние на процесс магнитной дефектоскопии рельсов. Принципы построения моделей могут быть использованы при разработке и совершенствовании как скоростных, так и съемных средств магнитной дефектоскопии рельсов.
Научная новизна диссертации заключена в следующем:
Разработана обобщенная схема расчета магнитных полей и сигналов от различных объектов рельсового пути для широкого диапазона изменения условий контроля (скорость движения дефектоскопа, параметры намагничивания, тип датчика, характеристики рельса) и разных вариантов средств дефектоскопии (вагоны-дефектоскопы, автомотрисы, ручные средства), отражающая с необходимой полнотой основные особенности магнитной дефектоскопии рельсов.
Получены фактические данные о магнитной вязкости рельсовой стали. Показано, что это явление оказывает существенное влияние на степень промаг-ничивания рельса при высоких скоростях движения. При этом создана специальная методика выявления вязкостных процессов в проводящем ферромагнетике на основе сопоставления реального времени запаздывания с теоретическими оценками времени релаксации за счет вихревых токов.
Исследована роль поля рассеяния намагничивающего устройства в формировании сигналов от ряда объектов рельсового пути, например, стыковых накладок. Для оценки этого поля разработана статическая расчетная модель.
Усовершенствована и всесторонне исследована магнитодинамическая модель, основанная на двумерном представлении взаимодействия движущегося намагничивающего устройства с рельсом. Показано, что эта модель адекватно отражает реальные физические процессы, что позволяет использовать ее в комплексе со статической моделью при построении конкретных расчетных схем.
8 5. Выполнены экспериментальные исследования, позволившие установить
связь намагниченности изолирующих стыков как с предысторией рельсов, укладываемых в путь, так и с ориентацией пути относительно магнитного меридиана, а также развеять бытовавшее ранее ошибочное представление, что причиной намагниченности стыков является работа магнитных вагонов-дефектоскопов.
Практическая значимость работы заключается в следующем.
Разработанный в соответствии с обобщенной схемой комплекс математических моделей фактически является основой для создания инженерных методик расчета и проектирования современных эффективных средств магнитной дефектоскопии рельсов с учетом самой широкой гаммы влияющих факторов. Так, например, оказалось возможным получить важные, с практической точки зрения, оценки предельной скорости контроля рельсов магнитным методом с учетом явления затягивания процесса промагничивания рельса из-за совместного влияния вихревых токов и магнитной вязкости.
Разработанные расчетные модели позволяют также установить связь между параметрами намагничивания и формой сигналов, поступающих на пульт оператора с искательного устройства. Это открывает возможности в будущем корректировать сигнал с учетом особенностей, например, конфигурации поля данного намагничивающего устройства. Результаты расчетов можно рекомендовать для использования при создании классификационных алгоритмов автоматической обработки сигналов магнитного канала, что повышает надежность выявления дефектов.
При проведении экспериментальных исследований магнитных и электрических характеристик рельсовой стали, включая параметры магнитной вязкости, разработаны оригинальные методики и специальные установки, которые могут служить прототипом для создания промышленных установок по контролю качества ферромагнитных изделий широкого профиля, а также лабораторных стендов для соответствующих обучающих курсов.
Обзор экспериментальных и теоретических исследований в области мапіитодинамического метода контроля рельсов
Зарождение магнитного метода контроля рельсов относится к концу 20-х - началу 30-х годов прошлого столетия. Именно в это время в США и Японии стали использоваться подвижные магнитные средства контроля (дефектоскопы Сперри и Сузуки). В нашей стране магнитный вагон-дефектоскоп был выпущен в 1927 году (разработка изобретателя Ф.М.Карпова) [7].
В конструкции Ф.М.Карпова использовалось контрольно-измерительное оборудование, включающее в себя намагничивающее устройство с катушками, жестко закрепленными на осях колесных пар, магнитомеханические искательные датчики, устройства индикации наличия дефекта в виде ламп, систему регистрации сигналов от датчиков на основе самопишущего аппарата, а также устройство для отметки дефектного места на рельсе.
Ток в катушки намагничивания подавался с помощью специального контактно-щеточного устройства. Для питания катушек и остальных устройств использовался дизель-генератор постоянного тока мощностью 15.5 кВт. С помощью намагничивающего устройства в рельсе достигалась магнитная индукция в 15- -20 тысяч гаусс (1.5- 2 Тл), что обеспечивало намагничивание участков рельсов между полюсами до состояния насыщения.
В качестве чувствительных элементов использовались магнитомеханические замыкатели в виде трех стрелочных индикаторов. Под воздействием полей рассеяния дефектов стрелки поворачивались и замыкали контакты, к которым были подключены реле исполнительных цепей (ламп световой сигнализации, пишущего аппарата, краскоразбрызгивателя). Имелась возможность регулировать чувствительность стрелок, что позволяло настраивать их таким образом, чтобы первая реагировала только на дефекты с площадью поражения до 25% сечения головки, вторая — от 25 до 50% и третья — на дефекты с площадью более 50% - своего рода прообраз автоматического классификатора дефектов.
Все оборудование размещалось на двух дрезинах. Первая служила в качестве тяговой и на ней было установлено оборудование электропитания. На второй размещалось контрольно-измерительное оборудование. Главное отличие комплекса Ф.М.Карпова от аналогичных зарубежных систем заключалось в том, что датчики работали в активном поле, а не по методу остаточного намагничивания. В результате скорость такого комплекса в рабочем режиме составляла до 20 км/ч, против 5.5 км/ч систем Сперри и Сузуки. Это обстоятельство обусловило его широкое распространение, и к 1937 году на железных дорогах нашей страны уже эксплуатировалось 4 магнитных вагона конструкции Ф.М.Карпова. С их помощью ежегодно проверялось около 2000 км пути, в результате чего были выявлены сотни дефектных рельсов.
Однако, несмотря на значительные для того времени достижения в области контроля рельсов, магнитные системы работали все же недостаточно надежно. Это было обусловлено, прежде всего, большим уровнем помех в магнитоме-ханических искательных датчиках, связанных с вибрацией, неизбежно возникающей при движении вагона. Вследствие этого имело место большое количество перебраковки рельсов, что говорило о невысокой эффективности средств магнитной дефектоскопии и необходимости их усовершенствования. Кроме того, постоянное возрастание объемов грузо- и пассажиро-перевозок требовало увеличения скоростей контроля с целью снижения времени занятия перегона вагонами-дефектоскопами [8].
В связи с этим в 1939 году группой специалистов под руководством Р.ИЯнуса были проведены экспериментальные изыскания, направленные на разработку более надежных искателей, способных обеспечить работу на повышенных скоростях. В результате был предложен индукционный датчик, исследования которого на макете - вращающейся кольцеобразной модели рельса с искусственными дефектами - показали, что при правильном выборе ориентации датчика и его местоположения между полюсами намагничивающего устройства возможно выявление различных типов дефектов при значительном повышении скорости контроля (до 40- 60 км/ч). Однако испытания датчика на вагоне-дефектоскопе не дали положительных результатов, так как реальную скорость контроля не удалось поднять выше 20 км/ч. Причина, по мнению исследовате 17 лей, заключалась в отличии полей, создаваемых устройствами намагничивания макета и вагона-дефектоскопа. В первом использовался П-образный магнит, во втором была применена колесная конструкция Ф.М.Карпова. Последующие исследования были продолжены только после второй половины 40-х годов уже под руководством В.В.Власова, ранее работавшего в группе Р.И.Януса. Они предопределили, фактически, дальнейшие направления развития магнитной рельсовой дефектоскопии в нашей стране на несколько десятилетий вперед. Именно в магнитных вагонах конструкции В.В.Власова, по сей день эксплуатирующихся на ряде отечественных железных дорог, стали применяться П-образные намагничивающие устройства и датчики индукционного типа, позволившие выйти на новый уровень по отношению к прежним системам, а главное - достичь более высоких скоростей контроля. Однако для создания этих систем пришлось пройти через серьезные проблемы, такие как увеличение эффективности устройства намагничивания при одновременном снижении потребляемой мощности, определение оптимальных размеров датчика и его местоположения в межполюсном пространстве, минимизация помех на выходе датчика при движении на высокой скорости, обеспечение выявляемости необходимой номенклатуры дефектов, модернизация системы регистрации сигналов, разработка методик расшифровки сигналов.
Одним из первоочередных и наиболее важных вопросов была необходимость усовершенствования намагничивающего устройства, для чего были проведены сложные и трудоемкие экспериментальные исследования с использованием специальной установки со свернутым в кольцо рельсом, вращение которого относительно неподвижного П-образного электромагнита имитировало процесс намагничивания вагоном-дефектоскопом, движущимся со скоростью 16 и 40 км/ч. Эти исследования были направлены на изучение явлений, происходящих в рельсе при его намагничивании полем движущегося электромагнита [9]. Были получены качественные зависимости распределения продольной составляющей магнитного потока в головке рельса от скорости движения магнита относительно рельса. Сделаны выводы о том, что на малых скоростях (16 км/ч) магнитный поток в головке практически не меняется в пределах межполюсного пространства. С увеличением скорости до 40 км/ч происходит заметное снижение уровня магнитного потока в головке рельса. На повышенных скоростях при перемещении точки наблюдения (датчика) ближе к заднему полюсу уровень потока несколько больше, чем у переднего полюса и в центре. С увеличением расстояния между полюсами импульс магнитного потока проникает в головку на большую глубину. В то же время, по всей вероятности из-за недостаточности экспериментальных данных, в [9] сделан ошибочный вывод о том, что не следует стремиться к увеличению мдс электромагнита, поскольку это ведет к ослаблению магнитного потока с увеличением скорости. (Этот вывод был в последующем опровергнут результатами экспериментальных исследований под руководством Б.П. Довнара, которые рассмотрены ниже).
В [10] приводятся результаты экспериментов, выполненных на той же установке, при различном зазоре между полюсами электромагнита и головкой рельса. Полученные данные позволили определить оптимальную с точки зрения промагничивания рельса и безопасности движения величину зазора.
Анализ факторов, оказывающих наибольшее влияние на эффективность расчетных моделей
При разработке расчетных моделей, обсуждавшихся в предыдущем разделе, особое внимание следует обратить на то, чтобы с их помощью можно было получать не только качественное, но и количественное описание процессов магнитной дефектоскопии. Для этого, однако, недостаточно иметь надежные методы расчета. Не менее важным является вопрос о достоверности используемых исходных данных. Это касается, прежде всего, магнитных и электрических характеристик рельсовой стали. Данные по этим характеристикам отсутствуют. В справочниках имеются сведения о магнитных и электрических характеристиках различных промышленных марок сталей, колеблющиеся в широких пределах. Так, значение удельной электропроводности электротехнической стали может изменяться в пределах от 2 до 10 МСм-м"1. Для различных марок судостроительных сталей разброс составляет от 2,7 до 7,1 МСм-м"1. Столь же значителен разброс по магнитным параметрам. Для тех же марок судостроительных сталей значение начальной магнитной проницаемости находится в пределах //„=70-250 [28].
Что касается рельсовой стали, то в настоящее время имеются весьма разрозненные данные по ее характеристикам [29,19]. Как известно, в рельсовом пути уложены рельсы, выпущенные в разные годы и разными производителями. За время существования железнодорожного транспорта заводы не раз меняли технологию изготовления рельсов с целью улучшения их механических свойств (прежде всего для повышения их надежности и долговечности), в связи с чем можно априори утверждать, что в рельсовом пути имеются рельсы с разными характеристиками. Безусловно, этот факт может приводить к тому, что одни рельсы намагничиваются лучше других, а значит выявление дефектов происходит в разных условиях.
Знание реальных характеристик рельсовой стали позволило бы не только оценить адекватность расчетных моделей путем сопоставления полученных результатов с экспериментальными данными, но и определить степень влияния разброса характеристик рельсов разных производителей, типов и годов выпуска на получаемые в процессе контроля сигналы.
Реальные характеристики рельсовой стали должны учитываться также и при создании новых высокоэффективных устройств намагничивания или модернизации существующих.
Поэтому первоочередной задачей настоящей работы явилась разработка типовых методик для получения необходимых данных о рельсовой стали, а также непосредственно исследование магнитных и электрических характеристик рельсовой стали (см. раздел 2.3). Полученные характеристики были использованы в разделе 2.4 в качестве исходных данных при оценке параметров магнитной вязкости рельсовой стали, а также в главе 3 при расчетах полей и сигналов от дефектов и других неоднородностей рельсового пути.
Однако эффективность расчетных моделей определяется не только их способностью обеспечивать необходимую точность расчетов с учетом обычно используемых характеристик, но также и возможностью учета более широкого круга явлений, оказывающих влияние на описываемый процесс. Имеется в виду, что наряду с традиционными магнитными и электрическими характеристиками, как правило, учитываемыми в расчетных моделях, основанных на решении системы уравнений Максвелла, сводимых к уравнениям Лапласа и Гельмгольца, особое место занимает такой параметр как магнитная вязкость. Хотя явление магнитной вязкости известно давно, однако применительно к магнитной дефектоскопии рельсов его влияние не изучено. Исследование этого эффекта проводилось до сих пор в интересах электроэнергетики переменного тока [23,30,31] и в связи необходимостью обеспечения быстродействия элементов магнитной памяти [32,33]. Вместе с тем, очевидно, что проникновению магнитного поля в рельс помимо вихревых токов, учитываемых уравнениями Максвелла, может препятствовать и магнитная вязкость, выражающаяся в инерционности доменных структур. Можно указать, по крайней мере, на две причины игнорирования этого очевидного соображения. Во-первых, слабо развита теория этого явления, что не позволяет ввести его в той или иной форме в расчетные модели. Во 46 вторых, нет никаких экспериментальных данных по параметрам магнитной вязкости не только рельсовой стали, но и вообще проводящих ферромагнетиков (исключая ленточный пермаллой, данные по которому приведены в [34]). Это объясняется тем, что в проводящих ферромагнетиках явление магнитной вязкости сопровождается вихревым процессом. Отделение одного эффекта от другого производится с использованием температурной зависимости времени запаздывания реакции намагниченности материала на скачкообразное изменение внешнего поля (время перемагничивания). В диапазоне температур от 123К до 293К для большинства ферромагнетиков время запаздывания за счет вязкости обратно пропорционально температуре, в то время как температурная зависимость времени запаздывания за счет вихревых токов гораздо слабее [32]. В связи с большой трудоемкостью этого метода при проведении массовых измерений подобный путь неприемлем. Ниже, в разделе 2.4 предложен и реализован более простой метод исследования этого параметра применительно к рельсовой стали.
Помимо магнитной вязкости при исследовании факторов теории магнитной дефектоскопии рельсов, существенную роль играет явление остаточной намагниченности рельсов. Это явление необходимо учитывать при проведении расчетов и проектировании средств магнитной дефектоскопии. Оно связано с понятием гистерезиса, которое обуславливает неоднозначность перехода рельсовой стали из одного магнитного состояния в другое при воздействии внешнего магнитного поля в зависимости от исходного магнитного состояния рельса. Известно, что находящиеся в эксплуатации рельсы имеют некоторую остаточную намагниченность [30]. Поле, создаваемое устройством намагничивания, должно заведомо превосходить уровень этой остаточной намагниченности. Однако до настоящего времени значения этой намагниченности не были известны.
Разработка магнитостатической модели для оценки поля рассеяния намагничивающего устройства
Магнитостатическая модель основана на решении уравнения Пуассона и его частной формы - уравнения Лапласа методом конечных разностей. Использование этого приближенного метода обусловлено тем, что устройство намагничивания имеет сложную форму, при которой методы аналитического решения оказываются непригодными, в то время как метод сеток может быть применен практически при любых конфигурациях границ [25,48,49].
Обратимся к рис.3.2, на котором приведена схема постановки данной задачи в двумерном представлении. В силу симметрии устройства намагничивания и создаваемого им поля рассеяния относительно оси z на рисунке изображена только правая половина намагничивающего устройства. Катушки намагничивания представлены в виде двух бесконечно длинных шин прямоугольного сечения с током. Рельс представлен в виде магнитного слоя высотой, равной высоте головки рельса. На поле рисунка цифрами обозначены зоны расчетной области, в которых необходимо определить значение магнитного поля: I - пространство, занятое воздухом; П - рельс; Ш - намагничивающая катушка; IV — магнитопровод. Эти зоны характеризуются не только геометрическими параметрами - размерами отдельных элементов, например, высотой катушки или шириной полюса, но и их магнитными параметрами. Так, для I и II областей имеем значение относительной магнитной проницаемости //=1, для II и IV — [л»\. Пунктиром показана граница расчетной области, на которой поле приравнивается равным нулю.
Итак, пусть по катушке намагничивающего устройства (точнее — по шинам) параллельно оси у, перпендикулярной плоскости рисунка и направленной «от нас», течет постоянный ток 1У, направление которого в правой части зоны Ш положительно, в левой — отрицательно; шина в поперечном сечении имеет размеры а Ь, число витков катушки равно w. Требуется определить напряженность магнитного поля, создаваемого катушкой намагничивания в каждой точке расчетной области.
При таких сложных граничных условиях решение задачи, как уже отмечалось, может быть получено лишь с использованием приближенных методов, среди которых в настоящее время наиболее эффективным является метод конечных разностей, часто называемый методом сеток. Его недостатком, как и любого другого численного метода, по сравнению с аналитическими, является то, что решение находится отдельно для каждой отдельной совокупности исходных данных. При этом результат решения представляется не в форме алгебраического выражения, а в виде матрицы, содержащей значения найденной функции Ay(x,z) для каждой точки расчетной области с координатами x,z. Но этот недостаток компенсируется возможностью получить решение задач, недоступных аналитическим методам. Несмотря на то, что процесс вычислений при большом количестве точек расчета поля даже в двумерном представлении весь 85 ма трудоемок, в настоящее время при использовании быстродействующей ЭВМ это не является серьезным препятствием.
Поскольку метод сеток применительно к расчету магнитных и электрических полей достаточно хорошо освещен в литературе, например в [25,48], укажем лишь характерные особенности его применения в нашем случае.
Из множества разновидностей метода сеток выбран итерационный метод Либмана с равномерным шагом сетки, так как он наилучшим образом подходит для целей программирования.
Обратимся снова к рис.3.2. На поле рисунка показана сетка, в узлах которой вычисляется векторный потенциал. Шаг сетки в вертикальном и горизонтальном направлениях одинаков и равен h. Ток в левой части катушки намагничивания течет «на нас», а в правой - «от нас» (это влияет на выбор знаков в уравнениях). Как уже отмечалось, намагничивающее устройство и создаваемое им поле рассеяния симметричны относительно оси z. Поэтому, с целью сокращения числа расчетных уравнений и, соответственно, объема вычислений, можно найти значения потенциала только для правой области, приняв ось симметрии за границу и экстраполировать затем найденные значения на левую половину.
О возможности определения устойчивых классификационных признаков для создания алгоритмов автоматизированной обработки сигналов от объектов рельсового пути
Проблема автоматизации процесса расшифровки сигналов, получаемых при контроле рельсов магнитным методом, на протяжении уже многих десятилетий остается весьма актуальной. Первые шаги в этом направлении были сделаны еще в 30-х годах прошлого столетия изобретателем Карповым Ф.М. [7], использовавшим на своем вагоне-дефектоскопе в качестве регистрирующих элементов магнитные замыкатели, настроенные на различные уровни чувствительности (см.раздел 1.2), по срабатыванию которых предлагалось судить об обнаружении дефекта с большей или меньшей степенью развития. Такой способ, основанный только на амплитудном признаке, не смог обеспечить стабильные результаты и система давала много ложных срабатываний.
В 50-70 годы, когда магнитный метод контроля рельсов получил широкое распространение, проблема автоматизации обработки сигналов вновь привлекла внимание исследователей. Было установлено, что сигналы от дефектов и помех имеют характерные спектры, позволяющие в определенных случаях отличать неопасные поверхностные повреждения рельса от опасных [15,59]. Имелись попытки создания специального корреляционного устройства, классифицирующего полученный сигнал по признаку совпадения его формы с эталоном. Также был предложен автоматизированный классификатор, в котором использовалась для принятия решения совокупность признаков сигнала: амплитуда, полярность, длительность, крутизна фронтов, полный набор составляющих поля [16]. Однако до практической реализации эти идеи так и не дошли.
В настоящее время важность поиска решения данной проблемы становится еще более острой. Это обусловлено все возрастающими трудностями в работе операторов-дефектоскопистов по расшифровке сигналов. Трудности сопряжены, во-первых, с увеличением числа каналов контроля, во-вторых, с появлением модификаций намагничивающих устройств, и, естественно, с многообразием откликов (сигналов) не только от объектов одного вида (кода), но даже от
147 одних и тех же объектов при различных условиях контроля. Последнее наглядно иллюстрируется существенными отличиями сигнала от поперечной трещины с выходом на поверхность код 21.2, расчеты которого приведены в предыдущем разделе. Эти обстоятельства не только усложняют процедуру оценки сигнала (идентификации кода дефекта, определение степени его опасности), но также затрудняют возможности мониторинга состояния объекта (сравнения сигналов от него при разных проездах).
В связи с развитием вычислительной техники в последнее время предлагаются новые пути решения рассматриваемой проблемы, например, на основе теории распознавания образов [60,61].
Эта теория предлагает два подхода — вероятностный и логический [62]. Очевидно, что первый подход эффективен в случае, когда имеется практически неограниченный ресурс по множеству однородных объектов, характерные признаки которых могут быть описаны языком статистики. В отношении объектов рельсовой дефектоскопии такой подход правомерен к описанию сигналов от подкладок, болтовых и сварных стыков. В то же время он непригоден для описания дефектов, статистика по которым по определению не может быть достаточно объемной. Для реализации логического подхода необходимо уметь выделять в описываемом объекте характерные признаки, соответствующие разным иерархическим уровням - основному и вспомогательным. Чем более детальным будет описание, тем меньше вероятность ошибки при принятии решения о принадлежности анализируемого сигнала к дефекту.
Здесь следует сказать несколько слов собственно об объектах пути и характерных признаках сигналов от них. Прежде всего, все объекты можно разделить на две основные группы: - регулярные, то есть встречающиеся через более или менее равные интервалы пути (подкладки, температурные стыки, сварные стыки и т.п.); - нерегулярные (дефекты, изолирующие стыки, стрелочные переводы и т.п.).
Деление на указанные группы связано с частостью появления сигналов от этих объектов. По первой группе можно составить довольно обширную статистику. По второй группе это возможно только для изолирующих стыков и стрелочных переводов.
С точки зрения магнитной дефектоскопии указанные объекты представляют определенный интерес, поскольку по сигналам от них формируется представление о топографии пути. Данный аспект важен, прежде всего, для привязки к пути и более точного указания местоположения дефекта по длине рельса (известно, что ошибка счетчика путевой координаты - пикетов - может быть весьма значительной, достигая нескольких метров). Во-вторых, сигналы от этих объектов, как правило, имеют значительную амплитуду, и их следует четко выделять, не включая в группу подозрительных (дефектоподобных).
Относительно стабильные сигналы дают два объекта — шпальные подкладки и болтовые стыки. Как отмечалось в предшествующих разделах, это связано с тем, что в формировании сигналов от них принимает участие поле рассеяния намагничивающего устройства, которое не зависит от скорости. Кроме того, размеры и положение этих объектов стандартизованы.
Остальные объекты, кроме дефектов, дают некоторое разнообразие сигналов, обусловленное участием в их формировании поля в рельсе. Тем не менее, в сигналах от них есть общие черты, так как они тоже имеют типовое исполнение.
Наибольшее разнообразие сигналов наблюдается от дефектов, что связано, прежде всего, с большим отличиями их параметров — формы, площади, глубины залегания, наклона относительно продольной и поперечной оси рельса, раскрытия и т.д., а также условий контроля.
Из-за такого широкого разнообразия сигналов идентификация объектов представляет собой весьма сложную задачу и в настоящее время возводится в ранг искусства.
Опытные операторы легко определяют сигналы от регулярных объектов пути, изолирующих стыков, стрелок и умеют отличить опасный дефект от неопасного с указанием предполагаемого кода дефекта. При этом они пользуются накопленным в процессе работы опытом, ориентируясь на характерные особенности того или иного сигнала. Программно-технические средства лишены такой способности. Для того чтобы научить машину идентифицировать объекты по сигналам, необходимо дать ей по возможности более четкое описание их классификационных признаков. К этим признакам следует отнести следующие (см., например, рис.4.17): - количество импульсов в сигнале; - порядок следования и полярности импульсов в сигнале; - длительности импульсов; - длительность сигнала; - расстояние (длительность) между экстремумами импульсов; - крутизна фронтов импульсов; - амплитуды импульсов; - соотношение амплитуд импульсов; - соотношение амплитуд импульсов с уровнем сигнала от подкладок или другим пороговым уровнем.
Как видно, для надежного выделения сигналов от объектов и их идентификации необходимо использовать не один, а целый ряд классификационных признаков. Проблема заключается именно в отнесении того или иного признака к категории главных или второстепенных. Можно пытаться разобраться в этом, привлекая опыт операторов-дефектоскопистов (метод экспертной оценки), но эти возможности крайне ограничены, во-первых, из-за субъективности такого подхода, во-вторых, вследствие упомянутого выше малого объема выборки.
В рамках настоящей работы предлагается иной подход [57], основанный на разработке и последующем исследовании широкой гаммы расчетных моделей для оценки сигналов, формируемых дефектами рельсов, с целью выявления их устойчивых классификационных признаков, установления степени их значимости.
