Содержание к диссертации
Введение
1. Аналитический обзор состояния дефектоскопии рельсов. Обоснование задач исследований 17
1.1. Основные закономерности образования дефектов в рельсах 17
1.2. Аналитический обзор состояния дефектоскопии рельсов на железных дорогах России и за рубежом 25
1.3. Измеряемые характеристики дефектов при регистрации их на развертках Щ типа А и В 38
1.4. Постановка задач исследований 48
2. Теоретико-экспериментальное обоснование рациональных методов обнаружения дефектов в сечениях рельсов 51
2.1. Этапы разработки эффективных схем прозвучивания рельсов 51
2.2. Математическое моделирование процесса распространения ультразвуковых колебаний в железнодорожных рельсах 58
2.2.1. Допущения и ограничения, принятые при разработке моделей 58
2.2.2. Математическая модель распространения ультразвуковых волн в головке рельса 62
2.2.3. Модели сигналов в каналах контроля шейки и подошвы рельса при наклон ном вводе ультразвуковых колебаний 86
2.2.4. Разработка программы генерации моделей сигналов ультразвукового контро
ля рельсов 90
2.3. Разработка способов повышения эффективности обнаружения дефектов в головке рельса 95
2.4. Разработка способа обнаружения радиальных трещин в зоне болтовых стыков ПО
2.5. Оценка адекватности разработанных моделей реальным сигналам кон-9 троля 128
2.6. Основные результаты и выводы по 2 главе 132
3. Обоснование принципов построения средств сплошного ультразвуко вого контроля рельсов 134
3.1. Общие положения сплошного ультразвукового контроля железнодорож
ных рельсов 134
3.1.1. Особенности сплошного контроля рельсов 134
3.1.2. Исследование эффекта компрессии величины условного размера дефекта от скорости сканирования 135
3.1.3. Способ измерения координат дефектов по пространственному сдвигу эхо-сигналов (прит = 0и т= 1) 139
3.1.4. Вопросы повышения помехоустойчивости сплошного контроля рельсов 144
3.2. Принципы построения многоканальных средств ультразвукового контроля рельсов при малых скоростях сканирования 147
3.3. Принципы построения дефектоскопического комплекса ультразвукового контроля рельсов с большими скоростями сканирования 169
3.4. Обоснование идеологии построения программно-аппаратного комплекса средств неразрушающего контроля (ПАК НК) рельсов 190
3.4.1. Структура и идеология ПАК НК 194
3.4.2. Автоматизация процесса расшифровки результатов сплошного контроля рельсов 202
3.4.3. Внедрение ПАК НК 214
3.5. Выводы по 3 главе 225
4. Разработка методов и принципов построения аппаратуры ультра звуковой дефектоскопии при непрерывном излучении упругих колеба ний 227
4.1. Обоснование целесообразности перехода от импульсного к непрерывному излучению упругих колебаний при ультразвуковом контроле рельсов 227
4.2. Исследование формирования эхо-сигналов при непрерывном излучении ультразвуковых колебаний ...235
4.2.1. Анализ формирования полезных сигналов от точечного отражателя 235
4.2.2. Исследование особенностей формирования полезных сигналов от протяженных отражателей с диффузной поверхностью 244
4.2.3. Экспериментальная проверка реализуемости эхо-непрерывного метода и оценка его основных параметров 255
4.3. Разработка способов оценки характеристик дефектов при непрерывном немодулированном излучении упругих колебаний 261
4.3.1. Разработка инвариантного к скорости сканирования способа измерения условной протяженности дефекта 261
4.3.2. Разработка и исследование способов оценки координат дефектов при эхо-непрерывном методе 264
4.4. Разработка функциональных решений дефектоскопической аппаратуры при непрерывном излучении упругих колебаний 279
4.4.1. Обоснование функциональных решений эхо-канала дефектоскопа с непрерывным излучением упругих колебаний 279
4.4.2. Обоснование функциональной схемы канала, реализующего зеркально-теневой метод контроля 289
4.4.3. Разработка принципов построения универсального дефектоскопа с непрерывным излучением ультразвуковых колебаний 299
4.5. Основные результаты и выводы 4 главы 308
5. Разработка принципов метрологического обеспечения многоканальных средств ультразвукового контроля изделий 311
5.1. Конкретизация решаемых задач 311
5.2. Разработка принципа электронно-акустического моделирования дефектных ситуаций при ультразвуковом контроле изделий 313
5.3. Обоснование и экспериментальные исследования функциональных решений устройств проверки работоспособности многоканальных ультразвуковых дефектоскопов 328
5.3.1. Устройство оперативной проверки работоспособности съемных дефектоско
пов 329
5.3.2. Средства инспекционного контроля процесса дефектоскопирования рельсов мобильными средствами контроля 338
5.4. Разработка принципов и аппаратуры метрологического обеспечения эхо-непрерывного метода 353
5.5. Основные результаты и выводы 359
6. Реализация результатов исследований в неразрушающем контроле рельсов на федеральном железнодорожном транспорте России 361
6.1. Организация внедрения и результаты эксплуатации съемных ультразву ковых дефектоскопов типа АВИКОН-01 для контроля обеих ниток рельсово го пути 361
ф 6.2. Проблемы и результаты эксплуатации вагонов-дефектоскопов на базе ультразвуковых и магнитных методов контроля 367
6.3. Внедрение программно-аппаратного комплекса неразрушающего контроля ПАК НК 372
6.4. Внедрение результатов исследований при подготовке специалистов по ультразвуковому контролю изделий 374
6.4.1. Использование электронно-акустических тренажеров для обучения, отработки навыков и аттестации специалистов поу.з. контролю изделий 374
6.4.2. Разработка и внедрение компьютерных обучающих программ для подготовки специалистов по у.з контролю рельсов 379
6.5. Направления дальнейшего совершенствования методов и средств ультра звуковой дефектоскопии рельсов 382
Заключение 385
Список использованных источников
- Измеряемые характеристики дефектов при регистрации их на развертках Щ типа А и
- Модели сигналов в каналах контроля шейки и подошвы рельса при наклон ном вводе ультразвуковых колебаний
- Способ измерения координат дефектов по пространственному сдвигу эхо-сигналов (прит = 0и т= 1)
- Экспериментальная проверка реализуемости эхо-непрерывного метода и оценка его основных параметров
Введение к работе
Необходимым условием безопасности движения на железнодорожном транспорте является надежное функционирование элементов путевого хозяйства. К наиболее ответственным элементам конструкции пути относятся железнодорожные (ж.д.) рельсы.
Неразрушающие физические методы контроля являются эффективными, а в ряде случаев — единственно возможными средствами предотвращения чрезвычайных ситуаций на ж.д. транспорте из-за изломов рельсов по дефектам в них. Наиболее распространенными и основными методами, используемыми в рельсовой дефектоскопии, являются ультразвуковые - эхо- и зеркально-теневой при импульсном излучении упругих колебаний.
Система неразрушающего контроля рельсов в условиях их эксплуатации вплоть до 1993 года базировалась, в основном, на съемных двухни-точных ультразвуковых (у.з.) дефектоскопах ("Рельс-5", "Поиск-2", "Поиск- 10Э"), построенных по единой функциональной схеме 1967 года разработки. С использованием 5 тыс. этих средств, управляемых 10 тыс. операторов в сопровождении 10-20 тыс. сигналистов в 1988-1990 г.г. при частоте контроля 2-5 раз в месяц было выявлено и изъято из пути 372570 дефектных рельсов. Однако при этом было допущено 2378 изломов рельсов по дефектам, не обнаруженным средствами дефектоскопии, в том числе 470 ( 20%) - пропущенных по вине операторов.
Необходимым условием безопасности движения на железнодорожном транспорте является надежное функционирование элементов путевого хозяйства. К наиболее ответственным элементам конструкции пути относятся железнодорожные (ж.д.) рельсы.
Неразрушающие физические методы контроля являются эффективными, а в ряде случаев — единственно возможными средствами предотвращения чрезвычайных ситуаций на ж.д. транспорте из-за изломов рельсов по дефектам в них. Наиболее распространенными и основными методами, используемыми в рельсовой дефектоскопии, являются ультразвуковые - эхо- и зеркально-теневой при импульсном излучении упругих колебаний.
Система неразрушающего контроля рельсов в условиях их эксплуатации вплоть до 1993 года базировалась, в основном, на съемных двухни-точных ультразвуковых (у.з.) дефектоскопах ("Рельс-5", "Поиск-2", "Поиск- 10Э"), построенных по единой функциональной схеме 1967 года разработки. С использованием 5 тыс. этих средств, управляемых 10 тыс. операторов в сопровождении 10-20 тыс. сигналистов в 1988-1990 г.г. при частоте контроля 2-5 раз в месяц было выявлено и изъято из пути 372570 дефектных рельсов. Однако при этом было допущено 2378 изломов рельсов по дефектам, не обнаруженным средствами дефектоскопии, в том числе 470 ( 20%) - пропущенных по вине операторов.
Программами перевооружения путевого хозяйства, принятыми МПС СССР (России), особое место отводится проблеме кардинального повышения надежности системы неразрушающего контроля (НК) рельсов при одновременном снижении численности операторов и затрат на контроль.
Решению данной проблемы посвящены теоретико-экспериментальные исследования и разработки, выполненные автором в 1993-2003 г. в ОАО «Радиоавионика», а также ранее (с 1980 г.) в НИИ мостов ЛИИЖТа, и обобщенные в настоящей диссертационной работе. При этом основное внимание уделялось развитию эхо-, зеркального и зеркально-теневого методов контроля рельсов на базе пьезоэлектрических преобразователей при контактном вводе у.з. колебаний, результаты которых могли быть реализованы на практике в наиболее короткие сроки при наименьших затратах.
Результаты исследований и разработок, полученные при выполнении планов НИОКР Госкомитета по науке и технике СССР, Министерства путей сообщения и Государственных программ по безопасности на ж.д. транспорте, изложены в диссертации не в порядке завершения отдельных этапов, а так, как это представляется в настоящее время более логичным.
К началу настоящей работы выяснилось, что эксплуатируемые средства дефектоскопии рельсов не могут выявить ряд опасных дефектов, развивающихся в головке, шейке и подошве рельса. Информация, предоставляемая оператору индикаторами дефектоскопов, не всегда достаточна для обоснованного принятия решений о качестве проконтролированного пути. Достигнутые производительность и надежность контроля рельсов мобильными средствами контроля (вагонами-дефектоскопами) не соответствуют современным требованиям.
Параллельно с конца 80х - начала 90х годов бурное развитие вычислительной техники и микрорадиоэлектроники открыло новые возможности для реализации средств НК нового поколения с расширенными функциональными и сервисными возможностями.
Все это создало предпосылки для дальнейшего повышения достоверности и надежности контроля путем создания и внедрения в практику эффективных методов и средств дефектоскопии эксплуатируемых железнодорожных рельсов.
Разнообразие дефектов, возникающих в ж.д. рельсах в процессе их эксплуатации [1, 2], обуславливает использование систем преобразователей, осуществляющих ввод у.з. колебаний под разными углами к поверхности сканирования. Комплекс преобразователей формирует схему про-звучивания сечения рельса, являющуюся одним из основных факторов, влияющих на эффективность обнаружения потенциальных дефектов. Теоретико-экспериментальное обоснование принципов создания таких схем с учетом вероятности образования дефектов в рельсах и оптимизации реализующих их дефектоскопических каналов является одной из первых и основных задач создания многоканальных систем контроля. Для решения этой задачи с минимальными временными и техническими затратами необходимо разработать соответствующую математическую модель и программное обеспечение (ПО), позволяющее синтезировать новые схемы прозвучивания, ориентированные на обнаружение определенной группы дефектов и предназначенные для реализации в средствах у.з. контроля рельсов различного назначения.
Несмотря на активное внедрение автоматизированных средств дефектоскопии рельсов на железных дорогах, многоканальные у.з. дефектоскопы, обслуживаемые двумя операторами и относящиеся к механизированным средствам дефектоскопии (съемные дефектоскопы), обнаруживают более 90% опасных дефектов в рельсах, своевременно предотвращая аварийные ситуации [3].
С учетом возможностей современной цифровой и микропроцессорной техники, базируясь на накопленном опыте эксплуатации механизированных средств и разработанных схемах прозвучивания, необходимо обосновать основные требования к съемным дефектоскопам нового поколения. При этом необходимо определить вид и минимально необходимое количество информации, передаваемой оператору, обслуживающему многоканальную дефектоскопическую систему непосредственно в пути, объем и параметры регистрируемой информации для долговременного хране ния и предназначенную для анализа в стационарных условиях, а также основные функции, выполняемые встроенными вычислителями.
Одновременно необходимо продолжить работы по созданию принципов построения дефектоскопических комплексов контроля рельсов, базирующихся на традиционном импульсном излучении у.з. колебаний и обеспечивающих диагностику пути с большими (до 60 км/ч) скоростями сканирования. Задача повышения эффективности мобильных средств как за счет совершенствования реализуемых схем у.з. прозвучивания сечений рельсов, так и за счет дополнения акустических методов контроля магнитным, базирующимся на иных физических принципах и более надежно обнаруживающим поверхностные и подповерхностные (до 4-6 мм от поверхности катания головки рельса) дефекты [4] требовала своего решения. Естественно, при этом принципы автоматизированного представления, обработки и анализа поступающей информации обоих методов контроля должны быть взаимоувязаны с учетом специфических факторов, проявляющихся при указанных скоростях сканирования.
С внедрением в механизированные дефектоскопы регистраторов все основные средства НК рельсов становятся средствами сбора весьма подробной информации о состоянии рельсов, систематически собираемой в соответствии с графиком контроля рельсового пути. Поэтому обоснование идеологии построения программно-аппаратного комплекса (ПАК) НК рельсов, позволяющего осуществлять совместный анализ сигналов контроля, полученных разными средствами НК в течение определенного промежутка времени, является одной из актуальных задач повышения эффективности дефектоскопии рельсов.
В перспективе совместный анализ сигналов периодического контроля, получаемых различными дефектоскопическими средствами, позволит перейти от аварийного изъятия дефектных рельсов к мониторингу рельсового пути с устранением развивающихся дефектов в плановом порядке.
В связи с наращиванием темпов производства в последние годы в ряде отраслей народного хозяйства выдвигается задача доведения скоростей сканирования при у.з. контроле до 10-90 км/ч (3...25 м/с). Решение этой задачи сдерживается низкой помехоустойчивостью эхо-импульсного метода, на котором базируются известные устройства автоматизированного контроля [5]. При доведении скоростей сканирования до скоростей, требуемых условиями современных технологических процессов производства или эксплуатации контролируемых изделий, эффективность у.з. методов с импульсным излучением падает вследствие малого числа эхо-импульсов, принимаемых от дефектов, что снижает помехоустойчивость и реальную чувствительность контроля. Более того, импульсное излучение ограничивает максимальную скорость контроля, значение которой определяется толщиной изделия и скоростью распространения упругой волны в нем.
Эти вопросы становятся наиболее острыми на скоростных железнодорожных магистралях, где при скоростях движения поездов 200-250 км/ч достигнутые скорости контроля вагонами-дефектоскопами 50-55 км/ч являются одним из факторов, снижающим пропускную способность железнодорожного пути.
Как показано в ранее выполненных работах автора [6, 7] и обосновано в данной диссертационной работе, повышение скорости контроля может быть достигнуто за счет перехода от импульсного излучения к непрерывному. Являясь альтернативным импульсному эхо-методу, метод непрерывного излучения, реализуемый при узкой, по сравнению с импульсным излучением, полосе частот, способствует снижению уровня шумов. Поэтому переход к непрерывному излучению может привести к заметному повышению помехозащищенности, а, следовательно, реальной чувствительности и достоверности контроля ж.д. рельсов. Непрерывный режим излучения упругих колебаний может найти широкое применение в у.з. дефектоскопии ряда изделий, где по условиям контроля требуется вы сокая скорость сканирования (толстостенные трубы [8], стальные полосы [5] и другой профильный прокат).
Функционирующие в настоящее время на сети железных дорог страны скоростные средства контроля, основанные на у.з. методах (ультразвуковые вагоны-дефектоскопы и разработанные в последние годы автомотрисы дефектоскопные), оснащены аппаратурой, реализующей импульсные методы излучения упругих колебаний. Эти средства, имея явные преимущества по производительности контроля перед съемными и переносными у.з. дефектоскопами, также входящими в систему неразру-шающего контроля эксплуатирующихся рельсов и основанными на импульсных методах, уступают им по достоверности и надежности контроля. Наряду с другими причинами (наличие помех, сложность обеспечения надежного акустического контакта), одной из возможных причин недостаточной эффективности у.з. вагонов-дефектоскопов являются недостатки импульсного режима излучения упругих колебаний, более ярко проявляющиеся при возрастании скоростей сканирования.
Заметим, что зарубежные вагоны-дефектоскопы, подробный анализ характеристик которых приведен автором в [9 и 10], несмотря на несколько меньшие скорости сканирования (30-50 км/ч) и применение для обработки сигналов микропроцессорной техники, также обладают недостаточной достоверностью и надежностью контроля. Это обусловливает необходимость вторичного контроля с помощью портативных дефектоскопов участков рельсов, сомнительных по показаниям скоростных средств, что приводит к снижению оперативности выдачи информации о качестве проконтролированного участка и, как следствие, к уменьшению производительности контроля.
Таким образом, достигнутые производительность и достоверность существующих вагонов-дефектоскопов следует признать еще недостаточными: они ограничиваются, кроме всего, возможностями применяемых в настоящее время импульсного метода излучения и контактного ввода у.з. колебаний с помощью пьезоэлектрических преобразователей.
Дальнейшее совершенствование дефектоскопической аппаратуры скоростных средств можно осуществить путем увеличения времени приема сигналов, отраженных от дефектов, и сужения полосы пропускания приемного тракта. Выполнение этих требований становится возможным при переходе от импульсного излучения упругих колебаний к непрерывному. При этом прием и обработку эхо-сигналов возможно осуществить с учетом проявляемого при рабочих скоростях вагонов-дефектоскопов эффекта Доплера.
Отсутствие в отечественной и зарубежной литературе теоретико-экспериментальных работ по использованию указанного эффекта в у.з. дефектоскопии и в целом по использованию непрерывного режима излучения при эхо-методе контроля обусловливает необходимость разработки принципов и теоретических основ эхо-непрерывного метода с обработкой сигналов на базе эффекта Доплера. При этом такие исследования должны основываться на анализе механизма формирования эхо-сигналов от дефектов, их временных и частотных параметров. В процессе разработки теории метода должны быть обоснованы принципы выделения сигналов с доплеровским сдвигом частоты.
Важной проблемой эхо-метода при монохроматическом излучении упругих колебаний является исследование и разработка способов оценки характеристик дефектов, так как, в отличие от эхо-импульсного метода, в принятых сигналах отсутствуют явные признаки, позволяющие проводить временную селекцию и измерение координат отражателей (дефектов) по глубине контролируемого изделия.
Непрерывное излучение колебаний может оказаться эффективным также и при зеркально-теневом методе (ЗТМ) контроля с раздельным излучением и приемом упругих колебаний. При этом ожидается возрастание точности измерения характеристик дефектов способами, разработанными нами применительно к импульсному режиму излучения. Для дальнейшего повышения достоверности ЗТМ с непрерывным излучением у.з. колебаний требуется проведение дополнительных исследований с целью разработки оптимальных, с точки зрения помехоустойчивости, способов обработки сигналов контроля.
Методы у.з. дефектоскопии при непрерывном излучении, как и любой вновь разрабатываемый метод контроля, требуют обоснования и разработки функциональных решений аппаратуры, реализующих эти методы, методик и средств их метрологического обеспечения.
Вопросы метрологического обеспечения, оперативной проверки работоспособности и инспекционной проверки функционирования многоканальных средств дефектоскопии при традиционном импульсном излучении у.з. колебаний также требуют разработки способов и устройств, позволяющих осуществлять систематическую проверку основных параметров дефектоскопов с минимальной затратой времени в сложных производственных условиях. Как будет показано в работе, для реализации указанных устройств возможно применение принципа электронно-акустической имитации сигналов, положенного ранее в основу тренажеров для отработки навыков у.з контроля изделий.
Таким образом, повышение достоверности и надежности НК рельсов требует проведения комплекса теоретико-экспериментальных исследований, направленных как на дальнейшее совершенствование методологий и средств у.з контроля при импульсном излучении, так и разработки теоретических основ новых высокопроизводительных методов у.з дефектоскопии с непрерывным излучением упругих колебаний. На основании результатов указанных исследований необходимо разработать и изготовить образцы дефектоскопов и дефектоскопических комплексов нового поколения, организовать их серийное производство и по результатам эксплуатации в реальных условиях оценить эффективность предлагаемых методов и средств контроля рельсов.
Целью настоящей диссертационной работы является кардинальное повышение достоверности и надежности у.з. контроля путем создания и внедрения в практику эффективных методов и средств дефектоскопии эксплуатируемых ж.д. рельсов.
Для достижения поставленной цели решены следующие задачи:
1. Разработана обобщенная математическая модель процесса распространения у.з. колебаний в профиле ж.д. рельса и формирования сигналов от дефектов различного типоразмера и создано соответствующее программное обеспечение (ПО).
2. На базе разработанной компьютерной программы моделирования процесса формирования отраженных от дефектов акустических сигналов синтезированы и экспериментально исследованы новые схемы прозвучи-вания сечения рельсов, обеспечивающие обнаружение в них ряда опасных дефектов, не выявляемых известными средствами у.з. дефектоскопии.
3. Разработаны принципы построения многоканальных средств механизированного и автоматизированного контроля рельсов в широком диапазоне скоростей сканирования при импульсном излучении упругих колебаний.
4. Обоснована идеология использования дефектоскопической информации при комплексном у.з. контроле рельсов средствами НК и разработан принцип построения необходимого для этого программно-аппаратного комплекса НК (ПАК НК).
5. Разработаны теоретические основы методов у.з. контроля рельсов при непрерывном излучении упругих колебаний для значительных скоростей сканирования. Предложены и экспериментально исследованы способы оценки характеристик при немодулированном излучении у.з. колебаний.
6. Разработаны принципы электронно-акустического моделирования дефектных ситуаций в рельсах и созданы имитаторы дефектов для их практического применения в процессе штатного НК рельсов.
7. По результатам исследований и сформулированных технических решений разработаны дефектоскопические комплексы нового поколения и обоснованы технологии использования дефектоскопической информации, значительно повышающие эффективность НК рельсов.
Решению этих задач посвящены главы 2-6 настоящей работы. Им предшествует аналитический обзор состояние рельсов на ж.д. России и за рубежом. Обзор литературы по каждому из вопросов проводится в соответствующих разделах параллельно с изложением основных исследований.
Ввиду отсутствия установившейся терминологии в работе использован ряд новых терминов и определений.
На защиту выносится комплексное решение проблемы повышения эффективности НК рельсов, состоящее в развитии и обосновании теоретических и прикладных аспектов методов и средств у.з. дефектоскопии:
- обобщенная математическая модель процесса распространения у.з. колебаний в сечении ж.д. рельсов, на базе которой синтезируются схемы прозвучивания для выявления дефектов механизированными и автоматизированными средствами дефектоскопии;
- способы обнаружения дефектов различной степени развития в головке и в шейке рельса с применением эхо- и зеркальных методов у.з. контроля;
- принципы построения многоканальных средств у.з. контроля рельсов нового поколения;
- идеология создания ПАК НК, позволяющая объединять, накапливать и анализировать дефектоскопическую информацию действующих средств НК рельсов;
- принципы электронно-акустического моделирования сигналов у.з. контроля применительно к разработке устройств для оперативной проверки работоспособности многоканальных средств дефектоскопии и тренажеров для отработки навыков у.з. контроля;
- теоретические основы у.з. дефектоскопии длинномерных объектов при непрерывном излучении упругих колебаний с реализацией эхо-, зеркального и зеркально-теневого методов контроля;
- принцип и аппаратное решение, позволяющие имитировать сигналы от дефектов и поверять дефектоскопическую аппаратуру на базе эффекта Доплера при стационарном положении преобразователей относительно контролируемого объекта;
- способы повышения помехозащищенности и информативности ЗТМ при непрерывном излучении (НИ) упругих колебаний за счет анализа фронтов огибающей донного сигнала.
Основные положения диссертационной работы учтены в Межгосударственном стандарте на ультразвуковой контроль рельсов (ГОСТ 18576-96) и положены в основу разработки механизированных и автоматизированных средств дефектоскопии ж.д. рельсов, выпускаемых по заказу МПС России серийно.
Результаты и выводы диссертации позволяют выбирать основные параметры схем прозвучивания сечения рельсов, структурную схему аппаратуры эхо-, зеркально-теневого и зеркального методов при импульсном и непрерывном излучении у.з. колебаний для дефектоскопии длинномерных объектов в различных отраслях промышленности как при больших скоростях сканирования (автоматизированный контроль), так и при малых скоростях (механизированный и ручной контроль). Технические решения по использованию предложенных методов положены с основу механизированных и автоматизированных дефектоскопов нового поколения на базе встроенной микропроцессорной техники, выпускаемой по заказу МПС России серийно. Разработано и внедрено несколько типов у.з. дефектоскопических комплексов и электронно-акустической аппаратуры: механизированные у.з. дефектоскопы типа АВИКОН-01 и АВИКОН-01 MP - более 500 комплектов, вагоны-дефектоскопы с дефектоскопическим комплексом (ДК) АВИКОН-03 - 6 ед., устройство КРАБ-М - 50 шт., электронно-акустические тренажеры типа «Гатчина» и «Универсал-Р(С)» - 29 компл. В настоящее время приборы и комплексы успешно эксплуатируются на ж.д. МПС России, Казахстана и в метрополитенах.
Компьютерные обучающие программы, базирующиеся на принципах моделирования процессов ультразвукового контроля рельсов, внедрены на всех железных дорогах России и в отдельных подразделениях железных дорог Беларуси и Латвии. Внедрение результатов диссертационной работы, положенных в основу ПАК НК, предусмотрено «Программой повышения безопасности движения на железнодорожном транспорте 2001-2005 г.г.».
Решению данной проблемы посвящены теоретико-экспериментальные исследования и разработки, выполненные автором в 1993-2003 г. в ОАО «Радиоавионика», а также ранее (с 1980 г.) в НИИ мостов ЛИИЖТа, и обобщенные в настоящей диссертационной работе. При этом основное внимание уделялось развитию эхо-, зеркального и зеркально-теневого методов контроля рельсов на базе пьезоэлектрических преобразователей при контактном вводе у.з. колебаний, результаты которых могли быть реализованы на практике в наиболее короткие сроки при наименьших затратах.
Результаты исследований и разработок, полученные при выполнении планов НИОКР Госкомитета по науке и технике СССР, Министерства путей сообщения и Государственных программ по безопасности на ж.д. транспорте, изложены в диссертации не в порядке завершения отдельных этапов, а так, как это представляется в настоящее время более логичным.
К началу настоящей работы выяснилось, что эксплуатируемые средства дефектоскопии рельсов не могут выявить ряд опасных дефектов, развивающихся в головке, шейке и подошве рельса. Информация, предоставляемая оператору индикаторами дефектоскопов, не всегда достаточна для обоснованного принятия решений о качестве проконтролированного пути. Достигнутые производительность и надежность контроля рельсов мобильными средствами контроля (вагонами-дефектоскопами) не соответствуют современным требованиям.
Параллельно с конца 80х - начала 90х годов бурное развитие вычислительной техники и микрорадиоэлектроники открыло новые возможности для реализации средств НК нового поколения с расширенными функциональными и сервисными возможностями.
Все это создало предпосылки для дальнейшего повышения достоверности и надежности контроля путем создания и внедрения в практику эффективных методов и средств дефектоскопии эксплуатируемых железнодорожных рельсов.
Разнообразие дефектов, возникающих в ж.д. рельсах в процессе их эксплуатации [1, 2], обуславливает использование систем преобразователей, осуществляющих ввод у.з. колебаний под разными углами к поверхности сканирования. Комплекс преобразователей формирует схему про-звучивания сечения рельса, являющуюся одним из основных факторов, влияющих на эффективность обнаружения потенциальных дефектов. Теоретико-экспериментальное обоснование принципов создания таких схем с учетом вероятности образования дефектов в рельсах и оптимизации реализующих их дефектоскопических каналов является одной из первых и основных задач создания многоканальных систем контроля. Для решения этой задачи с минимальными временными и техническими затратами необходимо разработать соответствующую математическую модель и программное обеспечение (ПО), позволяющее синтезировать новые схемы прозвучивания, ориентированные на обнаружение определенной группы дефектов и предназначенные для реализации в средствах у.з. контроля рельсов различного назначения.
Несмотря на активное внедрение автоматизированных средств дефектоскопии рельсов на железных дорогах, многоканальные у.з. дефектоскопы, обслуживаемые двумя операторами и относящиеся к механизированным средствам дефектоскопии (съемные дефектоскопы), обнаруживают более 90% опасных дефектов в рельсах, своевременно предотвращая аварийные ситуации [3].
С учетом возможностей современной цифровой и микропроцессорной техники, базируясь на накопленном опыте эксплуатации механизированных средств и разработанных схемах прозвучивания, необходимо обосновать основные требования к съемным дефектоскопам нового поколения. При этом необходимо определить вид и минимально необходимое количество информации, передаваемой оператору, обслуживающему многоканальную дефектоскопическую систему непосредственно в пути, объем и параметры регистрируемой информации для долговременного хране
ния и предназначенную для анализа в стационарных условиях, а также основные функции, выполняемые встроенными вычислителями.
Одновременно необходимо продолжить работы по созданию принципов построения дефектоскопических комплексов контроля рельсов, базирующихся на традиционном импульсном излучении у.з. колебаний и обеспечивающих диагностику пути с большими (до 60 км/ч) скоростями сканирования. Задача повышения эффективности мобильных средств как за счет совершенствования реализуемых схем у.з. прозвучивания сечений рельсов, так и за счет дополнения акустических методов контроля магнитным, базирующимся на иных физических принципах и более надежно обнаруживающим поверхностные и подповерхностные (до 4-6 мм от поверхности катания головки рельса) дефекты [4] требовала своего решения. Естественно, при этом принципы автоматизированного представления, обработки и анализа поступающей информации обоих методов контроля должны быть взаимоувязаны с учетом специфических факторов, проявляющихся при указанных скоростях сканирования.
С внедрением в механизированные дефектоскопы регистраторов все основные средства НК рельсов становятся средствами сбора весьма подробной информации о состоянии рельсов, систематически собираемой в соответствии с графиком контроля рельсового пути. Поэтому обоснование идеологии построения программно-аппаратного комплекса (ПАК) НК рельсов, позволяющего осуществлять совместный анализ сигналов контроля, полученных разными средствами НК в течение определенного промежутка времени, является одной из актуальных задач повышения эффективности дефектоскопии рельсов.
В перспективе совместный анализ сигналов периодического контроля, получаемых различными дефектоскопическими средствами, позволит перейти от аварийного изъятия дефектных рельсов к мониторингу рельсового пути с устранением развивающихся дефектов в плановом порядке.
В связи с наращиванием темпов производства в последние годы в ряде отраслей народного хозяйства выдвигается задача доведения скоростей сканирования при у.з. контроле до 10-90 км/ч (3...25 м/с). Решение этой задачи сдерживается низкой помехоустойчивостью эхо-импульсного метода, на котором базируются известные устройства автоматизированного контроля [5]. При доведении скоростей сканирования до скоростей, требуемых условиями современных технологических процессов производства или эксплуатации контролируемых изделий, эффективность у.з. методов с импульсным излучением падает вследствие малого числа эхо-импульсов, принимаемых от дефектов, что снижает помехоустойчивость и реальную чувствительность контроля. Более того, импульсное излучение ограничивает максимальную скорость контроля, значение которой определяется толщиной изделия и скоростью распространения упругой волны в нем.
Эти вопросы становятся наиболее острыми на скоростных железнодорожных магистралях, где при скоростях движения поездов 200-250 км/ч достигнутые скорости контроля вагонами-дефектоскопами 50-55 км/ч являются одним из факторов, снижающим пропускную способность железнодорожного пути.
Как показано в ранее выполненных работах автора [6, 7] и обосновано в данной диссертационной работе, повышение скорости контроля может быть достигнуто за счет перехода от импульсного излучения к непрерывному. Являясь альтернативным импульсному эхо-методу, метод непрерывного излучения, реализуемый при узкой, по сравнению с импульсным излучением, полосе частот, способствует снижению уровня шумов. Поэтому переход к непрерывному излучению может привести к заметному повышению помехозащищенности, а, следовательно, реальной чувствительности и достоверности контроля ж.д. рельсов. Непрерывный режим излучения упругих колебаний может найти широкое применение в у.з. дефектоскопии ряда изделий, где по условиям контроля требуется вы
сокая скорость сканирования (толстостенные трубы [8], стальные полосы [5] и другой профильный прокат).
Функционирующие в настоящее время на сети железных дорог страны скоростные средства контроля, основанные на у.з. методах (ультразвуковые вагоны-дефектоскопы и разработанные в последние годы автомотрисы дефектоскопные), оснащены аппаратурой, реализующей импульсные методы излучения упругих колебаний. Эти средства, имея явные преимущества по производительности контроля перед съемными и переносными у.з. дефектоскопами, также входящими в систему неразру-шающего контроля эксплуатирующихся рельсов и основанными на импульсных методах, уступают им по достоверности и надежности контроля. Наряду с другими причинами (наличие помех, сложность обеспечения надежного акустического контакта), одной из возможных причин недостаточной эффективности у.з. вагонов-дефектоскопов являются недостатки импульсного режима излучения упругих колебаний, более ярко проявляющиеся при возрастании скоростей сканирования.
Заметим, что зарубежные вагоны-дефектоскопы, подробный анализ характеристик которых приведен автором в [9 и 10], несмотря на несколько меньшие скорости сканирования (30-50 км/ч) и применение для обработки сигналов микропроцессорной техники, также обладают недостаточной достоверностью и надежностью контроля. Это обусловливает необходимость вторичного контроля с помощью портативных дефектоскопов участков рельсов, сомнительных по показаниям скоростных средств, что приводит к снижению оперативности выдачи информации о качестве проконтролированного участка и, как следствие, к уменьшению производительности контроля.
Таким образом, достигнутые производительность и достоверность существующих вагонов-дефектоскопов следует признать еще недостаточными: они ограничиваются, кроме всего, возможностями применяемых в
настоящее время импульсного метода излучения и контактного ввода у.з. колебаний с помощью пьезоэлектрических преобразователей.
Дальнейшее совершенствование дефектоскопической аппаратуры скоростных средств можно осуществить путем увеличения времени приема сигналов, отраженных от дефектов, и сужения полосы пропускания приемного тракта. Выполнение этих требований становится возможным при переходе от импульсного излучения упругих колебаний к непрерывному. При этом прием и обработку эхо-сигналов возможно осуществить с учетом проявляемого при рабочих скоростях вагонов-дефектоскопов эффекта Доплера.
Отсутствие в отечественной и зарубежной литературе теоретико-экспериментальных работ по использованию указанного эффекта в у.з. дефектоскопии и в целом по использованию непрерывного режима излучения при эхо-методе контроля обусловливает необходимость разработки принципов и теоретических основ эхо-непрерывного метода с обработкой сигналов на базе эффекта Доплера. При этом такие исследования должны основываться на анализе механизма формирования эхо-сигналов от дефектов, их временных и частотных параметров. В процессе разработки теории метода должны быть обоснованы принципы выделения сигналов с доплеровским сдвигом частоты.
Важной проблемой эхо-метода при монохроматическом излучении упругих колебаний является исследование и разработка способов оценки характеристик дефектов, так как, в отличие от эхо-импульсного метода, в принятых сигналах отсутствуют явные признаки, позволяющие проводить временную селекцию и измерение координат отражателей (дефектов) по глубине контролируемого изделия.
Непрерывное излучение колебаний может оказаться эффективным также и при зеркально-теневом методе (ЗТМ) контроля с раздельным излучением и приемом упругих колебаний. При этом ожидается возрастание точности измерения характеристик дефектов способами, разработанными
нами применительно к импульсному режиму излучения. Для дальнейшего повышения достоверности ЗТМ с непрерывным излучением у.з. колебаний требуется проведение дополнительных исследований с целью разработки оптимальных, с точки зрения помехоустойчивости, способов обработки сигналов контроля.
Методы у.з. дефектоскопии при непрерывном излучении, как и любой вновь разрабатываемый метод контроля, требуют обоснования и разработки функциональных решений аппаратуры, реализующих эти методы, методик и средств их метрологического обеспечения.
Вопросы метрологического обеспечения, оперативной проверки работоспособности и инспекционной проверки функционирования многоканальных средств дефектоскопии при традиционном импульсном излучении у.з. колебаний также требуют разработки способов и устройств, позволяющих осуществлять систематическую проверку основных параметров дефектоскопов с минимальной затратой времени в сложных производственных условиях. Как будет показано в работе, для реализации указанных устройств возможно применение принципа электронно-акустической имитации сигналов, положенного ранее в основу тренажеров для отработки навыков у.з контроля изделий.
Таким образом, повышение достоверности и надежности НК рельсов требует проведения комплекса теоретико-экспериментальных исследований, направленных как на дальнейшее совершенствование методологий и средств у.з контроля при импульсном излучении, так и разработки теоретических основ новых высокопроизводительных методов у.з дефектоскопии с непрерывным излучением упругих колебаний. На основании результатов указанных исследований необходимо разработать и изготовить образцы дефектоскопов и дефектоскопических комплексов нового поколения, организовать их серийное производство и по результатам эксплуатации в реальных условиях оценить эффективность предлагаемых методов и средств контроля рельсов.
Целью настоящей диссертационной работы является кардинальное повышение достоверности и надежности у.з. контроля путем создания и внедрения в практику эффективных методов и средств дефектоскопии эксплуатируемых ж.д. рельсов.
Для достижения поставленной цели решены следующие задачи:
Разработана обобщенная математическая модель процесса распространения у.з. колебаний в профиле ж.д. рельса и формирования сигналов от дефектов различного типоразмера и создано соответствующее программное обеспечение (ПО).
На базе разработанной компьютерной программы моделирования процесса формирования отраженных от дефектов акустических сигналов синтезированы и экспериментально исследованы новые схемы прозвучи-вания сечения рельсов, обеспечивающие обнаружение в них ряда опасных дефектов, не выявляемых известными средствами у.з. дефектоскопии.
Разработаны принципы построения многоканальных средств механизированного и автоматизированного контроля рельсов в широком диапазоне скоростей сканирования при импульсном излучении упругих колебаний.
Обоснована идеология использования дефектоскопической информации при комплексном у.з. контроле рельсов средствами НК и разработан принцип построения необходимого для этого программно-аппаратного комплекса НК (ПАК НК).
Разработаны теоретические основы методов у.з. контроля рельсов при непрерывном излучении упругих колебаний для значительных скоростей сканирования. Предложены и экспериментально исследованы способы оценки характеристик при немодулированном излучении у.з. колебаний.
Разработаны принципы электронно-акустического моделирования дефектных ситуаций в рельсах и созданы имитаторы дефектов для их практического применения в процессе штатного НК рельсов.
7. По результатам исследований и сформулированных технических решений разработаны дефектоскопические комплексы нового поколения и обоснованы технологии использования дефектоскопической информации, значительно повышающие эффективность НК рельсов.
Решению этих задач посвящены главы 2-6 настоящей работы. Им предшествует аналитический обзор состояние рельсов на ж.д. России и за рубежом. Обзор литературы по каждому из вопросов проводится в соответствующих разделах параллельно с изложением основных исследований.
Ввиду отсутствия установившейся терминологии в работе использован ряд новых терминов и определений.
На защиту выносится комплексное решение проблемы повышения эффективности НК рельсов, состоящее в развитии и обосновании теоретических и прикладных аспектов методов и средств у.з. дефектоскопии:
- обобщенная математическая модель процесса распространения у.з. колебаний в сечении ж.д. рельсов, на базе которой синтезируются схемы прозвучивания для выявления дефектов механизированными и автоматизированными средствами дефектоскопии;
способы обнаружения дефектов различной степени развития в головке и в шейке рельса с применением эхо- и зеркальных методов у.з. контроля;
принципы построения многоканальных средств у.з. контроля рельсов нового поколения;
идеология создания ПАК НК, позволяющая объединять, накапливать и анализировать дефектоскопическую информацию действующих средств НК рельсов;
принципы электронно-акустического моделирования сигналов у.з. контроля применительно к разработке устройств для оперативной проверки работоспособности многоканальных средств дефектоскопии и тренажеров для отработки навыков у.з. контроля;
теоретические основы у.з. дефектоскопии длинномерных объектов при непрерывном излучении упругих колебаний с реализацией эхо-, зеркального и зеркально-теневого методов контроля;
принцип и аппаратное решение, позволяющие имитировать сигналы от дефектов и поверять дефектоскопическую аппаратуру на базе эффекта Доплера при стационарном положении преобразователей относительно контролируемого объекта;
- способы повышения помехозащищенности и информативности ЗТМ при непрерывном излучении (НИ) упругих колебаний за счет анализа фронтов огибающей донного сигнала.
Основные положения диссертационной работы учтены в Межгосударственном стандарте на ультразвуковой контроль рельсов (ГОСТ 18576-96) и положены в основу разработки механизированных и автоматизированных средств дефектоскопии ж.д. рельсов, выпускаемых по заказу МПС России серийно.
Результаты и выводы диссертации позволяют выбирать основные параметры схем прозвучивания сечения рельсов, структурную схему аппаратуры эхо-, зеркально-теневого и зеркального методов при импульсном и непрерывном излучении у.з. колебаний для дефектоскопии длинномерных объектов в различных отраслях промышленности как при больших скоростях сканирования (автоматизированный контроль), так и при малых скоростях (механизированный и ручной контроль). Технические решения по использованию предложенных методов положены с основу механизированных и автоматизированных дефектоскопов нового поколения на базе встроенной микропроцессорной техники, выпускаемой по заказу МПС России серийно. Разработано и внедрено несколько типов у.з. дефектоскопических комплексов и электронно-акустической аппаратуры: механизированные у.з. дефектоскопы типа АВИКОН-01 и АВИКОН-01 MP - более 500 комплектов, вагоны-дефектоскопы с дефектоскопическим комплексом (ДК) АВИКОН-03 - 6 ед., устройство КРАБ-М - 50 шт.,
электронно-акустические тренажеры типа «Гатчина» и «Универсал-Р(С)» - 29 компл. В настоящее время приборы и комплексы успешно эксплуатируются на ж.д. МПС России, Казахстана и в метрополитенах.
Компьютерные обучающие программы, базирующиеся на принципах моделирования процессов ультразвукового контроля рельсов, внедрены на всех железных дорогах России и в отдельных подразделениях железных дорог Беларуси и Латвии. Внедрение результатов диссертационной работы, положенных в основу ПАК НК, предусмотрено «Программой повышения безопасности движения на железнодорожном транспорте 2001-2005 г.г.».
Измеряемые характеристики дефектов при регистрации их на развертках Щ типа А и
При проведении неразрушающего контроля, в том числе и дефектоско-пировании ж.д. рельсов, весьма важно не только выполнить контроль всего объема продукции, но и довести всю полученную в процессе контроля информацию в неискаженном виде до решающего устройства. При механизированном и автоматизированном контроле рельсов до настоящего времени функции решающего устройства в основном все еще выполняет оператор. Поэтому отображаемая при контроле рельсов информация о полученных сигналах должна нести необходимую и достаточную информацию о потенциальных дефектах и быть понятной для оператора.
Традиционно используемое при ручном контроле представление сигналов на А развертке (в координатах амплитуда сигнала — время распространения у.з. колебаний в контролируемом изделии) и определение измеряемых характеристик дефектов при таком представлении подробно проанализированы Гурвичем А.К. и Кузьминой Л.И. [40] и внесены в стандарты ГОСТ 14782 [41] и 18576-96 [42]. В табл. 1.3 приведены основные параметры эхо-метода, обуславливающие достоверность контроля.
При автоматизированном у.з. контроле изделий с большими скоростями сканирования представление информации в виде традиционной А-развертхи неэффективно, т.к. за короткое время индикации эхо-сигнала на электроннолучевой трубке (ЭЛТ) оператор не успевает среагировать на его появление. Поэтому в высокопроизводительных установках контроля ж.д. рельсов с последовательным сканированием широко применяют представление сигналов контроля в виде так называемой развертки типа В. Как известно [43], развертка типа В — это изображение сигналов в координатах время tp - время tdei где t№ — время движения пьезопреобразователя (ПЭП) по поверхности контролируемого изделия. Представление сигналов в виде развертки типа В является основой многих современных средств у.з. визуализации и, в частности, применяется в эффективных системах обработки информации методом ALOK [44].
Указанная система представления дефектоскопической информации в той или иной модификации используется практически во всех средствах скоростного контроля рельсов: в вагонах-дефектоскопах и автомобилях на комбинированном ходу фирм Sperry Railway Service, Pandrol Jackson Technology, Hersok (США), Speno (Австрия, Франция), ScanMaster (Израиль), RTJ (Австралия) [9,10].
Представление сигналов на развертке типа В содержит информацию о времени пробега у.з. колебаний до любого отражателя в контролируемом объекте и обратно в каждом цикле излучения-приема у.з. колебаний на всем пути сканирования. В пределах одного цикла излучения-приема у.з. колебаний эхо-сигнал в этих координатах отображается в виде точки (яркостного пятна). Положение этой точки зависит от глубины залегания отражателя и от местоположения ПЭП по длине изделия (рис. 1.10). Как видно из рисунка, при таком представлении теряется информация об амплитуде и форме эхо-сигналов. Однако 5-развертка более наглядно представляет взаимное расположение отражателей по длине и глубине контролируемого изделия.
Естественно, отсюда можно получить информацию о глубине залегания искомых дефектов и условной протяженности. В связи с тем, что одновременно ведется регистрация отражений от конструктивных отражателей контролируемого рельса (подошвы рельса, торцы и болтовые отверстия на болтовых стыках и т.п.), то достаточно легко интерпретируется пространственная ориентация обнаруженных дефектов относительно указанных отражателей.
Наиболее просто изображение эхо-сигналов на развертке типа В формируется при контроле изделий с помощью прямых преобразователей, когда угол ввода у.з. колебаний в изделие а = 0. При этом временное положение эхо-сигнала прямо пропорционально глубине залегания отражателя h и зависит только от скорости распространения у.з. колебаний в изделии (см. рис. 1.10).
Реальная картина эхо-сигнала от точечного отражателя несколько сложнее, чем изображено на рис. 1.10, и представляет собой не одиночную линию, а короткую дугу. Это объясняется следующим: любой пьезоэлектрический преобразователь обладает определенной диаграммой направленности с углом раскрыва 2(рр. По мере перемещения ПЭП по поверхности изделия точечный отражатель первоначально будет озвучиваться одним краем у.з. пучка. При этом расстояние между ПЭП и отражателем несколько больше, чем глубина h залегания отражателя (r = h/cos(pp). По мере перемещения ПЭП это расстояние уменьшается до величины h (в момент нахождения ПЭП над отражателем), а потом опять увеличивается, достигая значения Гтах в момент выхода другого края луча за пределы отражателя. В результате на дефектограмме образуется дугообразное изображение пачки сигналов, причем длина этой дуги тем больше, чем больше угол раскрытия диаграммы направленности 2(рр. При прочих равных условиях без учета затухания у.з. колебаний в контролируемом изделии длина дуги изображения возрастает с увеличением глубины залегания дефекта.
На практике вследствие затухания и рассеяния у.з. колебаний в материале контролируемого изделия этот эффект не столь ярко выражен и при расшифровке сигналов используется мало.
При контроле изделий с плоскопараллельными поверхностями в большинстве случаев одновременно с пропаданием донного сигнала во временной зоне между зондирующим и донным сигналом появляется эхо-сигнал от дефекта. При этом на развертке типа В прерывается линия донного сигнала, идущая параллельно линии зондирующего сигнала, и между этими двумя линиями появляется изображение эхо-сигнала от дефекта (рис. 1.10).
Модели сигналов в каналах контроля шейки и подошвы рельса при наклон ном вводе ультразвуковых колебаний
В данных каналах излучение и прием акустических колебаний производится двумя расположенными рядом и соединенными параллельно датчиками, максимумы излучения которых лежат в вертикальной плоскости под углами соответственно 41 и 50 к горизонтали. Получающаяся при этом результирующая диаграмма направленности является более широкой, чем при одном излучателе и угол максимума ее излучения и приема составляет 45 с горизонтальной осью. На искательной системе устанавливаются два таких датчика, отличающихся направлением излучения и приема. Первый направлен по ходу поезда (наезжающий канал), а второй в противоположном направлении (отъезжающий). Расстояние между датчиками составляет 193 мм. При перемещении датчика по рельсу прием отраженных сигналов возможен от следующих объектов: болтовые отверстия, трещины от болтовых отверстий, трещины в шейке и подошве рельса. 2.2.3.1 Модель сигнала, отраженного от болтовых отверстий
Болтовое отверстие представляет собой цилиндр радиуса R и имеет в вертикальной плоскости координаты центра Хо и Yo (рис.2.17).
Считается, что от стенки отверстия возможно только зеркальное отражение и, следовательно, отраженный сигнал будет принят только в том случае, если направление излучения импульса проходит через центр окружности.
Пачка отраженных от отверстия импульсов появляется в момент времени, когда излучатель находится на расстоянии Li от начала рельса (начала отсчета путейской координаты), где Lj определяется по формуле: tgQ,
Окончание пачки импульсов наступит при нахождении излучателя в точке Ьг: 1-,- . (2-45) При нахождении излучателя на расстоянии L от начала отсчета, таком, что Li L L2, задержка отраженного сигнала определяется выражением: T3=rf- , (2.46) V3B где: V3B=const=3260 м/с - скорость распространения звуковых колебаний в стали, r = 2-(\/(X0-L)2+Y2o -R) - удвоенное расстояние от точки излучения звуковых колебаний до точки их отражения. При нахождении болтового отверстия на достаточно близком расстоянии от торца рельса возможно уменьшение длительности пачки отраженных от него импульсов вплоть до полного их отсутствия.
Модель сигнала, отраженного от трещин у болтовых отверстий
При моделировании сигналов, отраженных от трещин у болтовых отверстий, были приняты два допущения: 1) трещина в болтовом отверстии рассматривается как элементарный уголковый отражатель, 2) отраженный сиг нал приходит только из точки возникновения трещины в отверстии, а от самой трещины отражений нет.
Координаты основания трещины в зависимости от угла а ее расположения на окружности определяются выражениями (рис. 2.18):
При наличии вертикальной трещины в подошве рельса центром отражения считается точка с координатой Хет на подошве рельса (рис. 2.19). Также как и для трещины в болтовом отверстии предполагается, что отражение акустических колебаний происходит только от основания трещины как от уголкового отражателя, а от самой трещины отражений нет.
При этих условиях значения путейских координат излучателя, соответствующих началу и концу пачки эхо-сигналов, отраженных от трещины в подошве рельса, будут определяться выражениями: L X Hp/tgQi, LK = Хвт - Hp/tg Q2 , (2.52) задержка эхо-сигналов будет равна Т3 = 2xV(XFT-L)2+ HP2/V3B, (2.53) а угол прихода акустической волны к приемнику Ф = arctgPVCXqrL)], (2.54) где L - текущее значение путейской координаты излучателя, удовлетворяющее условию: LH L LK.
При разработке программы генерации моделей сигналов, получаемых в процессе сплошного контроля рельсов, была поставлена задача сделать ее универсальной [52]. Универсальность программы заключается в том, что, во-первых, она должна обеспечивать генерацию моделей сигналов, получаемых любой (формируемой пользователем программы) искательной системой с любым набором и взаимным расположением на ней пьезопреобразователей, с любыми, задаваемыми пользователем, углами ввода УЗК и т. д. Во-вторых, модели сигналов, получаемые искательной системой, должны соответствовать прохождению ее по определенному отрезку пути, состоящему из заданного количества звеньев, с определенным расположением в них конструктивных несплошностей и дефектов различных типов.
Для этого программа формирует два служебных файла: файл конфигурации искательной системы и файл проекта пути. Первый файл содержит сведения о моделируемой искательной системе (названия каналов и их условные номера, для каждого канала указывается его расположение относительно центра искательной системы, углы ввода у.з. колебаний и разворота ПЭП, ширина диаграммы направленности, некоторые константы и имена файлов, в которых будут храниться результаты моделирования), скорость сканирования, имя файла проекта пути, начальное и конечное положения искательной системы.
Способ измерения координат дефектов по пространственному сдвигу эхо-сигналов (прит = 0и т= 1)
При сканировании объекта с эквидистантными поверхностями, моделируемого так называемыми "толстыми пластинами" [5], преобразователем в процессе прохода над дефектным участком принимается серия эхо-сигналов, вызванных озвучиванием дефекта прямым (m = 0), однократно (m = 1) и многократно (m = п) отраженными от взаимно-параллельных поверхностей изделия у.з. лучами. Рассмотрим пространственно-временные особенности эхо-сигналов, принимаемых при озвучивании компактного дефекта с круговой индикатрисой рассеяния прямым и однократно отраженным от противопо ложной (донной) поверхности лучами. Как видно из рис. 3.3, а, расстояние S, равное интервалу между точками Ао и Ai контактной поверхности изделия, соответствующими максимумам эхо-сигналов от отражателя, залегающего на глубине h, определяется выражением S = 2(H-h)tga0, (ЗЛО) где Н - высота контролируемого изделия. Для всех внутренних дефектов выполняется условие 0 S 2Htga0. (3.11) Из (3.10) получим выражение для определения глубины залегания дефекта h = H-S/(2tga0). (3.12) Следовательно, зная априори Н и a0 , определение h сводится к измерению любым способом расстояния S.
При этом не обязательно производить выделение доплеровского сдвига частоты д эхо-сигнала. Измерение S можно выполнить и между максимумами не преобразованных эхо-сигналов, имеющих частоту fo ± Ид. Однако, как будет показано ниже, транспозиция спектра эхо-сигналов в область доп-леровских частот открывает дополнительные возможности разрабатываемого способа.
Получено, что относительная случайная погрешность измерения h определяется выражением / 2 0,25sin22a0-AS2+S2Aa0 Ah J + Wo, h h H-S/2tga0 v где АН, Дао и AS - абсолютные погрешности определения H, ao и S соответственно.
При типовых параметрах контроля (ао = 50, Н = 30... 100 мм) и достигнутых в у.з. дефектоскопии точностях измерения исходных величин (Acto = ± 0,5; АН = ± 0,1 мм; AS = ± 0,5 мм) ь max 3 %, что несколько меньше соответствующей погрешности при эхо-импульсном методе [63].
Погрешность Ah при эхо-импульсном методе [64] в основном обусловливается пеленгационной погрешностью, вызванной неточностью определения положений преобразователя, соответствующих максимумам эхо-сигналов, и, как следствие, неточным измерением величины S. Как показывает анализ (3.13), Ah » f(AS).
При проведении измерений следует учитывать наличие зоны неоднозначности - слоя металла вблизи донной поверхности, глубина расположения дефекта в котором не может быть достоверно оценена предложенным способом из-за взаимного наложения эхо-сигналов, принятых
Исследования особенностей выявления приповерхностных дефектов, которые совместно с поверхностью контролируемого изделия образуют сложный отражатель, выполнены в [2]. Показано, что в результате одновременного озвучивания его как прямым, так и однократно отраженным лучом в пределах диаграммы направленности, огибающая эхо-сигнала претерпевает глубокие осцилляции. Вследствие интерференции суммарный сигнал в области перекрытия двух сигналов (при m = 0 и m = 1) будет меняться по амплитуде случайным образом в зависимости от разности фаз высокочас тотного заполнения. Согласно [65], наименьший допустимый сдвиг сигналов по разрешаемому параметру, при котором возможно их достоверное разрешение, должен быть равен ширине сигнала, отсчитанного на уровне 0,5.
С учетом изложенного, принимая, что условие различимости максимумов двух эхо-сигналов выполняется при некотором минимальном расстоянии Smin равном условной ширине ДХо,5, измеренной на относительном уровне 0,5, определим максимальную глубину hmax залегания дефекта, которая может быть еще измерена данным способом. Подставив значение Smjn = ЛХо,5 с учетом (3.1) в (3.13) и решив полученное уравнение относительно искомой ВеЛИЧИНЫ hmax, ПОЛуЧИМ
Экспериментальная проверка реализуемости эхо-непрерывного метода и оценка его основных параметров
Целью экспериментальных исследований являлось изучение сигналов от моделей дефектов и сравнение некоторых параметров эхо-непрерывного метода с аналогичными параметрами метода при импульсном излучении.
Исследования проводились на установке, дефектоскопическая часть которой описана в разд. 4.4. В качестве регистратора, в зависимости от решаемых задач, применялись перьевой электромеханический самописец типа Н327, све-толучевой осциллограф типа HI 17 или ПЭВМ с соответствующим программным обеспечением. Перемещения преобразовательной системы по поверхности исследуемого образца производились с помощью электромеханического устройства, позволяющего задавать скорости сканирования vc = 50-60 мм/с, что охватывает диапазон ручного и механизированного контроля.
В процессе отработки экспериментальной установки были выполнены исследования по выбору амплитуд электрических колебаний, подаваемых на излучающую пьезопластину преобразователя. Установлено следующее: 1) при амплитуде электрического напряжения более 20 В наблюдается значительный нагрев пластины, приводящий к потере пьезоэлектрического эффекта; 2) обычная для импульсных эхо-дефектоскопов чувствительность при непрерывном излучении может быть достигнута, если амплитуда возбуждающих пьезопластину непрерывных колебаний составляет 0,015 амплитуды зондирующих импульсов при ударном возбуждении.
Исследование выявляемое дефектов и фронтальной разрешающей способности. При создании дефектоскопов на базе эффекта Доплера важно оценить возможность выявления отражателей (дефектов) с диффузионной поверхностью, ориентированной параллельно поверхности контролируемого объекта, так как, на первый взгляд, отсутствие приращения пути распространения у.з. колебаний до такого отражателя в процессе сканирования должно исключать проявление эффекта Доплера. Для этого получены записи сигналов с выхода установки в процессе озвучивания модели указанного отражателя. Модель выполнена путем сверления 11 боковых цилиндрических отражателей диаметром 5 мм, расположенных вплотную друг к другу на глубине 40 мм от поверхности образца из органического стекла (рис. 4.10). В этом же образце изготовлены модели компактного и вертикального отражателей. На рис. 4.10 приведены осциллограммы сигналов от отражателей. Видно, что горизонтальный отражатель выявляется так же уверенно, как компактный или вертикальный. Следует указать, что при большей скорости протяжки носителя информации на осциллограмме можно различать 11 ярко выраженных максимумов, соответствующих каждому из отверстий в отдельности, составляющих модель горизонтального отражателя. Сравнение полученной осциллограммы с соответствующей огибающей амплитуд эхо-импульсов от этой же модели на выходе типового дефектоскопа позволяет сделать вывод, что по фронтальной разрешающей способности исследуемый эхо-непрерывный метод не уступает классическому эхо-импульсному.
Исследование девиации доплеровскои частоты в эхо-сигнале. Для подтверждения правильности теоретических предпосылок о внутриимпульсной частотной модуляции эхо-сигналов за счет изменения угла локации отражателя (дефекта) в пределах условной ширины диаграммы направленности 2фр произведен анализ изменения частоты эхо-сигнала от модели компактного дефекта (одиночное боковое цилиндрическое сверление диаметром 5 мм) в образце из оргстекла. Измерение частоты производилось косвенным образом путем определения по осциллограмме величины каждого периода доплеровскои частоты в эхо-сигнале при сканировании со скоростью vc « 85 мм/с. Для повышения точности измерений скорость протяжки носителя информации выбрана равной 5000 мм/с. Усредненные данные, полученные по результатам 5 измерений, представлены в виде графиков на рис. 4.11. Видно практически линейное уменьшение доплеровскои частоты в эхо-сигнале в процессе сканирования отражателя от 118 до 88 Гц. Величина девиации частоты AFa3Kcn= 30 Гц, получен ная экспериментально, удовлетворительно совпадает с расчетным значением, вычисленным по формуле (4.24) и равным AFaTe0p= 28,4 Гц.
Оценка чувствительности и динамического диапазона. Был оценен динамический диапазон и проведен сравнительный анализ чувствительности непрерывного и импульсного эхо-методов у.з. контроля. Для этого с помощью данной установки осуществлялись выявление и регистрация боковых цилинд рических сверлений в стандартных образцах № 1 по ГОСТ 14782-86 [41] и № IP по ГОСТ 18576-96 [42].
Полученные результаты (рис. 4.12) показывают, что непрерывный эхо-метод, не уступая импульсному методу по чувствительности (уверенно выявляются отверстия на глубине 55 и 60 мм), значительно превосходит его по динамическому диапазону. Действительно, выявление практически всех отражателей, расположенных в образце № 1 на глубине 5-60 мм, без подстройки условной чувствительности дефектоскопа позволяет сделать вывод, что динамический диапазон экспериментальной установки составляет 50...60 дБ, что на 35-40 дБ превышает динамический диапазон типовых отечественных эхо-импульсных дефектоскопов.
Оценка величины "мертвой" зоны. С целью оценки величины "мертвой" зоны данного метода осуществлено выявление ряда отверстий в стальном образце, выполненных в соответствии с ГОСТ 14782-86 [41]. Боковые цилиндрические сверления диаметром 2 мм с центром на глубине 1,5-10 мм выявляются уверенно, что подтверждает предположение о полном отсутствии "мертвой" зоны.
