Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ действующих систем неразрушающего контроля рельсов 13
1.1. Классы типов и видов дефектов в рельсах. Вероятность их обнаружения средствами НК 13
1.2. Анализ современных методов неразрушающего контроля рельсов 15
1.3. Системы неразрушающего контроля рельсов при их производстве, эксплуатации, восстановлении и сварке 22
1.4. Мобильные средства НК рельсов в процессе их эксплуатации 29
1.5. Интегральный критерий эффективности средств контроля рельсов в пути 38
1.6. Обоснование необходимости создания средств УЗК рельсов на базе ЭМА-преобразователей. Конкретизация задач исследования 41
Глава 2. Изучение работы электромагнитно-акустических преобразователей 48
2.1. Конструктивные особенности и работа электромагнитно- акустических преобразователей 48
2.2. Патентно-литературный обзор по конструкции, особенностям работы и использованию ЭМА-преобразователей 50
Глава 3. Исследование электромагнитно-акустических преобразователей поперечных волн 62
3.1. Постановка задачи и её теоретическое решение 62
3.2. Изучение магнитного тракта ЭМА-преобразователей 71
3.3. Измерительный стенд и изучение особенностей генерации поперечных волн одним токопроводом и одним диполем 77
3.4. Особенности конструирования ЭМА-преобразователей, работающих под прямыми углами 87
3.5. Проектирование ЭМА-преобразователей, работающих под наклонными углами 89
3.6. О применении W — метода неразрушающего контроля рельсов с помощью двунаправленных ЭМА-преобразователей 93
Глава 4. Исследование волн Рэлея, излучаемых электромагнитно-акустическими преобразователями 105
4.1. Исследование рэлеевских волн, излучаемых токопроводом и диполем 105
4.2. Изучение работы ЭМА-преобразователей для рэлеевских волн 108
Глава 5. Разработка принципов построения и конструктивных решений средств входного автоматизированного бесконтактного ультразвукового неразрушающего контроля старогодных рельсов на рельсосварочных комплексах 120
5.1 Вводные замечания 120
5.2. Принципы построения, конструирования и особенности функционирования установок входного бесконтактного УЗК старогодных рельсов для РСП 121
5.3. Описание особенностей эксплуатации установки — УД-ЭМА-РСП-01 124
Заключение 135
Список литературы
- Анализ современных методов неразрушающего контроля рельсов
- Патентно-литературный обзор по конструкции, особенностям работы и использованию ЭМА-преобразователей
- Изучение магнитного тракта ЭМА-преобразователей
- Изучение работы ЭМА-преобразователей для рэлеевских волн
Введение к работе
Рельс представляет собой один из наиболее ответственных элементов железнодорожного пути. Он испытывает многократные нагрузки, достигающие 50 МПа и более, обусловленные прохождением по нему подвижного состава. Причём, движение поездов сопровождаются короткими ударами, сила которых растёт с повышением их скорости. Кроме того, на рельс воздействуют термические нагрузки сезонного типа до ±40С, а также дополнительные суточные тепловые удары, доходящие до ±20 С. При этом он испытывает химические, коррозионные и электромагнитные статические нагрузки, существенно усложняющие условия его эксплуатации. На него воздействует влага и масла, кислоты и щёлочи, всегда присутствующие в воздухе. Зачастую имеют место напряжения, возникающие под действием деформации щебенчатой подушки, шпал и самого грунта, остаточные термонапряжения, прочностные, химические неоднородности и др. Возникают локальные и протяжённые неровности поверхности рельсов, имеют место разновысокость стыков, присутствуют лёд, снег и влажность, способствующие возникновению дополнительных нагрузок.
В результате такого комплексного воздействия в рельсах накапливаются усталостные и термические повреждения, зарождается межкристаллитная коррозия. Появляются дефекты как поверхностного, так и внутреннего расположения, перераспределяющие механические напряжения внутри рельсов и нарушающие их однородность. Это нередко ведёт к их разрушению, приводящему к громадным материальным и человеческим потерям. Так, около 30% всех аварийных ситуаций, возникающих на железных дрогах страны, происходит именно из-за изломов рельсов [12,13].
И такое происходит не только в России. Так, во Франции средствами неразрушающего контроля ежегодно обнаруживается до 5 тыс. рельсов, подлежащих замене ввиду наличия усталостных трещин и других недопустимых дефектов. В Нидерландах каждый год находится в среднем 0.07 дефекта на километр железнодорожного пути. В Италии после обследования 3500 км. железнодорожной сети в 1990 году было установлено 1156 поперечных трещин, 65 - горизонтальных, 21 радиальная трещина от
болтовых отверстий, 732 - продольно-вертикальные трещины и 22 трещины в сварных стыках. Причём, на каждые 20 км. пути приходился один остродефектный рельс. Тем не менее, в том же году в Италии произошло 300 изломов рельсов [9]. Лишь за 1988 - 1988 годы на железных дорогах США число крушений из-за дефектных рельсов составило 25% от общего их количества, причём 40% убытков от аварий произошло именно по этой причине [7]. В этой связи диагностика работы рельсов является весьма актуальной задачей. Проблема в значительной мере обостряется при износе рельсов, при исчерпывании ими своего эксплуатационного ресурса, а такое в России не редкость.
Эффективным, а в ряде случаев и единственно возможным средством, препятствующим возникновению чрезвычайных ситуаций на железнодорожном транспорте вследствие изломов рельсов из-за появляющихся в них дефектов, служат методы и средства неразрушающего контроля. В самом деле, в начале 1950-х годов количество повреждений рельсов в СССР на 100 км пути достигало 230 — 280 штук в год и это наносило огромный ущерб всему народному хозяйству. Поэтому были приняты меры по разработке и внедрению аппаратуры и методов, способных производить неразрушающую диагностику рельсов. Эта работа уже продолжается несколько десятилетий и руководством МПС ей уделяется пристальное внимание.
Так, Приказом МПС России от 16. 08. 94г № 12 Ц в целях ресурсосбережения и совершенствования организации введено в действие "Положение о системе ведения путевого хозяйства на железных дорогах Российской Федерации", основанное на классификации путей по их эксплуатационным характеристикам. Кроме того, на основе Приказа №12Ц в 1997 г. МПС России утверждено и с 01. 04. 97 введено в действие "Положение о системе неразрушающего контроля рельсов и эксплуатации средств рельсовой дефектоскопии в путевом хозяйстве Российской Федерации", систематизировавшее коренные изменения в системе неразрушающего контроля рельсов. В них предусмотрена разработка, изготовление и поставка на железные дороги комплекса новых средств неразрушающего контроля
(НК). Отмечается необходимость проведения соответствующих научных разработок, проектирования, изготовления и доводки новых средств, определяемых этим "Положением". Это обстоятельство нашло отражение в планах НИОКР и финансирования МПС РФ. Вследствие этого затраты только на приобретение автомотрис и вагонов-дефектоскопов за 2001 - 2005 годы планируется довести до 772.8 млн. рублей (в ценах 2000 года) и 316,6 млн. рублей намечено израсходовать на дефектоскопы сплошного и вторичного контроля.
Однако только техническими средствами надёжность выявления дефектов на железнодорожном транспорте не ограничивается. Для уверенной работы всей системы НК организованы службы Метрологической экспертизы, испытаний и сертификации средств НК, Подготовки и аттестации специалистов. Производится аккредитация лабораторий и коллективов, выделяются структуры, которым можно доверить выполнение столь ответственных неразрушающих испытаний.
Всего к настоящему времени на железнодорожном транспорте России неразрушающим контролем занято до 20 тыс. работников разной квалификации (от инженера до рабочего). В эксплуатации находится около 6 тыс. дефектоскопов различного типа. Ими ежегодно только в путевом хозяйстве страны контролируется более 4 млн. км пути и 3 млн. сварных стыков. И к настоящему времени эти усилия начинают приносить зримую пользу. Так, по данным МПС России, в результате работы структур НК на железных дорогах страны ежегодно обнаруживается от 100 до 150 тысяч дефектных рельсов, в том числе от 30 до 47 тыс. остродефектных, т.е. подлежащих немедленной замене. Предотвращается свыше 70 тыс. потенциально возможных изломов ответственных объектов пути и подвижного состава.
В результате состояние рельсового хозяйства страны постоянно улучшается и за последние 10 лет количество ОДР (остро дефектных рельсов) на железных дорогах страны, выявленных средствами дефектоскопии, понизилось почти в 2 раза. Число изломов рельсов сократилось в 2.7 раза, а
количество аварий, произошедших из-за некачественного контроля, уменьшилось почти в 5 раз.
И тем не менее, проблему безопасной эксплуатации железнодорожного транспорта ещё нельзя считать полностью разрешённой. Имеется ещё немало проблем, которые требуют неукоснительного решения.
Так, вероятность обнаружения дефектов при однократном проходе равна всего 0.5, а поэтому достаточная эффективность достигается за счёт высокой, в ряде случаев избыточной частоты контроля рельсового пути (от 24 до 60 раз в год одних и тех же участков). Из имеющихся систем НК 65% относятся к съёмным дефектоскопам и только 2% - к автоматизированным. Съёмные дефектоскопы перемещаются операторами вручную, а поэтому такой контроль не только весьма трудоёмок, но его результаты в значительной мере зависят от квалификации и добросовестности персонала. Часть дефектов в полевых условиях такими устройствами обнаруживаются неудовлетворительно (коды дефектов 21, 52, 53, 55, 56 и др.), а некоторые практически не выявляются (например, дефектов кода 60 и 69). Эта проблема обостряется ещё в большей мере в зимний период.
В имеющихся автоматизированных средствах контроля обычно применяются магнитный и ультразвуковой способы обнаружения дефектов. В то же время с помощью магнитного метода обнаруживаются только поверхностные и приповерхностные дефекты вблизи поверхности катания рельса. С помощью ультразвука выявляются дефекты, располагаемые на любой глубине, однако его чувствительность заметно понижается при поиске вертикальных трещин, некоторых дефектов, находящихся в нижней части головки, в шейке, а особенно в подошве рельса. Кроме того, при использовании пьезопреобразователей требуется их надёжный акустический контакт с контролируемым объектом. Поэтому применяются всевозможные контактные жидкости, использование которых в экстремальных условиях (мороз, грязь, лёд, масла, шероховатость поверхности и проч.) затруднено. Достоверность НК с применением ультразвуковых мобильных систем заметно понижается с увеличением скорости их движения. Поэтому надёжность обнаружения дефектов с помощью съёмных дефектоскопов пока ещё
оказывается в целом выше, чем мобильных. В результате, несмотря на все имеющиеся недостатки съёмных дефектоскопов, отказаться от них пока ещё нельзя.
Во 2-й половине XX века в СССР и за рубежом активно проводились научные и исследовательские работы по применению электромагнитно-акустического эффекта для целей НК. На его основе разрабатывались специальные электромагнитные акустические преобразователи (ЭМАП), способные работать как в качестве излучателей, так и приёмников звука. С их помощью открывается возможность осуществлять НК изделий бесконтактно, не применяя какие-либо промежуточные жидкости, работать с ультразвуковыми сигналами произвольной поляризации, в широком диапазоне частот, температур и скоростей. При этом существенно понижаются требования к степени шероховатости поверхности контролируемых изделий, к их загрязнённости, к наличию масел и ржавчины. Стабилизируется акустический контакт преобразователей с поверхностью рельса.
Однако чувствительность НК с применением существующих ЭМАП оказалась ниже, чем с использованием ПЭП. И это объясняется не только недостаточной амплитудой возбуждаемых акустических сигналов (примерно на 2 порядка меньшей, чем у ПЭП), но и сравнительно высоким уровнем создаваемых ими акустических помех и принимаемых электромагнитных шумов. Кроме того, выяснилось, что существующие ЭМАПы уверенно работают только под нормальным к поверхности углом излучения и при использовании волн Рэлея, однако при работе под наклонными углами они функционируют значительно хуже. При увеличении скорости движения растёт уровень электромагнитных шумов. Поэтому, несмотря на их безусловные достоинства, до настоящего времени ЭМА-преобразователи ещё используются сравнительно мало.
В этой связи целью настоящей диссертационной работы является кардинальное повышение эффективности систем автоматизированного ультразвукового контроля (УЗК) рельсов в процессе их производства, эксплуатации, восстановления и сварки путём создания специализированных
средств дефектоскопии на базе ЭМАП с использованием современных комплексов автоматики и вычислительной техники.
Для достижения поставленной цели потребовалось решить следующие задачи:
- оценить перспективы применения ЭМАП для решения актуальных
проблем НК рельсов;
выполнить анализ достижений в направлении создания многофункциональных ЭМАП и возможностей используемой аппаратуры НК рельсов;
выполнить комплекс экспериментальных и теоретических исследований зависимости функциональных характеристик ЭМАП от их конструктивных и физических параметров с целью повышения чувствительности контроля и достижения соотношений сигнал/помеха, обеспечивающих обнаружение потенциально опасных дефектов в рельсах;
- обосновать принципы построения и конструктивные варианты ЭМАП
применительно к НК рельсов;
разработать эффективные схемы прозвучивания рельсов при их эксплуатации в пути и при восстановлении на РСП, эффективно реализующие преимущества ЭМАП;
создать функциональную схему программно-аппаратного комплекса для бесконтактного ультразвукового контроля рельсов и реализовать её в работающих установках;
разработать структурную схему и технические предложения по созданию установки для входного бесконтактного ультразвукового контроля старогодных рельсов, осуществить авторский надзор и научное руководство за её разработкой и внедрением.
В рамках решаемых задач диссертация состоит из следующих разделов.
Первая глава посвящена анализу действующих систем НК рельсов. В ней описаны классы типов и кодов дефектов в рельсах, а также оценивается вероятность их обнаружения существующими средствами НК. Установлены коды дефектов, которые надёжно обнаруживаются современными средствами НК рельсов, а также такие, достоверность выявления которых недостаточна.
Выполнен анализ современных методов неразрушающего контроля рельсов, используемых как в России, так и за рубежом. Описаны применяемые схемы контроля, используемые конструктивные решения и их достоинства.
Произведён обзор средств, используемых для НК рельсов при их производстве, эксплуатации, восстановлении и сварке. При этом особое внимание уделено мобильным средствам НК как наиболее производительным и перспективным. Подробно описаны автомотрисы дефектоскопные и вагоны-дефектоскопы, разработанные под руководством автора в НПО «ВИГОР» и поставляемые на железные дороги страны. Показаны наиболее интересные конструктивные решения и возможности применяемой аппаратуры. Обоснована необходимость создания средств УЗК рельсов на базе ЭМА-преобразователей как основы для стабилизации акустического контакта и повышения на этой основе надёжности, производительности и удобства выполнения контроля.
Вторая глава посвящена изучению работы электромагнитно-
акустических преобразователей. В ней подробно описана физика процесса
излучения и приёма акустических импульсных сигналов с использованием
электромагнитно-акустического эффекта. Показана особенность
формирования сигналов различного типа и поляризации, и чем она достигается. Выполнен патентно-литературный анализ наиболее важных работ, посвященных ЭМА-преобразователям. Установлены их опробованные качества, достоинства и недостатки, имеющиеся конструктивные решения и перспективы развития.
В третьей главе выполняется исследование электромагнитно-акустических преобразователей поперечных волн. С этой целью созданы модели и выполнен расчет магнитного тракта преобразователей, что позволило оптимизировать их конструкцию. Описан измерительный стенд, применяемый для выполнения экспериментальных исследований. Изучены особенности генерации поперечных волн одним токопроводом и диполем. Проанализированы особенности работы прямых и наклонных ЭМА-преобразователей. Выполненные исследования позволили разработать конструкцию ЭМА-преобразователей, способных последовательно язлучать и
принимать поперечные волны как под углом 35, так и под углом 60. Причём, сигналы, излучаемые и принимаемые такими преобразователями, незначительны под углами, заметно отличающимися от рабочих, что существенно повышает помехоустойчивость НК. На базе указанного преобразователя выполнен теоретический расчёт схемы размещения и оптимизированной работы пары таких ЭМА-преобразователей, способных «просматривать» практически всё сечение головки рельсов под углами, близкими к плоскости сечения.
В четвёртой главе приведены результаты исследования волн Рэлея,
излучаемых электромагнитно-акустическими преобразователями с описанием
физики поверхностных волн и классических работ, посвященных их
свойствам. Измеряются характеристики рэлеевских волн, излучаемых одним
токопроводом и одиночным диполем. При этом главное внимание уделяется
исследованию закономерности ослабления этих волн и формированию их
диаграммы направленности. Далее приводятся результаты
экспериментальных исследований волн Рэлея, излучаемых ЭМА-преобразователями, особенностей их распространения в специальных образцах и в рельсе, характер отражения и прохождения через вертикальные пропилы и другие модели дефектов типа 21 и ЗОГ.
В пятой главе подробно описаны конструкция, отдельные узлы и работа установки УД-ЭМА-РСП-01, предназначенной для контроля старогодных рельсов на рельсосварочных предприятиях. Рассматриваются конструктивные особенности, преимущества таких установок по сравнению с ранее применявшимися для указанных целей съёмными дефектоскопами.
В заключении представлены основные выводы из диссертационной работы.
В подборе материалов, их обработке и выполнении отдельных теоретических и экспериментальных исследований принимали участие сотрудники НИИ «ВИГОР» г. Москва, МИФ «АФИНА» г. Кишинёв, которым автор выражает глубокую благодарность. Автор считает необходимым также отметить большой вклад в решение представленных на рассмотрение задач доктора технических наук, члена-корреспондента Академии
электротехнических наук России Боброва В.Т. и профессора, доктора технических наук Чабанова В.Е., которым автор выражает искреннюю признательность.
Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы по исследуемой тематике. Он включает в себя 178 наименования, в том числе 40 работ автора, из них 21 без соавторов.
Анализ современных методов неразрушающего контроля рельсов
НК рельсов актуален не только для России, но и для всех стран мира, где интенсивно используется железнодорожный транспорт. И методы, которые применяются для этого контроля, примерно одни и те же. А именно, широко используются как магнитные, так и ультразвуковые методы, основанные на работе пьезопреобразователей в качестве источников и приёмников ультразвука. Причём, акустический контакт преобразователей с рельсом осуществляется с помощью специальных составов, в частности, воды, включающей в себя различные ингредиенты, способствующие лучшей адгезии, удалению воздушных пузырьков, защищающих рельсы от коррозии. Кроме того, для тех же целей применяют колёсные искательные системы, представляющие собой одно или несколько колёс с упругим протектором, которые катятся по головке рельса. Внутри них устанавливается от 3-х до 12 ПЭП, прикреплённых к оси и осуществляющих акустический контакт с протектором по специальному жёлобу.
Преимущество последних заключается не только в лучшем контакте с рельсом по сравнению со скользящими лыжами, но и то обстоятельство, что скорость скольжения ПЭП по жёлобу оказывается во столько же раз меньшей по сравнению со скоростью движения, во сколько радиус внутренней части протектора меньше внешнего [14].
К другим широко применяемым методам НК относятся магнитный и индукционный. С их помощью удаётся обнаруживать дефекты, расположенные на поверхности катания рельса и в непосредственной близости от неё.
В первом из указанных устройств производится НК рельсов с применением ультразвуковых искательных лыж, во втором - колёсных систем и в третьем - комбинированный способ контроля.
На железных дорогах европейских стран в основном применяются искательные системы скольжения. На японских ЖД используют комбинированные системы, состоящие из нескольких скользящих блоков и колёсной системы, расположенной между ними [3]. Для сканирования всей головки рельса применяют различные схемы прозвучивания, различающиеся между собой рабочей частотой, углами ввода и поворота преобразователей относительно оси рельса. При этом главный упор в зарубежных средствах НК рельсов делается на автоматизированный контроль с фиксацией параметров дефектов.
Вместе с тем внимание, которое уделяется НК в развитых странах, неодинаково. Так, в США все перевозимые грузы и пассажиры страхуются. В результате этого убытки, возникающие из-за изломов рельсов под поездами, компенсируются страховыми компаниями, а пассажирские перевозки производятся, в основном, автотранспортом. Поэтому средствам НК железнодорожного транспорта уделяется не очень серьёзное внимания. Возможно, что именно из-за этого в США 25% изломов рельсов под поездами происходит из-за пропуска дефектов средствами неразрушающего контроля [8], [9]. В Европе не допускается эксплуатация рельсов, исчерпавших свой технологический ресурс, вследствие чего открывается возможность экономить на контроле. И всё это, в конечном итоге, приводит к существенным различиям отечественных и зарубежных нормативов по эксплуатации железных дорог.
В соответствии с данной структурной схемой, кроме указанных ранее методов магнитного (МД) и ультразвукового (УЗД на базе ПЭП), в последнее время всё более заметную роль начинают играть методы УЗД на базе ЭМАП [11]. Их надёжная работа обеспечивается не только самими службами, применяющими различную аппаратуру, но и вспомогательными, наиболее важные из которых показаны на рисунке.
Распределение средств НК железнодорожного транспорта по классам Таким образом, 3530 штук, или 65% средств являются съёмными дефектоскопами, 1060, т.е. 19.5% - переносными и 742 - 13.5% -портативными. При этом к съёмным относятся дефектоскопы 2-го поколения (ПОИСК-2 и 10Э), микропроцессорные дефектоскопы 3-го поколения (Авикон-01, РДМ-2), а также микропроцессорные 4-го поколения со сплошной регистрацией результатов контроля (АДС-02Р, РДМ-2Р, Авикон-01РиРД-12КР) [12]. Переносные дефектоскопы используются для контроля рельсов в труднодоступных местах и отдельных участков рельсов. Они делятся на производящие контроль со сплошным сканированием (РДМ-1, DIO-562P) и с пошаговым сканированием (ПОИСК-4 и ПОИСК-14). Портативные ультразвуковые дефектоскопы применяются для ручного контроля сварных соединений, болтовых стыков и отдельных сечений рельсов. Различают дефектоскопы микропроцессорные без регистрации результатов контроля (РДМ-3), с регистрацией результатов (ПЕЛЕНГ-УД2-102, АВИКОН-02Р), а также одновременно производящие регистрацию и результатов, и основных параметров контроля (УД4-Т).
К мобильным средствам контроля относят требующие прицепки к локомотиву (вагоны-дефектоскопы), самоходные (дефектоскопные автомотрисы) и самоходные на комбинированном ходу (дефектоскопные локомобили). При этом очевидно, что только в мобильных средствах дефектоскопии можно создать условия для наиболее полной обработки и хранения, передачи информации. Они производят контроль со сравнительно большими скоростями, обеспечивают несоизмеримые с другими средствами комфортные условия для аппаратуры и обслуживающего персонала. А поэтому за ними будущее.
На схеме рис. 1.8 представлена предложенная автором классификация современных средств неразрушающего контроля рельсов. Согласно ей, средства контроля различаются между собой в первую очередь типом движителей, конструктивным исполнением и применяемыми методами контроля. С другой стороны, надёжность контроля определяется не только аппаратурой, но в немалой степени квалификацией, опытом, добросовестностью дефектоскопистов. А поэтому относительное число дефектов, приведших к изломам рельсов и не выявленных по вине операторов, ещё достаточно велико (см. рис. 1.9).
Патентно-литературный обзор по конструкции, особенностям работы и использованию ЭМА-преобразователей
Анализ всех работ, опубликованных по данной тематике в СССР, России и за рубежом невозможен в связи с громадным их количеством. Поэтому отметим только некоторые из них, представляющие особый интерес.
Впервые электромагнитный метод возбуждения акустических колебаний был применён в 1933 году Б.Остроумовым и Л.Полотовским для генерации свободных колебаний в металлических стержнях [39]. Они назвали его радиотехническим и продемонстрировали возможность бесконтактного механического воздействия на материалы, обладающие токопроводностью. В 1939 году Р.Рэндалл, С.Зенер и Ф.Роуз [40] применили указанный метод для контроля размеров кристаллитов металлов. ЛГ.Меркулов [41] и В.Каул [42] впервые обратили внимание, что ЭМА-метод может применяться для бесконтактного ультразвукового контроля.
В 1959 году были опубликованы результаты исследований, направленных на возбуждение волн Рэлея в токопроводящих телах с помощью ЭМА-преобразователей и установлены особенности их конструирования [43]. Авторам удалось не только возбудить, но и измерить скорости распространения и величину затухания указанных волн. Несколько позже аналогичные работы были также развёрнуты за рубежом [44 - 49].
Вместе с тем уже первые экспериментальные исследования показали, что работа ЭМА-преобразователей зависит от такого большого числа параметров, а корреляция их друг с другом настолько велика, что экспериментальная оптимизация их конструкции является весьма непростым и дорогостоящим делом. Некоторые знания вообще не могут быть получены с помощью эксперимента в связи с недостаточной его точностью, а поэтому хорошо работающие ЭМА-преобразователи в большей мере обязаны своей конструкции таланту и искусству разработчиков, чем числовому или аналитическому расчёту. В этой связи был выполнен ряд серьёзных теоретических и экспериментальных работ, направленных на установление основных закономерностей физики ЭМА-метода и зависимости параметров ультразвука от конструкционных, магнитных и электрических характеристик материалов и самих преобразователей.
Наиболее глубокие теоретические исследования физической природы преобразования электромагнитных волн в акустические для плоских источников были выполнены В.М.Конторовичем с сотрудниками [50 - 51], а также Е.Р.Доббсом [52] и [53]. Авторами было показано, что рассмотренный эффект возбуждения звука возможен в любых токопроводящих материалах, в том числе в металлах, в морской воде и в плазме. Кагановым М.й. с соавторами [54, 55] удалось доказать, что акустические волны могут возбуждаться не только в полупространстве, но и в тонких плёнках, а также непосредственно на поверхности токопроводящих сред.
В то же время в перечисленных работах теоретическая задача рассматривалась одномерной, т.е. поперечные размеры преобразователей во внимание не принимались [56, 57]. Поэтому ни амплитудные характеристики, ни направленности излучения их с помощью такой теории оценить было невозможно.
Первая теоретическая работа, в которой делается попытка учесть ещё одну пространственную координату, относится к ЭМА-преобразователям, имеющим осевую симметрию, была выполнена Г.А.Буденковым [58]. В дальнейшем Ю.М.Шкарлет [59] показал, что решения для смещений, создаваемых совокупностью локальных источников, описываемых гармоническими пространственными функциями, не содержат несобственных интегралов по переменным, отображающим пространственную частоту, и это позволило ему получить результаты теоретических решений в явной форме. При этом рассматривались механические силы, обусловленные вихревым током и магнитострикционным эффектом электрического поля, возникающими при взаимодействии статичного и динамичного магнитных полей [60]. На базе полученных решений в дальнейшем тем же автором были проведены исследования особенностей возбуждения ЭМА-преобразователями продольных, поперечных и рэлеевских волн [61].
Значительный вклад в теорию электромагнитно-акустического возбуждения, создаваемого нитью и круглым витком, возбуждаемыми гармоническими токами, внёс СНШубаев [62, 63]. При этом им использовались известные решения, описывающие распределение вихревых токов от указанных источников в токопроводящем полупространстве. Применялись пространственные преобразования Фурье и Фурье-Бесселя, а также реальные граничные условия на поверхности для определения скалярного и векторного потенциалов генерируемых акустических полей. Это позволяло находить достаточно корректные решения для смещений, создаваемых продольными, поперечными и рэлеевскими волнами под воздействием указанных индукторов на расстояниях, больших длины акустической волны. Дало возможность установить зависимость упругих смещений от величины тока, ориентации вектора индукции магнитного поля, электрических, магнитных и упругих свойств материалов, а также от величины зазора, установить диаграммы излучения указанными источниками волн различной поляризации.
В то же время Г.А.Буденковым с сотрудниками [64] был использован иной математический аппарат анализа акустических полей, генерируемых в твёрдые тела электромагнитными источниками. Он представляет собой рассмотрение реального излучателя механических смещений как суперпозицию элементарных источников и называется методом функций Грина. При этом сами источники описываются в виде векторных или тензорных функций (в случае объёмной магнитострикции). И такой подход позволил авторам решить указанную задачу, когда источник тока моделируется элементарным излучателем, плоской лентой, рамкой с током или решёткой [65]. В дальнейшем, в работе [66], ими были рассчитаны диаграммы направленности решётчатых излучателей, в том числе для импульсного режима работы. Затем тот же метод был использован авторами для расчёта акустических полей, возбуждаемых произвольными магнитными полями, и получены решения для всех типов возбуждаемых волн [67, 68].
Вопрос о регистрации акустических сигналов, поступающих на границу упругого полупространства, ЭМА-преобразователями, также достаточно полно отражён в имеющейся литературе [69, 70]. В частности, особенности приёма указанными датчиками волн Рэлея и Лэмба описаны в работах [71] и [72].
Экспериментальному изучению закономерностей, проявляющихся при возбуждении и приёме акустических волн ЭМА-преобразователями, исследователями уделялось особое внимание (см., в частности, [52], [73, 74] и др.). Именно таким образом пытались установить зависимость характеристик звука от конкретных параметров преобразователей. Так, Н.А.Глухов [75] изучал направленности излучения, создаваемые плоскими катушками прямоугольного и кругового вида при использовании синфазного и асинфазного их подключения к генератору. Им было показано, что если в первом случае максимум излучения соответствует нормали к поверхности контроля, то во втором в этом направлении наблюдается минимум.
В статье [76] показано, что амплитуда импульсов напряжения, снимаемых с прямого совмещённого ЭМА-преобразователя при постоянной длительности импульса, не зависит от числа витков катушки. Более подробный анализ, выполненный К.Е.Абакумовым [77], показал, что излучающие катушки предпочтительнее делать маловитковыми (20 — 30 витков), а приёмные - многовитковыми (60 - 100 витков). При этом в совмещённых катушках автором рекомендуется иметь промежуточное число витков и тогда форма акустического импульса повторяет форму импульса зондирующего. В статье [78] рассматривается теоретические и экспериментально измеренные направленности катушки, изготовленной из ленточных проводников, включённых синфазно и противофазно. И здесь расчётные характеристики сравнительно неплохо совпадали с экспериментальными.
Изучение магнитного тракта ЭМА-преобразователей
Для создания постоянного магнитного поля ЭМА-преобразователей в Hi ill «ВИГОР» было принято решение использовать не электромагниты, а постоянные магниты. Это даёт возможность в существенной мере уменьшить весогабаритные характеристики преобразователей, работоспособность, расход электроэнергии и понизить их стоимость.
После проведения ряда исследований, была принята следующая конструкция магнитной системы ЭМА-преобразователей. Она состоит из постоянных магнитов и магнитопроводов, соединённых навстречу друг другу через сердечник или магнит.
На ниже следующих рисунках приведены результаты соответствующего численного эксперимента, выполненного с применением специальной программы ELCUT. Она позволяет решать двумерные краевые задачи математической физики, описываемые эллиптическими дифференциальными уравнениями в частных производных относительно скалярной или однокомпонентной векторной функции (потенциала), а также ставить задачи расчёта напряженно-деформированного состояния твердого тела (плоские напряжения, плоские деформации, осесимметричные нагрузки). Магнитные свойства магнитожестких материалов, т.е. постоянных магнитов, задавались кривыми размагничивания в виде прямой линии. Остаточная индукция магнитов принималась равной 1.1 Тл, коэрцитивная сила по индукции - 880 кА/м.
Связь напряжённости магнитного поля и индукции в массиве рельса Результаты выполненного расчёта для случая, когда магниты и экран располагаются на одной высоте, для различных расстояний до рельса показаны ниже. Магнитопровод выполнен из стали Ст-3, кожух магнитной системы изготовлен из немагнитного материала. Система считается осесимметричной, на рисунке изображена только часть её, ось симметрии проходит по горизонтали.
Внешний вид магнитной системы. Слева показан магнитопровод, составленный из двух материалов: магнита (слева) и стали. Над ними располагается магнит, немагнитный кожух не показан. Справа с зазором 1 мм располагается часть рельса. Здесь же показаны силовые линии индукции.
Распределение магнитной индукции внутри магнитной системы и её окрестности при зазоре 1 мм Как следует из рисунка, максимальное значение поля наблюдается, как и положено, вблизи рельса и в самой магнитной системе.
Указанные расчёты, наряду с непоказанными здесь, а также сделанные из расчётов выводы (приведены ниже) и легли в основу оптимизированной магнитной системы экспериментальных и рабочих ЭМА-преобразователей. Рис. 3.16. Внешний вид ЭМА-преобразователей, созданных в Hi 111 «ВИГОР» Для корректного анализа акустических полей, излучаемых ЭМА-преобразователями, и надёжного их проектирования представляет интерес проверить опытным путём пространственное распределение постоянного магнитного поля систем, применяемого в работающих ЭМА-преобразователях. Для этой цели приведём результаты экспериментальных измерений индукции магнитного поля у таких преобразователей. Схема испытательного макета Для выполнения таких исследований применялись разные схемы и различные испытательные образцы. В частности, диаграммы направленности измерялись с помощью следующего образца (рис. 3.19). Импульсы от генератора с усилителем тока поступали на излучатель вне зависимости от того, представлял он один токопровод, диполь или катушки разной конфигурации. Над ними располагался постоянный магнит или целая магнитная система, а также, на том или ином расстоянии, экраны из различных материалов или сами магнитопроводы. Между катушкой и образцом помещались диэлектрические пластины фиксированной толщины, применением которых изменялись зазоры. Полуцилиндрический образец радиусом 100 мм и шириной 80 мм, изготовленный из стали или алюминия, имел риски, отстоящие друг от друга на 5 , по которым можно было судить об угле расположения приёмника.
Приёмник представлял собой типовой ЭМА-преобразователь с прямыми токопроводами, максимум излучения (приёма) которого соответствовал нормали. Его поворотом вокруг оси достигалось соответствие поляризации падающих лучей с приёмником. В некоторых опытах приёмник и излучатель менялись местами, и тогда можно было судить об идентичности диаграмм излучения и приёма, т.е. проверялась справедливость теоремы взаимности. В процессе работы приёмник устанавливался на требуемый угол и производилась регистрация амплитуды и формы падающих сигналов. Измерения, как правило, производились несколько раз и затем результаты статистически усреднялись.
Для работы стенда был разработан и изготовлен генератор с усилителем тока, в котором частота импульсного сигнала не зависела от параметров катушки и допускалась плавная регулировка частоты от 0.1 до 3.5 МГц, сигнал через специальный штекер поступал на частотомер. Длительность импульса регулировалась плавно или скачком от 0.5 до 10 периодов, форма импульса менялась с помощью специального регулятора и наблюдалась через осциллограф. Амплитуда импульсов поддерживалась стабильной, для согласования электрических цепей применялся специальный магазин ёмкостей. Сигнал от приёмника поступал на усилитель, полоса которого соответствовала таковой у принимаемого импульсного сигнала. Далее он поступал на цифровой осциллограф, с помощью которого измерялись амплитуды и формы наблюдаемых импульсных сигналов.
Изучение работы ЭМА-преобразователей для рэлеевских волн
Данные исследования всемерно приближаются к главной цели настоящей работы, т.е. к НК рельсов. Первоначально представляло интерес уточнить, каким образом рэлеевская волна, излучаемая всем ЭМА-преобразователем в рельсе, ослабляется с расстояние от источника. Измерения производились в рельсе рабочими ЭМА-преобразователями волн Рэлея, один из которых (излучатель) излучал, а другой (приёмник) принимал соответствующие сигналы. Результаты измерений приведены ниже.
Природу указанных минимумов можно объяснить следующим образом. При распространении волны Рэлея в протяжённых ограниченных телах, каковым представляется головка рельса, она постепенно преобразуется в волну Лэмба. В самом деле, как следует из монографии [159], при прохождении в пластине толщиной h волна Рэлея на расстоянии, определяемом равенством L QA63Asexp(235h/Xs), где Xs- длина рэлеевской волны, переходит на нижнюю поверхность пластины. А затем через интервал 2L вновь возвращается на верхнюю поверхность. Примерно тот же эффект мы наблюдаем в нашем случае, однако у нас на него способна влиять не только рэлеевская волна, но и с существенно большим эффектом обычная SV-поляризованная волна. И этот эффект в полной мере демонстрируется результатами, помещёнными на Рис. 4.6.
В многочисленных трудах, в которых рассматриваются волны Лэмба, возбуждаемые в пластинах (см. [146, 156, 157, 159] и др.), приводятся дисперсионные кривые для фазовых скоростей различных волн Лэмба, способных распространяться в плоских образцах определённой толщины без значительного затухания. Показывается, что число таких волн М hjXf, где Л( - длина поперечной волны, излучаемой, в данном случае, ЭМАП. Причём, в случае чётных номеров волн наблюдаются симметричные моды колебаний, а нечётных - асимметричные. Тогда на частоте 0.25 МГц для образца с толщиной 20 мм число таких волн оказывается равным 3, у рельса (Л = 32 - 35 мм) М — 4 - 5 и у образца 70 мм это число равно 10.
Заметим, что нулевые моды в пластинах присутствуют всегда, обладают вполне известными свойствами и здесь не учитываются. Из результатов следует, что некоторые из мод волн Лэмба как в рельсе, так и в образце шириной 20 мм вполне способны в границах исследуемых образцов выходить на поверхность и наблюдаться в процессе опыта. Вместе с тем очевидно, что и здесь ситуация не простая и на неё способны оказывать влияние как боковые поверхности, так и конусность нижних кромок головки рельса.
Подводя итог выполненному исследованию, можно полагать, что различные моды лэмбовских колебаний вполне способны обнаруживать дефекты, расположенные в глубинах, существенно больших, чем то следует из представлений о свойствах рэлеевских волн.
В этой связи указанные измерения продолжились на образцах другой пространственной формы. В частности, они производились на тех же частотах с помощью прямоугольного образца длиной 80 см, шириной 20 см и толщиной 2 см. Причём, в одних опытах излучатель и приёмник располагались на одной стороне образца, а в других - на противоположных. При этом одновременно изучались как прямые, так и отражёнными от противоположной грани образца сигналы, которые различались между собой по времени прихода звука к приёмнику.
В опыте наблюдалось, что на расстоянии 32.5 см. прямая и переотражённая волны имеют одинаковые амплитуды и практически сливаются, а затем с расстояния 40 см. они опять оказываются разными. Причём, начиная с дистанции 20 до 32.5 см амплитуда волны переотражённой оказалась даже большей, чем у прямой, и это привело к соответствующему уменьшению величины последней. По-видимому, именно этим и объясняются замеченные выше минимумы в амплитуде прямой волны, измеряемой в рельсе.
Переотражённая волна появилась только с расстояния 35 см и её амплитуда сразу же была соизмеримой с таковой у прямой волны на данной дистанции. И это обстоятельства свидетельствуют о сложной природе возбуждения указанной волны. Объяснить её появление можно возникновением подповерхностной волны, которая распространяется на значительно больших глубинах, чем волна Рэлея, и способна самостоятельно генерировать волну первую.
Представляет интерес выполнить исследование диаграмм направленности типовых ЭМА-преобразователей рэлеевских волне. Здесь в качестве излучателя также использовался излучающий, а приёмника -приёмный преобразователь, направленный на центральную часть излучающего.
Нетрудно видеть, что в целом расчётная направленность излучения соответствует таковой измеренной. Некоторые различия экспериментальных и расчётных кривых можно объяснить тем, что в последних принималась гипотеза о равномерном магнитном поле преобразователей, однако в действительности оно таковым не является.
Направленность излучения волны Рэлея определяется длиной токопроводов и частотой и является типовой для линейного импульсного излучателя. Она слабо зависит от величины зазора, в то же время для неё сохраняются зависимости от параметров ЭМАП, характерные для обычных поперечных волн.
