Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ состояния вопроса. постановка задачи исследований
1.1. Основные принципы ультразвукового контроля рельсов 13
1.2. Обзор и анализ современных методов и средств ультразвуковой дефектоскопии рельсов 18
1.3. Постановка задачи исследований 33
Глава 2. Разработка методического и алгоритмического обеспечения регистратора ультразвукового рельсового дефектоскопа
2.1. Анализ особенностей формирования дефектограмм при одномерном сканировании рельса 37
2.2. Разработка требований к параметрам обработки ультразвукового сигнала с выхода приемного тракта дефектоскопа 44
2.3. Разработка метода и алгоритма выделения информации ультразвукового контроля, подлежащей регистрации 48
2.3.1. Общие замечания к разрабатываемому методу 48
2.3.2. Методика расчета параметров временного строба при формировании последовательностей эхо-импульсов 51
2.3.3. Алгоритм регистрации ультразвукового сигнала при контроле рельсов 54
2.4. Постановка и решение задачи сжатия дефектоскопической информации 58
2.5. Основные результаты и выводы 64
Глава 3. Анализ дефектограмм и визуализация результатов контроля
3.1. Общие замечания 66
3.2. Выбор характеризующих параметров для выявляемых не-сплошностей и оценка их значений 68
3.3. Построение описаний основных элементов конструкции рельса типаР65 76
3.4. Разработка алгоритма распознавания конструктивных элементов 83
3.4.1. Выделение отдельных структурных элементов дефектограммы 83
3.4.2. Определение координат положения сложных элементов конструкции рельса 86
3.4.3. Выявление дополнительных элементов болтового стыка... 91
3.5. Расчет координат условных отражателей при визуализации результатов контроля 93
3.6. Основные результаты и выводы 97
Глава 4. Практическая реализация результатов исследования
4.1. Способ многоканального ультразвукового контроля рельсов 99
4.2. Внедрение результатов исследований при разработке системы регистрации рельсового дефектоскопа АВИКОН-01 104
4.2.1. Анализ функциональных возможностей регистратора информации РИ-01 104
4.2.2. Программное обеспечение анализа и визуализации дефек-тограмм 118
4.3. Анализ результатов экспериментальных исследований и опытной эксплуатации регистратора дефектоскопической информации 126
4.4. Перспективы использования полученных методов при сплошном контроле рельсов 131
4.5. Основные результаты и выводы 140
Заключение 142
Список использованных источников 145
- Обзор и анализ современных методов и средств ультразвуковой дефектоскопии рельсов
- Разработка требований к параметрам обработки ультразвукового сигнала с выхода приемного тракта дефектоскопа
- Выбор характеризующих параметров для выявляемых не-сплошностей и оценка их значений
- Внедрение результатов исследований при разработке системы регистрации рельсового дефектоскопа АВИКОН-01
Введение к работе
Железнодорожный транспорт является одной из наиболее важных отраслей для экономики любой страны. Масштабы развития железнодорожной транспортной системы России, а также постоянно возрастающие объемы перевозок грузов и пассажиров и суровые климатические условия требуют уделять особое внимание вопросам повышения безопасности движения, в том числе, и за счет совершенствования методов неразрушающего контроля состояния пути.
Железнодорожные рельсы являются основным элементом верхнего строения пути, непосредственно воспринимающим динамическую нагрузку подвижного состава. В условиях повышенного воздействия, оказываемого на рельсы современными транспортными средствами и режимами их эксплуатации, осуществление систематического контроля за состоянием рельсов является важнейшим мероприятием, обеспечивающим работу железнодорожного транспорта [1].
Ультразвуковой (УЗ) контроль - эффективное средство предотвращения чрезвычайных ситуаций на железнодорожном транспорте из-за изломов рельсов по причине образования в них дефектов. Наряду с другими неразру-шающими физическими методами, УЗ контроль является наиболее перспективным для диагностирования рельсов с целью оценки их технического состояния и определения ресурса. Это обусловлено, во-первых, тем, что объектом диагностирования является рельсовый металл, обладающий необходимыми физическими свойствами. Во-вторых, созданные на базе неразрушаю-щих физических методов средства диагностирования способны обеспечить достаточно высокую чувствительность и экспрессность оценки ресурса, относительно легко поддаются механизации и автоматизации и, что не менее важно, способны к перемещению по колее [2].
Целью диагностирования рельсов служит, прежде всего, обеспечение безопасности работы транспорта и увеличение его пропускной и провозной способности за счет сокращения ремонтных перерывов движения поездов и суммарного времени ограничения скорости. Определение технического состояния рельса является основой для прогнозирования его остаточного ресурса и соответственно для принятия решения об условиях его дальнейшей эксплуатации, ремонта, либо перевода в категорию невосстанавливаемых конструкций. Ресурс старогодных рельсов может быть частично восстановлен ремонтом за счет их перекладки на участки с облегченными условиями работы, что значительно увеличит срок их службы и полноту использования заложенного в них ресурса. К числу операций восстановления относятся вырезка дефектных зон и другие [3].
Изломы рельсов являются наиболее опасными отказами при эксплуатации пути. Одиночный выход рельсов зависит от многих факторов, главными из которых являются мощность, конструкция и качество содержания пути, служебные свойства самих рельсов, уровень и интенсивность силового воздействия на путь, температурный режим.
Для предупреждения изломов действует система неразрушающего контроля, которая позволяет выявить трещины в металле на ранней стадии развития и обеспечить изъятие потенциально опасных рельсов до их разрушения [4]. Рельсовая дефектоскопия входит в общую систему диагностики пути и должна, наряду с повышением надежности выявления опасных дефектов, обладать возможностью решения задач рациональной периодичности контроля. Затраты на рельсовую дефектоскопию составляют около 3 % эксплуатационных расходов путевого хозяйства. С целью обеспечения безопасности движения поездов на отечественных железных дорогах рельсы, уложенные в пути 1 и 2-го класса, в зависимости от интенсивности движения поездов, пропущенного тоннажа и других факторов, в соответствии с Приказом МПС РФ № 2-ЦЗ от 25 февраля 1997 г., должны подвергаться дефектоскопированию
УЗ съемными дефектоскопами, магнитными и УЗ вагонами-дефектоскопами до 84 раз в год, то есть, даже чаще, чем один раз в каждую неделю [5].
Необходимо отметить, что в различных странах подход к организации мониторинга состояния пути значительно отличается. Различия касаются не только используемых технологий контроля и периодичности, но и определений степени опасности дефектных сечений. Это определяется и качеством эксплуатируемых рельсов, и условиями эксплуатации, такими, как степень грузонапряженности дорог, климатические условия. Так, например, критической площадью трещины в головке рельса (т. е. ее минимальный размер, при котором реально были зафиксированы случаи излома рельсов под поездами) в Венгрии считается 45%, в Германии - 50%, во Франции - 55%, в России -30% площади поперечного сечения головки рельса.
Система неразрушающего контроля пути на железных дорогах РФ включает в себя, в первую очередь, УЗ дефектоскопные тележки для сплошного контроля обеих нитей пути, использование которых не препятствует графику движения поездов. Обслуживанием всего парка средств дефектоскопии (около 5 тыс. шт.) требуется около 10 тыс. операторов. Так в течение 2006 года, при средней периодичности контроля около 2 раз в месяц, проверено более 4,11 млн. километров рельсового пути и обнаружено более 55 тыс. критических дефектов, что своевременно предотвратило возможные отказы пути. Однако при этом было допущено 113 изломов рельсов по дефектам, не обнаруженным средствами дефектоскопии, в том числе около 40% пропущенных по вине операторов.
Как видно, существующие способы и средства путевой дефектоскопии рельсов в ряде случаев не полностью соответствуют предъявляемым им требованиям. В целях снижения погрешностей путевой дефектоскопии и повышения надежности результатов контроля в перспективе необходимо переходить на более совершенные способы проверки состояния рельсов в пути, позволяющие увеличить объем информации о степени их дефектности.
В настоящее время на железных дорогах РФ решается задача по уменьшению периодичности контроля рельсов различными средствами контроля при сохранении требуемой достоверности результатов. Активно внедряются новые скоростные средства дефектоскопии: вагоны- и автомотрисы-дефектоскопы, в которых большое внимание уделяется непрерывной записи результатов проездов. Прогнозирование состояния пути с точки зрения развития дефектов и планирование своевременной замены рельсов в путевом хозяйстве становится возможным только при анализе результатов последовательных проездов, их сопоставлении с текущим. Но достигнутые производительность и надежность контроля рельсов мобильными средствами контроля пока не соответствуют современным требованиям. Доля выявляемых ими дефектов составляет лишь несколько процентов от общего числа.
В то же время дефектоскопные тележки по-прежнему являются самым массовым средством контроля. На ряде дистанций пути и сегодня эксплуатируются приборы старого образца. Информация, предоставляемая оператору индикаторами данных дефектоскопов, не всегда достаточна для обоснованного принятия решений о качестве проконтролированного пути, что приводит к пропуску дефектных сечений и последующим изломам рельса. Разработанные и введенные в эксплуатацию за последние годы новые микропроцессорные дефектоскопы, безусловно, повысили процент выявляемых дефектов, в первую очередь за счет совершенствования схем прозвучивания, а также дополнительных функциональных возможностей. Тем не менее, низкое качество состояния пути и вследствие этого высокие психофизиологические нагрузки на оператора требуют от него высокой квалификации и большого опыта при анализе дефектоподобных сечений. В то же время массовость использования данных средств контроля не позволяет обеспечить необходимый уровень квалификации всего штата работников.
До недавнего времени съемные средства дефектоскопии не имели возможности записи сигналов, и решение об отбраковке рельса принимал оператор "на месте", имея только звуковой индикатор превышения эхо-сигналом
установленного порога, а также отображение на дисплее прибора амплитудно-временной развертки одного из каналов. Очевидно, что при указанных методах анализа сигналов УЗ контроля, его достоверность полностью зависит от квалификации оператора. В тоже время до 95 % дефектов критических размеров по-прежнему обнаруживается данными средствами контроля.
Очевидно, отмеченные проблемы необходимо решать путем дальнейшего совершенствования функциональных возможностей дефектоскопических средств, позволяющих автоматизировать ряд процедур выполняемых оператором при сплошном контроле протяженного участка пути. Сама задача распознавания дефектных сечений должна быть упрощена за счет новых методов представления сигналов максимально приближенных к реальному виду контролируемого участка рельса.
Необходимо отметить, что уже в процессе работы над данной диссертацией ситуация в путевом хозяйстве значительно изменилась. Так, на сегодняшний день съемные средства дефектоскопии со сплошной регистрацией контроля стали неотъемлемой частью системы диагностики. Такой скачок в развитии данного направления внес некоторые коррективы в планы по постепенному переходу на сплошной контроль только с помощью мобильных средств. Съемные дефектоскопные тележки к своим традиционным функциональным преимуществам получили еще и возможность полной паспортизации пути и создания баз данных результатов контроля. Алгоритмы регистрации, предлагаемые в данной работе, доказали свою эффективность на практике. Внедрение данных алгоритмов успешно реализовано на базе УЗ многоканальных дефектоскопов АВИКОН-01 (около 800 штук находятся в эксплуатации на железных дорогах и рельсосварочных предприятиях различных стран) и АВИКОН-11 (дефектоскоп поступил в эксплуатацию с начала 2006 года). Анализ результатов внедрения данных систем приведен в четвертой главе данной работы.
Внедренные за последние годы на железных дорогах РФ новые скоростные средства дефектоскопии (вагоны- и автомотрисы-дефектоскопы) изна-
чально предусматривают непрерывную запись всех данных контроля с целью последующего их анализа квалифицированным персоналом. И, хотя, переход к такой технологии контроля уже дает положительные результаты, данные методы не могут быть напрямую использованы при построении систем регистрации съемных тележек вследствие целого ряда причин. Так, например, жесткие ограничения по показателям массы и энергопотребления для съемных средств требуют выработки новых принципов обработки дефектоскопической информации, скорость поступления которой на вход вычислителя составляет более 1 Мбит/с на каждый УЗ канал. Кроме существования технических сложностей построения таких систем, необходимо отметить трудности внедрения технологии с использованием анализа данных в стационарных условиях. Такие факторы, как массовость использования съемных средств и недостаточная подготовка персонала к работе с более сложными дефектоскопами, значительно усложняют организацию такого дополнительного анализа.
Очевидно, дальнейшее совершенствование методов и средств дефектоскопии предполагает автоматизацию процессов анализа данных контроля. Следовательно, необходимые для развития этого направления методы обработки, регистрации и отображения сигналов УЗ контроля рельсов становятся наиболее актуальными.
Целью диссертационной работы является создание методологии, алгоритмов и программ регистрации и анализа дефектограмм при многоканальном УЗ контроле рельсов в широком диапазоне скоростей сканирования, обеспечивающих повышение достоверности результатов при одновременном снижении затрат на системы диагностики рельсов.
Для достижения поставленной цели потребовалось решить следующие задачи:
1. Обосновать параметры дискретизации сигнала на выходе приемного тракта УЗ дефектоскопа (далее - «сигнала») для регистрации и последующего анализа дефектограмм проконтролированного участка рельсового пути.
Разработать метод выделения информативной части УЗ сигнала, подлежащей сохранению и необходимой для оценки параметров дефектов по принятым методикам для сплошного контроля рельсов.
Разработать алгоритм выделения на дефектограмме групп эхо-сигналов, полученных в последовательных тактах зондирования, от несплошности рельса (дефект или элемент конструкции).
Решить задачу сжатия дефектоскопической информации, для чего выбрать метод кодирования с учетом особенностей регистрируемых данных и построить код, обеспечивающий наименьший объем формируемых дефек-тограмм.
Определить набор параметров выявляемых несплошностей для использования в качестве словаря признаков при распознавании элементов конструкции рельса и дефектов в зоне болтовых стыков; разработать метод оценки их значений.
Построить описание с использованием словаря признаков элементов конструкции рельса и разработать метод распознавания этих элементов (в частности, болтового стыка) с целью восстановления образа бездефектного рельса и последующего выделения на его фоне сигналов от дефектов.
Разработать способ представления результатов УЗ контроля рельсов с использованием оценки реального положения точки отражения (координаты условного отражателя) для каждого эхо-импульса.
Основные положения, выносимые на защиту:
Метод и алгоритм выделения информативных признаков сигнала (выделение отдельных эхо-импульсов и регистрация положения их максимумов) с выхода специализированного многоканального дефектоскопа для УЗ контроля железнодорожных рельсов.
Постановка и решение задачи кодирования дефектоскопической информации при многоканальном УЗ контроле рельсов, уложенных в путь.
3. Метод оценки значений параметров, характеризующих несплош
ность, которые используются для описания элементов конструкции рельса и
дефектов в этой зоне с целью последующего их распознавания.
Программное обеспечение, реализующее анализ и представление результатов УЗ контроля рельсов с выделением бездефектных элементов конструкции и дефектов в данных зонах.
Способ оценки координат положения условных отражателей для каждого эхо-импульса при визуализации результатов контроля.
1. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ
ИССЛЕДОВАНИЙ
Обзор и анализ современных методов и средств ультразвуковой дефектоскопии рельсов
Рассматриваемые в данной работе вопросы по своему применению охватывают все средства УЗ контроля протяженного участка пути. Тем не менее, исследования, сопоставимые по тематике, можно найти в области именно систем скоростного контроля, по причине того, что данные средства изначально предполагали сплошную регистрацию и последующий анализ данных. Регистраторы для съемных дефектоскопов получили широкое применение сравнительно недавно, тем не менее, существующие сегодня технологии использования данных средств также требуют отдельного рассмотрения. В данном разделе приведен обзор различных средств и методов контроля рельсов.
Систематизация материалов и анализ состояния вопроса были проведены на основании работ отечественных (Н.П. Алешина, А.К. Гурвича, И.Н. Ермолова, В.В. Клюева, А.А. Маркова, С.К. Павроса, А.И. Потапова, С.Я. Соколова, В.Г. Щербинского) и зарубежных ученых (Л. Бергмана, М. Кре-нинга, И. Крауткремера и Г. Крауткремера), которые внесли наиболее значительный вклад в развитие средств дефектоскопии, в частности рельсовой.
По тематике неразрушающего контроля материалов и изделий в России и за рубежом зарегистрирован целый ряд патентов на способы контроля длинномерных изделий и, в частности, железнодорожных рельсов. Обобщение результатов анализа этих материалов, а также исследования основных функциональных возможностей эксплуатируемых на железных дорогах средств позволили сформулировать основные задачи, которые должны быть решены в рамках данной работы.
Отображение информации в виде развертки типа «А» на экране дефектоскопанятых сигналов, называемой разверткой типа «А» (рис. 1.3). Недостатком такого способа является его плохая пригодность для дефектоскопии протяженного участка рельса по причине того, что обнаружение и идентификация дефектов в таких объектах по разверткам типа «А» требует высокой квалификации оператора, работающего в непрерывном, крайне утомительном режиме. Кроме того, сложный профиль рельсов приводит к необходимости использования одновременно нескольких (обычно больше 4) преобразователей с разными углами излучения - приема, что еще больше усложняет условия работы.
Портативная установка SYS-10 для контроля рельсов, разработанная фирмой Pandrol Jackson (США), реализует одновременное отображение большого количества каналов контроля [20]. Способ предполагает наличие до 24 каналов прозвучивания, результаты отображаются в 6 окнах, в каждом из которых отображается по 4 эхо-сигнала в виде осциллографической развертки типа «А». Недостатком такого способа являются его низкие точность и эргономические свойства, связанные с практической невозможностью даже высококвалифицированного оператора наблюдать одновременно до 24 окон с развертками типа «А». Это приводит к низкому качеству контроля, высокой вероятности пропуска дефекта.
Интересен также способ неразрушающего контроля изделий, при котором осуществляется многократный контроль рельса при идентичных условиях. При этом амплитуда эхо-сигналов сравнивается не только с браковочным уровнем, но и с несколькими уровнями ниже браковочного. Для обнаруженных сигналов проводится анализ с учетом предшествующих сеансов. Таким образом, способ учитывает историю исследований рельса для повышения качества контроля. К недостаткам способа можно отнести неудовлетворительную оценку эхо-сигналов, превышающих браковочный уровень обнаружения дефекта.
Наиболее близким к тематике исследований данной работы является способ УЗ контроля систем в реальном времени. Рельс сканируют с помощью преобразователей с различными направлениями излучения - приема, запоминая положения преобразователей относительно рельса. При превышении эхо-сигналом порога, заданного индивидуально для каждого канала, измеряют его временное положение относительно зондирующего импульса. На основании измеренного значения, а также известного угла излучения преобразователя вычисляют координату отражателя. По результатам сканирования всего рельса отображают схему расположения отражателей на двумерном изображении, которую используют для общей идентификации неоднородно-стей в рельсе. Недостатком способа является использование единственного порога обнаружения. Все действующие нормативные документы по УЗ контролю материалов и изделий предписывают осуществлять измерение координат и других параметров дефектов при положении преобразователя, соответствующем приему максимальной амплитуды. Следовательно, отсутствие анализа амплитуды сигнала существенным образом снижает точность измерений данного способа. Кроме того, отображение результатов зондирования рельсов с учетом амплитуд отраженных сигналов способно повысить наглядность дефектограмм, а, следовательно, и надежность обнаружения опасных дефектов в рельсах.
Все перечисленные способы контроля, а также ряд других заложены в основу функционирования эксплуатируемых дефектоскопов [21, 22, 23]. В настоящее время на железных дорогах РФ, а также других стран для обеспечения постоянного мониторинга состояния пути используется целый ряд средств УЗ контроля различного назначения [24, 25]. С учетом эргономических и функциональных особенностей данных средств их можно дифференцировать на три основных группы: - съемные дефектоскопы для сплошного контроля, - мобильные средства, - переносные дефектоскопы для ручного контроля отдельных сечений рельса.
Первая группа включает в себя дефектоскопные тележки различных конструкций и является самым массовым средством сплошного первичного контроля. Некоторые образцы частично реализуют возможности третьей группы. Обслуживается такой дефектоскоп двумя операторами. Дневная норма - до 7 километров пути. Каждый УЗ канал настраивается по стандартному образцу в соответствии с требованиями нормативных документов. Критерием оценки дефектоподобного сечения является уровень превышения эхо-сигналом установленного порога. Обычно для повышения помехозащищенности используют накопление информации для нескольких тактов излучения. Тем не менее, сложная помеховая обстановка на некоторых участках, относительно широкие временные зоны стробирования, а также иногда присутствующие отражения от шероховатых граней рельса (так называемый «шумящий» рельс) существенно снижают эффективность данных методов, и оператор постоянно имеет дело с «ложными» срабатываниями. Это, в свою очередь, часто приводит к отступлению от требуемых настроек чувствительности. Для сигнализации оператору о превышении порога используется звуковая индикация и символьная на дисплее прибора.
Разработка требований к параметрам обработки ультразвукового сигнала с выхода приемного тракта дефектоскопа
Очевидно, задача построения системы регистрации сигналов, полученных при контроле рельсов УЗ дефектоскопом, предполагает выбор характеристик точности последующего измерения сигналов, отраженных от не-сплошностей, имея в виду тот факт, что указанные измерения будут производиться на основании записанной информации. Как уже было отмечено, в рельсовой дефектоскопии для оценки степени дефектности сечения используются измерения амплитудных и временных параметров эхо-сигналов, а также размера зоны сканирования, в пределах которой сигнал от дефекта превышает порог. Таким образом, первоначально должны быть определены параметры дискретизации сигнала по времени и по уровню для отдельного такта излучение-прием и интервал по координате сканирования между соседними точками измерений
Задача обнаружения несплошности рельса в общем смысле сводится к выделению эхо-сигнала превышающего порог обнаружения в пределах установленной зоны временной селекции. Поэтому с целью упрощения построения схемы в средствах дефектоскопии рельсов в основном используются некогерентные методы радиолокации. Видеоимпульсы с выхода детектора поступают на вход порогового устройства, а также на схему измерения амплитуды и задержки относительно зондирующего импульса [36, 37].
К недостаткам существующих систем регистрации сигналов УЗ контроля, подобных разрабатываемой в данной работе, можно отнести низкую частоту дискретизации по времени задержки эхо-сигнала относительно зондирующего импульса, значение которой выбирается «грубее» точности измерений глубиномера самого дефектоскопа, что не позволяет повторять измерение параметров дефектов при анализе записанных дефектограмм [38, 39].
За временное значение задержки эхо-сигнала, необходимое для расчета положения отражателя, обычно принимают момент превышения им порога. Как известно, на потенциальную точность измерения в этом случае влияет амплитудный уровень сигнала. С этой точки зрения временное значение максимума эхо-сигнала является более точной его характеристикой [40].
Кроме того, как было отмечено, в многоканальных дефектоскопах обычно отсутствует возможность настройки двойного времени задержки в призме для каждого преобразователя (27,,), что вносит дополнительную ошибку измерения, хотя и несущественную в условиях принятой технологии контроля. Подобная точность измерения не может быть принята при временных методах оценки типа отражателя, которые будут предложены в данной работе. Далее будем полагать, что система измерения позволяет осуществлять точную настройку этого параметра известными методами с использованием стандартного образца СО-ЗР (рис. 2.3). Значение временной задержки эхо-сигнала в положении максимума должно соответствовать радиусу цилиндрической полукруглой поверхности образца.
Иастроііка параметра 2Т„ с помощью стандартного образца СО-ЗР В анализе используемых методов и средств УЗ контроля рельсов было показано, что недостаточная степень точности измерений в ряде случаев связана с отсутствием оценки амплитуды сигнала, превышающего порог. Традиционная запись сигналов контроля и последующее их представление в виде одноуровневой развертки типа «В», широко используемой на скоростных средствах контроля, не содержит информации об амплитуде приходящих эхо-сигналов.
Кроме того, некоторые методы дефектоскопии предполагают измерение амплитуд донных и других эхо-сигналов. Также уже было отмечено, что вычисление координат отражателя необходимо производить именно для положения искателя, соответствующего максимальной амплитуде сигнала. Таким образом, наиболее важным качеством предлагаемой системы является введение многоуровневой регистрации (с измерением амплитуды), которая выводит данную систему на принципиально новый уровень. При этом введение одного или более порогов с более высокой условной чувствительностью по сравнению с настройкой схемы АСД самого прибора позволит анализировать дефекты на более ранней стадии развития. В программе обработки и отображения дефектограмм при этом может быть реализована принципиально новая возможность по изменению порога отображения сигналов или, иными словами, изменению чувствительности контроля. Для оценки амплитуды сигнала предложено использовать следующие пороговые уровни: основной порог обнаружения дефектов, дополнительный порог с чувствительностью в два раза выше, дополнительные пороги во всем динамическом диапазоне дефектоскопа, которые позволяют уточнять амплитуду сигналов.
Для привязки результатов регистрации к координате сканирования необходимо использовать датчик положения УЗ преобразователей относительно рельса. Величина шага измерений по координате сканирования определяется максимальной скоростью сканирования и частотой следования зондирующих импульсов.
Введем дополнительно следующие обозначения. Амплитудно-временную развертку за один такт излучения-приема с выхода приемного тракта (развертка типа «А») будем обозначать, как последовательность A(t), имея в виду тот факт, что после аналого-цифрового преобразования данная функция является дискретной. Набор таких последовательностей, полученный на некотором отрезке сканирования (координата сканирования х является также дискретной), обозначим, как B(t, х).
Выбор характеризующих параметров для выявляемых не-сплошностей и оценка их значений
По мере перемещения искателя вдоль оси сканирования на вход приемника поступает последовательность эхо-сигналов, отраженных от не-сплошностей материала. Процесс изменения времени запаздывания эхо-сигналов относительно зондирующего импульса зависит от координат залегания отражателя и его размеров. Сигнал с выхода приемной части после дискретизации по времени и уровню целесообразно рассматривать, как смесь сигнала (функции задержки эхо-импульса от перемещения искателя и параметров отражателя) и ошибок дискретизации [52]. Таким образом, задача определения типа отражателя может быть сформулирована, как задача оптимальной оценки параметров (согласно критерию минимума среднеквадратичной ошибки) процесса изменения задержки эхо-сигнала при перемещении искателя вдоль оси сканирования [53, 54, 55].
Введение такой обобщенной функции, описывающей зависимость входного сигнала от параметров отражателя (признаков объекта), а также наличие критерия оптимальности и оценок данных параметров позволяет строить систему распознавания объекта на основе этих характеристик. Очевидно, структура сигналов, отраженных распознаваемыми объектами, однозначно определяется структурой и характеристиками самого объекта.
Анализ дефектограмм показывает, что при одномерном сканировании железнодорожных рельсов для описания множества выявляемых отражателей (в первую очередь конструктивных) с точностью достаточной для их соотношения к одному из классов можно в качестве упрощенной двумерной модели использовать окружность (поперечное отверстие). При этом оценки координаты по оси сканирования Х0 и глубины залегания Н0 будут характеризовать положение отражателя, а радиус окружности Ro - его размеры. Такой набор характеризующих признаков позволяет различать болтовые отверстия и уголковые отражатели (при этом значение R0 будет близким к нулю) в зоне стыков и стрелочных переводов. Стандартизированные параметры геометрии рельсов упрощают процедуру распознавания [56, 57].
Далее исследуем математическую модель процесса УЗ сканирования отражателя, имеющего форму окружности. Такой отражатель дает зеркальное отражение при прозвучивании из любой точки поверхности катания в зоне залегания при условии, если падающий луч направлен через центр окружности. Таким образом, размер пачки эхо-сигналов при сканировании зоны залегания отражателя напрямую зависит от ширины диаграммы направленности датчика.
Для исследования задачи в общем виде необходимо рассмотреть обобщенную искательную систему для того, чтобы полученные результаты впоследствии можно было бы использовать для любого конкретного приложения сплошного контроля рельсов. Для контроля шейки рельса и ее проекций в головку и подошву в рельсовой дефектоскопии используются датчики, направленные по оси катания с углами ввода УЗ волны от 0 до 70 градусов с направлением излучения вперед, и назад относительно перемещения сканирования. Учитывая тот факт, что для надежного обнаружения и распознавания несплошностей материала предпочтительно наличие записи пачек эхо-сигналов большего размера, следовательно, использование искателей с широкой диаграммой направленности, а также, учитывая стремление к увеличению количества различных углов ввода в современных искательных системах, целесообразно рассмотреть математическую модель "идеального" преобразователя с равномерной диаграммой направленности в пределах от -90 до +90 градусов по нормали к поверхности катания, то есть преобразователя для прозвучивания всей шейки и ее проекций в подошву и головку рельса.
Любой конкретный узконаправленный ПЭП, используемый для сплошного контроля, либо система таких искателей являются частным случаем описанного "идеального" преобразователя. Реальная развертка типа «В» (функция задержка эхо-сигнала - перемещение искателя) является повторением идеальной с точностью до ширины сектора (секторов) прозвучивания.
Необходимо отметить, что здесь и далее символом г обозначено расстояние до отражателя, которое пропорционально времени запаздывания эхо-сигнала. Искомые значения параметров, сводящих ошибку к минимальному значению, будем определять путем решения системы уравнений, образованной из трех нелинейных уравнений (в точке минимума функции ее частные производные равны нулю) [58].
Теперь решение может быть найдено в соответствии с (3.15). Вычислительное устройство, на вход которого для каждого положения искателя (х,) поступают значения расстояния до отражателя (г,), должно реализовывать процедуру вычисления оценок параметров отражателя с помощью описанного метода. Как уже было отмечено, метод предполагает некоторое количество шагов приближения, а значит и начальные «грубые» значения корней. Эти значения будут выбираться одним из двух способов (на разных этапах алгоритма).
Во-первых, приближенное положение отражателя может быть вычислено используемым в существующих системах методом, основанном на законах лучевой геометрии. Для центрального сигнала из пачки (приближенно соответствующему центру диаграммы направленности) с учетом номинального значения угла ввода датчика рассчитываются значения Х0 и Но- В данной работе первый способ будет использоваться только на этапе выделения отдельных объектов развертки (показано в разделе 3.4.1). При этом значение Ro будет задано равным нулю.
Кроме того, в тех случаях, когда для отражателя будет проверяться гипотеза о его принадлежности к одному из типов, в качестве начальных значений будут использованы характеристики данного типа. При этом значения одного или более параметров могут быть зафиксированы, то есть система уравнений упрощается. Так, например, при поиске болтовых отверстий может быть использована априорная информация об их радиусе и глубине залегания.
Внедрение результатов исследований при разработке системы регистрации рельсового дефектоскопа АВИКОН-01
В главе 2, посвященной вопросам выделения информативной части УЗ сигнала и ее регистрации были подробно рассмотрены алгоритмы работы отдельных функциональных блоков регистратора дефектоскопической информации.
Несмотря на то, что в последние годы с целью сокращения эксплуатационных расходов на содержание рельсового пути на сети дорог России активно внедряются средства скоростного автоматизированного контроля, основным средством диагностики рельсов по-прежнему остаются съемные дефектоскопы. Кроме высокой достоверности результатов и надежности контроля дефектоскопные тележки обладают еще одним достоинством. В процессе контроля они практически не занимают перегон, так как при приближении поезда тележка может быть легко снята с пути двумя операторами.
Двухниточный дефектоскоп нового поколения АВИКОН-01 со сплошной регистрацией данных наряду с другими подобными системами является сегодня важнейшим звеном в общей системе мониторинга состояния пути [74]. Данный прибор в комплексе с программным обеспечением для анализа результатов контроля совмещает в себе основные преимущества как ручных и съемных дефектоскопов, так и скоростных средств неразрушающего контроля рельсов.
Начиная с 2000 года в ОАО «РЖД» ставится задача уменьшения периодичности контроля рельсов различными дефектоскопными средствами при сохранении требуемой достоверности результатов. Решению этой задачи способствовало оснащение съемных дефектоскопных тележек регистраторами результатов сплошного контроля рельсов. Основной целью ввода регистрирующих устройств в съемные двухниточные дефектоскопы, традиционно использующие только звуковую и визуальную информацию об отдельных дефектных участках пути, является объединение их достоинств с преимуществами скоростных средств, обеспечивающих сплошную регистрацию результатов контроля пути. Внедрение съемных дефектоскопов с регистратором позволило перейти на современный технический уровень диагностики состояния рельсов, одновременно способствуя снижению эксплуатационных затрат на содержании пути.
Потенциальные возможности многоканального механизированного дефектоскопа, каковым является прибор АВИКОН-01, прежде всего, опреде ляются реализуемой схемой прозвучавшим, принятой системой представления информации оператору, сервисными возможностями прибора и необходимым программным обеспечением [75]. В дополнение к ранее используемым зеркально-теневому и эхо-методу в схему прозвучивания данного дефектоскопа введен новый для рельсовых дефектоскопов зеркальный метод контроля и двухлучевая схема прозвучивания зоны болтовых стыков. Использование в качестве элементной базы современной микропроцессорной схемотехники позволило существенным образом улучшить эргономические показатели прибора и усовершенствовать алгоритмы обработки сигналов. Удобная мнемоническая схема представления информации (рис. 4.3) в дополнение к традиционной звуковой индикации позволяет оператору быстро определить номер канала, в котором амплитуда эхо-сигнала превысила установленный порог.
Важным качеством регистратора данного дефектоскопа является наличие многоуровневой регистрации. Как было отмечено ранее, традиционная запись сигналов контроля и последующее их представление в виде одноуровневой развертки типа «В», широко используемой на скоростных средствах контроля, не содержит информации об амплитуде приходящих эхо-сигналов. Введение многоуровневой регистрации выводит данную систему на принципиально новый уровень. При этом введение дополнительного порога с более высокой условной чувствительностью (на 6 дБ) по сравнению с настройкой схемы автоматической сигнализации дефекта самого прибора позволило анализировать дефекты на более ранней стадии развития. Регистрация всех эхо-сигналов, принимаемых в процессе контроля, производится на восьми амплитудных уровнях. Эти особенности устраняют имеющиеся недостатки формирования развертки типа «В» при одноуровневой регистрации и дают ряд дополнительных возможностей, существенно повышающих информативность контроля: - появляется возможность получить амплитудную огибающую (восстановление развертки типа «А») эхо-сигнала в любой точке рельсового пути по всем дефектоскопическим каналам, что облегчает и упрощает интерпретацию сигналов оператором; - отображение амплитудной огибающей донного сигнала дает возможность более обоснованно принять решение о дефектности рельса по зеркально-теневому методу контроля и создает предпосылки по измерению коэффициента выявляемое дефекта и оценке коррозионного повреждения подошвы рельса; - повышение точности измерения координат залегания дефекта по временным параметрам максимального эхо-сигнала; - выполнение экспресс-анализа полученных дефектограмм с целью быстрого обнаружения наиболее крупных дефектов (с большой амплитудой эхо-сигналов) на повышенном пороге регистрации; - проведение мониторинга за состоянием отдельных участков пути при чувствительностях, выше чувствительности сплошного контроля, посредством анализа сигналов от потенциальных дефектов при периодическом де-фектоскопировании рельсов.
Практически, введение многоуровневой регистрации сигналов контроля можно сравнить с восьмикратным контролем одного и того же участка пути при восьми разных чувствительностях дефектоскопа. Причем, этот результат получается при единственном проходе дефектоскопной тележкой контролируемого участка рельсового пути.
Регистрируемыми параметрами эхо-сигналов являются: временная задержка относительно зондирующего импульса и амплитуда, оцениваемая по одному из восьми установленных в приборе порогов. Одной из важнейших характеристик любого дефектоскопа является величина дискретности измерения задержки эхо-сигналов относительно момента излучения. В дефектоскопе АВИКОН-01 данная величина измеряется для продольной волны (прямые преобразователи) с погрешностью не более 0,33 мкс, поперечной (наклонные преобразователи) - 1,0 мкс, что соответствует величине дискретности измерения координат и условных размеров дефектов примерно равной ±1 мм. Для привязки результатов регистрации к пройденному пути используется датчик пути с дискретизацией отсчетов равной 3 мм, что вполне достаточно для практики контроля рельсов.
Необходимым требованием к системам контроля объектов с одновременной записью всех сигналов является минимальное количество операций управления самим процессом записи. Поэтому для начала работы оператору необходимо только ввести сведения о времени проведения контроля и местоположении контролируемого участка. После ввода начальных данных оператор переводит дефектоскоп в основной режим сплошного контроля рельсов. Дальнейшая работа с регистратором в процессе сплошного контроля участка рельса сводится к периодическому нажатию кнопок «Коррекция километра» и «Особые отметки» при проходе каждых километрового и пикетного столбов. При этом на экран дефектоскопа выводятся номера километровых и пикетных столбов, которые при необходимости можно откорректировать кнопками на панели дефектоскопа. Для более качественной привязки к пути оператор может использовать кнопку «Особые» для фиксации характерных точек контролируемого пути. С ее помощью могут быть отмечены, например, мосты, переезды, пассажирские платформы, покилометровый запас рельсов и пр.
