Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Анализ современного состояния ультразву ковых методов определения параметров дефектов 17
1.1 Специфика контроля головки рельсов на железнодорожном транспорте 17
1.2 Определение параметров дефектов по условным размерам 23
1.3 Дифракционно-временные методы 29
1.4 Способы анализа формы дефекта 33
1.5 Методы компьютерной томографии с использованием фазированных антенных решеток 36
1.6 Постановка задач исследования 39
ГЛАВА 2 Разработка способа определения параметров дефекта сквозным прозвучиванием 44
2.1 Анализ и повышение эффективности способов обнаружения дефектных сечений 44
2.2 Обоснование использования метода сквозного прозвучивания для оценки параметров дефектов 54
2.3 Разработка способа оценки параметров дефектов амплитудным теневым методом контроля 59
2.4 Выводы по главе 2 66
ГЛАВА 3 Разработка модели акустического тракта и определение параметров дефектов путем ситуационного моделирования 68
3.1 Разработка программного обеспечения для моделирования процесса распространения ультразвуковых колебаний 69
3.2 Разработка и верификация модели акустического тракта амплитудного теневого метода контроля 75
3.3 Выбор параметров системы ультразвукового контроля 79
3.4 Моделирование дефектных ситуаций 84
3.5 Оценка точностных характеристик при моделировании 91
3.6 Выводы по главе 3 94
ГЛАВА 4 Разработка алгоритма двухмерного сканирования изделий сложной формы 96
4.1 Разработка алгоритма контроля и оценки изделия сложной формы при двухмерном сканировании 97
4.2 Разработка методики обеспечения соосности преобразователей при сквозном прозвучивании изделий сложной формы 100
4.3 Разработка способа обеспечения акустического контакта с использованием гидрофильных полимеров 106
4.4 Выводы по главе 4 115
ГЛАВА 5 Обоснование структурной схемы аппаратуры для оценки дефектов и экспериментальные исследования 117
5.1 Разработка структурной схемы ультразвукового дефектоскопа для оценки параметров дефектов теневым методом контроля 117
5.2 Разработка опытного образца дефектоскопа для оценки параметров дефектов путем сквозного прозвучивания 121
5.3 Экспериментальные исследования по оценке параметров дефектов опытным образцом дефектоскопа 127
5.4 Оценка погрешностей измерений параметров дефектов 133
5.5 Перспективы развития и расширение области применения 137
5.6 Выводы по главе 5 137
6 Заключение 139
Перечень сокращений и условных обозначений 143
Список литературы
- Дифракционно-временные методы
- Обоснование использования метода сквозного прозвучивания для оценки параметров дефектов
- Разработка и верификация модели акустического тракта амплитудного теневого метода контроля
- Разработка методики обеспечения соосности преобразователей при сквозном прозвучивании изделий сложной формы
Введение к работе
Актуальность темы. Переход на ресурсосберегающие технологии, управление рисками при эксплуатации изделий, ремонт по фактическому состоянию диктуют необходимость оценки параметров дефектов в объекте контроля для планирования ремонтных работ и расчета остаточного ресурса ответственных изделий.
Одной из отраслей промышленности, где широко используется ультразвуковая дефектоскопия, является железнодорожный транспорт. На сети железных дорог ОАО «РЖД» действует эффективная система неразрушающего контроля рельсов. В то же время эксплуатируются десятки тысяч рельсов с неопасными поверхностными повреждениями. Под ними часто зарождаются опасные поперечные или горизонтальные трещины в головке, способные привести к хрупкому излому рельса.
На момент начала данной работы отсутствовали методы и средства, позволяющие уверенно обнаружить опасные поперечные трещины под поверхностными повреждениями головки рельса и оценить их геометрические параметры (координаты местоположения, размеры, углы ориентации). Ультразвуковые методы контроля, основанные на отражении или дифракции акустических колебаний, не всегда позволяют измерить параметры дефектов с требуемой точностью. Измеряемые в настоящее время условные размеры дефектов могут в несколько раз отличаться от реальных.
Актуальная задача разработки достоверных и одновременно доступных методов и средств, позволяющих оценить параметры дефектов, не получила своего окончательного решения. Большие успехи были достигнуты в работах отечественных (К.Е. Аббакумов, Н.П. Алешин, Е.Г. Базулин, А.Х. Вопилкин, А.К. Гурвич, Г.Я. Дым-кин, И.Н. Ермолов, В.В. Клюев, А.А. Марков, С.К. Паврос, А.И. Потапов, В.А. Рейхарт, А.А. Самокрутов, С.Я. Соколов, В.Г. Щербин-ский и др.) и зарубежных (Г. Крауткремер, И. Крауткремер, Г. Хер-мен и др.) ученых.
Одним из возможных путей решения указанной проблемы является использование акустических методов прохождения, для этого необходимо проведение дополнительных теоретических и экспериментальных исследований.
Целью работы является выявление закономерностей формирования образа дефекта при сквозном ультразвуковом прозвучи-вании изделий с эквидистантными поверхностями для уверенного обнаружения плоскостных трещин усталостного характера в таких ответственных объектах, как железнодорожные рельсы.
Идея работы: использование сквозного ультразвукового прозвучивания контролируемого изделия под разными углами при обеспечении стабильной чувствительности контроля в процессе двухмерного послойного синхронного сканирования приемных и излучающих преобразователей для обнаружения дефектов и оценки их основных геометрических параметров.
Задачи исследования:
анализ современного состояния методов и средств оценки параметров дефектов при неразрушающем контроле изделий. Теоретическое обоснование применимости метода сквозного прозвучивания (амплитудного теневого метода) ультразвукового контроля для решения рассматриваемой проблемы;
разработка способа ультразвукового контроля головки рельса с оценкой параметров дефектов, базирующегося на амплитудном теневом методе контроля. Разработка модели акустического тракта теневого метода и требований к программному обеспечению для математического моделирования в целях определения параметров дефектов при сквозном прозвучивании изделий. Оптимизация параметров методики ультразвукового контроля и оценка погрешности определения параметров дефектов предлагаемым способом;
разработка структурной схемы дефектоскопа, алгоритма автоматической настройки на чувствительность и технологии контроля, реализующих предлагаемый способ ультразвукового контроля;
экспериментальная оценка эффективности определения параметров дефектов в реальных условиях эксплуатации с помощью разработанных дефектоскопов и внедрение результатов работы при неразрушающем контроле рельсов.
Научная новизна работы:
1. Экспериментально установлена и теоретически обоснована принципиальная возможность определения основных параметров
(координат местоположения, размеров и углов ориентации) дефекта при использовании амплитудного теневого метода контроля.
-
Предложена и верифицирована модель акустического тракта амплитудного теневого метода контроля, которая позволяет провести компьютерную имитацию процесса контроля изделий, получить величину ослабления сигнала на дефекте, определить основные геометрические параметры дефекта и оценить погрешность их вычисления.
-
Исследован способ обеспечения акустического контакта на базе гидрофильных полимеров, позволяющий достичь более высокую стабильность ультразвукового сигнала по отношению к традиционным материалам, используемым в процессе ультразвукового контроля, с одновременным соблюдением соосности преобразователей на сложном профиле изделия.
Теоретическая и практическая значимость работы заключается в следующем:
разработано средство неразрушающего контроля головки рельсов, позволяющие обнаруживать и оценивать параметры дефекта с более высокой точностью по отношению к используемым в данной отрасли приборам и методам, визуализировать контролируемый объем и, как следствие, повысить достоверность контроля;
предложен и защищен патентом РФ способ ультразвукового контроля головки рельса, основным отличием которого от известных является контроль головки рельса амплитудным теневым методом с возможностью определения координат месторасположения, размеров и углов ориентации дефектов;
предложено и защищено патентом на полезную модель устройство ввода и приема акустических колебаний при ультразвуковом контроле головки рельса. Оптимизированы свойства гидрогелей для использования их при реализации ультразвукового контроля изделий с шероховатыми и загрязненными поверхностями;
разработано программное обеспечение моделирования
акустического тракта теневого метода контроля, позволяющее при
параметрическом моделировании получить амплитудные огибаю
щие сигналов от дефектов в рельсе при их различном местоположе
нии, размерах и ориентации;
разработан новый ультразвуковой дефектоскоп АВИ-КОН-17 (свидетельство об утверждении типа средства измерений RU.C.27.003.A № 47394 от 03.08.2012 г.), выпускаемый серийно;
отдельные результаты исследований внедрены в серийно выпускаемые дефектоскопические комплексы мобильных средств и съемные дефектоскопы для сплошного ультразвукового контроля рельсов (АВИКОН-01, -01МР, -03, -03М, -11,-12, -14, -15).
Методы исследования
Теоретические исследования построены на использовании основных положений теории лучевой акустики, акустического тракта теневого метода ультразвукового контроля. Используемый математический аппарат содержит элементы линейной алгебры и математической статистики. В исследованиях использовано математическое моделирование с помощью специально разработанного программного обеспечения. Экспериментальные исследования включали в себя натурные испытания на образцах рельсов с моделями и реальными дефектами.
Обоснованность и достоверность научных положений подтверждается результатами аналитических расчетов и компьютерного моделирования, а также сходимостью расчетных параметров с результатами экспериментальных измерений в лабораторных и полевых условиях (не более 15%).
Личный вклад автора:
сформулированы задачи исследования, основные положения и выводы. Выполнены теоретические и экспериментальные исследования;
предложен и обоснован ультразвуковой способ контроля изделий с эквидистантными поверхностями, позволяющий осуществлять оценку параметров (координаты местоположения, размеры, углы ориентации) дефектов при двухстороннем доступе к изделию;
предложена и верифицирована математическая модель акустического тракта амплитудного теневого метода контроля, получены величины ослабления сигнала на дефекте, определены параметры дефекта и погрешность их вычисления;
предложен алгоритм послойного сканирования, исследован способ обеспечения акустического контакта на базе гидрофильных полимерных материалов и предложены принципы построения, конструкция и технология использования дефектоскопа с функцией отображения образа дефекта;
Апробация работы.
Результаты работы докладывались на научно-технических советах ОАО «Радиоавионика» и ОАО «РЖД», отраслевых конференциях ОАО «РЖД» (г. Ярославль, ст. Тайшет), на международной конференции «Инфраструктура Европейских железных дорог In-noRail—2015» (г. Будапешт, Венгрия), XXII Петербургской конференции «Ультразвуковая дефектоскопия металлов и перспективных материалов» (г. Санкт-Петербург-2016).
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 9 статей в рецензируемых научных журналах (4 из них - в рецензируемых изданиях, входящих в перечень ВАК), получены патенты на изобретение и полезную модель.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения, изложенных на 164 страницах. Содержит 54 рисунка, 18 таблиц и список литературы из 96 наименований.
Дифракционно-временные методы
На момент написания работы сеть железных дорог представляет собой 125 тысяч километров рельсового пути, которые контролируются с помощью 192 единиц мобильных (вагоны-дефектоскопы и автомотрисы) и 3,2 тысяч съемных и 0,8 тысяч ручных средств контроля [2]. При этом в неразрушаю-щем контроле задействовано порядка 8,5 тысяч операторов. Ежегодно проверяется 5,2 млн километров пути, 2,3 млн стрелочных переводов, 7 млн сварных стыков, своевременно изымается из пути свыше 36 тысяч опасных дефектов рельсов, представляющие собой преимущественно трещины эксплуатационного характера и приводящие к хрупкому излому. Из них более 64 % приходится на головку рельса, 31 % – на шейку и 5 % – на подошву рельса (рисунок 1) [2]. В то же время встречаются и необоснованные изъятия рельсов, когда по показаниям средств неразрушающего контроля имеются эхо-сигналы, похожие на сигналы от дефектов, а при доломах эти дефекты не подтверждаются. Чаще всего перебраковка происходит на участках рельсов с повреждениями поверхности катания, где затруднен ввод и прием ультразвуковых колебаний.
На сети железных дорог ОАО «РЖД» эксплуатируется свыше 67 тыс. рельсов с поверхностными повреждениями в головке рельса, как наиболее подверженные нагрузками со стороны подвижного состава [3]. В основном это рельсы с пробуксовками, отслоениями и выкрашиваниями металла на поверхности катания (рисунок 2, а), вызванные как недостатками технологии изготовления, так и длительным воздействием подвижного состава, которые относят к дефектным согласно нормативно-технической документации. Дефектные рельсы, как правило, появляются на участках, пропустивших грузов более 500 млн т брутто [4, 5], и не представляют непосредственной угрозы безопасности движения поездов. Их заменяют в плановом порядке.
Периодический сплошной ультразвуковой контроль таких участков существенно затруднен тем, что поверхностные повреждения частично или полностью препятствуют вводу ультразвуковых колебаний вглубь рельса с поверхности катания. В то же время именно под ними, как правило, зарождаются опасные поперечные (рисунок 2, б) или горизонтальные трещины в головке, способные привести к хрупкому излому рельса. По статистике ОАО «РЖД», в 2009–2015 гг. 8–12 % изломов рельсов произошли из-за развития опасных трещин под поверхностными дефектами.
При проведении на этих участках ультразвукового контроля рельсов средствами сплошной дефектоскопии (двухниточными тележками, автомотрисами и вагонами-дефектоскопами) и при действующей технологии ручного контроля согласно [6] операторы испытывают значительные сложности методического характера в идентификации сигналов от рассматриваемых дефектов.
По нашему мнению, ошибки идентификации вызваны многократными переотражениями в тонком слое, образованном поверхностью катания головки рельса и плоскостью расслоения (рисунок 3). Из-за имеющихся неровно 20 стей и загрязнений на боковых поверхностях (и на подголовочной грани) головки рельса сложно обеспечить стабильный акустический контакт и ввести ультразвуковые колебания ручным преобразователем [7].
Кроме этого, мешающие сигналы при сканировании ультразвуковым преобразователем по поверхности головки рельса (поверхности катания, боковых поверхностей и даже подголовочной грани) практически идентичны эхо-сигналам от поперечных трещин.
Неоднозначность идентификации сигналов от поперечной трещины в головке рельса, маскируемой подповерхностным расслоением при вводе ультразвуковых колебаний [6]: а – с поверхности катания; б – боковой грани головки.
Как видно, в ряде случаев традиционные методы и технологии при сплошном контроле рельсов, а также при ручном (уточняющем) контроле локальных участков с поверхностными повреждениями головки рельсов оказываются малоэффективными.
Дополнительные осложнения при контроле создают загрязненные и шероховатые боковые грани головки рельсов, непараллельность граней и возможный их механический износ вследствие воздействия подвижного состава (рисунок 4, а) и длиномерность рельсов, которая ограничивает возможности сканирования дефекта со всех сторон.
Таким образом, можно формулировать следующие особенности и специфику контроля головки рельсов: 1) в головке рельсов развивается наибольшее количество дефектов (60– 70 % от всех дефектов в рельсах); 2) частое развитие опасных трещин в головке рельса, расположенных под неопасными поверхностными или подповерхностными трещинами на глубине выше допустимой (согласно НТД на контроль), вследствие чего возможны мешающие сигналы; 3) преимущественно плоскостной характер развития опасных дефектов в процессе эксплуатации рельсов; 4) наличие существенных поверхностных повреждений или подповерхностных расслоений оставляет доступ к головке рельса для проведения контроля только с боковых (эквидистантных) граней; 5) хрупкий излом рельса при достижении размеров дефекта выше критического; 6) переменный профиль головки рельса, конфигурация которой существенно зависит от ее износа, усложняет позиционирование ПЭП в процессе сканирования; 7) наличие локальных неровностей, ржавчины, возможная замазучен-ность боковых граней головки усложняют обеспечение стабильности акустического контакта при сканировании рельса.
Указанные сложности приводят как к недобраковке, так и перебраковке изделий. Таким образом, актуальная задача является до конца нерешенной, требуется дальнейшая разработка [8]. При сплошном контроле поперечный профиль может меняться неоднократно (рисунок 4, б) [9], однако при локальном контроле его можно считать постоянным.
Боковые грани головки рельса изначально (даже на новых рельсах) являются непараллельными и по мере эксплуатации рельсового пути меняют взаимное положение вследствие износа внутренней грани головки рельса. В тоже время на локальных участках сканирования в момент проведения контроля эти изменения можно не учитывать, а противоположные поверхности головки на каждом слое сканирования можно рассматривать как эквидистантные.
С целью конкретизации задач исследований рассмотрим измеряемые параметры дефектов при разрушающем и неразрушающем контроле. Анализ известных работ указывает на необходимость определения при разрушающем контроле следующих прочностных параметров дефектов: - глубины залегания центра дефекта. Для дефектов, развивающихся от поверхности, актуальным параметром является глубина залегания нижнего края трещины hd (рисунок 5); - размеры дефекта в трех ортогональных проекциях (Ld и др.); - местоположения дефекта по сечению контролируемого объекта; - углы ориентации (Qd и др.) трещины для определения ее типа: продольная горизонтальная, продольная вертикальная или поперечная; - процентное отношение площади дефекта к площади сечения объекта контроля.
Обоснование использования метода сквозного прозвучивания для оценки параметров дефектов
Вследствие особенностей динамического воздействия колес подвижного состава на железнодорожные рельсы, головка рельса испытывает максимальные нагрузки. В связи с этим именно в этой части рельса чаще всего возникает большое количество разнообразных продольных и поперечных трещин. При этом большинство замен рельсов связано с внутренними поперечными трещинами в центральной и в боковых частях головки рельса, приводящими к хрупкому разрушению рельса под поездом.
Для своевременного обнаружения указанных дефектов на сети железных дорог России уже применяются эхо-, зеркальный и зеркально-теневой методы ультразвукового контроля. Кроме того, ГОСТ 18576-85 [60] рекомендует восемь способов прозвучивания головки рельсов, базирующихся на названных методиках у.з. контроля. Однако только четыре из них позволяют осуществлять ввод у.з. колебаний через поверхность катания головки рельса, где условия акустического контакта оптимальны и могут быть применены при сплошном контроле качества рельсов с помощью съемных дефектоскопных тележек, вагонов-дефектоскопов и дефектоскопных автомотрис.
Только один из указанных четырех способов реализует эхо-метод, наиболее чувствительный к поперечным трещинам в головке рельса. В связи с этим во всех серийно выпускаемых дефектоскопах для контроля рельсов реализуется именно данный метод контроля головки с помощью наклонного преобразователя с углом ввода у.з. колебаний в металл рельса а=58, перемещаемого по поверхности катания головки вдоль продольной оси рельса и ориентированного под углом у «32 - 35 к рабочей (с внутренней стороны железнодорожной колеи) грани. Причем внутренние поперечные трещины в головке обнаруживаются у.з. лучом, переотраженным от нижней поверхности головки (от подголовочной грани) [61], в связи с чем данный способ получил название «змейка».
Как показывают исследования и многолетний опыт эксплуатации рельсовых у.з. дефектоскопов, при выявлении дефектов в боковой части рельса указанной схемой прозвучивания между амплитудой эхо-сигнала от дефекта и его размерами не существует определенной зависимости: в ряде случаев амплитуда эхо-сигнала от поперечной трещины на ранней стадии развития намного превышает амплитуду эхо-сигнала от более развитого дефекта [61, 62]. Это объясняется тем, что сильно развитый дефект, по сравнению с дефектом на ранней стадии развития, имеет поверхность, практически зеркальную для у.з. волны. При наклонном падении у.з. пучка на поверхность такого дефекта отражение упругих волн в обратном направлении практически не происходит. В результате при сплошном контроле рельсов надежность выявления сильно развитых поперечных трещин с зеркальной поверхностью в боковой части головки рельса весьма низкая, возможен даже их пропуск. Кроме того, данная схема прозвучивания позволяет обнаруживать дефекты только в одной из граней головки рельса. Для контроля другой грани (нерабочей) периодически (не реже одного раза за три месяца) у.з. преобразова 46 тель разворачивают под углом 32-35 в сторону нерабочей грани головки рельса и производят дополнительный контроль по всей длине рельса.
Для обнаружения трещин в головке рельсов также используют пьезопре-образователи с углом ввода луча 70, ориентированные вдоль продольной оси рельса [63, 64]. Однако эта схема не позволяет выявлять поперечные трещины с зеркальной поверхностью, залегающие в боковой части (как правило, в рабочей грани) головки рельса. Кроме того, как показывают выполненные нами исследования, преобразователи с углом ввода у.з. колебаний 70 не позволяют обнаруживать весьма опасные поперечные трещины небольших размеров (8-15 мм), развивающиеся под поверхностными горизонтальными расслоениями в центральной части головки рельса. Такие дефекты, быстро развиваясь под воздействием колес подвижного состава, уже привели к сходу грузовых поездов на Северной и Забайкальской железных дорогах.
Таким образом, задача разработки эффективных способов у.з. контроля головки рельса с целью более надежного выявления поперечных трещин в центральной и в боковых частях весьма актуальна.
В целях надежного выявления различных дефектов в боковой части головки рельса при одновременном повышении помехозащищенности контроля используется зеркальный метод контроля головки рельса, предусматривающий использование двух наклонных преобразователей, размещенных на определенном расстоянии друг от друга на поверхности катания рельса. Однако он позволяет обнаруживать дефекты только в одной из боковых частей головки рельса, в основном трещины, ориентированные нормально (перпендикулярно) к поверхностям катания и имеющим зеркальную плоскость отражения [65, 66].
Одной из важнейших проблем при контроле головки рельса является повышение эффективности обнаружения поперечных трещин в центральной части головки рельса, в том числе залегающих под отслоениями металла и горизонтальными трещинами на небольшой (по НТД - до 8 мм) глубине от поверхности катания, при одновременном выявлении дефектов в боковых частях головки рельса.
Проведенные нами исследования показали, что данную проблему можно решить путем установки на поверхность катания головки рельса (на продольную ось) систему из двух наклонных электроакустических преобразователей, развернутых под одинаковыми острыми углами относительно продольной оси рельса к противоположным боковым граням головки рельса. Углы ввода ультразвуковых колебаний в металл рельса и углы разворота преобразователей относительно продольной оси рельса нами выбраны таким образом, что оси ультразвуковых лучей, падая под наклонным углом к зонам радиусного перехода боковой и нижней граней головки рельса, после переотражения от них пересекались на продольной оси поверхности катания головки рельса. При этом проекция траектории лучей внутри металла на поверхность катания образует геометрическую фигуру ромб (рисунок 17).
Разработка и верификация модели акустического тракта амплитудного теневого метода контроля
Одним из возможных способов вычисления амплитуд сквозных сигналов при прохождении пары «излучатель-приемник» в зоне локации дефекта, необходимых для определения координат фиксации краев трещин, является компьютерное моделирование.
Анализ известных коммерческих программных продуктов для моделирования акустического тракта при различных дефектных ситуациях показал, что наиболее известным в мире и функциональным является пакет программ CIVA [80]. Однако даже в специально предназначенной для моделирования ультразвуковых волн программе CIVA-UT обнаружены принципиальные ограничения, не позволяющие имитировать сквозное прозвучивание изделия. В связи с этим для выполнения данной работы специально разработано программное обеспечение для моделирования дефектных ситуаций, а также использовано стандартное программное обеспечение MathCad.
На первом этапе моделирования с помощью специализированного программного обеспечения («Rail-3D») [81], созданного при участии автора, возможно вычислить координаты фиксации краев дефекта приемниками, при этом непременным условием является разработка и верификация модели акустического тракта амплитудного теневого метода контроля. На втором этапе моделирования с помощью стандартного программного обеспечения (MathCad) возможен расчет параметров дефектов в различных ситуациях.
Конечным результатом компьютерного моделирования является верификация разработанных во второй главе принципов и оценка точностных характеристик предложенного метода определения параметров дефектов.
Разработка программного обеспечения для моделирования процесса распространения ультразвуковых колебаний
Основой специализированного программного обеспечения является математическая модель, работающая на основе общих принципов функционирования средств ультразвуковой локации, что позволяет моделировать работу практически любой искательной системы, реализующей ультразвуковые методы контроля.
В таблице 4 приведены основные параметры ситуационного моделирова ния, сформулированные автором. Таблица 4 – Основные параметры ситуационного моделирования № п/п Элемент моделирования Параметры элемента моделирования Характеристики элемента моделирования 1. Контролируемое изделие Геометрическая форма Плоскость, дуга, цилиндр Износ Корректировка основного профиля изделия Геометрические размеры Длина, ширина, высота, углы ориентации дефекта относительно декартовой системы координат Отражающие параметры стенок изделия Зеркальное или диффузное отражение Акустические свойства Скорость у.з. волны. Коэффициент затухания 2. Модели дефектов Тип Диск (овал), квадрат, треугольник, сфера эллипсоид, цилиндр, дуга (сектор) Параметры Глубина залеганияДлина, ширина, высота, диаметр, величина сектора. Углы ориентации Отражающие свойства Зеркальное или диффузное отражение Продолжение таблицы № п/п Элемент моделирования Параметры элемента моделирования Характеристики элемента моделирования 3. Ультразвуковые пре-образова-тели Геометрические размеры Размер преобразователя, высота призмы Акустические параметры Режим работы (излучение, прием, излучение и прием), угол ввода, ширина диаграммы направленности в основной и дополнительной плоскостях и аппроксимирующая функция Позиция преобразователей Угол разворота, координаты начального местоположения на объекте контроля, поверхность объекта, на которую установлен преобразователь 4. Параметры моделирования Сканирование Шаг сканирования, конечное положение искательной системы (набора преобразователей) Параметрическое моделирование Наименование параметра, начальное и конечное состояние, шаг изменения. Преобразователи с синхронным изменением параметров (позиция, угол ввода, разворота и пр.) Точностные параметры Количество лучей в пределах диаграммы направленности излучающего преобразователя Ограничивающие условия Максимальное время распространения у.з. волны, минимальная амплитуда, подлежащие фиксации 5. Регистрируемые параметры в процессе моделирования Сигналы Время прихода и амплитуда сигнала Позиция преобразователей Координаты на объекте контроля, углы разворота Распространение ультразвука Траектория луча, факт отражения от модели дефекта Продолжение таблицы № п/п Элемент моделирования Параметры элемента моделирования Характеристики элемента моделирования Изменяемые переменные Координата (при линейном сканировании). Все заданные параметры (при параметрическом моделировании) 6. Выходные данные Отображение результатов А-, В-, С-развертки, фильтрация сигналов по признакам Экспорт/импорт данных Табличный формат Данная программа позволяет проводить ситуационное моделирование дефектных ситуаций в объекте контроля, используя различные схемы про-звучивания изделия несколькими преобразователями.
Отличительной особенностью программы моделирования «Rail-3D» является полное трехмерное моделирование процессов распространения ультразвуковых волн в металле рельса. Для каждого из моделируемых ПЭП указывается угол ввода, угол разворота, ширина диаграммы направленности в основной и дополнительной плоскостях, радиус пьезопластины и высота призмы. Кроме того, указывается режим работы ПЭП и его плоскость установки, в качестве которой может быть использована не только поверхность катания объекта контроля (рельса), но и его другие плоскости (боковые грани головки, подголовочные грани, поверхность шейки, перья и основание подошвы рельса).
Моделирование может производиться для любого объекта контроля, который создается в программе вручную с помощью различных геометрических фигур (рисунок 26). Для моделирования дефектных ситуаций в рельсе в программу заложены различные профили рельса (Р50, Р65, Р75). При необходимости, может быть указана величина износа. Возможно также проведение моделирования на стандартных образцах (СО-1Р, СО-2, СО-3, СО-3Р). а)
Разработка методики обеспечения соосности преобразователей при сквозном прозвучивании изделий сложной формы
В предыдущей главе показаны возможности разработанного способа оценки параметров дефектов с помощью компьютерного моделирования. Для практической реализации предложенных принципов и возможности экспериментальной проверки на реальных объектах контроля требуется проведение дополнительных исследований. В данной главе рассматривается задача разработки алгоритма сканирования изделий сложной формы на основе предлагаемых научно-технических решений по оценке дефектных сечений:
1) необходимо обеспечить соосность преобразователей на противоположных плоскостях (стенках, граней) объекта контроля, которые могут быть не параллельными ввиду формы поперечного профиля контролируемого изделия и его неравномерного износа в процессе эксплуатации. При этом важно учитывать возможное изменение профиля при последовательном пошаговом сканировании по высоте (глубине) объекта.
2) Учитывая необходимость обеспечения более высокой чувствительности контроля теневым методом (0,4…0,6), а также шероховатости плоскостей для установки преобразователей, различную возможную ориентацию этих плоскостей, необходимо выработать новые научно-технические решения для повышения качества акустического контакта при сканировании.
3) Возможное изменение поперечного профиля изделия связано с некоторым изменением параметров ввода у.з. колебаний. Учитывая высокую требуемую чувствительность контроля, важнейшим вопросом становится ее проверка и, при необходимости, подстройка. Причем для снижения влияния человеческого фактора следует разработать алгоритм автоматической настройки чувствительности на каждом сканируемом слое.
Анализ разработанного в главе 2 способа оценки параметров дефектов и требования реальных условий контроля позволили сформулировать для алгоритма послойного сканирования изделия сложной формы следующие исходные данные: 1) входные данные: - показание датчика горизонтального перемещения (вдоль объекта контроля); - показание датчика вертикального перемещения (отслеживание глубины сканируемого слоя объекта контроля); - данные амплитуды сквозного сигнала на приемных преобразователях; 2) промежуточные действия на каждой сканируемой глубине (слое): - подстройка углов наклона преобразователей в дополнительной плоскости; - автоматическая подстройка чувствительности контроля; 3) выходные данные: - расчетные значения параметров дефекта; - 3D-изображение дефекта в контролируемом объеме изделия. С учетом изложенных требований разработан следующий алгоритм определения параметров дефектов при двухмерном сканировании (рисунок 37). Формирование 3D-изображения объема контролируемого участка
После установки сканирующего устройства на изделие вне зоны предполагаемого дефекта (рядом с ней) производится: 1) Шаг 1. С помощью датчика вертикального перемещения определяется текущая глубина (центр расположения всех преобразователей в искательной системе). Далее осуществляется подстройка параметров ввода у.з. колебаний путем изменения угла наклона преобразователей в дополнительной плоскости, перпендикулярной плоскости падения (аналог угла скоса). Подстройка осуществляется отдельно для группы излучающих преобразователей, установленных на одной стороне объекта контроля, и для группы приемных преобразователей, расположенных на противоположной стороне. Критерием оптимальности служит максимальная усредненная амплитуда сквозных сигналов на заведомо бездефектном участке изделия, при условии стационарного положения искательной системы. Изменению подлежит угол наклона сразу для всех преобразователей в группе. Это обусловлено необходимостью ускорения процесса сканирования объектов повышенной опасности (действующий железнодорожный путь). 2) Шаг 2. Автоматически подстраивается чувствительность по следую щему отдельному алгоритму: - определяется размер участка сканирования вдоль изделия вручную исходя из параметров объекта контроля (толщина сечения и др.); - в начале и конце участка сканирования выделяются две концевые зоны, которые принимаются за заведомо бездефектные; - при нахождении искательной системы в концевых зонах, определяемой по текущей координате датчика продольного перемещения (ДПП), производится анализ текущей амплитуды сквозного сигнала за N циклов «излучение-прием» (50…200 циклов), производится усреднение значений амплитуды в каждом приемнике; - рассчитывается разница между текущим значением амплитуды Ucквоз и требуемым значением Uрек, которое соответствует значению «1,0». Эквивалентным значением может служить рекомендуемое значение аналого-цифрового преобразователя (АЦП) или превышение сигнала над уровнем срабатывания в дБ; - усиление канала автоматически корректируется с помощью встроенного аттенюатора на вычисленную в дБ разницу. 3) Шаг 3. Производится сканирование текущего слоя изделия. Регистри руются огибающие амплитуд сквозных сигналов для всех приемных преоб разователей. Требуемый шаг дискретизации обеспечивается отсчетами ДПП. Устанавливается флаг (признак), означающий, что проверка данного слоя осуществлена. 4) Шаг 4. Производится переход на следующий слой (глубину) контролируемого изделия путем изменения вертикального положения искательной системы. Новое текущее положение по вертикали считывается датчиком вертикального перемещения (ДВП). 5) Шаг 5. Производится сканирование всех остальных слоев изделия путем выполнения шагов 1 – 4. По мере сканирования постепенно наполняется информация о выполнении сканирования на всех слоях. 6) Шаг 6. Используя накопленную информацию о амплитудно пространственных признаках дефекта, производится послойное восстановле ние очертаний дефекта, т.е. его образа. Производится расчет параметров де фекта.
Отличительными особенностями алгоритма является синхронное продольно-вертикальное сканирование всеми преобразователями, изменение углов наклона преобразователей в дополнительной плоскости на каждом слое для обеспечения соосности передающего и приемного преобразователей, автоматическая подстройка чувствительности на каждом слое сканирования.
При теневом методе необходимо осуществлять ввод и прием у.з. колебаний в рельс таким образом, чтобы преломленная волна распространялась горизонтально в головке рельса (рисунок 38). Задачу обеспечения соосности преобразователей на криволинейных поверхностях можно решить путем оперативного изменения в процессе контроля угла призмы в дополнительной плоскости, перпендикулярной плоскости падения луча.