автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.11, диссертация на тему:Магнитодинамический метод контроля рельсов. Методология расчета полей и сигналов

На правах рукописи

КОРОЛЕВ МИХАИЛ ЮРЬЕВИЧ

МАГНИТОДИНАМИЧЕСКИЙ МЕТОД КОНТРОЛЯ РЕЛЬСОВ. МЕТОДОЛОГИЯ РАСЧЕТА ПОЛЕЙ И СИГНАЛОВ

Специальность 05.02.11 - Методы контроля и диагностика в машиностроении

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург - 2003

Работа выполнена в Петербургском государственном университете сообщения Министерства путей сообщения Российской Федерации

путей

Научный руководитель: кандидат технических наук,

ведущий научный сотрудник Алтипов Геннадий Андреевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Жадобин Николай Егорович

Ведущая организация - Всероссийский научно-исследовательский институт железнодорожного транспорта (ВНИИЖТ)

Защита состоится 9 декабря 2003 г. в 14.00 на заседании диссертационного совета Д 212.244.01 при Северо-Западном государственном заочном техническом университете по адресу: 191186, Санкт-Петербург, ул. Миллионная, 5.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Северо-Западного государственного заочного технического университета.

Автореферат разослан 6 ноября 2003 г.

кандидат технических наук, доцент Марков Анатолий Аркадиевич

Ученый секретарь диссертационного совета

Иванова И.В.

1&18о

1

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Ключевой проблемой обеспечения безопасности движения на железных дорогах является контроль состояния и своевременное обнаружение дефектов в рельсах в процессе их эксплуатации.

На железных дорогах Российской Федерации неразрушающиЙ контроль рельсов в основном ведется ручными средствами - съемными дефектоскопны-ми тележками, перемещаемыми операторами (около 10 тыс. человек). «Концепцией работ по развитию систем неразрушающего контроля рельсов и ответственных деталей железнодорожного подвижного состава при их изготовлении, эксплуатации и ремонте», утвержденной Указанием МПС России от 03.07.2003 № Н-668У, предусмотрено широкое внедрение мобильных средств дефектоскопии с регистрацией результатов контроля с целью повышения надежности при одновременном снижении численности операторов и затрат на контроль.

Первыми мобильными средствами дефектоскопии, введенными в эксплуатацию на железных дорогах СССР, были вагоны-дефектоскопы, базирующиеся на магнитодинамическом (МД) методе неразрушающего контроля.

Принципиальные преимущества МД метода, по сравнению с ультразвуковыми, заключаются в уверенном обнаружении наиболее опасных дефектов в виде развитых поперечных трещин, продольных трещин и расслоений в головке рельса, надежном контроле поверхностных слоев головки, получении на документе контроля четкой топографии пути, бесконтакшости, широком диапазоне рабочих температур (от -50°С), возможности проведения контроля на высоких скоростях (80 км/ч).

Этим объясняется, что с 1993 года мобильные средства совмещают в себе ультразвуковые и МД методы. Такое комплексирование позволяет значительно повысить информативность и достоверность результатов контроля. На сегодняшний день выпущено и эксплуатируется 16 совмещенных вагонов-дефектоскопов. При этом основой построения их МД каналов являются экспериментальные данные, в большей части полученные на базе трудоемких и дорогостоящих экспериментов, выполненных в лабораторных и эксплуатационных условиях в 50-60-е годы.

Основные направления дальнейшего развития МД метода связаны с созданием более качественных устройств намагничивания рельсов, усовершенствованием искательных устройств, внедрением автоматизированной обработки сигналов и т.д. Однако реализация имеющихся и еще не вскрытых возможностей МД метода затруднена из-за ограниченности возможностей экспериментальных исследований и отсутствия до настоящего времени эффективных расчетных моделей, адекватно отражающих все аспекты процесса МД контроля рельсов, начиная от их намагничивания и заканчивая формированием сигналов от дефектов. Это обстоятельство существенно сдерживало прогресс в области магнитной дефектоскопии рельсов на протяжении десятилетий и в настоящее время является весьма актуальной проблемой, без решения которой затруднено

дальнейшее развитие МД метода.

Цель работы - разработка комплекса расчетных моделей, необходимых для повышения эффективности действующих и вновь создаваемых средств МД контроля рельсов.

Для достижения этой цели потребовалось решить следующие задачи:

1) Исследовать исходные факторы, оказывающие наибольшее влияние на достоверность расчетных моделей, а именно:

- разработать типовые методики и исследовать основные магнитные и электрические характеристики материала рельса как исходные данные, необходимые при построении средств магнитного контроля;

- исследовать магнитную вязкость рельсовой стали и ее влияние на процесс намагничивания рельса и предельную скорость контроля магнитным методом;

- изучить остаточную намагниченность рельсов и оценить необходимость учета этого явления при проектировании средств МД контроля рельсов.

2) Разработать обобщенную схему и математические модели для расчета магнитных полей устройств намагничивания и сигналов от объектов рельсового пути, включая модели для оценки:

- поля рассеяния устройства намагничения (статическую модель);

- поля в рельсе с учетом движения намагничивающего устройства относительно рельса (динамическую модель);

- полей и сигналов от объектов рельсового пути: болтового стыка и дефекта.

3) Исследовать с применением разработанных моделей информационные характеристики сигнала от наиболее часто встречающегося и опасного дефекта в виде поперечной трещины в головке рельса, для чего:

- изучить влияние различных факторов на параметры сигнала от дефекта;

- выявить возможность определения устойчивых классификационных признаков дефектов рельсов.

Методы исследования. Теоретические исследования выполнялись с привлечением аналитических и численных методов решения краевых задач для электромагнитных полей, теории вероятностей и математической статистики. Экспериментальные исследования выполнялись с применением методов моделирования и натурных измерений. Решение задач, обработка теоретических и экспериментальных данных выполнялись на ЭВМ с применением как стандартных, так и специально разработанных программ. Научная новизна.

1. Разработана обобщенная схема расчета магнитных полей и сигналов от различных объектов пути для широкого диапазона условий контроля (скорость сканирования, параметры намагничения, тип датчика, магнитные, электрические и геометрические параметры рельса) и разных вариантов конструктивного исполнения средств контроля (мобильные, съемные).

2. Получены численные данные о магнитной вязкости рельсовой стали. Установлено, что магнитная вязкость оказывает существенное влияние на степень промагничивания рельса при рабочих скоростях контроля. Создана оригинальная методика выделения действия вязкостных процессов в проводящем ферромагнетике на основе сопоставления реального времени запаздывания с теоретическими оценками времени релаксации за счет вихревых токов.

3. Показано, что помимо поля в рельсе существенным источником для формирования сигналов при МД контроле рельсов является поле рассеяния устройства намагничения. Поле рассеяния обеспечивает получение сигналов от таких объектов как стыковые накладки, шпапьные подкладки, стрелочные переводы. Для оценки этого поля разработана статическая модель.

4. Усовершенствована магнитодинамическая модель, основанная на двумерном представлении взаимодействия движущегося намагничивающего устройства с рельсом. Показана адекватность этой модели реальным физическим процессам, что позволяет использовать ее в рамках конкретных расчетных схем для оценки сигналов от неоднородностей и дефектов в рельсе.

5. На основании экспериментальных исследований установлено, что главные причины намагниченности изолирующих стыков связаны с предысторией рельсов и эффектом безгистерезисного намагничивания. Показана несостоятельность представления о том, что основной причиной намагниченности рельсов является работа магнитных вагонов-дефектоскопов.

Практическая значимость.

Разработаны обобщенная схема и комплекс математических моделей, являющиеся основой для создания инженерных методик расчета и проектирования современных эффективных средств магнитной дефектоскопии рельсов с учетом широкой гаммы влияющих факторов. Так, например, оказалось возможным получить важные, с практической точки зрения, оценки предельной скорости контроля рельсов МД методом с учетом явления затягивания процесса промагничивания рельса из-за совместного влияния вихревых токов и магнитной вязкости.

Разработанные расчетные модели позволяют установить связь между параметрами намагничивания и формой сигналов, поступающих на пульт оператора с искательного устройства. Это открывает возможности в будущем корректировать сигнал с учетом, например, особенностей поля данного намагничивающего устройства. Результаты расчетов можно рекомендовать для использования при создании классификационных алгоритмов автоматической обработки сигналов магнитного канала.

При проведении экспериментальных исследований магнитных и электрических характеристик рельсовой стали, включая параметры магнитной вязкости, разработаны методики и специальные установки, которые могут служить прототипом для создания промышленных установок по контролю качества ферромагнитных изделий широкого профиля, а также лабораторных стендов для соответствующих обучающих курсов.

Защищаемые положения.

1. В число исходных данных для расчета средств МД контроля рельсов, наряду с магнитными и электрическими характеристиками рельсовой стали, необходимо включать параметры ее магнитной вязкости. Без учета магнитной вязкости невозможно правильно оценить глубину промагничивания рельса и предельную скорость контроля МД методом.

2. При проектировании устройств намагничивания необходимо учитывать исходное магнитное состояние рельсов. Уровень воздействующего поля

должен превосходить исходную намагниченность рельсов с коэффициентом запаса *,„„= 1.5+2. При этом намагниченность, создаваемая устройством намагничивания, достаточна для контроля рельсов по методу остаточного намагничения.

3. Существенным источником воздействия на объекты рельсового пути при МД контроле рельсов является поле рассеяния устройства намагничения, • которое обеспечивает формирование сигналов от объектов, расположенных вне поперечного сечения рельса (шпальных подкладок, стыковых накладок, стрелочных переводов и т.п.). Для описания этого поля целесообразно применять статическую модель, разработанную на основе метода конечных разностей.

4. Исследованная в работе магнитодинамическая модель адекватно отражает основные явления, происходящие при намагничивании элементов рельсового пути на разных скоростях, что подтверждается не только качественным, но и количественным совпадением результатов расчета с экспериментальными данными, в том числе, других авторов.

5. При построении расчетных моделей для оценки полей и сигналов при МД контроле рельсов целесообразно использовать обобщенную поэтапную схему, позволяющую учесть факторы, оказывающие наибольшее влияние на процесс магнитной дефектоскопии рельсов. Принципы построения моделей рекомендуются для использования при разработке и совершенствовании как мобильных, так и съемных средств магнитной дефектоскопии рельсов.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на 59-й и 60-й научно-технических конференциях с участием студентов, молодых специалистов и ученых (СПб, ПГУПС, 1999 и 2000 г.), заседании кафедры «Радиотехника» ПГУПС (СПб, 2000 г.), технических советах службы пути Петербургского метрополитена (С-Пб.2000 и 2001 г.), II научно-практическом семинаре «Современные средства и технологии неразрушающего контроля на железных дорогах мира» (СПб, 2001 г.), Ш Всероссийском, с международным участием, научно-практическом семинаре «В мире неразрушающего контроля - 2001 (НК-2001)» (СПб, 2001 г.), XVI Российской, с международным участием, научно-технической конференции «Неразрушающий контроль и диагностика» (СПб, 2002 г.).

Реализация работы. На основании выполненных в работе исследований созданы алгоритмы и программы расчета сигналов от объектов рельсового пути при контроле рельсов МД методом; подготовлены технические требования на проектирование устройства намагничивания вагона-дефектоскопа; разработаны методики определения основных магнитных и электрических характеристик рельсовой стали, изготовлены и испытаны необходимые для этой цели лабораторные установки.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 печатных работ.

Структура и объем работы. Работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Общий объем диссертации 160 страниц машинописного текста, в том числе 53 рисунка и 6 таблиц. Список литературы содержит 63 наименования.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении показаны роль МД метода в неразрушающем контроле рельсов и перспективы его развития, обоснована актуальность темы.

В первой главе, состоящей из трех частей, проанализировано современное состояние экспериментальных и теоретических исследований в области магнитной дефектоскопии рельсов, показана необходимость создания расчетных моделей МД метода контроля рельсов, сформулированы цель и задачи диссертационной работы.

В разделе 1.1 даны общие сведения о методах и средствах МД контроля рельсов, применяемых на железных дорогах нашей страны и за рубежом, рассмотрены их достоинства и недостатки.

В разделе 1.2 проводится анализ современного состояния экспериментальных и теоретических исследований в области магнитного контроля. С момента появления в нашей стране первого магнитного вагона-дефектоскопа (1927 г., разработка изобретателя Ф.М.Карпова) экспериментальным исследованиям явлений, происходящим в материале рельса в поле намагничивающего устройства движущегося вагона-дефектоскопа, посвящен целый ряд работ. Такие известные ученые и исследователи как В.В.Власов, Б.П.Довнар, В.Б.Козлов,

A.И.Воробьев, Е.И.Успенский и др. уделяли большое внимание вопросам улучшения характеристик каждого из элементов дефектоскопа, а также проблеме идентификации дефектов по характерным признакам сигналов. На основе уникальных экспериментов, выполненных в лабораторных и эксплуатационных условиях, в том числе на реальных рельсах с использованием вагона-дефектоскопа, были получены важные данные о зависимости распределения продольной составляющей магнитного потока в головке рельса от скорости движения магнита относительно рельса, о форме сигналов от дефектов при изменении скорости движения и при различных положениях датчика относительно полюсов намагничивающего устройства и ряд других данных. Это позволило в значительной степени улучшить характеристики этих устройств, разработать методики выявления дефектов и создать более эффективную конструкцию магнитного вагона-дефектоскопа. В то же время ответов на ряд вопросов с помощью экспериментов найти не удалось. В связи с этим, сначала в 1959 году

B.В.Власовым, затем в 1961 году Б.Ф.Кононковым, а в 1964 году А.И.Воробьевым предпринимались попытки разработки расчетных моделей, пригодных для оценки эффекта электромагнитной индукции, возникающего в головке рельса при МД контроле. Однако используемые ими подходы были или весьма приближенными, или оказались неприменимыми к ферромагнитным объектам - рельсам. В 1967 году Б.П.Довнаром была предложена более совершенная расчетная модель, в которой, в отличие от предыдущих, учитывался фактор нелинейности магнитных свойств рельса. Эта модель, как и предшествующие модели В.В.Власова и А.И.Воробьева, основана на полученном Л.Р.Нейманом аналитическом решении задачи о проникновении плоской электромагнитной волны в бесконечную ферромагнитную среду при внезапном изменении напряженности магнитного поля на поверхности этой среды от нуля

до некоторого конечного значения. Применение этого решения для описания процесса намагничивания рельса полем движущегося электромагнита вагона-дефектоскопа сопряжено с рядом существенных допущений, что не позволило отразить в моделях все многообразие аспектов взаимодействия поля реального движущегося устройства намагничения с рельсом. Следует особо подчеркнуть, что эти расчетные модели не затрагивали вопрос расчета поля, обусловленного наличием неоднородносгей рельса в виде различных объектов пути, а также сигнала на выходе датчика. В них не учитывалось явление магнитной вязкости, не принималась во внимание остаточная намагниченность рельсов.

В разделе 1.3 показана необходимость развития расчетных моделей МД контроля рельсов. До сих пор не получены ответы на ряд вопросов, имеющих принципиальное значение не только для модернизации существующих средств МД контроля, создания новых, но главное - для понимания процессов, происходящих в неоднородной структуре рельса при его намагничивании в динамике. Все еще актуальным является вопрос выбора оптимальных параметров оборудования, реализующего МД метод контроля. Очевидно, что проведение натурного моделирования, например, для определения требуемых геометрических размеров намагничивающего устройства, является весьма трудоемким и дорогостоящим процессом. Расчетные же модели, несмотря на определенный риск в части их адекватности реальным процессам, в этом смысле более свободны и могли бы позволить проанализировать всю совокупность влияющих факторов для выбора наилучших характеристик. Кроме того, разнообразие конструкций и параметров существующих средств магнитной дефектоскопии затрудняет сопоставление сигналов, полученных, например, одним и тем же магнитным вагоном-дефектоскопом при разных условиях контроля (скорости движения и т.п.), а тем более сигналов с разных средств магнитной дефектоскопии. С помощью расчетных методов возможно приводить сигналы с различных средств к некоторому типовому варианту, обеспечив, таким образом, возможность их сопоставления при реализации в последующем единой информационной системы.

Отсюда следует, что совершенствование средств МД контроля требует установления теоретической зависимости между формой сигналов от объектов пути, в том числе дефектов, и такими факторами как скорость движения, магнитные и электрические характеристики рельса, конструкция намагничивающего устройства, функция преобразования датчика и т.д. То есть необходима разработка комплекса расчетных моделей, позволяющих оптимизировать параметры существующих средств и создавать новые, более совершенные дефектоскопы.

Во второй главе, состоящей из пяти частей, проводится исследование основных факторов, выступающих в роли исходных данных, необходимых при проведении расчетов для создания новых и модернизации существующих средств магнитной дефектоскопии рельсов.

В разделе 2.1 качественно рассматриваются основные физические явления, происходящие при магнитной дефектоскопии рельсов. Это, прежде всего, явления вихревых токов и магнитной вязкости. При этом введено условное разделение первичного поля, создаваемого устройством намагничения, на две час-

ти - поле в рельсе и поле вне рельса (поле рассеяния). Это обусловлено тем, что данные поля играют разную роль в формировании сигналов от различных объектов. Поле в рельсе дает вклад в сигналы от объектов, расположенных в пределах поперечного сечения рельса - дефектов, сварных стыков и т.п. Поле рассеяния является определяющим для сигналов от объектов, расположенных вне поперечного сечения рельса - шпальных подкладок, накладок температурных болтовых стыков, контррельсов, противоугонов и т.п. Процесс формирования сигнала от объектов является результатом взаимодействия первичного поля с этими объектами, вокруг которых образуется их собственное, вторичное поле. Это вторичное поле воспринимается датчиками искательного устройства, вырабатывающими в ответ сигнал в соответствии со своей функцией преобразования.

Именно на таком представлении физики процессов скоростной магнитной дефектоскопии основана обобщенная поэтапная схема расчета сигналов от объектов пути и конкретные расчетные модели таких типичных объектов как дефект в виде поперечной трещины в головке рельса и болтовой температурный стык, рассмотренные в третьей главе.

В разделе 2.2 проводится анализ факторов, оказывающих наибольшее влияние на адекватность расчетных моделей. Основное внимание уделяется тому, что модели должны позволять получать не только качественные, но и количественные оценки. С этой целью они в качестве исходных данных должны использовать конкретные значения магнитных и электрических параметров рельсовой стали, по которым в настоящее время имеются весьма разрозненные данные. В связи с этим первоочередной задачей является разработка типовых методик и исследование указанных параметров. Вторая задача заключается в исследовании до сих пор не изученного эффекта магнитной вязкости рельсовой стали и учете его влияния на процесс намагничивания рельса, в частности, на предельную скорость контроля. Наконец, еще одна задача связана с изучением остаточной намагниченности рельсов, выявлением причин ее возникновения, оценкой роли средств магнитной дефектоскопии в этом явлении, а также установлении возможности использования этого явления для контроля по методу остаточного намагничения. Решению поставленных задач посвящены последующие три раздела.

В разделе 2.3 рассматриваются методики и результаты исследования магнитных и электрических параметров рельсовой стали: основной кривой намагничивания В(Н); предельной и промежуточных кривых симметричных петель гистерезиса; коэрцитивной силы Нс; полной ц(Н) и дифференциальной Ид(Н) относительных магнитных проницаемостей; остаточной индукции Вг; индукции насыщения В,', удельной электропроводности а.

Полученные в результате измерений основные магнитные характеристики, в целом, качественно схожи с результатами, полученными специалистами ВНИИЖТа в 60-х годах. Однако есть существенные отличия в количественном отношении. Так, например, значения полученной характеристики В(Н) в среднем на 10^-20% выше значений, приведенных Б.П.Довнаром [Дефектоскопия, №3, 1967], что в абсолютных значениях составляет весьма ощутимую разницу в

0.2+0.4 Тл. Еще более заметные отличия наблюдаются в характеристиках /л(Н) и !Лъ(Н), максимумы которых (ртах~950 при #=6.3 А-см"1; ¿«¿„,„=1250 при #=5 А-см'1) в среднем в 2 раза выше приведенных в упомянутой работе и находятся в области с напряженностью поля #=300+500 А/м, а не #=1000+1500 А/м; в области полей с #>5000 А/м отличия незначительны. Полученные результаты еще раз подтвердили необходимость данных исследований.

Наряду с указанными характеристиками получен ряд параметров рельсовой стали, ранее не публиковавшихся, а именно: Не=2.5 А/см, Зг=1.04 Тл, В,=1.82 Тл. Наибольшее значение /лд(Н)=Ъ700 имеет место на самом крутом участке в центральной части спинки предельной петли гистерезиса.

Если для получения основных магнитных характеристик применялись в основном стандартные методы, то для исследования электропроводности была разработана оригинальная методика, не требующая изготовления специального образца с малым поперечным сечением и длиной не менее чем на 2 порядка превышающей поперечные размеры, обычно необходимого для подобных измерений. Вместо этого использовался непосредственно объект контроля -рельс типа Р-65 длиной Ь=1 м. Была смонтирована установка, с использованием которой в рельс через пару контактных шин подавался переменный ток I различной частоты и, с помощью другой пары контактных шин, измерялось падение напряжения и на участке рельса длиной Ь„. При этом использовался высокочувствительный малошумный селективный вольтметр. Отметим, что из-за сравнительно большой площади сечения рельса 5 на разность потенциалов между измерительными шинами серьезно влияет распределение тока по сечению. Чтобы устранить этот фактор, измерения проводились в диапазоне частот от 500 Гц и ниже. В результате была выявлена граничная частота около 5 Гц, начиная с которой дальнейшее снижение частоты уже не приводило к изменению уровня сигнала, что свидетельствовало о достижении равномерного распределения тока по всему сечению. При таком условии для оценки проводимости можно использовать известное выражение а=(1Ьу)/и-8, в соответствии с которым оценка значения удельной электропроводности рельсовой стали составила <т=3.75-106 См-м"1. При этом суммарная погрешность не превышает 10%.

Указанные магнитные и электрические параметры рельсовой стали использовались при проведении расчетов в разделах 2.4, 3.2, 3.3, 3.4,4.1.

В разделе 2.4 описывается методика исследования магнитной вязкости рельсовой стали и анализируются полученные результаты. Вместо традиционного температурного метода выделения вязкостных свойств на фоне вихрето-кового процесса (из-за его трудоемкости и сложности при массовых измерениях), предложен иной способ. Вначале экспериментальным путем определяется суммарное время тг запаздывания реакции рельсовой стали на импульсное пе-ремагничивание (включающее в себя время задержки за счет вихревых токов твт и магнитной вязкости т, = тат + г^). Затем, на основании теоретических оценок, находится вихретоковая составляющая твт. Последний этап - выделение искомого параметра тш из

Для реализации такого подхода была изготовлена специальная измерительная установка и образец в виде тора прямоугольного сечения с намагничи-

вающими, подмагничивающими и измерительными обмотками. В результате измерений были получены зависимости эдс на выходе измерительной обмотки ЕшмО), дающие представление о процессе перехода образца из одного магнитного состояния в другое, в частности, о параметре т£. Оценка хш базировалась на решении нестационарной задачи о проникновении ступенчатого импульса магнитного поля в бесконечный стержень прямоугольного сечения (это решение пригодно и для тора в силу осевой однородности создаваемого внутри него поля). Применяя это решение для описания импульсного воздействия на тороидальный образец и используя закон иццукции Фарадея, а также выражение для напряженности магнитного поля в тороиде в установившемся режиме ноо = 1нам^\ '(2яКср)' была получена формула для оценки временной зависимости вихретоковой составляющей сигнала Ет(г) на выходе измерительной обмотки образца

Л^ПоЦ™^ (2р — 1) (2г — 1) II 1 \ г

где Ф„ = //„/^абЯ,- поток в сердечнике в установившемся режиме (при г-юэ), Вб; к=а/Ь; а, Ъ - полуширина и полувысота сечения сердечника, м; &(г)=я4г/4с?о11оР1юв\ 1намУ^1 - ампервиттси намагничивающей обмотки, А; ¡¥3 -число витков измерительной обмотки; ро~4я-Ш7- магнитная проницаемость вакуума, Гн/м; Цт, - относительная магнитная проницаемость поверхностного слоя сердечника, рср - значение проницаемости, усредненное по высоте сечения сердечника.

По данной формуле были рассчитаны теоретические графики Ет($, составляющие пары к соответствующим графикам Еизм($. Следует заметить, что в расчетной формуле использовалось одновременно два значения магнитной проницаемости - ц^* и ¡лср, необходимость ввода и методика определения которых изложена в диссертации. Из сопоставления времен релаксации по теоретическим и экспериментальным графикам были определены искомые значения тю для каждой пары Е^мф и Еет(() при различных вариантах импульсного пере-магничивания образца. В результате такой обработки были получены сводные данные по магнитной вязкости рельсовой стали, которые показали, что этот фактор оказывает действие, сопоставимое с влиянием вихревых токов и его необходимо учитывать при расчетах. Максимальное значение г«, »6.7 мс, при этом коэффициент вязкости у я 0.6 (где у=(те- гвщ)/тг), то есть время запаздывания увеличивается за счет влияния магнитной вязкости более чем вдвое.

Для учета влияния магнитной вязкости в расчетах динамического намагничения рельса предложено два способа: 1) в расчетную модель для вихревых токов на конечной стадии расчета вводятся поправочные коэффициенты, которые увеличивают время релаксации в 1/(1-\) раз; 2) в качестве исходных данных вместо истинных значений цпов и /лср принимают эквивалентные р*пов и

найти которые можно, используя приведенную в диссертации методику. На базе второго подхода была решена важная практическая задача - определена

предельная скорость контроля рельсов магнитным вагоном-дефектоскопом с П-образным намагничивающим устройством, которая составила около 110 км/ч.

В разделе 2.5 приводятся результаты исследований остаточной намагниченности рельсов. Очевидно, что для получения достаточно стабильных уровней и формы сигналов от различных объектов рельсового пути необходимо, чтобы намагниченность рельсов дефектоскопом превышала уровни их исходной намагниченности. Важно также оценить возможность использования этого явления для контроля по методу остаточного намагничения. Кроме того, известно, что намагниченность рельсов вызывает замыкания изолирующих стыков рельсовых цепей систем С ЦБ из-за скапливания в зоне зазора металлических продуктов износа рельсов и колес подвижного состава. Бытует представление, что остаточная намагниченность рельсов возникает из-за магнитных вагонов-дефектоскопов. Однако, как показали экспериментальные исследования, выполненные в рамках данной работы, рельсы, не подвергавшиеся воздействию магнитного вагона-дефектоскопа, оказываются намагничены, причем уровень напряженности поля в зоне изолирующих стыков достигает 450 Э. В результате проведенных исследований установлено, что высокая намагниченность изолирующих стыков связана, прежде всего, с исходным магнитным состоянием рельсов. Оно зависит от технологии изготовления, условий транспортировки, хранения и т.п., что и определяет наблюдаемый весьма широкий разброс уровней намагниченности - от десятков до сотен эрстед. Ощутимое влияние оказывают также токовые и механические нагрузки от подвижного состава. В результате их воздействия в зоне изолирующих стыков может возникать напряженность поля порядка 15+20 Э, в зависимости от расположения рельсов по отношению к магнитному меридиану.

Из этого следует, что уровни поля, создаваемого устройством намагничивания средства МД контроля (модернизируемого или вновь проектируемого), должны заведомо превышать исходную намагниченность рельсов с заданным коэффициентом запаса. Экспериментально установлено, что существующие магнитные вагоны-дефектоскопы вполне удовлетворяют этому требованию. В частности, намагниченность изолирующего стыка в момент контроля достигает 650 Э. Это внушает также определенный оптимизм в реализации в отечественной дефектоскопии перспективного для контроля рельсов метода остаточного намагничения.

В третьей главе, состоящей из трех частей, рассматриваются расчетные модели как основа создания более совершенных средств МД контроля рельсов.

В разделе 3.1 рассматриваются общие принципы построения моделей и их адекватность реальным процессам. Расчетные модели должны охватывать весь комплекс вопросов, связанных с функционированием средств МД контроля. Конечной целью расчета по этим моделям является оценка сигналов от различных объектов пути, получаемых с помощью средства дефектоскопии с заданными параметрами.

Основываясь на соображениях, приведенных в разделе 2.1, для расчета дефектоскопического комплекса предложена обобщенная схема, состоящая из трех последовательных этапов, приведенных на рис.1.

1 этап расчета

2 этап расчета

3 этап I расчета л

1 группа. Модели для расчета первичного поля, создаваемого устройством намагничивания заданной конфигурации

Статическая модель для расчета поля рассеяния

ж

Динамическая модель для расчета поля в рельсе

I I

2 группа. Модели для расчета вторичного поля от объектов рельсового пути

Регулярные объекты

Шпальная подкладка

Болтовой стык

Сварной стык

Стрелоч. перевод

Дефекты по НТД-ЦП-1-93

Поверхностные дефекты_

Поперечные трещины в головке

Продольные трещины в головке

3 группа. Модели для расчета сигнала в датчике

Индукционный датчик

Датчик Холла

Феррозондовый датчик

Рис.1.

В соответствии со схемой на первом этапе для расчета первичного поля используются две модели: 1) статическая, для оценки поля рассеяния устройства намагничения; ее следует применять при расчете сигналов от объектов, находящихся вне поперечного сечения рельса; 2) динамическая, описывающая поле в рельсе; ее следует использовать при расчете сигналов от дефектов, сварных стыков и других объектов, расположенных в пределах сечения рельса. На втором этапе используются модели, учитывающие конкретные особенности объектов рельсового пути и характер их взаимодействия с первичным полем. Процесс формирования вторичного поля описывается уравнениями магнитостатики, поскольку для рассматриваемых объектов - источников вторичного поля - рельс неподвижен. На третьем этапе используются модели, вид которых полностью определяется функцией преобразования датчика и его чувствительностью. При таком поэтапном подходе решение сложной задачи создания единой математической модели значительно упрощается. Появляется возможность применения в каждом отдельном случае наиболее подходящих способов решения, а также проверки адекватности разрабатываемых моделей реальным процессам. Упрощается постановка и проведение различных численных экспериментов, например, по исследованию влияния различных факторов на форму сигналов от объектов.

Раздел 3.2 посвящен детальному описанию статической модели для расчета поля рассеяния типового П-образного устройства намагничения. Данная модель основана на решении уравнения Пуассона и его частной формы - уравнения Лапласа методом конечных разностей (методом сеток). Использование этого приближенного метода обусловлено тем, что устройство намагничивания имеет сложную форму, при которой методы аналитического решения оказываются непригодными, в то время как метод сеток может быть применен практически при любых конфигурациях границ. Из множества разновидностей метода конечных разностей выбран итерационный метод Либмана с равномерным шагом сетки, так как он наилучшим образом подходит для программирования.

Схема постановки задачи реализована в двумерном приближении. При этом катушки намагничивания представлены в виде двух бесконечно длинных шин прямоугольного сечения с током; рельс - в виде магнитного слоя с равной головке рельса высотой. В соответствии со схемой вектор АА имеет только одну компоненту - Ау, направление которой совпадает с направлением тока в катушках намагничивания, поэтому при постановке задачи для зоны с током (катушек) использовалось уравнение Пуассона в виде

ск2 <Ьг

а для остальных зон (магнитопровода, воздуха, рельса) - уравнение Лапласа в ввде а'А а2 А

, (2)

ах3 ах2

где Ау - векторный потенциал магнитного поля, ^ - объемная плотность распределенного тока, А/м2.

Из требования равенства тангенциальных составляющих напряженности магнитного поля и равенства нормальных составляющих магнитной индукции на границах раздела зон с различными магнитными и электрическими параметрами были определены граничные условия.

На основании уравнений (1) и (2) и граничных условий для каждой зоны расчетной области, а также границ раздела между ними и особых точек - углов были получены соответствующие выражения в конечных разностях для вычисления векторного потенциала. В частности, для узлов, лежащих на одной из границ между зонами катушки намагничивания и окружающего ее воздуха получено следующее выражение (здесь индекс иу" опущен):

4*,*)Л

4

____А(и Л(---1_1Л.

Дх,г-К)--+Дх-Л,2)+Л(х,г+Л)----№

где Кц-^^з - отношение магнитных проницаемостей областей катушки (индекс «1») и воздуха («3»); 3=Ы(аЪ) - плотность тока в катушках

намагничивания; а,Ъ - размеры катушки (шины); I - значения тока в катушке; и» - число витков катушки; х,г - координаты узла; А - шаг сетки.

Расчет поля рассеяния с использованием полученных выражений реализован с помощью ЭВМ, для чего разработан алгоритм и соответствующая программа. Вначале работы с программой вводятся исходные данные: геометрические параметры задачи; геометрические параметры устройства намагничивания и рельса; параметры катушек намагничивания; физические характеристики устройства намагничивания и рельса; требуемая точность расчета. Затем производится запуск программы расчета и ЭВМ осуществляет итерационные вычисления для введенного набора параметров до момента достижения заданной точности. Результатом первой стадии работы программы является массив значений векторного потенциала в узлах сетки расчетной области. Этот массив хранится в оперативной памяти ЭВМ и, при необходимости, может быть выведен на экран в виде таблицы, а также записан в файл данных. По значениям векторного потенциала можно построить картину силовых линий поля рассеяния устройства намагничивания (см. рис.2) с учетом влияния магнитопровода и рельса. При установке курсора в любой точке расчетной области отображаются ее координаты и соответствующее значение потенциала.

Вторая стадия расчета заключается в определении индукции или напряженности поля в заданной точке по найденному значению векторного потенциала Ау. Для этой цели используется выражение

==—

Шк & дх ) >

из которого нетрудно получить выражения для продольной и вертикальной составляющих индукции (Вф.г), Вг(х,г)) и напряженности поля (Н^х.г), Нг(х,г)) в конечных разностях. В частности, для Вх(х,г) использовалось выражение:

ВЛх,Х)—-£*--2Л- •

Результаты расчета составляющих индукции и напряженности магнитного поля представляются в виде таблиц значений и графиков. В качестве примера на рис.3 приведен график Ну(х,2) для одного из типичных наборов исходных данных. Сравнение результатов расчета по программе с имеющимися экспериментальными данными, полученными на вагоне-дефектоскопе ВД-402, представлено в табл.1. Учитывая неопределенность конкретных значений параметров рельсов при эксперименте следует признать полученное соответствие достаточно удовлетворительным, что свидетельствует об адекватности разработанной расчетной модели реальным процессам. Рис. 3.

Рис. 2.

/ \ мм / \*"

"V"* 'н.1 М.Г " 41 1 \ / "*** \ / ГТ~1 • Г~*и\ тт- гл

Таблица 1

Коорд. м Нф.г), кА/м Нг(х,2), кА/м

Экстр. Расч. Экспер. Расч.

х=-0.4; 2=0.25 (на уровне подошвы) 2.9 2.1 12.3 15.3

х=0; 2=0.4 (на пов-ти головки) 7.0 4.3 нет данных 58.9

Полученные с помощью этой программы данные в дальнейшем используются при проведении расчетов сигналов от болтового стыка (раздел 3.4).

В разделе 3.3 рассматривается развитая магнитодинамическая модель для расчета поля в рельсе. Эта модель основана на решении задачи о поле однопро-водной линии с током 1У, перемещающейся со скоростью V на высоте г0 над проводящим ферромагнитным слоем толщиной а (рис.4).

1 среда (воздух):

2 среда (сталь):

02,/*2 у-

3 среда (воздух):

0}, Мз

Рис.4.

Рис.5.

(3)

Напряженности электрического и магнитного полей, создаваемых движущимся проводником с током, должны удовлетворять уравнениям Максвелла в каждой из трех сред, представленных на рис.4, отличающихся друг от друга магнитными и электрическими параметрами. В результате решения уравнения Гельмгольца в трехслойной среде с граничными условиями получено следующее выражение для векторного потенциала во 2 среде - рельсе (также как и при расчете поля рассеяния, в данном случае имеется только одна составляющая векторного потенциала, направленная вдоль оси_у):

А ±_ ? + +(я-м\я\УК(-2а+г)-Щ^-1Цх-х*)м

у'2* (й+НА!)2-^-^!)2«-2^

где х,г - координаты точки наблюдения во 2 среде (при —«<х<со, -а^г^О); Я2=Л2+1]цсгиА (11еЛХ)); х*=хо+уЬ, го - координаты центра линии с током, I - время; а, ц - электропроводность и магнитная проницаемость 2 среды (для 1 и 3 сред а= аз=0, щ=р3=1).

Расчетная модель для определения поля в рельсе, создаваемого реальным намагничивающим устройством, получена путем суперпозиции полей от подобных проводников (см. рис.5). В этой модели по внешнему контуру протекает ток I, направление которого совпадает с осью у ("от нас"); плотность тока составляет //¿;, где ¿/=2Л/+</+с. По внутреннему контуру протекает ток той же силы, но направленный "на нас", с плотностью где Хг=2Аг+й?-с. В результа-

те интегрирования выражения (3) по совокупности обоих контуров, учитывая, что Н = го(А, было получено решение задачи определения составляющих напряженности поля в рельсе, создаваемого устройством намагничения

яп ^

т

0,(ц)-02(|<) 0м)

1 „ 21 V Го, ■тми)к н* •

&и)

Ци)-ф)

■и^и,

где = + = Т(и) = е

е(м) = (л + Л^ы))2 - (л - ^м])2е"2Я; К(и) = *]и2+^таи; и = Ла .

С использованием этого формального решения была разработана программа для ЭВМ, с помощью которой расчет может проводиться для каждой конкретной группы параметров, вводимых в качестве исходных данных (скорости движения, магнитных и электрических характеристик рельса, геометрических параметров задачи - размеров магнитопровода, расстояния между полюсом и рельсом, высоты рельса и т.д.). Результатом расчета по программе является массив значений составляющих магнитного поля, который записывается в файл данных. По значениям составляющих могут быть построены соответствующие графики. В качестве примера на рис.6 дано семейство графиков продольной составляющей напряженности магнитного поля Нх на глубинах 1...10 мм от поверхности катания головки рельса для одного из типичных вариантов набора исходных данных.

Исследование адекватности данной модели действующим устройствам намагничения было проведено путем сравнения полученных с ее помощью результатов с экспериментальными данными, например, с приведенными в уже упомянутой работе Б.П.Довнара, где даны результаты опытов по определению зависимости распределения продольной составляющей индукции по длине рельса от скорости движения для различных глубин головки. Рис.6.

С этой целью значения Нх были пересчитаны с использованием полученной в разделе 2.3 кривой намагничения рельсовой стали к значениям индукции Дс для тех же скоростей и глубин, что и в указанной работе. Сравнение результатов расчета и экспериментальных данных показало не только хорошее качественное, но и количественное совпадение. Максимальное значение индукции, полученное опытным путем при у=0 км/ч, составляет В0 «1.65 Тл, по расчету Вр »1.5 Тл. Соответственно, для скорости и=14 км/ч В0 »1.6 Тл, Вр «1.35 Тл, при и=27 км/ч В0 »1.3 Тл, Вр »1.2 Тл и т.д. В расчетной модели, как и на натуре, отчетливо заметно уменьшение магнитного поля в зоне переднего по ходу движения полюса и возрастание его с приближением к заднему полюсу, а также

л

изменение угла наклона кривой индукции и смещение к заднему полюсу точки ее пересечения с осью абсцисс при увеличении скорости движения.

В разделе 3.4. состоящем из трех подразделов, рассматриваются расчетные модели для оценки сигналов в искательном устройстве от различных объектов рельсового пути.

В разделе 3.4.1 приводятся общие замечания к построению расчетных моделей для определения поля и сигналов от болтового стыка и дефекта в виде поперечной трещины в головке рельса. Эти объекта можно рассматривать в качестве наиболее типичных с точки зрения демонстрации разработанных в рамках диссертации методов расчета поля вторичных источников. По аналогии с ними могут быть построены расчетные модели любых других объектов рельсового пути. Рассматриваемые модели основаны на методе эквивалентных источников, в соответствии с которым реальные объекты заменяются совокупностью фиктивных магнитных зарядов и/или моментов. Величина этих зарядов определяется конфигурацией объекта и параметрами поля намагничения. Принципиальным отличием от других известных моделей является учет положения объекта относительно полюсов устройства намагничения при его перемещении.

В разделе 3.4.2 подробно рассматривается модель болтового стыка, схема которой представлена на рис.7. В качестве исходных данных для расчета здесь используются: геометрические параметры рельса и элементов болтового стыка, магнитные и электрические параметры рельса и накладок, параметры искательного датчика и координаты его местоположения.

Из рисунка .видно, что болтовой стык представляет собой совокупность двух основных элементов: соединяющей рельсы накладки, для которой в качестве первичного поля определяющим является поле рассеяния, и стыкового зазора, для которого в качестве первичного выступает поле в рельсе. Поэтому вторичное поле, создаваемое болтовым стыком в точке наблюдения с1, определяется суперпозицией вторичных полей от накладки и зазора. В рассматриваемой модели накладка, реально имеющая достаточно сложный профиль, заменена бруском прямоугольного сечения. При этом длина а и высота Ь бруска совпадают с длиной и высотой накладки, а толщина с выбирается из условия равенства площади поперечного сечения. По торцам бруска - накладки в верхней их части располагаются эквивалентные заряды ()н(х), количество, знаки и значения которых зависят от магнитного поля рассеяния и взаимного положения накладки и полюсов (координаты стыка х*). Зазор между торцами соединяемых рельсов представлен в виде двух эквивалентных зарядов (},(х), разнесенных друг от друга на расстояние, равное величине зазора, значения которых зависят от магнитного поля в рельсе и координаты х*.

Рассмотрим, в качестве примера, процедуру расчета вторичного поля от накладки. Весь расчет, в зависимости от координаты разбит на 5 характерных зон, соответствующих пяти положениям стыка, показанным на рис.7. Эти зоны определяют изменение схемы эквивалентных зарядов с учетом изменения направления и уровня магнитного потока в накладке. В 1, 3 и 5 зонах накладка представлена двумя зарядами, расположенными по ее торцам. Во 2 и 4 зонах -тремя. Третий заряд возникает в месте пересечения накладки и оси центра по-

Рис.7.

люса, где происходит разделение магнитного потока на два противоположных направления: один - к центру координат, другой - от него. В этих зонах накладка условно делится на две части - «внутри» и «вне» намагничивающего устройства, в каждой из которых магнитный поток течет в разных направлениях. Соответственно, в каждой из частей имеется по два заряда. Заряды в месте разделения накладки на части имеют одинаковый знак и значение, равное сумме модулей значений зарядов по торцам, поэтому на рис.7 в этой зоне показан один суммарный заряд. Линией деления накладки на части является вертикальная линия, проходящая через магнитный центр соответствующего полюса намагничивающего устройства.

На первом этапе расчета по известным параметрам первичного поля, найденным с помощью рассмотренных в предшествующих разделах расчетных моделей или путем натурных измерений, определяется среднее значение продольной составляющей поля рассеяния по площади накладки Хи(х,г) (здесь и далее вместо Нх будем использовать более удобное обозначение X). Это осуществляется путем интегрирования функции распределения поля рассеяния Храсс(х,г) по участкам накладки с учетом изменения координаты х*:

где х(х*)ц, х(х*)а - абсциссы соответственно левого и правого конца /участка накладки; г/ , г? — ординаты верхней и нижней граней накладки соответственно; ¡={1, 2} - номер участка (1 - левый, 2- правый).

Значения г1 и гг, в отличие от х;, х2, не зависят от зоны и определяются только геометрическими параметрами рельса и накладки, то есть г1--Ьгр-Лк,

г2~Игр-АИ-Ь. Здесь Ъгр - высота головки рельса, АН - расстояние от под-головочной грани головки до верхней грани накладки, Ъ - высота накладки.

На втором этапе по известному значению Хн(х*) определяется интенсивность эквивалентных зарядов (¿»(х^^,,), расположенных по концам участков накладки. При этом, поскольку накладка представляет собой объект с конечными размерами, необходимо учитывать размагничивающий фактор. Поэтому при оценке ее намагниченности следует использовать не магнитную восприимчивость материала Хш=И~1 накладки, а восприимчивость тела /„, определяемую следующим образом:

где - коэффициент размагничивания, для определения которого в нашем случае можно воспользоваться известной формулой

где 1„(х*)1 - длина /-участка накладки; с - толщина накладки.

С учетом выражений (4)...(6), интенсивности вторичных источников, то есть модули значений эквивалентных зарядов в «'-участке накладки, бу-

дут определяться формулой

ас*,.*,л=ъ -х*(**), > (7>

где Бн=Ь с - площадь поперечного сечения накладки.

Входящие в выражение (7) координаты зарядов хч определяются исходя из координаты стыка х* и геометрических параметров накладки; координата по оси г для всех зарядов принята одинаковой, равной расстоянию от начала координат до линии магнитного центра накладки, проходящей примерно на уровне 1/3 ее высоты (размера Ь), то есть г^-И^АИ-Ь/З. Оценки показывают, что погрешность такого упрощенного подхода не превышает 10%.

На третьем этапе по найденным с помощью выражения (7) значениям 2н(хч,гч)п рассчитывается продольная составляющая поля Х„(х*)„, создаваемого каждым из п-зарядов «-участка накладки в точке наблюдения. С этой целью используется известная формула для расчета поля точечного заряда:

где х^.га- координаты точки наблюдения (датчика).

Суммируя поля Хя(х*)1„ , создаваемые каждым из п-зарядов «-участка, и удваивая результат (так как рельсы скрепляются двумя накладками), получаем искомое попеХн(х*) в точке наблюдения:

*.(**)=2(9)

1 п

Наконец, завершающий этап - оценка сигнала в датчике и„(х*) от накладки. В нашем случае, для индукционного датчика переход от поля вторичных

источников к сигналу осуществляется путем дифференцирования функции Х„(х*) по координате я с учетом параметров датчика и скорости движения:

¿Хн(х*)

U„(x*) = -/Jg-w-Sd-v

dx

(10)

где w - число витков датчика; Sj - площадь поперечного сечения датчика; v- скорость движения.

Аналогичным образом находится вторичное поле и сигнал от зазора, только с некоторыми особенностями. Прежде всего, для зазора необходимо учитывать не поле рассеяния, а поле в рельсе Xp(x,z), которое рассчитывается с помощью динамической расчетной модели, описанной в предыдущем разделе. Во-вторых, при расчетах вторичных источников используется индукция в рельсе, для перехода к которой от напряженности поля применяется основная кривая намагничения рельсовой стали, полученная в разделе 2.3. Наконец, поскольку зазор представляет собой по сути разрыв одного из элементов магнитной цепи - рельса, при расчетах учитывается изменение направления магнитного потока, большая часть которого устремляется через накладки, а другая часть замыкается через воздушный промежуток в зазоре. Это перераспределение потока определяется коэффициентом шунтирования, который вводится как отношение магнитных проводимостей накладки и зазора кш =fiHSH/Sep, где S!p - площадь поперечного сечения головки рельса, SH - площадь поперечного сечения накладки, ц„ - магнитная проницаемость накладки.

Искомое вторичное поле и сигнал от болтового стыка отыскивается в виде суперпозиции полей и сигналов от накладки и зазора.

Для выполнения расчетов по модели «Болтовой стык» была разработана специальная программа для ЭВМ. Результат расчета сигнала от болтового стыка по этой модели для одного из типичных наборов исходных данных (мдс соленоидов - 50 кАв, тип рельса - Р50, /Jp=ft„= 100 отн.ед., <тр=ст„=3.5-106 См/м, w=1000, 5^3.5-10"4 м2, v =10 м/с) приведен на рис.8. В табл.2 представлен один из наиболее важных параметров сигнала - амплитуда его экстремумов. Там же приведены усредненные статистические данные по этому параметру, полученные в результате обработки сигналов магнитных вагонов-дефектоскопов. Сравнение расчетных и экспериментальных данных показывает их хорошее совпадение как по качественным, так и по количественным характеристикам.

Таблица 2

№ импульса Амплитуда импульса, В

Расчет Эксперимент

1 0.6 0.50 до 1.10

2 6.4 1.80 до 9.20

3 7.0 3.10 до 11.30

4 0.4 0.18 до 0.45

1-----

т

II

Т !

| » 4J I J

Рис.8.

В разделе 3.4.3 рассматривается модель дефекта 21.2 - поперечной трещины в головке рельса. По существу, данная модель весьма близка к модели болтового стыка в части определения сигнала от зазора, но имеет некоторые отличия, на которые следует обратить внимание. Во-первых, по сравнению со стыком трещина имеет значительно меньшее раскрытие. В расчетной модели это выражается в том, что для описания вторичных источников, вместо принятого в модели болтового стыка распределения разноименных зарядов по торцам стыкового зазора, трещина описывается распределением одноименных зарядов в сочетании с точечным диполем. Во-вторых, для трещины роль шунтирующего элемента играют уже не накладки, а магнитная масса головки рельса, не затронутая дефектом. При этом коэффициент шунтирования определяется из соотношения магнитных сопротивлений неповрежденного и поврежденного участков сечения головки рельса кт=Хш^ш/8деф, где^ш - магнитная восприимчивость ферромагнитного бруска, шунтирующего дефект: длина бруска равна расстоянию между точками перехода через нуль кривой магнитной индукции Вх в рельсе; ширина совпадает с шириной неповрежденной части сечения головки рельса; высота равна эквивалентной глубине промагничивания магнитного потока в рельс при данной скорости движения; Б^ф - площадь дефекта; 5Ш= -Здеф - площадь шунтирующего участка головки рельса. Важным моментом является также и то, что для определения эквивалентной глубины проникновения магнитного потока и интенсивности вторичных источников необходимо иметь более детальную (чем в модели болтового стыка) картину поведения поля на различных глубинах головки рельса, которую можно получить с помощью рассмотренной ранее магнитодинамической модели (см. рис.б).

С учетом изложенных выше особенностей были составлены расчетные уравнения, алгоритм и программа для ЭВМ. Результат расчета сигнала от трещины площадью около 20% от площади поперечного сечения головки рельса для одного из типичных наборов исходных данных приведен на рис.9. Следует отметить хорошее совпадение основных классификационных признаков у расчетного сигнала и сигналов, получаемых на практике (см., например, [В.Б.Козлов. О расшифровке осциллограмм. - М.: 1959]): трехимпульсная структура с отрицательным глобальным импульсом в центре; высокая крутизна фронтов глобального импульса; соотношение амплитуд центрального и боковых импульсов, относительная длительность импульсов в группе.

В четвертой главе, состоящей из двух частей, на конкретных примерах рассматривается применение расчетных моделей для исследования информационных признаков сигнала от дефекта при различных условиях контроля.

В разделе 4.1 исследуется зависимость параметров сигнала от дефекта в виде поперечной трещины по коду 21.2 при изменении ряда факторов в сле-

---* и. В

А ---V /Ч

24 1 -о 21

- -3

Рис.9.

Трансжелдориздат,

дующих пределах: г/= 10+60 км/ч, /<=50+500 отн.ед., о=1-106+7-106 См-м'1, координата местоположения датчика относительно центра устройства намагничения £¿=-0.35+0.35 м; площадь трещины в процентном отношении к площади головки рельса 5^=11,22, 33%, ширина раскрытия трещины ¿»^ от 0.1 до 0.3 мм.

В качестве примера на рис.10 представлены результаты расчетов сигнала при различной координате местоположения искательного датчика.

I

-----------4-Й—-

-0, и, в • •

ЛГ 5

1

........\ 4 х, м

45 -0 15 -0,25| -0,15 (0,05 0,051 0,15 0* к......а £ 0.4!

1 ;

-► V

Рис.10

Из рисунка видно, что при смещении датчика от заднего полюса к переднему происходит существенное изменение формы сигнала, а именно - уменьшение амплитуды доминирующего импульса отрицательной полярности при приближении к центру устройства намагничения и его «переворот», т.е. изменение знака на положительный, в области положительных координат. Кроме того, наблюдается изменение соотношения амплитуд двух боковых импульсов - около полюсов различия между ними практически нет, тогда как при приближении к центру разница увеличивается. Кроме того, заметно, что амплитуда сигнала при приближении к заднему полюсу несколько больше, чем при приближении к переднему полюсу. Указанные особенности поведения сигнала отмечались Б.П.Довнаром и Е.И.Успенским [Некоторые результаты исследований выявляемое™ дефектов в рельсах. М.: Трансжелдориздат, 1967].

Сопоставление и других результатов расчетов с выполненными ранее экспериментальными исследованиями (в частности, при изменении параметров V, Бдеф) также показало их хорошее совпадение как по качественным, так и по количественным показателям, что является подтверждением адекватности разработанных расчетных моделей.

Расчеты с изменением /л, а, Ь^ф также дали весьма важные результаты, дополнившие данные о зависимости параметров сигнала от поперечной трещины от внешних факторов. В частности, на рис.11 даны результаты численных экспериментов по определению зависимости параметров сигнала от величины раскрытия трещины Ьдеф. Из графиков видно, что при Ьдеф=0.1 мм сигнал имеет

I I

классическую трехимпульсную структуру с глобальным отрицательным импульсом; при 6^=0.2 мм уже несколько иную структуру - с увеличенным по

амплитуде (примерно на 50% по сравнению с предыдущим значением раскрытия) первым положительным импульсом; при 6^=0.3 мм структура сигнала становится подобной сигналу от зазора болтового стыка с явно выраженным первым положительным импульсом, амплитуда которого сопоставима с амплитудой отрицательного импульса.

Таким образом, по увеличению амплитуды первого импульса можно судить о росте трещины, то есть увеличении ее потенциальной опасности для эксплуатации рельса.

В разделе 4.2 обсуждается возможность определения устойчивых классификационных признаков для создания алгоритмов автоматизированной обработки сигналов от объектов рельсового пути. Известны различные пути решения рассматриваемой проблемы, например, на основе теории распознавания образов, предлагающей два подхода — вероятностный и логический. Первый подход в отношении объектов рельсовой дефектоскопии правомерен к описанию сигналов от подкладок, болтовых и сварных стыков, но непригоден для дефектов, статистика по которым не может быть достаточно объемной. Для реализации логического подхода необходимо уметь выделять в описываемом объекте характерные признаки, соответствующие разным иерархическим уровням - основному и вспомогательным. Можно пытаться разобраться в этом, привлекая опыт операторов-дефектоскопистов (метод экспертной оценки), но эти возможности крайне ограничены, во-первых, из-за субъективности такого подхода, во-вторых, вследствие упомянутого выше малого объема выборки. В рамках настоящей работы предложен иной способ, основанный на разработке и последующем исследовании расчетных моделей для оценки сигналов, формируемых дефектами рельсов, с целью выявления их классификационных признаков, установления степени их значимости. Варьируя исходные данные, с помощью рассмотренных в диссертации и аналогичных моделей устанавливают соответствие между характерными нюансами формы сигнала и параметрами, определяющими геометрию дефекта, степень его опасности для эксплуатации рельсового пути, что, в конечном счете, позволяет выявить устойчивые классификационные признаки. Показано, что для дефекта в виде поперечной трещины в головке рельса такими признаками являются: количество импульсов в сигнале, порядок их следования и полярности, длительности импульсов, расстояние между экстремумами, крутизна фровтов и амплитуды импульсов, соотношение -их уровней.

Рис.11

Основные результаты работы

1. Разработаны методики и определены конкретные магнитные и электрические характеристики рельсовой стали, необходимые для расчета полей намагничивающих устройств и сигналов от объектов пути.

2. Разработана оригинальная методика выявления магнитной вязкости на фоне действия вихревых токов в проводящем ферромагнетике. Получены численные данные о параметрах магнитной вязкости рельсовой стали. Показано ее влияние на процесс намагничения рельсов и дана оценка предельной скорости МД контроля при учете этого фактора.

3. Экспериментально установлено, что главными причинами наличия высоких уровней намагниченности рельсов являются предыстория рельсов и эффект безгистерезисного намагничения.

4. Разработана статическая расчетная модель для определения поля рассеяния намагничивающего устройства. Показано, что роль поля рассеяния является определяющей в формировании сигналов от объектов, расположенных вне поперечного сечения рельса.

5. Развита динамическая расчетная модель для определения поля в рельсе, создаваемого намагничивающим устройством в движении. Показано, что эта модель адекватно отражает процессы, происходящие при намагничивании проводящего ферромагнитного материала рельса полем движущегося электромагнита.

6. Предложена обобщенная поэтапная схема расчета полей и сигналов при МД контроле рельсов, применение которой позволяет свести сложную нестационарную задачу взаимодействия движущегося магнитного поля с неоднород-ностями рельсового пути к достаточно простым вычислительным процедурам.

7. Разработаны и реализованы в виде программ для ЭВМ расчетные модели для оценки вторичного поля и сигналов от болтового стыка и поперечной трещины в головке рельса, позволяющие выявить их классификационные признаки. Модели пригодны для использования в инженерных методиках проектирования средств МД контроля рельсов.

Основное содержание диссертации отражено в публикациях:

1. Исследование магнитной вязкости рельсовой стали / М.КХКоролев // 59-я н-т. конференция с участием студентов, молодых специалистов и ученых «Неделя науки - 99», Подсекция «Диагностика и безопасность технических объектов»: Тез. докл. - СПб. -ПГУПС. -1999. - С.ЗО.

2. М.Ю.Королев. О предельной скорости контроля рельсов магнитным методом // В мире неразрушающего контроля. - 2001, - № 3 (13). - С.55-56.

3. Г.А.Антипов, М.Ю.Королев. О причинах короткого замыкания изолирующих стыков // Путь и путевое хозяйство. - 2001, -№ 7. - С.31-33.

4. Г.А.Антипов, Л.В.Снетков, М.Ю.Королев. О причинах возникновения остаточной намагниченности изолирующих стыков // Там же. - 2001, — № 10. -С.30-33.

5. М.Ю.Королев. О влиянии магнитного вагона-дефектоскопа на остаточную намагниченность рельсов // Там же. - 2001, - № 12. - С.2-4.

6. Г.А.Антипов, М.Ю.Королев. Магнитная вязкость рельсовой стали и ее влияние на промагничивание рельсов при их контроле скоростными средствами магнитной дефектоскопии // Дефектоскопия. - 2002, - №6. - С.49-58.

7. М.Ю.Королев. Расчетные модели для оценки сигналов от объектов пути при магнитодинамическом методе неразрушающего контроля рельсов // В мире неразрушающего контроля. - 2002, -№4(18).- С.72-73.

8. Г.А.Антипов, М.Ю.Королев. Особенности исследования параметров магнитной вязкости стали // Сб. трудов ЦНИИ им. акад. А.Н.Крылова, СПб. -2002,-Вып.13 (297).-С. 134-146.

9. Расчетные модели дефектов как основа автоматизации расшифровки сигналов при магнитной методе неразрушающего контроля рельсов / Г.А.Антипов, М.Ю.Королев // XVI Российская н-т. конференция «Неразру- | шающий контроль и диагностика»: Тез. докл. - СПб. - 2002. - С.34-37.

10. Принципы построения многоуровневой учебно-тренировочной компьютерной программы для подготовки специалистов по магнитным методам дефектоскопии рельсового пути / Г.А.Антипов, О.Ф.Бабаева, М.Ю.Королев //

Там же. - СПб. - 2002. - С.28-31.

АВТОРЕФЕРАТ

МАГНИТОДИНАМИЧЕСКИЙ МЕТОД КОНТРОЛЯ РЕЛЬСОВ. МЕТОДОЛОГИЯ РАСЧЕТА ПОЛЕЙ И СИГНАЛОВ Королев Михаил Юрьевич

Лицензия ЛР № 020308 от 14.02.97

Подписано в печать 04.11.2003 Б.-кн.-журн. Пл 1,0

Формат 60*84 1/16 Бл. 1,0 РШРИОСЗТУ

Тираж 100 Заказ 568

Северо-Западный государственный заочный технический университет РИО, СЗТУ, член издательско-полиграфической ассоциации вузов Санкт-Петербурга 191186, Санкт-Петербург, ул. Миллионная, 5

2с

1& 18о * 18 180

L

\

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ МАГНИТНОЙ ДЕФЕКТОСКОПИИ РЕЛЬСОВ И РОЛЬ РАСЧЕТНЫХ МОДЕЛЕЙ В ЕЕ СОВЕРШЕНСТВОВАНИИ

1.1. Общие сведения о методах и средствах магнитной дефектоскопии рельсов.

1.2. Обзор экспериментальных и теоретических исследований в области магнитодинамического метода контроля рельсов.

1.3. актуальные вопросы магнитодинамического метода контроля рельсов и роль расчетных моделей в их решении.

Выводы по 1 главе.

ГЛАВА 2. ИССЛЕДОВАНИЕ ОСНОВНЫХ ФАКТОРОВ МАГНИТОДИНАМИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ РЕЛЬСОВ

2.1. Основные физические явления, происходящие в процессе магнитодинамического контроля рельсов. Возможность их отражения с помощью расчетных моделей.

2.2. Анализ факторов, оказывающих наибольшее влияние на эффективность расчетных моделей.

2.3. Исследование магнитных и электрических параметров рельсовой стали.

2.4. Явление магнитной вязкости и необходимость его учета при разработке средств магнитодинамического контроля рельсов.

2.5. Остаточная намагниченность рельсов. Результаты исследований.

Выводы по 2 главе.

ГЛАВА 3. РАСЧЕТНЫЕ МОДЕЛИ МАГНИТОДИНАМИ-ЧЕСКОГО МЕТОДА КОНТРОЛЯ РЕЛЬСОВ

3.1. Общие принципы построения расчетных моделей. Проблема их адекватности реальным физическим процессам.

3.2. Разработка магнитостатической модели для оценки поля рассеяния намагничивающего устройства.

3.3. Мапштодинамическая модель для оценки поля в рельсе

3.4. Расчетные модели для оценки сигналов в искательном устройстве от различных объектов рельсового пути.

Выводы по 3 главе.

ГЛАВА 4. ПРИМЕНЕНИЕ РАСЧЕТНЫХ МОДЕЛЕЙ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ИНФОРМАЦИОННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК СИГНАЛА ПРИ РАЗЛИЧНЫХ УСЛОВИЯХ КОНТРОЛЯ

4.1. Исследование влияния различных факторов на параметры сигнала от дефекта.

4.2. О возможности определения устойчивых классификационных признаков для создания алгоритмов автоматизированной обработки сигналов от объектов рельсового пути.

Выводы по 4 главе.

Ключевой проблемой обеспечения безопасности движения на железных дорогах является контроль состояния и своевременное обнаружение дефектов в рельсах в процессе их эксплуатации.

Для скоростного неразрушающего контроля рельсов в пути в настоящее время применяются два метода - ультразвуковой и магнитный. В последние годы эти методы используются в комплексе, что позволяет значительно повысить информативность, а, следовательно, и достоверность результатов контроля.

Преимущества магнитного метода, по сравнению с ультразвуковым, заключаются в уверенном обнаружении наиболее опасных дефектов в виде сильноразвитых поперечных трещин в головке рельса, продольных трещин и расслоений, надежном контроле поверхностных слоев головки, получении четкой топографии пути, бесконтактности, широком диапазоне рабочих температур, возможности проведения контроля на высоких скоростях.

Основные направления дальнейшего развития магнитного метода связаны с созданием более качественных устройств намагничивания рельсов, усовершенствованием искательных устройств, внедрением автоматизированной обработки сигналов и т.д. Однако реализация имеющихся и потенциальных возможностей магнитного метода затруднена в силу отсутствия до настоящего времени эффективных расчетных моделей, адекватно отражающих все аспекты процесса магнитодинамического контроля рельсов, начиная от их намагничивания и заканчивая формированием сигналов от дефектов. Из-за сложности физических процессов, происходящих в материале рельса при его намагничении полем движущегося электромагнита, и отсутствия надежных аналитических методов для их описания разработка средств магнитной дефектоскопии осуществлялось до сих пор, фактически, только на основе экспериментальных данных, возможности которых ограничены. Это обстоятельство существенно сдерживало прогресс в области магнитной дефектоскопии рельсов на протяжении десятилетий и в настоящее время является наиболее актуальной проблемой, без решения которой затруднено дальнейшее развитие магнитного метода.

В связи с этим целью настоящей работы явилась разработка комплекса расчетных моделей, направленных на повышение эффективности действующих и вновь создаваемых средств магнитодинамического контроля рельсов.

Для достижения этой цели потребовалось решить следующие задачи:

1) Провести исследование основных факторов магнитодинамического метода контроля рельсов, оказывающих наибольшее влияние на эффективность расчетных моделей, а именно:

- разработать типовые методики и исследовать основные магнитные и электрические характеристики материала рельса как исходные данные, необходимые при построении средств магнитного контроля;

- исследовать магнитную вязкость рельсовой стали и ее влияние на процесс намагничивания рельса и предельную скорость контроля магнитным методом;

- изучить остаточную намагниченность рельсов и необходимость учета этого явления при проектировании средств магнитной дефектоскопии рельсов.

2) Разработать обобщенную схему и комплекс математических моделей для расчета сигналов от различных объектов рельсового пути как основу построения более совершенных средств магнитной дефектоскопии, в том числе:

- статическую расчетную модель для оценки поля рассеяния намагничивающего устройства;

- динамическую модель для определения поля в рельсе с учетом движения намагничивающего устройства относительно рельса;

- расчетные модели для основных объектов рельсового пути.

3) Исследовать с применением расчетных моделей информационные характеристики сигналов от дефекта в виде поперечной трещины, для чего:

- изучить влияние различных факторов на параметры сигнала от дефекта;

- выявить возможность определения устойчивых классификационных признаков дефектов рельсов.

Для решения поставленных задач использовались методы исследования, основанные на теории электромагнитного поля (аналитические и численные методы решения краевых задач), теории вероятностей и математической статистики. Экспериментальные исследования выполнялись с применением методов моделирования и путем натурных измерений. Решение задач, обработка теоретических и экспериментальных данных выполнялись на ЭВМ с использованием как стандартных, так и специально разработанных программ.

На защиту выносятся следующие основные положения:

1. В число исходных данных, требуемых для расчета скоростных средств магнитной дефектоскопии рельсов, наряду с обычными для задач электродинамики магнитными и электрическими характеристиками рельсовой стали необходимо включать параметры ее магнитной вязкости, без учета которой невозможно правильно оценить глубину промагничивания рельса и, в частности, предельную скорость контроля магнитным методом.

2. При проектировании устройств намагничивания необходимо учитывать исходное магнитное состояние рельсов для обеспечения их надежного промагничивания. Уровень воздействующего поля должен превосходить исходную остаточную намагниченность рельсов с заданным коэффициентом запаса. При этом намагниченность, создаваемая устройством намагничивания, вполне достаточна для контроля рельсов по методу остаточного намагничения.

3. Помимо поля в рельсе существенным источником воздействия на объекты рельсового пути является поле рассеяния намагничивающего устройства. Роль этого поля является определяющей при формировании сигналов от шпаль-ных подкладок, стыковых накладок, стрелочных переводов. Для его описания пригодна статическая модель, разработанная на основе метода конечных разностей.

4. Усовершенствованная и всесторонне исследованная в работе магнито-динамическая модель адекватно отражает основные явления, происходящие при промагничивании элементов рельсового пути на разных скоростях, что подтверждается не только качественным, но и количественным совпадением результатов расчета с экспериментальными данными, в том числе, полученными другими авторами.

5. При построении расчетных моделей для различных объектов рельсового пути, включая дефекты, наиболее целесообразно использовать обобщенную поэтапную схему, позволяющую учесть максимальное число факторов, оказывающих влияние на процесс магнитной дефектоскопии рельсов. Принципы построения моделей могут быть использованы при разработке и совершенствовании как скоростных, так и съемных средств магнитной дефектоскопии рельсов.

Научная новизна диссертации заключена в следующем:

1. Разработана обобщенная схема расчета магнитных полей и сигналов от различных объектов рельсового пути для широкого диапазона изменения условий контроля (скорость движения дефектоскопа, параметры намагничивания, тип датчика, характеристики рельса) и разных вариантов средств дефектоскопии (вагоны-дефектоскопы, автомотрисы, ручные средства), отражающая с необходимой полнотой основные особенности магнитной дефектоскопии рельсов.

2. Получены фактические данные о магнитной вязкости рельсовой стали. Показано, что это явление оказывает существенное влияние на степень промаг-ничивания рельса при высоких скоростях движения. При этом создана специальная методика выявления вязкостных процессов в проводящем ферромагнетике на основе сопоставления реального времени запаздывания с теоретическими оценками времени релаксации за счет вихревых токов.

3. Исследована роль поля рассеяния намагничивающего устройства в формировании сигналов от ряда объектов рельсового пути, например, стыковых накладок. Для оценки этого поля разработана статическая расчетная модель.

4. Усовершенствована и всесторонне исследована магнитодинамическая модель, основанная на двумерном представлении взаимодействия движущегося намагничивающего устройства с рельсом. Показано, что эта модель адекватно отражает реальные физические процессы, что позволяет использовать ее в комплексе со статической моделью при построении конкретных расчетных схем.

5. Выполнены экспериментальные исследования, позволившие установить связь намагниченности изолирующих стыков как с предысторией рельсов, укладываемых в путь, так и с ориентацией пути относительно магнитного меридиана, а также развеять бытовавшее ранее ошибочное представление, что причиной намагниченности стыков является работа магнитных вагонов-дефектоскопов.

Практическая значимость работы заключается в следующем.

Разработанный в соответствии с обобщенной схемой комплекс математических моделей фактически является основой для создания инженерных методик расчета и проектирования современных эффективных средств магнитной дефектоскопии рельсов с учетом самой широкой гаммы влияющих факторов. Так, например, оказалось возможным получить важные, с практической точки зрения, оценки предельной скорости контроля рельсов магнитным методом с учетом явления затягивания процесса промагничивания рельса из-за совместного влияния вихревых токов и магнитной вязкости.

Разработанные расчетные модели позволяют также установить связь между параметрами намагничивания и формой сигналов, поступающих на пульт оператора с искательного устройства. Это открывает возможности в будущем корректировать сигнал с учетом особенностей, например, конфигурации поля данного намагничивающего устройства. Результаты расчетов можно рекомендовать для использования при создании классификационных алгоритмов автоматической обработки сигналов магнитного канала, что повышает надежность выявления дефектов.

При проведении экспериментальных исследований магнитных и электрических характеристик рельсовой стали, включая параметры магнитной вязкости, разработаны оригинальные методики и специальные установки, которые могут служить прототипом для создания промышленных установок по контролю качества ферромагнитных изделий широкого профиля, а также лабораторных стендов для соответствующих обучающих курсов.

выводы по 4 главе

1. Параметры сигнала от поперечной трещины по коду 21.2, в том числе его форма, зависят от целого ряда факторов, среди которых наибольшее влияние оказывает скорость сканирования, параметры дефекта, а также координата датчика. В результате численных экспериментов установлено, в частности, следующее. При увеличении скорости v с 10 до 60 км/ч амплитуда отрицательного экстремума Uc сигнала возрастает в 10 раз; при этом разница в амплитудах первого и второго положительных экстремумов уменьшается примерно в 2.5 раза (их соотношение U1/U2 ~1.3 , то есть амплитуды импульсов оказываются практически одинаковыми). При увеличении площади трещины с 5^=11% от площади сечения головки до 33% амплитуда Uc увеличивается примерно в 7.8 раз. С увеличением раскрытия трещины с Ьзеф=0Л мм до Ь^еф=0.2 мм происходит увеличение Uc на 25%, а также существенное изменение формы сигнала с увеличенным по амплитуде (примерно на 50% по сравнению с предыдущим значением раскрытия) первым положительным импульсом; при Ьдеф=0.3 мм Uc возрастает еще на 25%, а структура сигнала становится подобной сигналу от зазора болтового стыка со ярко выраженным первым положительным импульсом, амплитуда которого сопоставима с амплитудой отрицательного импульса.

2. При выборе координат искательного датчика необходимо учитывать, что они также оказывают существенное влияние. Так, например, при смещении датчика от заднего по направлению движения полюса к центру устройства намагничения происходит уменьшение амплитуды доминирующего импульса отрицательной полярности примерно в 4.5 раза. При дальнейшем его смещении к переднему полюсу знак доминирующего импульса меняется на положительный, причем его амплитуда примерно на 10-20% меньше амплитуды в точках, расположенных на том же расстоянии от центра, но ближе к заднему полюсу; боковые импульсы становятся отрицательной полярности. Кроме того, наблюдается изменение соотношения амплитуд боковых импульсов — около полюсов разницы между ними практически нет, тогда как в центре соотношение достигает U1/U2* 2.5.

3. Магнитные и электрические характеристики рельса оказывают менее значимое воздействие на параметры сигнала от трещины. В частности, изменение магнитной проницаемости рельса с //=50 до //=500 отн.ед. при его электропроводности о=3.75 МСм-м"1 вызывает уменьшение амплитуды сигнала примерно в 4 раза. В целом, увеличение ц оказывает на изменение формы сигнала влияние, аналогичное снижению скорости сканирования.

Изменение электропроводности рельса с а= 1 до а=П МСм-м"1 при //=100 отн.ед. вызывает увеличение амплитуды сигнала примерно в 2.2 раза. Форма сигнала с ростом значения о меняется подобно увеличению скорости сканирования.

4. В качестве основных, устойчивых информационных характеристик сигнала от дефекта в виде поперечной трещины код 21.2 следует применять: количество импульсов в сигнале, порядок их следования и полярности; длительности импульсов; расстояние между экстремумами импульсов; крутизна фронтов, абсолютное значение амплитуды импульсов; соотношение амплитуд импульсов; отношение амплитуд импульсов к уровню сигнала от подкладок или другому пороговому уровню.

4. Разработанные в рамках диссертации и аналогичные расчетные модели позволяют установить связь между параметрами контроля, в том числе намагничивания, и формой сигналов, поступающих на пульт оператора с искательного устройства. Результаты расчетов можно использовать при создании классификационных алгоритмов автоматической обработки сигналов магнитного канала, что повышает надежность выявления дефектов. Это открывает также возможность корректировать сигнал с учетом особенностей, например, конфигурации поля данного намагничивающего устройства или особенностей искательного устройства. Кроме того, их можно использовать для проработки более развитых искательных устройств с множеством датчиков, по совокупности сигналов с которых можно более уверенно судить о виде дефекта.

Заключение

Основные научные и практические результаты диссертационной работы состоят в следующем:

- разработаны типовые методики определения конкретных магнитных и электрических характеристик рельсовой стали, необходимых для расчета намагничивающих устройств; эти характеристики были использованы также при определении параметров магнитной вязкости;

- разработана и на конкретных примерах опробована методика получения параметров магнитной вязкости проводящих ферромагнетиков, в частности, рельсовой стали, основанная на теоретической оценке вихревой составляющей времени запаздывания тт с выделением затем искомого параметра г из суммарного времени т^=тт+т; проведен анализ полученных данных, в том числе, сравнение с результатами работ в этой области других исследователей и показано влияние магнитной вязкости на процесс намагничивания рельсов с оценкой предельной скорости магнитного контроля при учете этого фактора;

- исследована остаточная намагниченность рельсов и определены причины ее образования; установлено, что уровень намагниченности зависит в основном от предыстории рельса; расположение относительно земного меридиана, тяговые токи и динамические нагрузки также оказывают влияние на уровень намагниченности, но их действие не превышает 20^-30 Э; показано, что магнитные вагоны-дефектоскопы повышают уровень намагниченности рельсов при контроле, но с течением времени этот уровень разрушается и приходит к первоначальному значению; уровни остаточной намагниченности рельсов, возникающей под воздействием намагничивающего устройства вагона-дефектоскопа достаточны для проведения контроля по методу остаточного намагничения;

- разработана и исследована статическая расчетная модель для определения поля рассеяния намагничивающего устройства на основе метода конечных разностей; составлена программа расчета с использованием ЭВМ, в том числе с построением графиков силовых линий, продольной и вертикальной составляющих напряженности магнитного поля, что позволяет использовать ее также и в учебных целях; предложенная модель наиболее эффективна при расчете намагничивающих устройств сложной конфигурации, в том числе, на осях колесных пар;

- усовершенствована и всесторонне исследована динамическая расчетная модель для определения поля в рельсе, создаваемого намагничивающим устройством в движении; предложен вариант модели с вводом поправки, учитывающей влияние вязкости рельсовой стали; сопоставление результатов расчета и известных экспериментальных данных подтверждает адекватность расчетной модели реальным физическим процессам, происходящим в рельсе при скоростном магнитном контроле. Это позволяет рекомендовать ее как для создания более совершенных намагничивающих устройств, так и оптимизации конструктивно-технических характеристик искательных устройств;

- дана обобщенная схема оценки изменяемых параметров вторичных источников и предложена совокупность расчетных моделей для определения вторичного поля регулярных объектов рельсового пути и дефектов на основе метода эквивалентных магнитных зарядов; показано, что указанные расчетные модели позволяют свести весьма сложную, не поддающуюся обычным методам, нестационарную задачу взаимодействия движущегося магнитного поля с неоднород-ностями рельсового пути к достаточно простым вычислительным процедурам. Проведенные конкретные расчеты по болтовому стыку и дефекту в виде поперечной трещины и сопоставление их результатов с экспериментальными данными подтверждают достоверность и эффективность разработанных схем и моделей расчета. Разработанные модели могут быть использованы в учебных целях [63] как в комплексе с моделями расчета поля рассеяния и поля в рельсе, так и без них; на конкретных примерах показана высокая эффективность указанных моделей, позволяющих установить связь между параметрами контроля и формой сигналов. Это может быть положено в основу систем корректировки сигнала с учетом параметров контроля, а также при создании классификационных алгоритмов автоматической обработки сигналов магнитного канала, что значительно повысит надежность идентификации дефектов.

1. А.К.Гурвич, И.Н.Ермолов, С.Г.Сажин Неразрушающий контроль. В 5 кн. Кн. 1: Общие вопросы. Контроль проникающими веществами. / Под ред. В.В.Сухорукова-М.: Высшая школа, 1992

2. А.К.Гурвич, В.Б.Козлов и др. Дефектоскопия рельсов. — М.: Транспорт,1971

3. Дефектоскопия рельсов на железных дорогах США. УДК 625.143:620.179 (73), Информационный бюллетень МПС, 1965

4. Дж.Фалькенбах и др. Исследование магнитных методов контроля рельсов. Отчет лаборатории Колумбуса для Федерального управления железных дорог США, 1981

5. Railway Track and Structures, 1998, №2

6. Железные дороги мира. 1999, №10

7. А.Слонов. Магнитные дефектоскопы изобретателя Ф.М.Карпова. — Выставка новой техники машиностроения. М., 1939

8. П.А.Халилеев. Рождение рельсовой дефектоскопии. — Дефектоскопия, Наука, №12,1999

9. В.В.Власов. Изучение магнитного потока в головке рельса. — ФММ, 1958, Т.4, Вып.5

10. В.В.Власов. Изучение магнитного потока в головке рельса при различном воздушном зазоре в магнитной цепи. ФММ, 1959, Т.7, Вып.2

11. В.В.Власов. О роли вихревых токов в формировании поля дефекта. — ФММ, 1959, Т.7, Вып.2

12. В.В.Власов. Скоростная электромагнитная дефектоскопия железнодорожных рельсов. Автореф. дисс. д.т.н., - Томск, 1961

13. В.В.Власов. Изучение выявляемости рельсовых дефектов и характера создаваемых ими сигналов в искательной системе. — ФММ, 1959, Т.7, Вып.З

14. В.В.Власов, Г.Г.Ушакова. Исследования по дефектоскопии железнодорожных рельсов в движущихся магнитных полях. 15. Спектры сигналов от некоторых дефектов. ФММ, 1959, Т.7, Вып.6

15. Е.И.Успенский. Спектры импульсов э.д.с. от дефектов и помех // Труды ВНИИЖТ, вып.243 «Дефектоскопия рельсов», М.: Трансжелдориздат, 1967

16. Е.И.Успенский. Автоматизация контроля рельсов магнитными вагонами-дефектоскопами. — М.: Транспорт, 1970

17. В.Б.Козлов и др. О расшифровке осциллограмм. Рельсовая дефектоскопия, -М: Трансжелдориздат, 1959

18. А.И.Воробьев. К вопросу о выявляемости контактно-усталостных дефектов при скоростной дефектоскопии // Тр. НИИЖТ, вып.40, 1964

19. Б.П.Довнар и др. Электромагнитные методы. Оценка поверхностного эффекта и выявляемости дефектов в головке рельсов при скоростной магнитной дефектоскопии, Дефектоскопия, №3,1967

20. Б.П.Довнар, Е.И.Успенский. Некоторые результаты исследований выявляемости дефектов в рельсах вагоном-дефектоскопом // Тр. ВНИИЖТ, вып.243, «Дефектоскопия рельсов», М.: Трансжелдориздат, 1967

21. В.В.Власов. Приближенная оценка поверхностного эффекта в головке рельса. ФММ, том VI, вып.6,1958

22. Л.Р.Нейман. Теоретическая электротехника / Избранные труды, — Л.: Наука, 1988

23. Б.Ф.Кононков. Вихревые токи в движущихся телах и их влияние на выявляемость некоторых дефектов. — Автореф. дисс. к.т.н., Томск, 1961

24. А.И.Воробьев. Исследования по скоростной дефектоскопии рельсов железнодорожного пути. — Автореф. дисс. к.т.н., М.: ЦНИИ МПС, 1966

25. В.А.Говорков. Электрические и магнитные поля. М.: Госэнергоиз-дат, 1960

26. Н.Д.Богачева и др., Магнитные, магнитомеханические и электрические характеристики судостроительных сталей. Рукопись депонирована в ЦНИИ «Румб», БАУ. JL: Судостроение, 1985, сер.5, вып.11, ДР 2316

27. К.Г.Марквардт. Энергоснабжение электрических железных дорог. — М.: Транспорт, 1965

28. К.М.Поливанов. Ферромагнетики, -M.-JL: Госэнергоиздат, 1957

29. Л.И.Рабкин. Высокочастотные ферромагнетики, М.: Физматгиз, 1960

30. Л.И.Леднев, Р.В.Телеснин. Магнитная вязкость никель-цинковых ферритов, М.: Радиотехника и электроника, 1956, № 8

31. А.И.Пирогов и др. Магнитные сердечники в информатике, — М.: изд-во МЭИ, 1996

32. В.В.Дружинин. Магнитные свойства электротехнической стали, — М.-Л.: Гос. энергетическое изд-во, 1962

33. В.И.Чечерников. Магнитные измерения, — М.: изд-во МГУ, 1963

34. Г.А.Антипов, М.Ю.Королев. Магнитная вязкость рельсовой стали и ее влияние на промагничивание рельсов при их контроле скоростными средствами магнитной дефектоскопии // Дефектоскопия, №6, 2002

35. Г.А.Антипов, М.Ю.Королев. Особенности исследования параметров магнитной вязкости стали // Сборник трудов ЦНИИ им. акад. А.Н.Крылова, Санкт-Петербург, вып. 13 (297), 2002

36. ГОСТ 24182-80. Рельсы железнодорожные широкой колеи типов Р75, Р65 и Р50 из мартеновской стали. Технические условия. М.: Изд-во стандартов, 1994

37. М.Ю.Королев. О предельной скорости контроля рельсов магнитным методом // В мире неразрушающего контроля, № 3 (13), 2001

38. Г.А.Антипов, М.Ю.Королев. О причинах короткого замыкания изолирующих стыков // Путь и путевое хозяйство, 2001, № 7

39. Г.А.Антипов, Л.В.Снетков, М.Ю.Королев. О причинах возникновения остаточной намагниченности изолирующих стыков // Путь и путевое хозяйство, 2001, №10

40. М.Ю.Королев. О влиянии магнитного вагона-дефектоскопа на остаточную намагниченность рельсов // Путь и путевое хозяйство, 2001, № 12

41. Е.А.Брынский, Я.Б.Данилевич, В.И.Яковлев. Электромагнитные поля в электрических машинах. — Л.: Энергия, 1979

42. Классификация дефектов рельсов НТД/ЦП-1-93. Нормативно-техническая документация МПС РФ. М.: Транспорт, 1993

43. Приборы для неразрушающего контроля материалов и изделий. Справочник. В 2 кн. Кн.2/ Под ред. В.В.Клюева 2-е изд., переаб. и доп. — М., Машиностроение, 1986. Неразрушающий контроль. Книга 2

44. В.Г.Герасимов, А.Д.Покровский, В.В.Сухоруков. Неразрушающий контроль. В 5 кн. Кн. 3. Электромагнитный контроль: Практ. пособие / Под ред. В.В.Сухорукова. -М.: Высшая школа, 1992

45. ГОСТ Р8.563-96. ГСИ. Методики выполнения измерений. — М.: Изд-во стандартов, 1996

46. К.Бинс, П.Рауренсон. Анализ и расчет электрических и магнитных полей, М.: Энергия, 1970

47. Д.Ю.Панов. Справочник по численному решению дифференциальных уравнений в частных производных, — М.-Л.: Гос. изд-во технико-теоретической литературы, 1951

48. Л.А.Бессонов. Теоретические основы электротехники, в 3 частях, изд-е четвертое. — М.: Высшая школа, 1964

49. А.Н.Матвеев. Электричество и магнетизм. Учебное пособие. — М.: Высшая школа, 1983

50. Э.Парселл, Электричество и магнетизм. Учебное руководство. Пер. с анг./Под ред. А.И.Шальникова и А.О.Вайсенберга. з-е изд., испр. — М.: Наука, Главная редакция физико-математической литературы, 1983

51. А.Анго. Математика для электро- и радиоинженеров, М.: Наука,1967

52. Г.В.Абрамзон, Ю.П.Обоишев. Индукционные измерительные преобразователи переменных магнитных полей. Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1984

53. MATHCAD 6.0 PLUS .Финансовые, инженерные и научные расчеты в среде Windows 95./Перевод с англ. — М.: Информационно-издательский дом «Филинъ», 1996

54. М.Ю.Королев. Расчетные модели для оценки сигналов от объектов пути при магнитодинамическом методе неразрушающего контроля рельсов // В мире неразрушающего контроля. — 2002, № 4 (18)

55. Расчетные модели дефектов как основа автоматизации расшифровки сигналов при магнитной методе неразрушающего контроля рельсов / Г.А.Антипов, М.Ю.Королев // XVI Российская н-т. конференция «Неразру-шающий контроль и диагностика»: Тез. докл. — СПб. — 2002

56. П.В.Новицкий, И.А.Зограф. Оценка погрешностей результатов измерений. 2-е изд., перераб. и доп. - Л.: Энергоатомиздат, Ленинградское отделение, 1991

57. В.В.Власов, А.И.Воробьев, Е.И.Успенский. Исследования по дефектоскопии железнодорожных рельсов в движущихся магнитных полях. 15. Спектры сигналов от некоторых дефектов, ФММ, 1959, Т.7, Вып.6, С. 837-841

58. М.Н.Максимов. Алгоритмы обнаружения нерегулярных фрагментов сигналов от датчиков магнитного вагона-дефектоскопа: Дисс.канд. техн. наук. Таганрог, 1999

59. А.Л.Горелик, В.А.Скрипкин. Построение систем распознавания, М.: Советское радио, 1974

60. Начальник проектно-конструкторско-технологического бюро

61. Открытое акционерное общество1. Радиоавионика"

62. Россия, 198103, Санкт-Петербург, А/я 111 Тел.: (812) 251-3875 Факс: (812) 251-2743

63. E-mail: Ravion @ mail.wplus.net ,

64. ОЗ. //. 2 о Q2 N ел с//*//р/3на Nт1. Radioavionica Corporation

65. Использование указанных результатов планируется выполнять в рамках НИОКР МПС РФ.1. Директор НИИ «Союз»1. Н. А. Белоусов