Повышение эффективности и функциональных возможностей мобильных средств дефектоскопии рельсов
Рассматриваются характеристики дефектоскопных автомотрис для УЗК рельсов. Приведены основные схемы прозвучивания. Проанализированы возможности бесконтактных методов УЗК с использованием электромагнитноакустических преобразователей.
Об авторе
Горделий Виталий Иванович
Президент межотраслевого инновационного объединения «АФИНА», Генеральный директор научно-производственного предприятия «ВИГОР» г. Москва. Организатор и руководитель разработок мобильных средств НК и диагностики рельсов.
Принципиальным отличием нового подхода к разработке средств контроля рельсов являются требования их большей автономности и мобильности, агрегатирования и унификации оборудования; модульного принципа построения электронной аппаратуры; увеличения информативности и возможности сопряжения с системами автоматической обработки и регистрации информации. Это позволит существенно повысить достоверность и надежность контроля, постоянно совершенствовать отдельные модули системы, модернизировать программное обеспечение и аппаратный комплекс, сохраняя как общую структуру, так и его конструктивные параметры. Реализация этой концепции превращает НК в эффективный инструмент управления технологическим процессом эксплуатации ж.-д. пути и делает еще более интеллектуальным труд специалистов.
В разработке и внедрении новых средств контроля активно участвует НПП "ВИГОР". В течение последних лет в сотрудничестве с НИИ мостов, Камбарским машиностроительным заводом и ГУП "Ремпуть- маш" (г. Калуга) разработана гамма модификаций дефектоскопных автомотрис: АМД-1, АМД-2, АМД-3, АСД-1. Всего за 1995-99 гг. на дороги поставлена 21 автомотриса, в том числе 17 - АМД-1.
Дефектоскопные автомотрисы, отнесенные к средствам первичного контроля рельсов, занимают особое место: дефектоскопная автомотриса - это мобильное средство УЗК рельсов на базе дизельной подвижной единицы (ДПЕ) с применением средств вычислительной техники.
Автомотрисы обеспечивают УЗК рельсов с использованием эхо-импульсного и зеркально-тене- вого методов контроля со скоростью до 40 км/час при температуре окружающей среды от - 30 до +50° С. В состав автомотрис входят ДПЕ, электронная аппаратура, пьезопреобразователи и устройства их ориентации, система сбора, обработки и регистрации информации: вычислительный комплекс и программное обеспечение.
В процессе контроля подлежат выявлению все виды дефектов рельсов, обнаруживаемых съемными дефектоскопами типа Поиск (Поиск-2, Поиск-10Э), а также ряд других дефектов. Основные схемы прозвучивания, реализуемые аппаратурой, представлены на рис. 1.
На рис. 1а преобразователи 1 и 2 развернуты относительно оси рельса на угол 34° и осуществляют контроль головки рельса в противоположных направлениях. Угол ввода УЗ-колебаний 55°. Для контроля шейки, головки и подошвы (в зоне проекции шейки) используются преобразователи 3 и 4. Угол ввода колебаний 39°. Контроль осуществляется эхо-импульсным методом. Для контроля головки, шейки и подошвы рельса, а также для оценки качества акустического контакта используется раздельно-совмещенный преобразователь 5. Контроль осуществляется эхо-импульсным и зеркально-теневым методами. Шестиканальная схема прозвучивания (рис. 16), в отличие от пятиканальной, имеет дополнительный ПЭП 6 с углом ввода колебаний 39°, который работает только в режиме приема колебаний, излучаемых ПЭП 4. Отсутствие сигнала на ПЭП 6 (при отсутствии сигналов от болтового отверстия или дефекта на ПЭП 4) свидетельствует о пропадании акустического контакта на одном или обоих акустических блоках. Раздельно-совмещенные ПЭП (5а и 5б) размещены в среднем гнезде обоих блоков ПЭП. В зависимости от направления движения подключается соответствующий преобразователь (на рис. 1 - 5а). Преобразователи ПЭП1 и ПЭП2 контролируют как рабочую, так и нерабочую грани головки рельса (одновременно).
Основные характеристики автомотрис: |
|
- производительность контроля одной автомотрисы при односменной работе по действующим нормативам, км/месяц; |
до 900 |
- количество каналов контроля одной нити пути |
4 ÷ 6 |
- частота УЗ-колебаний, МГц |
2,5 ± 0,25 |
- минимальный условный размер выявляемого дефекта (при скорости движения 40 км/ч) по длине рельса, мм |
< 30 |
- предел допускаемой основной относительной погрешности определения путейской координаты, % |
< 1 |
- время выдачи результатов контроля, ч |
< 1 |
- расход контактирующей жидкости, м3/ч |
0,2 ÷ 0,4 |
Аппаратная часть дефектоскопического комплекса состоит из электронной стойки Поиск и системы регистрации и обработки информации (на базе двух ПЭВМ) - САРОС. Следящая и искательная системы расположены на базе ходовой тележки, что, в отличие от вагонов-дефектоскопов, исключило необходимость использования третьей тележки. Корректировка путейской координаты производится с пультов дистанционного управления по километровым столбам. Следящая система обеспечивает слежение искательной системы за осью поверхности катания головки рельса, а искательная - прижатие ПЭП к поверхности катания, ввод и съем УЗ-колебаний. В качестве контактирующей жидкости используется вода (емкость бака 1,8 м3), подогреваемая в зимнее время. Возможно также использование искательной лыжи с подогревом. Питание аппаратуры от автономной бензо- или дизель-агрегатной установки.
Однокабинная автомотриса дефектоскопная АМД-1 - головной образец серии автомотрис. Ее разворот с целью изменения направления движения осуществляется с помощью гидравлического подъемника.
Двухкабинные автомотрисы АМД-2 и АМД-3, в отличие от АМД-1, имеют два салона: аппаратный и бытовой, санузел.
Двухкабинная автомотриса АСД-1 вагонного типа кроме рабочего салона имеет также салон для отдыха (купе на 4 спальных места), мастерскую, кухню, душевую, санузел.
Применение средств вычислительной техники, совершенствование систем обеспечения надежного акустического контакта и создание комфортных условий для обслуживающего персонала обеспечило повышение надежности работы оборудования, привлечение к работе по обслуживанию автомотрис квалифицированных специалистов. Анализ эффективности работы автомотрис за последние годы показывает, что при правильной организации их работы выявляемость ОДР автомотрисами по сравнению со съемными дефектоскопами Поиск на тех же участках повышается приблизительно в 2 раза (это соответствует расчетным данным НИИ мостов).
Для ускорения внедрения новой техники, повышения качества технического обслуживания, эксплуатации и ремонта аппаратуры и оборудования серьезное внимание уделяется вопросам подбора и подготовки обслуживающего персонала, а также организации сервисного обслуживания.
Для подготовки персонала по обслуживанию автомотрис при Российской Академии путей сообщения (РАПС) в 1997 г. организованы курсы подготовки и повышения квалификации специалистов по обслуживанию дефектоскопных автомотрис. Учебный план и программа составлены с учетом аттестации специалистов II уровня квалификации в соответствии с требованиями ГОСТ 30489: EN 473.
Совершенствование методов, технологии и средств УЗК рельсов позволило повысить надежность эксплуатации, но не изменило качественно технологии контроля и не устранило ограничений, накладываемых необходимостью создания надежного акустического контакта. Дальнейшее повышение качества УЗК возможно на базе сочетания компьютерных систем сбора, обработки, отображения, хранения и регистрации информации, применения новых бесконтактных способов возбуждения и приема УЗ-колебаний на основе электромагнитноакустического преобразования (ЭМАП).
Специалистами НПП "ВИГОР" выполнен анализ достижений, изучены конструктивные решения по созданию ЭМАП для контроля рельсов и других объектов, сформулированы основные требования к схеме прозвучивания и ЭМАП и проведен комплекс исследований.
Надежность и достоверность контроля рельсов существенно повышается благодаря использованию специальной конструкции акустической системы, обеспечивающей гибкую подвеску компактных ЭМАП и слежение за осью и поверхностью головки рельса.
Внедрение контроля рельсов с применением ЭМАП обеспечивает:
- возможность контроля рельсов в широком диапазоне температур (от - 50 до + 50° С);
- исключение необходимости применения контактной жидкости (воды или спирта);
- снижение требований к очистке поверхности рельсов от коррозионных повреждений, жировых загрязнений и масляных пятен, что упрощает процедуру подготовки рельсов к контролю.
С учетом результатов многолетних исследований различных авторов, а также последних работ, выполненных НПП "ВИГОР", разработаны способы и образцы ЭМАП для возбуждения и приема УЗ- волн различного типа:
- сдвиговых, распространяющихся по нормали к поверхности контролируемого изделия;
- сдвиговых с SV-поляризацией, распространяющихся под углом к поверхности изделия;
- поверхностных (рэлеевских и головных или поверхностно-продольных волн);
- нормальных (волн Лэмба и SH-поляризованных).
Проведено согласование параметров ЭМАП с макетами генераторов зондирующих сигналов, подтверждена возможность их использования для обнаружения искусственных отражателей, имитирующих реальные дефекты. Особое внимание было уделено созданию ЭМАП совмещенного типа, в котором единая магнитная система обеспечила бы в сочетании с различными высокочастотными катушками возбуждение волн различных типов.
Для обнаружения дефектов принята схема прозвучивания рельса, в которой используются пять ЭМАП (рис. 3):
- прямые (α = 0°) для контроля шейки рельса и ее проекции в головку и подошву эхо-импульсным и зеркально-теневым методами; плоскости поляризации ЭМАП взаимно перпендикулярны;
- наклонный с углом ввода 45° для контроля эхо-методом шейки рельса, ее продолжения в подошву и головку; акустические оси ЭМА-преобразователя направлены в противоположные стороны вдоль оси рельса;
- наклонные с углом ввода 90° для контроля головки рельса низкочастотной рэлеевской волной эхо-импульсным методом одновременно в двух направлениях.
Рабочая частота ЭМА УЗ-колебаний должна быть 1,8; 0,5 и 0,2 МГц для ЭМАП с α = 0; 45 и 90° соответственно. Зазор между рабочей поверхностью ЭМАП и поверхностью рельса не более 1 мм.
С учетом реальной скорости контроля определены требуемые значения частоты следования зондирующих импульсов по различным каналам: от 20 до 180 Гц. Столь низкие значения частот следования позволяют создать компактные и малопотребляющие генераторы зондирующих импульсов.
По результатам макетирования схем генераторов зондирующих импульсов установлено, что генераторы ударного возбуждения обеспечивают при работе с высокочастотными катушками соответствующих ЭМАП возбуждение УЗ-колебаний на частотах 0,2; 0,5 и 1,8 МГц. Схемные решения усилителей для соответствующих каналов контроля выбраны с учетом обеспечения необходимой чувствительности, динамического диапазона и отношения сигнал/шум.
Апробированные схемы прозвучивания с вводом УЗ-колебаний с помощью ЭМАП с поверхности катания рельса подтвердили принципиальную возможность выявления в рельсах дефектов, обнаруживаемых съемными дефектоскопами типа Поиск.