Ультразвуковой способ и устройство для определения остаточных напряжений в рельсах Российский патент 2024 года по МПК G01N29/04 

Изобретение относится к техническим средствам исследований или анализа материалов с помощью ультразвуковых волн и может применяться при неразрушающем контроле и диагностике рельсов для определения технологических остаточных напряжений в рельсах при их изготовлении.

Из уровня техники известен ультразвуковой способ определения механических напряжений в рельсах и устройство для его осуществления (RU 2619842 C1, МПК G01N 29/07, опубл. 18.05.2017). Способ включает в себя установку на рельсовые нити преобразователей, их подключение к приемному устройству, выполнение начальных (эталонных) измерений, при этом величину механических напряжений определяют по результатам измерения временных задержек прихода ультразвукового сигнала к приемникам от начальных измерений. При этом измерение начального напряжения осуществляют подключенным к приемному устройству преобразователем, установленным на отрезке рельса, размещенном на перемещающейся по рельсовому пути тележке [1].

Устройство для осуществления способа включает в себя тележку, выполненную с возможностью установки ее на рельсовую нить и передвижения по ней, генератор, цифровой осциллограф, преобразователь продольной волны, устанавливаемый на рельсовую нить, блок, устанавливаемый на рельсовую нить, состоящий из двух наклонных преобразователей, работающих в режиме излучения и приема; дополнительно в состав устройства включен компьютер, использующийся для сохранения измерений и определения величины продольных механических напряжений в рельсовых нитях.

Недостатком известного способа и устройства для его осуществления является низкая точность измерений напряжений в рельсе, так как начальные напряжения в рельсовом пути оцениваются на эталонном отрезке рельса, который отличается по структурному состоянию и начальным напряжениям от рельса, уложенного в рельсовой нити. Использование пьезопреобразователей требует контактной смазки, толщина которой влияет на время прохождения импульса, кроме этого при наклонном вводе волн возможен лишь один тип поляризации – вертикальный, что требует учета размеров рельса, которые могут колебаться для разных партий рельсов по ГОСТ 518685 до 2 мм по высоте рельса, то есть до 1 %.

Наиболее близким техническим решением к заявленному изобретению и выбранным в качестве прототипа признан способ контроля остаточных напряжений в дифференцированно термоупрочненных рельсах и устройство для его осуществления. Способ включает в себя последовательное излучение электромагнитно-акустическим преобразователем в испытуемый рельс нормально поверхности ввода двух поперечных волн с ортогональной поляризацией и регистрацию электромагнитно-акустическим преобразователем отраженных от подошва рельса волн при их прохождении по высоте рельса через головку, шейку и подошву. По разнице интервалов времени прохождения акустическими импульсами двойного расстояния высоты рельса и с учетом коэффициента акустоупругости, принимая допущение, что поперечные напряжения относительно продольных на два порядка меньше, то есть близки к нулю, определяют величину продольных средневзвешенных остаточных напряжений для участка рельса [2].

Устройство для осуществления способа содержит электромагнитно-акустический преобразователь, подключенный к измерительному входу блока управления, при этом измерительный вход может быть выполнен на основе аналого-цифрового преобразователя, а блок управления представляет собой микропроцессорную систему, например персональный компьютер.

Недостатком известного способа и устройства для его осуществления является отсутствие учета различий в условиях изготовления разных партий (плавок) рельсов, возникающих из-за отличий химического состава материала рельсов, качества термообработки (дифференцированного термоупрочнения), качества рихтовки (правки) после упрочнения, и невозможность определения остаточных напряжений в различных элементах рельса (головка, шейка, подошва). Кроме того, применение в качестве датчика электромагнитно-акустического преобразователя, подключенного напрямую к персональному компьютеру, снижает производительность измерительной системы в целом из-за отсутствия буферизации измеряемых значений амплитуды ультразвуковых волн, что требует постоянного контроля состояния прибора персональным компьютером.

Технической задачей, на решение которой направлено заявленное изобретение, является повышение достоверности и точности определения остаточных напряжений в рельсах и оценка остаточных напряжений в различных элементах рельса, включая его головку, шейку и подошву.

Указанная задача решена тем, что ультразвуковой способ определения остаточных напряжений в рельсах включает в себя формирование из плавки рельсов малую выборочную совокупность образцов, с отбором от каждого рельса выборочной совокупности полнопрофильной пробы и прорезание в ней в холодном состоянии по нейтральной оси пробы паза. При этом измеряют разность высот пробы ΔH_j до и после прорезания паза, а после выполнения упомянутых операций в зоне прорезания паза осуществляют измерение остаточных напряжений. Для этого устанавливают электромагнитно-акустический преобразователь устройства для неразрушающего контроля на пробу, при этом с помощью электромагнитно-акустического преобразователя возбуждают нормально поверхности ввода две поперечные волны с ортогональной поляризацией вдоль и поперек продольной оси пробы, которые отражаются от подошвы пробы и принимаются этим же электромагнитно-акустическим преобразователем. Далее вычисляют среднее значение акустической анизотропии A в зоне измерений остаточных напряжений и величину остаточных напряжений σ_j в пробе. Получив m-пар измеренных значений остаточных напряжений σ_j и соответствующих им значений ΔH_j, выполняют парный регрессионный анализ данных, рассматривая ΔH_j как независимую величину, а σ_j – как функцию отклика, получая, таким образом, статистически определяемую функцию σ = f(ΔH) зависимости величины остаточных напряжений в рельсе от разности измеренных значений высот пробы до и после прорезания паза.

Способ осуществляют с помощью устройства для неразрушающего контроля (дефектоскопа).

Устройство состоит из блока управления, снабженного силовым выходом и измерительным входом, подключенных к входу совмещенного электромагнитно-акустического преобразователя. Блок управления выполнен на основе микроконтроллера, содержащего встроенные цифро-аналоговый преобразователь и многоканальный двенадцатиразрядный аналого-цифровой преобразователь, при этом первый из каналов цифро-аналогового преобразователя подключен к силовому выходу блока управления, а его измерительный вход подключен к первому каналу аналого-цифрового преобразователя.

Положительным техническим результатом, обеспечиваемым раскрытой выше совокупностью способа, является возможность определения и прогнозирования величины остаточных напряжений для партии изготавливаемых рельсов на основе результатов испытаний ограниченного количества образцов. Применение в способе устройства для неразрушающего контроля (дефектоскопа) на основе микроконтроллера, содержащего встроенные цифро-аналоговый и аналого-цифровой преобразователи, позволяют реализовать устройство в виде компактного прибора, который может быть использован для проведения испытаний непосредственно на производственной площадке изготовления рельсов. При этом генератор зондирующих импульсов дефектоскопа может быть реализован на основе цифроаналогового преобразователя микроконтроллера, а его измерительный модуль на основе аналого-цифрового преобразователя.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1 приведена схема осуществления способа; на фиг. 2 приведена структурная схема устройства для неразрушающего контроля (дефектоскопа), применяющегося для осуществления способа; на фиг. 3 приведен результат измерений (осциллограммы) серий двух импульсов поперечных акустических волн многократно переотраженных от донной поверхности рельса; на фиг. 4 приведен график уравнения линейной регрессионной зависимости величины остаточных напряжений в рельсе, в зависимости от измеренного значения высоты рельса до и после прорезания паза.

Устройство для неразрушающего контроля (дефектоскопа) имеет следующую конструкцию.

Его основой является блок управления 1, снабженный силовым выходом 2 и измерительным входом 3, подключенными к входу совмещенного электромагнитно-акустического преобразователя 4, состоящего из магнитного устройства, представляющего собой электромагнит или постоянный магнит, и двух катушек для возбуждения и приема двух сдвиговых волн, поляризованных в ортогональных направлениях относительно оси рельса и распространяющихся перпендикулярно поверхности катания рельса от поверхности катания до донной поверхности рельса и обратно. Блок управления выполнен на основе микроконтроллера 5, содержащего микропроцессорное ядро 6, состоящее из арифметико-логического устройства и регистров общего назначения, подключенных к FLASH-памяти программ 7 и SRAM-памяти данных 8. Микропроцессорное ядро 6 с помощью системной шины 9 подключено к двухканальному двенадцатиразрядному цифро-аналоговому преобразователю (DAC) 10, многоканальному двенадцатиразрядному аналого-цифровому преобразователю (ADC) 11 и универсальным восьмиразрядным двунаправленным GPIO-портам ввода-вывода, при этом первый из каналов цифро-аналогового преобразователя 10 подключен к силовому выходу 2 блока управления 1, измерительный вход 3 блока управления подключен к первому каналу аналого-цифрового преобразователя 11, к первому GPIO-порту 12 ввода-вывода подключен LCD-индикатор 13 для индикации режимов работы устройства, а ко второму GPIO-порту 14 ввода-вывода подключена кнопочная клавиатура 15 для задания режимов его работы.

Микроконтроллер дополнительно может быть снабжен универсальным синхронно-асинхронным приемопередатчиком (USART) 16, подключенным к радиомодулю 17 для связи дефектоскопа с удаленной автоматизированной системой управления технологическими процессами (АСУ TП), позволяя передавать результаты измерений по беспроводному каналу связи.

В качестве микроконтроллера в устройстве может быть применена микросхема STM8L151C8T6. Измерительный вход может быть выполнен на основе операционного усилителя, а силовой выход – на основе транзисторного ключа в виде пары Дарлингтона, снабженного фильтром. LCD-индикатор может быть подключен к микроконтроллеру по четырехразрядному интерфейсу для экономии информационных линий ввода-вывода микросхемы, а клавиатура может содержать шестнадцать кнопок и подключаться по восьмиразрядному интерфейсу для реализации алгоритма «бегущая единица» при сканировании клавиатуры, при этом первые четыре разряда используются для перебора строк, а последние четыре – для сканирования столбцов.

Способ остаточных напряжений в рельсах с помощью устройства для неразрушающего контроля (дефектоскопа) осуществляют следующим образом.

Первоначально из плавки рельсов формируют малую выборочную совокупность образцов, составляющую не менее десяти рельсов. В соответствии ГОСТ Р 51685-2013 для определения величины остаточных напряжений от каждого образца рельса выборочной совокупности отбирают полнопрофильную пробу длиной 600±3 мм и прорезают в ней в холодном состоянии по нейтральной оси пробы паз на длину 400±3 мм. Ширину прорезаемого паза выдерживают в размере 6±1 мм, при этом измеряют высоту каждой пробы образца рельса выборочной совокупности до и после прорезания паза, определяя разницу высот ΔH_j = H₂ – H₁.

После выполнения указанных операций в зоне прорезания паза осуществляют измерение остаточных напряжений σ для пробы каждого образца рельса выборочной совокупности следующим образом.

Последовательно устанавливают электромагнитно-акустический преобразователь, устройства для неразрушающего контроля (дефектоскопа), конструкция которого рассмотрена выше, на головку, шейку и подошву образца, при этом возбуждают с помощью электромагнитно-акустического преобразователя нормально поверхности ввода две поперечные волны с ортогональной поляризацией вдоль и поперек продольной оси рельса, которые отражаются от подошвы пробы образца рельса и принимаются этим же электромагнитно-акустическим преобразователем. Далее вычисляют среднее значение задержки второго отраженного импульса поперечной волны относительно первого отраженного импульса при поляризации волны вдоль продольной оси рельса t_L и среднее значение задержки второго отраженного импульса поперечной волны относительно первого отраженного импульса при поляризации волны поперек продольной оси пробы t_B. Затем вычисляют акустическую анизотропию в зоне измерений остаточных напряжений при i-м измерении:

, , (1)

где t_L – среднее значение задержки второго отраженного импульса поперечной волны относительно первого отраженного импульса при поляризации волны вдоль продольной оси пробы; t_B – среднее значение задержки второго отраженного импульса поперечной волны относительно первого отраженного импульса при поляризации волны поперек продольной оси пробы; n – количество измерений, n = 10.

Выполнив, таким образом, n измерений, окончательно вычисляют среднее значение акустической анизотропии A в зоне измерений остаточных напряжений, как выборочное среднее:

. (2)

Аналогичным образом проводят n⁰ (n⁰ = n) измерений акустической анизотропии на эталонном образце пробы рельса с отсутствием остаточных напряжений, выполненном из материала аналогичного материалу испытуемого образца, также вычисляя при этом акустическую анизотропию при i-м измерении. Затем окончательно вычисляют среднее значение акустической анизотропии A⁰ для эталонного образца пробы рельса с отсутствием остаточных напряжений по зависимости (2).

На последнем этапе вычисляют величину остаточных напряжений σ_j по формуле:

, (3)

где σ_j – величина остаточных напряжений в пробе j-ого образца выборочной совокупности , МПа; m – количество образцов, m = 10; D – упругоакустический коэффициент для рельсовой стали, который принимают равным D = -131⋅10³ МПа; A – средняя акустическая анизотропия в зоне измерений остаточных напряжений; A⁰ – средняя акустическая анизотропия, полученная для эталонного образца рельса с отсутствием остаточных напряжений.

Получив m-пар измеренных значений остаточных напряжений σ_j и соответствующих им значений ΔH_j, выполняют парный регрессионный анализ данных, рассматривая ΔH_j как независимую величину, а σ_j – как функцию отклика, определяя, таким образом, статистически определяемую функцию σ = f(ΔH):

, (4)

где σ – величина остаточных напряжений в рельсе; a, b – безразмерные коэффициенты уравнения регрессии, ΔH – измеренное значение высоты рельса до и после прорезания паза.

Тесноту связи между функцией отклика σ и независимой переменной ΔH определяют на основе выборочного коэффициента корреляции r:

, (5)

где r – выборочный коэффициент корреляции; m_1/1 – смешанный центральный момент второго порядка; s_σ, s_ΔH – среднеквадратические отклонения.

На основе значения коэффициента корреляции судят о тесноте связи между величинами σ и ΔH и возможности использовать модель (4) для прогнозирования величины остаточных напряжений в рельсе σ от измеренного значения разности ΔH высоты пробы образца рельса до и после прорезания паза.

Осуществление способа рассмотрим на примере.

Ультразвуковой способ для определения остаточных напряжений в рельсах был апробирован при контроле рельсов Р65.

Для этого была сформирована малая выборочная совокупность образцов, составляющая десять рельсов. Часть элементов выборочной совокупности приведена ниже (таблица 1).

Для определения величины остаточных напряжений от каждого образца рельса выборочной совокупности были отобраны полнопрофильные пробы длиной 600 мм, затем в них в холодном состоянии по нейтральной оси были прорезаны пазы на длину 400 мм шириной 6±1 мм, при этом были измеряны высоты каждой пробы образца рельса выборочной совокупности ΔH_j = H₂ – H₁ до и после прорезания паза.

С помощью устройства для определения остаточных напряжений в рельсах (дефектоскопа) были измерены средние значения задержек второго отраженного импульса поперечной волны относительно первого отраженного импульса при поляризации волны вдоль продольной оси рельса t_L и поперек продольной оси t_B при прозвучивании проб образцов выборочной совокупности.

Для выполнения измерений первоначально устанавливают параметры прозвучивания с помощью клавиатуры 15 устройства и контролируют их значения с помощью LCD-индикатора 13. При прозвучивании проб микропроцессорное ядро 6 микроконтроллера 5 на основе управляющей программы, хранящейся во FLASH-памяти 7, используя для буферизации данных и команд SRAM-память данных 8, формирует высокочастотный сигнал синусоидальной формы и через цифро-аналоговый преобразователь 10 и силовой выход 2 подает его на совмещенный электромагнитно-акустический преобразователь 4. Одновременно с этим микропроцессорное ядро 6 микроконтроллера 5 итерационно опрашивает через первый канал аналого-цифрового преобразователя 11 измерительный вход 3, регистрируя отраженный акустический сигнал. Результаты измерений для построения осциллограмм и дальнейших расчетов могут сохраняться как в долговременной памяти блока управления 1, которая может быть реализована в виде SD-карты, подключенной к свободным GPIO-портам микроконтроллера, так и передаваться с помощью приемопередатчика 16 и радиомодуля 17 удаленной системе управления технологическими процессами.

Результаты полученных таким образом измерений были обработаны следующим образом.

По зависимости (2) было получено среднее значение акустической анизотропии A в зоне измерений остаточных напряжений по выборке.

Для вычисления среднего значения акустической анизотропии A⁰ в отсутствие напряженного состояния аналогичным образом исследовался эталонный образец пробы рельса с отсутствием остаточных напряжений, выполненный из материала аналогичного материалу испытуемого образца.

На основе зависимости (3) для каждого образца были получены значения остаточных напряжений в пробе j-ого образца. Часть результатов вычислений приведена ниже (таблица 1).

Таблица 1 – Фрагмент выборочной совокупности объектов

№ образца Разница высот каждой пробы образца рельса выборочной совокупности до и после прорезания паза ΔH, мм Величина остаточных напряжений σ, МПа 1 1,15 -35 2 1,25 -40 3 1,45 -55 4 1,45 -60 5 1,55 -70 6 1,70 -75

Далее на основе парного корреляционно-регрессионного анализа данных была восстановлена зависимость величины остаточных напряжений в рельсе σ от разности высот ΔH рельса до и после прорезания паза. Линейное уравнение регрессии имеет следующий вид (фиг. 4):

σ = 56,19 –78,62⋅ΔH, (6)

при этом выборочный коэффициент корреляции составил r=-0,98, что свидетельствует о тесной корреляционной связи между функцией отклика σ и независимой переменной ΔH и подтверждает возможность использования полученной модели для выборочного контроля рельсов партии.

Для осуществления выборочного контроля достаточно из партии готовых изделий отобрать один или несколько представителей, количество которых может быть регламентировано, например, методикой приемо-сдаточных испытаний, далее от каждого из изделий-представителей необходимо отобрать полнопрофильную пробу, измерить ее высоту H₁, вырезать в ней паз, измерить высоту H₂ пробы повторно, найти разность высот пробы ΔH и подставив полученное значение в зависимость (6) определить величину остаточных напряжений σ для всех изделий в партии.

Таким образом, рассмотренный в настоящей заявке способ обеспечивает повышение достоверности определения продольных остаточных напряжений σ для всех рельсов партии (плавки) при изготовлении и возможность оценки остаточных напряжений в отдельных элементах рельса, а именно головки, шейки, подошвы.

Список использованных источников:

1. RU2619842 C1, Российская Федерация, МПК G01N 29/07. Ультразвуковой способ определения механических напряжений в рельсах / Степанова Л.Н (RU), Курбатов А.Н. (RU), Тенитилов Е.С. (RU); заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВО СГУПС (RU) №2016116198; заявл. 25.04.2016 ; опубл. 18.05.2017. Бюл. №14.

2. В.В. Муравьев, К.А. Тапков, С.В. Леньков. К вопросу контроля остаточных напряжений в дифференцированно термоупрочненных рельсах // Дефектоскопия. – 2018 – № 10 – С 3-9. (V.V. Murav’ev, K.A. Tapkov, S.V. Len’kov. On the Question of Monitoring Residual Stresses in Selectively Heat-Strengthened Rails // Russian Journal of Non-destructive testing. – 2018, Vol. 54, Issue 10, pp. 675–681 2018. ISSN 1061-8309. DOI: 10.1134/S106183091810008X) – EDN VLCOSP.

Использование: для определения остаточных напряжений в рельсах. Сущность изобретения заключается в том, что формируют из плавки рельсов малую выборочную совокупность образцов, с отбором от каждого рельса выборочной совокупности полнопрофильной пробы и прорезание в ней в холодном состоянии по нейтральной оси пробы паза. При этом измеряют разность высот пробы H_j до и после прорезания паза, а после выполнения упомянутых операций в зоне прорезания паза осуществляют измерение остаточных напряжений. Для этого устанавливают электромагнитно-акустический преобразователь устройства для неразрушающего контроля на пробу, при этом с помощью электромагнитно-акустического преобразователя возбуждают нормально поверхности ввода две поперечные волны с ортогональной поляризацией вдоль и поперек продольной оси пробы, которые отражаются от подошвы пробы и принимаются этим же электромагнитно-акустическим преобразователем. Далее вычисляют среднее значение акустической анизотропии A в зоне измерений остаточных напряжений и величину остаточных напряжений _j в пробе. Получив m-пар измеренных значений остаточных напряжений _j и соответствующих им значений H_j, выполняют парный регрессионный анализ данных, рассматривая H_j как независимую величину, а _j – как функцию отклика, получая статистически определяемую функцию  = f(H) зависимости величины остаточных напряжений в рельсе от разности измеренных значений высоты пробы до и после прорезания паза. Технический результат: повышение достоверности и точности определения остаточных напряжений в рельсах и обеспечение возможности оценки остаточных напряжений в различных элементах рельса, включая его головку, шейку и подошву. 2 н. и 8 з.п. ф-лы, 4 ил., 1 табл.

1. Ультразвуковой способ определения остаточных напряжений в рельсах, включающий формирование из плавки рельсов малую выборочную совокупность образцов, с отбором от каждого рельса выборочной совокупности полнопрофильной пробы, и прорезание в ней в холодном состоянии по нейтральной оси пробы паза, отличающийся тем, что измеряют разность высот пробы H_j до и после прорезания паза, а после выполнения упомянутых операций в зоне прорезания паза осуществляют измерение остаточных напряжений; для этого устанавливают электромагнитно-акустический преобразователь устройства для неразрушающего контроля на пробу, с помощью электромагнитно-акустического преобразователя возбуждают нормально поверхности ввода две поперечные волны с ортогональной поляризацией вдоль и поперек продольной оси пробы, которые отражаются от подошвы пробы и принимаются этим же электромагнитно-акустическим преобразователем; далее вычисляют среднее значение акустической анизотропии A в зоне измерений остаточных напряжений и величину остаточных напряжений _j в пробе по формуле:

,

где _j – величина остаточных напряжений пробы j-го образца выборочной совокупности , МПа; m – количество образцов; D – упругоакустический коэффициент; A – средняя акустическая анизотропия в зоне измерений остаточных напряжений; A⁰ – средняя акустическая анизотропия, полученная для эталонного образца рельса с отсутствием остаточных напряжений;

получив m-пар измеренных значений остаточных напряжений _j и соответствующих им значений H_j, выполняют парный регрессионный анализ данных, рассматривая H_j как независимую величину, а _j – как функцию отклика, получая статистически определяемую функцию  = f(H) зависимости величины остаточных напряжений в рельсе от разности измеренных значений высоты пробы до и после прорезания паза.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что формируют малую выборочную совокупность образцов, составляющую десять рельсов.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что отбирают полнопрофильную пробу длиной 600±3 мм.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что паз в полнопрофильной пробе прорезают в холодном состоянии по нейтральной оси рельса на длину 400±3 мм.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что ширину прорезаемого паза выдерживают в размере 6±1 мм.

6. Устройство для определения остаточных напряжений в рельсах для осуществления способа по п.1, содержащее блок управления, снабженный силовым выходом и измерительным входом, подключенными к входу совмещенного электромагнитно-акустического преобразователя, состоящего из магнитного устройства и двух катушек, отличающееся тем, что блок управления выполнен на основе микроконтроллера, содержащего микропроцессорное ядро, состоящее из арифметико-логического устройства и регистров общего назначения, подключенных с помощью системной шины к FLASH-памяти программ и SRAM-памяти данных, двухканальный двенадцатиразрядный цифроаналоговый преобразователь, многоканальный двенадцатиразрядный аналого-цифровой преобразователь и универсальные восьмиразрядные двунаправленные GPIO-порты ввода-вывода, при этом первый из каналов цифроаналогового преобразователя подключен к силовому выходу блока управления, его измерительный вход подключен к первому каналу аналого-цифрового преобразователя, к первому GPIO-порту ввода-вывода подключен LCD-индикатор для индикации режимов работы устройства, а ко второму GPIO-порту ввода-вывода подключена кнопочная клавиатура для задания режимов его работы.

7. Устройство по п.6, отличающееся тем, что магнитное устройство представляет собой электромагнит или постоянный магнит.

8. Устройство по п.6, отличающееся тем, что микроконтроллер дополнительно снабжен универсальным синхронно-асинхронным приемопередатчиком, подключенным к радиомодулю для связи дефектоскопа с удаленной автоматизированной системой управления технологическими процессами.

9. Устройство по п.6, отличающееся тем, что измерительный вход выполнен на основе операционного усилителя.

10. Устройство по п.6, отличающееся тем, что силовой выход выполнен на основе транзисторного ключа в виде пары Дарлингтона, снабженного фильтром.