Намагничивающее устройство дефектоскопа
FLAW DETECTOR MAGNETIZATION DEVICE

Изобретение относится к области неразрушающего контроля и может быть использовано для ручного, механизированного или автоматизированного неразрушающего контроля железнодорожных рельсов, труб и другого проката из ферромагнитных материалов.
Известен магнитный способ обнаружения дефектов на поверхности ферромагнитных материалов и изделий, в зарубежной литературе именуемый «MFL - Magnetic Flux Leakage». Способ заключается в подводе магнитного поля к объекту контроля и регистрации рассеяния (так называемых, «утечек») магнитного потока, обусловленного дефектом [1].
Устройства, базирующиеся на этом методе, включают электромагнит (или постоянный магнит), поле которого замыкается через объект контроля, и чувствительный элемент - катушку, или датчик Холла, или аналогичное устройство, позволяющие регистрировать утечки магнитного поля, обусловленные дефектами.
Возможность реализации заявляемого устройства рассмотрим на примере контроля железнодорожных рельсов.
Для автоматизированной дефектоскопии рельсового пути наряду с подвижными дефектоскопами типа вагонов и автомотрис дефектоскопных применяются легкие дефектоскопы, на базе тележек и велосипеда, приспособленных для движения по железнодорожному пути. В частности, в велодефектоскопе Карпова для намагничивания рельса используется катящееся по нему колесо, представляющее собой электромагнит или постоянный магнит, а искательная катушка, в которой индуцируется эдс при прохождении над дефектом, представляет собой катушку с небольшим П-образным сердечником, расположенным продольно над головкой рельса. Намагничивающее колесо Карпова имеет относительно простую конструкцию и создает поле, достаточное для обнаружения дефектов в рельсах легких типов. Такое намагничивающее устройство в отношении происходящих электромагнитных процессов может применяться при рабочих скоростях велодефектоскопов.
Более совершенное намагничивающее устройство рельса рассмотрено в [2]. Известное устройство намагничивания рельса содержит полый корпус из немагнитного материала, выполненный в форме железнодорожного колеса, внутри которого установлен магнит в виде диска. Зазор между полюсами и головкой рельса обеспечивается за счет толщины стенок корпуса, выполненного из немагнитного материала. Зазор может быть также обеспечен за счет установки магнита в бронзовое кольцо и использования бронзового диска, устанавливаемого с внутренней стороны реборды. Устройство намагничивания рельса имеет относительно простую конструкцию и создает поле, достаточное для обнаружения дефектов в рельсах легких типов.
К недостаткам известного устройства следует отнести низкую эффективность намагничивания рельса.
Наиболее близким к заявляемому, и принятым за прототип, является устройство намагничивания для средств неразрушающего контроля по патенту [3], содержащее полый корпус из немагнитного материала, выполненный в форме железнодорожного колеса, внутри которого соосно с ребордой колеса установлены два идентичных магнита в виде диска, магниты обращены друг к другу одноименными полюсами и образуют между собой равномерный зазор.
Устройство предназначено, как заявляет автор, для обнаружения дефектов по всему сечению рельса. Однако следует иметь в виду, что в годы применения велодефектоскопов Карпова на сети дорог СССР (1935-1937 г.г.) в основном использовались железнодорожные рельсы легкого типа IIA-IVA и Р33 с массой на погонный метр не более 33 кг, что и позволяло делать определенные попытки обнаружения дефектов по всему сечению рельса. Современные рельсы тип Р65 имею массу 65 кг на погонный метр и высоту 180 мм (или Р75 - 75 кг и высоту 192 мм). В известном устройстве намагничивание осуществляется только со стороны поверхности сканирования (поверхности катания) рельса, что также снижает эффективность инжекции магнитного потока в контролируемое изделие. Поэтому одним из основных недостатков прототипа является невозможность применения их для контроля рельсов в современных условиях. Кроме того, наличие корпуса из немагнитного материала отдаляет магнитные полюса от контролируемого изделия и дополнительно снижает эффективность намагничивания, а значит, и достоверность обнаружения дефектов.
С другой стороны, наличие достаточно сильных магнитов на поверхности рельсов, магнитный поток которых замыкается через контролируемое изделие, затрудняет снятие известного устройства в аварийных и иных ситуациях, что снижает безопасность его эксплуатации.
Целью изобретения является повышение эффективности намагничивания контролируемых зон изделия и повышение безопасности эксплуатации устройства.
Техническим результатом заявляемого устройства является повышение достоверности обнаружения дефектов в изделиях магнитным способом путем увеличения эффективности намагничивания контролируемых зон изделия при обеспечении безопасности эксплуатации устройства в производственных условиях.
Указанная цель достигается тем, что в намагничивающее устройство дефектоскопа, содержащее два идентичных магнита, магниты обращены друг к другу одноименными полюсами, дополнительно между магнитами установлен магнитопровод в виде диска с возможностью качения по сканируемой поверхности контролируемого изделия, диаметр дискового магнитопровода превышает вертикальный размер магнитов, соосно с двумя магнитами и дисковым магнитопроводом, с противоположных сторон магнитов установлены боковые магнитопроводы, охватывающие контролируемое изделие с боковых сторон с возможностью движения вдоль этих сторон с заданным зазором между ними и все магнитопроводы выполнены из магнитомягкого материала. Поверхности боковых магнитопроводов, обращенные к контролируемому изделию, адаптированы к формам боковых поверхностей изделия. Кроме того, к нижним частям боковых магнитопроводов с помощью немагнитных материалов прикреплены направляющие ролики с возможностью вращения по боковым поверхностям контролируемого изделия, а к верхним частям боковых магнитопроводов прикреплен рычаг перевода в нерабочее состояние устройства путем размыкания магнитной цепи через контролируемое изделие. При подвесе устройства на двухниточной тележке контроля рельсов устройство подвешивается на поперечную, относительно контролируемого изделия, направляющую с возможностью отслеживания изменения ширины рельсовой колеи.
Основными отличиями заявляемого устройства по сравнению с прототипом являются:
1. Установка между двумя магнитами дискового магнитопровода, с возможностью качения по сканируемой поверхности контролируемого изделия. Это позволяет более надежно и эффективно инжектировать магнитный поток в изделие практически нулевым зазором между полюсом и изделием. В прототипе такой магнитопровод отсутствует, а ввод магнитного потока производится через воздушный зазор и немагнитный материал колеса с ребордой с существенно низкой эффективностью.
2. Установка с противоположных сторон магнитов боковых магнитопроводов из магнитомягких материалов, охватывающих контролируемое изделие с боковых сторон с возможностью движения вдоль этих сторон, позволяет концентрировать генерируемый устройством магнитный поток в наиболее ответственных и вероятных к появлению дефектов зонах контролируемого изделия. Совместно с п. 1 эти два отличительных признака позволяют создать в контролируемых зонах изделия мощный магнитный поток, в несколько раз превышающий поток, создаваемый прототипом, что естественно повышает достоверность обнаружения дефектов.
3. Выполнение диаметра дискового магнитопровода, превышающего вертикальный размер магнитов позволяет установить магниточувствительные датчики дефектоскопа в оптимальной зоне, непосредственно под намагничивающим устройством на поверхности сканирования, что повышает чувствительность и достоверность контроля. В прототипе вопросы размещения магниточувствительных датчиков не рассматриваются.
4. Выполнение поверхностей боковых магнитопроводов, обращенных к контролируемому изделию, адаптированными к формам боковых поверхностей изделия, повышает эффективность намагничивания контролируемых зон и достоверность обнаружения дефектов в изделии магнитным способом.
5. Установка направляющих роликов с возможностью вращения по боковым поверхностям контролируемого изделия позволяет обеспечивать стабильный минимальный зазор между боковыми магнитопроводами и поверхностями контролируемого изделия. При наличии определенных препятствий на сканируемых поверхностях изделия (болтовые и плохо зачищенные сварные стыки и др.) ролики позволяют путем перекатывания преодолеть эти препятствия и сохранить устройство в работоспособном состоянии. В прототипе указанные вопросы, безусловно встречающиеся при практической реализации устройства, не рассматриваются.
6. Прикрепление рычага перевода устройства в нерабочее состояние путем размыкания магнитной цепи через контролируемое изделие позволяет повысить производительность контроля и безопасность эксплуатации устройства. В реальных условиях, например, при контроле железнодорожных рельсов с помощью однониточной и двухниточной тележки, дефектоскоп снимается с рельсового пути для пропуска графиковых поездов. В прототипе, сила магнитного притяжения намагничивающей системы к контролируемому изделию препятствует (затрудняет) выполнение этой операции.
7. Наличие поперечной направляющей позволяет отслеживать ширину рельсовой колеи без снижения эффективности намагничивания рельсов. В прототипе даже изменение ширины колеи в пределах допуска (до 14 мм) существенно влияет на достоверность обнаружения дефектов.
Таким образом, между совокупностью существенных признаков заявляемого устройства и достигаемым техническим результатом существует причинно-следственная связь, а именно повышение достоверности обнаружения дефектов в изделиях магнитным способом при реализации п.п. 1-4 (см. выше) и обеспечении безопасности эксплуатации устройства в производственных условиях при выполнении п.п. 5-7.
Заявляемое устройство иллюстрируют следующие графические материалы:
Фиг. 1 и 2. Конструкция намагничивающего устройства, где:
1. Контролируемое изделие (в качестве примера - головка железнодорожного рельса).
2 и 3. Постоянные магниты (или электромагниты), обращенные друг к другу одноименными полюсами.
4. Магнитопровод дисковый, размещенный между магнитами.
5 и 6. Магнитопроводы боковые, устанавливаемые соосно с магнитами и дисковым магнитопроводом и охватывающие контролируемое изделие (головку рельса 1).
7 и 8. Траектории магнитного потока в зоне контроля изделия.
9. Опорные ролики.
10. Планка из немагнитного материала.
11. Ось дискового магнитопровода.
12 и 13. Магниточувствительные датчики (индукционные или датчики Холла).
14. Трещина (продольной ориентации) в изделии 1.
15. Планка верхняя из немагнитного материала.
16. Рычаг (педаль).
17. Скоба несущая.
18. Ось вращения устройства с магнитопроводами.
19. Корпус (рама) несущего устройства (тележки).
20. Каретка.
21. Направляющая поперечная.
22. Уплотнительная прокладка (кольцо).
Фиг. 3. Схема (Фиг. 3а) и результаты (Фиг. 3б) математического моделирования распределения магнитных потоков в контролируемых зонах изделия (головки рельса) методом конечных элементов в программе AN-SYS Maxwell.
Намагничивающее устройство дефектоскопа (Фиг. 1 и 2) содержит два магнита 2 и 3, между которыми размещается диск 4 из магнитомягкого материала. Магниты 2 и 3 обращены друг к другу одноименными полюсами. Для защиты хрупких магнитов 2 и 3 от повреждений при сканировании, и для размещения измерительных магниточувствительных датчиков, диаметр диска 4 выполняется большим, чем вертикальные размеры (по Фиг. 1) магнитов. В зазорах z между магнитопроводами 2 и 3 и поверхностью сканирования контролируемого изделия 1, размещаются магниточувствительные датчики 12 и 13. К противоположным полюсам магнитов 2 и 3 устанавливают боковые магнитопроводы 5 и 6. Все вышеназванные элементы устройства (магниты 2 и 3, дисковый 4 и боковые магнитопроводы 5 и 6) устанавливают на ось 11 из немагнитного материала (Фиг. 1). Дисковый магнитопровод 4, благодаря подшипникам или втулке, может свободно вращаться на оси 11. Магниты 2 и 3, выполненные преимущественно в виде дисков с центральным отверстием, а также боковые магнитопроводы 5 и 6, закрепляются на оси 11 без возможности вращения. В общем случае магниты 2 и 3 могут иметь не только конфигурацию в виде дисков, но и любой другой формы (прямоугольной, треугольной и т.п.). Важно лишь, чтобы их вертикальный размер позволял сохранять определенное пространство высотой z для размещения магниточувствительных датчиков в наиболее чувствительной для внутренних дефектов зоне.
Нижние части магнитопроводов 5 и 6 выполнены охватывающими часть головки рельса с боковых сторон и с возможностью движения вдоль этих сторон с заданным минимальным зазором между ними. Для эффективной инжекции магнитного потока в контролируемое сечение, поверхности нижних частей боковых магнитопроводов 5 и 6, обращенные к контролируемому изделию 1, адаптированы к сканируемым поверхностям (на Фиг. 1 - к боковым граням головки рельса). В результате, в сечении головки рельса 1 формируется магнитные потоки, траектории 7 и 8 которых пронизывают зону наиболее возможного появления трещин в контролируемом изделии 1. Боковые магнитопроводы 5 и 6 и дисковый магнитопровод 4, выполнены из магнитомягкого материала (например, Ст. 20). Для обеспечения беспрепятственного движения боковых магнитопроводов 5 и 6 воль боковых сторон головки рельса 1 с заданным зазором (1-2 мм) предусмотрены опорные ролики 9, установленные с наружных сторон нижней части магнитопроводов с помощью планок 10 из немагнитного материала (Фиг. 1 и 2). Магниточувствительные датчики 12 и 13 (индукционные или датчики Холла) предназначены для фиксации изменения магнитного потока над поверхностью рельса 1 при наличии в головке рельса дефекта 14.
Для приведения устройства в нерабочее состояние предусмотрен рычаг 16, закрепленный на планке 15.
При подвесе с помощью несущей скобы 17 и оси 18 заявляемого устройства на раму 19 (корпус) несущего устройства (однониточная или двухниточная тележка, автомотриса или вагон-дефектоскоп) путем нажатия на рычаг 16, предусмотрена возможность разорвать замкнутый через контролируемый рельс магнитный поток (Фиг. 2а и б). При этом намагничивающее устройство выходит из зоны головки рельса, и устройство переводится в транспортное положение.
Допустимые отклонения ширины рельсовой колеи по Правилам технической эксплуатации железных дорог Российской Федерации составляет от -4 до +10 мм. В реальных условиях эти величины могут быть и больше. Для обеспечения работоспособности устройства в таких условиях, при установке намагничивающих устройств на двухниточную тележку, на левую и правую нитку рельсовой колеи, предусмотрена возможность перемещения каждого намагничивающего устройства поперек колеи без изменения заданного зазора между боковыми поверхностями рельсов и магнитопроводами. Для этого верхняя планка 15 (Фиг. 1) прикрепляется к каретке 20 с возможностью поперечного перемещения по направляющей 21. В свою очередь направляющая 21 крепится (надевается) к оси 18. Таким образом обеспечивается три степени свободы намагничивающего устройства: возможность перемещения вдоль рельса; поперечное перемещение относительно несущего устройства при изменении ширины колеи и возможность поворота относительно оси 18 на несущей скобе 17, для приведения устройства в рабочее и нерабочее положение.
Для предохранения от попадания загрязнений в зазоры между магнитами 2 и 3 и дисковым магнитопроводом 4 предусмотрены уплотнительные кольца 22 (или прокладки) с малым коэффициентом трения (например, фторопласт).
Устройство намагничивания используют следующим образом.
При движении мобильного магнитного дефектоскопа с установленным на нем устройством, намагничивание рельса 1 производится катящимся по нему колесом (дисковым магнитопроводом 4) с приставленными к нему двумя магнитами 2 и 3, магниты обращены друг к другу одноименными полюсами. Наличие с 2-х сторон колеса магнитопроводов 5 и 6, охватывающими рельс 1 с двух сторон позволяет формировать на боковых сторонах головки рельса магнитные полюса, противоположные центральному. Указанное расположение магнитов позволяет осуществить распределение магнитных потоков 7 и 8 (на Фиг. 1 показаны пунктирными линиями), при котором магнитный поток, создаваемый магнитами 2 и 3 и магнитопроводами 4, 5 и 6, проходит через соответствующую часть головки рельса в поперечном направлении. Предусмотренные зазоры между нижними частями магнитопроводов 5 и 6 и боковыми поверхностями головки рельса 1 облегчает движение магнитопроводов вдоль рельса. Для обеспечения фиксированной величины зазоров, с наружной стороны нижних частей магнитопроводов с помощью немагнитных планок 10 установлены опорные ролики 9. Контактные плоскости (контактная часть образующей) роликов 9 выступают за рабочие плоскости боковых магнитопроводов 5 и 6 в сторону боковых граней головки рельса, обеспечивая величину зазоров с каждой стороны головки рельса около 2 мм. При этом уровень магнитнго потока, пронизывающий головку рельса, по сравнению с контактным вариантом, уменьшается незначительно (по расчетам не более 5%).
Как известно, основной зоной зарождения дефектов в рельсах является рабочая грань головки. В современных условиях с целью экономии ресурсов после пропуска определенного тоннажа применяют практику переукладки рельсов со сменой рабочего канта (рабочей грани). В результате, появление дефектов равновероятно как с рабочей, так и с нерабочей грани головки. Причем, по данным ВНИИЖТа и по статистическим данным ОАО «РЖД», до 80% образующихся в процессе эксплуатации дефектов в голове рельсов - это продольные трещины, зарождающиеся с верхней грани головки и распространяющиеся в глубину металла (п. 14 на Фиг. 1).
При наезде устройства намагничивания на дефектное сечение с продольной трещиной 14 происходит вытеснение части магнитного потока на поверхность катания рельса 1 и фиксация его магниточувствительным датчиком 12 (и/или 13).
Весьма важным при контроле в реальных условиях длинномерных изделий, в том числе железнодорожных рельсов, является возможность приведения устройства с рабочего состояния в нерабочее и, наоборот. Например, при контроле рельсов съемными средствами (однониточная или двухниточная дефектоскопная тележка), при приближении подвижного состава приходится снимать дефектоскопическое устройство с рельсовой колеи для пропуска поезда. При этом сила притяжения намагничивающего устройства к контролируемому объекту не должна мешать съему дефектоскопа с рельсов.
Для обеспечения безопасной эксплуатации заявляемого устройства предусмотрен рычаг 16, прикрепленный к немагнитной планке 15 (Фиг. 1 и 2). Последняя, в свою очередь, установлена на верхней части боковых магнитопроводов 5 и 6. С помощью планки 15, несущей скобы 17 и оси 18 намагничивающее устройство может подвешиваться к раме 19 подвижной единицы (тележке, автомотрисе, вагону-дефектоскопу - на Фиг. не показаны). При нажатии на рычаг 16, устройство намагничивания поворачивается вокруг оси 18 и выходит из зоны сцепления с рельсом 1 (Фиг. 2б). Естественно, рычаг 16 может быть выполнен в виде ножной педали и предусматривать фиксацию его в нажатом положении (на Фиг. не показан). Необходимость кратковременного поднятия/опускания устройства в процессе сканирования может возникнуть и при наличии на боковых частях контролируемого изделия 1 определенных препятствий (незащищенных зон сварных стыков, обрыв соединительных перемычек рельсовой цепи, смещение рельсов в плане в зоне болтовых стыков и т.п.). Во всех этих случаях с помощью рычага 16 возможно быстрое поднятие с рельса и опускание устройства на рельс 1 с минимальной потерей времени, что естественно повышает производительность контроля с одновременным обеспечением безопасности эксплуатации устройства.
При реализации устройства в двухниточном дефектоскопе, намагничивающие устройства подвешиваются на тележке над правым и левым рельсом. Для компенсации флуктуации ширины колеи в допустимых пределах в заявляемом устройстве предусмотрена каретка 20 с поперечной направляющей 21, монтируемой между планкой 15 и несущей скобой 17 (Фиг. 1). При изменении ширины колеи на каждой нитке пути устройство имеет возможность перемещаться в поперечном направлении отслеживая положения контролируемых рельсов. При этом поперечный ход каждой каретки выбирается не менее 0,5 значений допустимых (реальных) величин отклонений ширины рельсовой колеи (с некоторым запасом).
Для свободного вращения дискового магнитопровода 4 относительно неподвижных магнитов 2 и 3 предусмотрены воздушные зазоры между ними (Фиг. 1). Величина зазоров не превышает 1-2 мм с каждой стороны и незначительно (относительно контактного варианта между ними) уменьшает формируемый поток в магнитной цепи (магнит 2, дисковый магнитопровод 4, головка рельса между ним и нижней частью бокового магнитопровода 5, магнитопровод 5 и магнит 2) в левой части, и аналогично, в правой части (по Фиг. 1) устройства.
При попадании, в реальных условиях, в указанные зазоры загрязнений, за счет увеличения коэффициента трения может возрасти сопротивление качению дисковому магнитопроводу. С целью исключения рассмотренного нежелательного эффекта в устройстве предусмотрены уплотняющие прокладки в виде диска или кольца 22 из материала с низким коэффициентом трения (фторопласт). Прокладки препятствуют попаданию загрязнений в зазоры, сохраняя устройство в работоспособном состоянии в производственных условиях.
Работоспособность указанных выше предложений проверена путем математического моделирования распределения магнитных потоков в контролируемых зонах изделия (головки рельса) методом конечных элементов в программе ANSYS Maxwell (Фиг. 3). Результаты моделирования (Фиг. 3) и последующая их экспериментальная проверка на рельсах типа Р65 (наиболее распространенный тип рельса на сети дорог ОАО «РЖД») показывают, что заявляемое устройство обеспечивает создание магнитного потока (с индукцией до 1 Тл и более), достаточного для надежного выявления дефектов в верхней части головки рельса на глубине до 20 мм от поверхности катания. Причем наличие неизбежных в практике контроля зазоров между фигурными поверхностями боковых магнитов 5 и 6 и поверхностью изношенного рельса 1 незначительно (не более чем на 10%) влияет на уровень инжектируемого в головку рельса магнитного потока.
Заявляемое намагничивающее устройство дефектоскопа может быть использовано не только при контроле рельсов, но и при дефектоскопии многих длинномерных изделий из ферромагнитных материалов: труб, стержней и прутков, буровых штанг и др. Причем такие намагничивающие устройства являются наиболее эффективными при поиске весьма часто встречающихся на практике продольных поверхностных и подповерхностных трещин.
Таким образом, заявляемое устройство может быть реализовано, обеспечивает повышение эффективности намагничивания изделия и способствует повышению достоверности обнаружения дефектов в ферромагнитных изделиях с одновременным обеспечением безопасности эксплуатации устройства в производственных условиях.
Источники информации
1. J.C. Drury. Magnetic flux leakage technology. Available at: http://www.silverwinguk.com/ndt technical papers, aspx (20/3/2019).
2. Сборник «Проблемы ферромагнетизма и магнитодинамики». М., 1946. Поливанов К.М. «Распределение магнитного потока в рельсе при его намагничивании катящимся электромагнитом, применяемым на велодефектоскопах системы Ф.М. Карпова», с 165-166.
3. Патент RU 2313782.