СПОСОБ ОБНАРУЖЕНИЯ И КОНТРОЛЯ ДЕФЕКТОВ ИЗДЕЛИЙ ИЗ МЕТАЛЛА
METHOD TO DETECT AND CONTROL DEFECTS OF PRODUCTS FROM METAL

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к контролю состояния изделий из металла и может быть использовано в различных отраслях машиностроения и приборостроения, в частности, и российскими железными дорогами (ОАО «РЖД») при исследовании боковых рам (БР) тележек грузовых вагонов.
Наиболее распространенным способом выявления трещин БР является визуальный осмотр.
Недостатками этого способа является пропуск наличия трещин из-за:
- образования трещин в невидимых для осмотра зонах;
- особенностей адаптации зрения человека при переводе взгляда со света в тень и обратно, составляющей несколько минут. Неоднократная темновая и световая переадаптация глаз существенно снижает остроту зрения осмотрщиков;
- отсутствие в арсенале осмотрщиков технических средств дистанционного объективного контроля целостности БР.
Широко используемые в ОАО «РЖД» ультразвуковой, феррозондовый, акусто-эмиссионный методы дефектоскопии БР трудоемки и дороги, требуют тщательной очистки поверхности обследуемой рамы от разнообразных загрязнений (лед, грязь, нефтепродукты…) для обеспечения качественного контакта с датчиками и аппаратурой и наиболее пригодны (с учетом требований к квалификации пользователя) для применения в стационарных условиях. Проходящий испытания акустический "интеллектуальный молоток" разработки компании "Чистые технологии" (г.Санкт-Петербург) имеет тот же недостаток.
В качестве прототипа выбраны способ и устройство идентификации объектов, активного радиоволнового обнаружения и неразрушающего контроля естественных, производственных и эксплуатационных дефектов и включений систем и объектов природного и техногенного характера, описанное в заявке RU 2006103112, где в контролируемом изделии возбуждают электромагнитное поле внешним электромагнитным излучением, принимают излучаемые электромагнитные сигналы, измеряют их параметры и по результатам измерений определяют наличие дефектов.
Однако в данном техническом решении принимаемые электромагнитные сигналы создаются за счет возникновения в контролируемом изделии макротоков и характерных для емкостных элементов токов смещения, для чего облучение контролируемого изделия производят с помощью металлических пластин и оболочек через диэлектрические пластины и оболочки, исполняющие роль своеобразной системы конденсаторов, между которыми устанавливают контролируемое изделие, причем данные пластины определенным образом выкладываются по контуру исследуемого изделия, в результате чего поле, излучаемое изделием, а следовательно, и спектральные характеристики становятся объектно-ориентированными, то есть само изделие становится антенной и начинает излучать электромагнитные волны, по спектру которых и производится идентификация объекта исследования, что является сложным, не достаточно точным и ограничено в применении.
Задачей, на решение которой направлено изобретение, является повышение безопасности эксплуатации металлических изделий, у которых возникают различные дефекты при эксплуатации, в частности трещины.
Поставленная задача достигается с помощью получаемого от использования изобретения технического результата, заключающегося в увеличение точности и надежности контроля целостности металлических объектов за счет создания метода дистанционного неразрушающего контроля трещин, возникающих и в невидимых для осмотра зонах, и создание устройства, реализующего данный метод.
Поставленная задача достигается тем, что поверхность металлического изделия сканируют зондирующим сигналом, формирующим передающим устройством, а преобразованный нелинейностями этого металлического изделия сигнал принимают с помощью приемного устройства. При этом зондирующий сигнал формируют в виде 1-й гармоники сигнала, а в качестве преобразованного контактными неоднородностями металлического изделия принимают 3-ю гармонику этого сигнала, возникающую в дефекте.
Для увеличения отношения сигнал/шум вместе с зондирующим сигналом на изделие из металла осуществляют одновременное механическое воздействие (удар, вибрация, и т.д.) или в качестве воздействующего сигнала на изделие из металла используют амплитудно-модулированную 1-ю гармонику зондирующего сигнала.
Этот способ может быть осуществлен с помощью устройств, изображенных на фиг. 1, 2, 3, где:
1 - Задающий генератор
2 - Удвоитель частоты
3 - Усилитель зондирующего сигнала
4 - Фильтр гармоник
5 - Антенна зондирующего сигнала
6 - Антенна приемника
7 - Входной фильтр
8 - Усилитель входного сигнала
9 - Синхронно-фазовый детектор
10 - Утроитель частоты
11 - Регулируемый фазовращатель напряжения гетеродина
12 - Фильтр и усилитель выходного сигнала СФД
13 - Устройство обработки
14 - Индикатор приемника
15 - Низкочастотный генератор
16 - Усилитель мощности низкой частоты
17 - Источник механического воздействия
18 - Амплитудный модулятор
19 - Модулирующий генератор.
На фиг. 1 изображено устройство, в котором объединены: передающее устройство - генератор 1-й гармоники зондирующего сигнала (ЗС), и принимающее - устройство приема 3-й гармоники ЗС. В устройстве генератор ЗС построен по классической схеме и содержит последовательно соединенные задающий генератор 1, удвоитель частоты 2, усилитель зондирующего сигнала 3, фильтр гармоник 4 и антенну зондирующего сигнала 5. Принимающее - устройство приема 3-й гармоники ЗС, состоит из антенны приемника 6, выход которой через входной фильтр 7 и усилитель входного сигнала 8 соединен с одним из входов синхронно-фазового детектора (СФД) 9, который должен иметь внутри два нелинейных элемента, включенных встречно-параллельно. На другой вход СФД 9 подается напряжение от задающего генератора 1 через утроитель частоты 10 и регулируемого фазовращателя 11, а выход СФД 9 подключен через фильтр и усилитель 12 выходного сигнала СФД к устройству обработки 13 и индикатору 14.
На фиг. 2 изображено передающее и принимающее устройство, изображенное на фиг. 1, в котором к устройству обработки 13 (фиг. 1) подключен выход низкочастотного генератора 15, выход которого также подключен к усилителю мощности низкой частоты 16, выход которого подключен к источнику механического воздействия 17.
На фиг. 3 изображено передающее и принимающее устройство, изображенное на фиг. 1, где между удвоителем частоты 2 и усилителем зондирующего сигнала 3 включен амплитудный модулятор 18, второй вход которого подключен к выходу модулирующего генератора 19, и выход модулирующего генератора 19 подключен к блоку обработки 13.
Устройство обнаружения и контроля дефектов изделий из металла работает следующим образом.
Напряжение с задающего генератора 1 подается на удвоитель частоты 2 и получается частота 1-й гармоники зондирующего сигнала (ЗС), которая усиливается усилителем 3, фильтруется фильтром гармоник 4, излучается на объект диагностики с помощью антенны передатчика 5. Излучаемый сигнал пропускают через фильтр гармоник 4 для уменьшения 3-й гармоники передающего устройства. При облучении изделий из металла, имеющего дефект в виде трещины, генерируется 3-я гармоника ЗС, которая поступает в антенну приемника 6, и через фильтр 7, подавляющий 1-ю гармонику ЗС для исключения перегрузки входных каскадов приемника, при которой может генерироваться 3-я гармоника ЗС в этих приемных каскадах, и через усилитель 8 поступает на второй вход СФД 9, на первый вход которого подается напряжение гетеродина СФД, образованного (обведено на фиг. 1, 2, 3 пунктирной линией) последовательно соединенными задающим генератором 1, утроителем частоты этого генератора 10 и регулируемым фазовращателем 11. Частота напряжения, поступающего на первый вход СФД 9 с гетеродина в два раза меньше частоты входного напряжения (3-й гармоники ЗС), поступающего на другой вход СФД 9.
На выходе СФД 9 возникает сигнал, пропорциональный амплитуде принимаемой 3-й гармоники ЗС, возникшей в дефекте изделия из металла. Это возможно только при синхронно-фазовой обработке входного и гетеродинного напряжений. Сигнал на выходе СФД 9, являющийся импульсным, поступает через фильтр и усилитель 12 на устройство обработки этого сигнала 13 и индикатор 14. Необходимость пропускания выходного сигнала СФД 9 через фильтр 12 связано с необходимостью уменьшения влияния на этот сигнал сетевых и индустриальных помех и паразитных модуляционных эффектов деталей изделия.
Для увеличения отношения сигнал/шум принимаемого сигнала одновременно с ЗС на объект диагностики осуществляют воздействие звуковым источником с помощью введенными в устройство на фиг. 1 низкочастотного генератора 15, усилителя мощности низкой частоты 16, источника механического воздействия 17 (см. фиг. 2), и с выхода низкочастотного генератора 15 напряжение подается на устройство обработки 13 для синхронизации и корреляции дополнительного механического воздействия на изделие из металла.
Для повышения вероятности обнаружения местоположение дефекта в изделии из металла предлагается усовершенствование устройства на фиг. 1 с помощью введения блоков амплитудной модуляции ЗС, изображенных на фиг. 3, включающих модулятор 18 и модулирующий генератор 19. С помощью этих блоков производится амплитудная модуляция ЗС, за счет чего повышается коэффициент нелинейного преобразование ЗС на нелинейностях трещины металлического изделия, что увеличивает отношение сигнал/шум принимаемого сигнала 3-й гармоники и повышает вероятность правильного обнаружения.
Задающий генератор 1 является общим для генератора зондирующего сигнала и для сигнала гетеродина СФД с требуемым соотношением частот 2 к 1 для нормальной работы СФД 9. Это обеспечивает синфазную обработку принимаемого сигнала 3-й гармоники зондирующего сигнала и сигнала гетеродина СФД (с частотой в два раза меньше частоты принимаемой 3-й гармоники зондирующего сигнала от дефектного объекта).
Применение СФД 9 в системах, где приемное и передающее устройства расположены рядом друг с другом, существенно упрощает синхронный приемник, так как частота гетеродина в нем формируется как умноженное в нужное количество раз частоты задающего генератора передатчика. Синхронный приемник, как известно, обладает повышенной помехоустойчивостью и его можно рассматривать как супергетеродинный с нулевой промежуточной частотой.
Для подтверждения работоспособности способа и реализующего этот способ устройства был создан макет устройства. Основные характеристики макета:
- частота зондирующего сигнала (ЗС) - 300 МГц,
- выходная мощность ЗС - 5 Вт,
- принимаемая гармоника - третья,
- чувствительность приемника - -120 дБ/Вт,
- поляризация антенн - линейная.
3
4
Упрощенная схема макета с указанием рабочих частот изображена на фиг. 4, где частота входного напряжения СФД 9 от гетеродина СФД F=150 МГц×3=450 МГц, а частота принимаемого сигнала 3-й гармоники ЗС F=150 МГц×2×3=900 МГц.
В качестве объектов исследования были использованы части дефектных боковых рам грузовых вагонов с наружной трещиной и литьевой трещиной.
Передающая антенна 5 и антенна приемного устройства 6 были выполнены из совмещенных квадратных вибраторов с соответствующими рефлекторами. Поляризация антенн - изменяемая линейная.
При облучении боковых рам сигналом с антенны генератора 6 (при изменяемой линейной поляризации) производился периодический удар деревянной или резиновой кувалдой по раме. На индикаторе приемника 14 после устройства обработки 13 (в котором использовалась цифровая обработка при синхронизации и корреляционной обработке), вместе со световым и звуковым сигналами был получен график (см. фиг. 5) огибающей принятой 3-й гармоники ЗС, возникшей в дефекте при ударах деревянным молотком по дефектной боковой раме грузового железнодорожного вагона.
Аналогом метода использования периодических ударов деревянной или резиновой кувалдой по раме может быть использование эффектов вибрации от неровностей колеса, железнодорожного полотна и рельсовых стыков, которая возникает при движении вагона.
Авторами было изучено влияние амплитудной модуляции ЗС на эффективность предлагаемого метода диагностики дефектных изделий из металла. В результате чего было установлено, что применение амплитудной модуляции ЗС позволяет проводить диагностику дистанционно, при движении железнодорожного вагона, так как не требует механического контакта с объектом диагностики. Дистанционная диагностика вагонов может быть проведена с помощью стационарного пункта диагностики, расположенного рядом с путями, с моментальной передачей полученных данных диспетчеру или машинисту.