СПОСОБ КОНТРОЛЯ МЕХАНИЧЕСКИХ НАПРЯЖЕНИЙ РЕЛЬСОВЫХ ПЛЕТЕЙ В УСЛОВИЯХ НАЛИЧИЯ МАГНИТНЫХ И ТЕМПЕРАТУРНЫХ ПОЛЕЙ МЕТОДОМ ШУМОВ БАРКГАУЗЕНА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD FOR CONTROLLING MECHANICAL STRESSES OF RAIL BARS IN PRESENCE OF MAGNETIC AND TEMPERATURE FIELDS BY BARKHAUSEN NOISE METHOD AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретение относится к области контроля состояния железнодорожного полотна, в частности к неразрушающим методам контроля напряженного состояния участков рельсовых плетей бесстыкового железнодорожного пути, вызываемого изменениями температуры, с использованием приборов, основанных на регистрации магнитных шумов Баркгаузена (ШБ). Может быть использовано для определения продольных напряжений сжатия и растяжения рельсовых плетей, вызванных изменениями температуры в условиях наличия остаточной намагниченности рельса.
Метод регистрации шумов Баркгаузена известен как один из методов определения механических напряжений в ферромагнитных материалах. Метод регистрации шумов Баркгаузена основан на регистрации акустических или магнитных шумов, регистрируемых в процессе множественных упругих колебаний доменных стенок, возникающих при повороте доменов в ферромагнетиках, вызванных приложением к ним переменного магнитного поля (В.В. Плешаков, А.Н. Шурпо, Е.А. Егорушкин. Магнитошумовой метод контроля остаточных напряжений в поверхностном слое деталей. Вестник Брянского государственного технического университета. 2014. №4(44), с. 92-100).
Известны способы неразрушающего контроля, основанные на регистрации шумов Баркгаузена, позволяющие оценить структурное состояние поверхностей после механической обработки или термической обработки и внутренние напряжения в сплавах (1. Авторское свидетельство №800915 по заявке 2715957 от 18.01.1979 г. Способ магнитного контроля, основанный на эффекте Баркгаузена, 2. Авторское свидетельство №1114938 по заявке 3604578 от 13.06.1983 г. Способ измерения механических напряжений в ферромагнитных объектах, 3. Авторское свидетельство №1182380, по заявке 3728444 от 15.04.1984 г. Способ контроля степени упрочнения. Указанные способы не позволяют использовать их при определении механических напряжений в рельсовых плетях в условиях наличия температурного напряжения и остаточной намагниченности.
Известен способ, описанный в работе (Суоминен Ласе. Обнаружение дефектов шлифования деталей из ферромагнитных материалов с использованием эффекта Баркгаузена. В мире неразрушающего контроля №2, 2011 г., стр. 74-78). Способ заключается в том, что с помощью катушки возбуждения на ферромагнитном сердечнике накладного датчика регистрации ШБ намагничивают зону приложения накладного датчика синусоидальным током заданной периодичностью, по ЭДС в измерительной катушке накладного датчика регистрируют возникающие магнитные шумы Баркгаузена, усиливают, фильтруют и анализируют параметры ЭДС от шумов Баркгаузена, визуализируют полученные данные на компьютере в виде цифровых значений, по полученным значениям за период измерения оценивают уровень механических напряжений.
Недостатком данного технического решения является то, что при контроле механических напряжений изделий из ферромагнитных металлов, таких как рельсовые плети, не учитывается наличие магнитного и температурного полей в исследуемом объекте. Контроль намагниченности и температуры не производится и не учитывается.
Наиболее близким техническим решением является способ контроля рельсовых плетей бесстыкового железнодорожного пути, включающий регистрацию температуры рельсовой плети при укладке ее в путь и после проведения ремонтных работ, определение текущего значения температуры плети, интенсивность генерируемого шума Баркгаузена, определяют фактическое значение механических продольных напряжений по графику зависимости интенсивности шумов Баркгаузена от механических продольных напряжений, полученных при калибровке анализатора интенсивности магнитных шумов Баркгаузена, при этом калибровку анализатора шумов Баркгаузена проводят на образцах, вырезанных из рельсовой стали, причем калибровочный образец подвергается осевому сжатию или осевому сжатию и продольному изгибу от усилия осевого сжатия, при построении калибровочной зависимости интенсивность магнитных шумов Баркгаузена оценивают в относительных единицах, определяемых как отношение разности показаний анализатора к их сумме, полученной при измерении интенсивности магнитных шумов Баркгаузена в двух взаимно перпендикулярных направлениях, одно из которых должно совпадать с направлением приложения нагрузки при калибровке анализатора и направлением продольной оси рельса при измерении на рельсе, полученные значения напряжений и температуры наносят на расчетную зависимость значений напряжений в рельсе от температуры рельсовой плети, определяют разность между измеренными напряжениями и расчетными напряжениями и по величине разности напряжений на расчетной зависимости определяют отклонение температуры закрепления от ее нормативного значения, и в случае ее превышения проводят работы по введению бесстыкового пути в нормируемый температурный режим. Патент RU №2521114 «Способ контроля рельсовых плетей бесстыкового железнодорожного пути», заявка: 2012157562 от 27.12.2012 г., МКИ Е01В 35/12. Данное техническое решение принято в качестве прототипа.
Недостаток данного способа заключается в том, что его применение при определении механических напряжений в рельсовой плети дает большую погрешность. Это обусловлено тем, что железнодорожная плеть имеет намагниченность, при этом намагниченность в различных местах плети различная. Проведенные авторами исследования показали, что намагничиванию подвержены рельсы на всей длине, наибольший рост остаточной намагниченности происходит в местах изолирующих стыков. Исследования по определению механических напряжений в рельсовых плетях на железной дороге и отдельных образцах, имеющих различную намагниченность, в лабораторных условиях позволили установить, что интенсивность шумов Баркгаузена зависит от степени намагниченности рельсов и образцов. В данном способе при определении механических напряжений отсутствует учет влияния намагниченности рельсов (наличие магнитного поля) и температуры рельса (температурное поле) на интенсивность шумов Баркгаузена, что снижает достоверность полученных результатов. Температура рельса определяется для графического расчета напряжений в рельсовой плети, а не для корректировки полученных параметров шумов Баркгаузена.
Задачей заявляемого технического решения является повышение безопасности движения железнодорожного транспорта.
В процессе решения поставленной задачи достигается технический результат, заключающийся в повышении достоверности результатов контроля механических напряжений рельсовых плетей в условиях наличия магнитного и температурного полей, методом шумов Баркгаузена.
Указанный технический результат достигается предлагаемым способом контроля механических напряжений рельсовых плетей в условиях наличия магнитного и температурного полей методом шумов Баркгаузена (ШБ), заключающимся в том, что определяют температуру рельсовой плети, с помощью катушки возбуждения на ферромагнитном сердечнике накладного датчика регистрации ШБ, намагничивают зону приложения накладного датчика синусоидальным током заданной периодичностью, по ЭДС в измерительной катушке накладного датчика регистрируют возникающие магнитные шумы Баркгаузена, усиливают, фильтруют и анализируют параметры ЭДС от шумов Баркгаузена, визуализируют полученные данные на компьютере в виде цифровых значений, по полученным значениям за период измерения оценивают уровень механических напряжений, при этом дополнительно проводят визуализацию полученных данных в виде амплитудного графика огибающих гармоник спектра ШБ, по наличию девиаций периода следования огибающих гармоник спектра ШБ определяют наличие намагниченности материала в зоне приложения накладного датчика регистрации ШБ, проводят компенсацию выявленной намагниченности материала путем создания в зоне измерения магнитного поля противоположной направленности, для чего подают на катушку возбуждения постоянный ток смещения, добиваясь заданной периодичности следования огибающих гармоник спектра ШБ, оценку уровня механических напряжений проводят при достижении заданной периодичности следования огибающих гармоник спектра ШБ с учетом температуры объекта контроля.
Известно явление роста остаточной намагниченности стального изделия, возникающего в процессе деформирования металла (Макаров П.С. Совершенствование методов магнитного контроля напряженно-деформационного состояния конструкций магистральных трубопроводов. Диссертация на соискание степени канд. техн. наук. Уфа, 2007 г., 116 с., стр. 33-37). Упругое деформирование рельсов циклической нагрузкой происходит при прохождении колеса по рельсу и рельсовому стыку в присутствии внешнего магнитного поля Земли. В месте упругой деформации возникает остаточная намагниченность металла, а при постоянно действующей циклической нагрузке происходит рост остаточной намагниченности конструкции. После снятия нагрузки обратимая составляющая исчезает и остается только необратимая составляющая остаточной намагниченности. На данном явлении построено целое направление диагностики материалов (Дубов А.А. Диагностика котельных труб с использованием магнитной памяти металла. М.: Энергоатомиздат, 1995, 112 с.). По такому механизму происходит намагничивание рельсов в зонах концентрации напряжений от циклических нагрузок, возникающих между колесом и рельсом. Для получения более достоверных параметров механических напряжений необходимо проводить измерение шумов Баркгаузена в одинаковых условиях. Ранее было указано, что при регистрации шумов Баркгаузена происходит процесс множественных упругих колебаний доменных стенок, возникающих при повороте доменов в ферромагнетиках, вызванных приложением к ним переменного магнитного поля. В случае наличия постоянного магнитного поля определенной направленности в объекте исследования упругие колебания доменных стенок затрудняются данным полем. Данные изменения не связаны с наличием механических напряжений в объекте исследования. Чтобы проводить измерения шумов Баркгаузена в одинаковых условиях необходимо наложением внешнего постоянного магнитного поля противоположной направленности привести напряженность магнитного поля в области контроля к нулю. Были проведены исследования по определению влияния на интенсивность шумов Баркгаузена степени нагрева исследуемых образцов при постоянных механических нагрузках. Установлено, что в зависимости от температуры образца интенсивность шумов Баркгаузена различная.
Для получения более корректных сведений при определении механических напряжений необходимо учитывать наличие температурного и магнитного полей в объекте контроля. Корректировку магнитного и температурного полей необходимо производить одновременно при установке датчика в зоне определения механических напряжений. При предлагаемом способе учета наличия магнитного и температурного поля в зоне контроля объекта, при определении механических напряжений получают параметры шумов Баркгаузена, которые зависят только от механических напряжений.
Для реализации предлагаемого способа предлагается устройство контроля механических напряжений рельсовых плетей в условиях наличия магнитного и температурного полей методом шумов Баркгаузена. Устройство может быть использовано для определения напряжений сжатия и растяжения методом регистрации шумов Баркгаузена, возникающих в рельсовых плетях, в условиях наличия остаточной намагниченности и температурных напряжений.
Известно устройство для контроля изделий методом эффекта Баркгаузена, содержащее соединенные последовательно источник переменного тока, индукционный преобразователь, усилитель, детектор, фильтр низких частот, аналоговый ключ, блок памяти, сумматор, блок регистрации, а также последовательно соединенные пороговый элемент и ждущий мультивибратор (Патент SU 1179204 по заявке 3727557 от 16.04.84 г., МКИ G01N 27/83).
Недостаток данного устройства заключается в отсутствии возможности компенсации магнитного поля в зоне наложений датчика регистрации шумов Баркгаузена. Отсутствие такой возможности у прибора не позволяет его использовать при контроле механических напряжений в рельсовых плетях, имеющих остаточную намагниченность.
Наиболее близким техническим решением является устройство для магнитошумовой диагностики элементов кузова автомобилей. (Патент на полезную модель RU №38946 по заявке 20033131732 от 31.10.2003 г., МКИ G01M 17/00). Устройство магнитошумовой диагностики элементов кузова автомобилей содержит магнитошумовой преобразователь, генератор, усилитель и индикатор, при этом измерительный комплекс выполнен из блока усилителей, блока фильтров, детектора, выпрямителя и коммутирован с аналого-цифровым преобразователем и ЭВМ.
Недостаток данного устройства заключается в отсутствии возможности компенсации магнитного поля в зоне наложений датчика регистрации шумов Баркгаузена. Отсутствие такой возможности у прибора не позволяет его использовать при контроле механических напряжений в рельсовых плетях, имеющих остаточную намагниченность. Это обусловлено тем, что железнодорожная плеть имеет намагниченность, при этом намагниченность в различных местах плети различная. При определении напряжений сжатия и растяжения, возникающих в рельсовых плетях, на получаемый результат оказывает влияние имеющаяся остаточная намагниченность (наличие магнитного поля) зоны контроля и температура объекта контроля.
Задача заявляемого технического решения - повышение безопасности движения железнодорожного движения.
В процессе решения поставленной задачи достигается технический результат, заключающийся в повышении достоверности результатов контроля механических напряжений рельсовых плетей, в условиях наличия магнитного и температурного полей, методом шумов Баркгаузена.
Указанный технический результат достигается предлагаемым устройством контроля механических напряжений рельсовых плетей в условиях наличия магнитного и температурного полей методом шумов Баркгаузена, состоящим из блока питания, блока генератора напряжения и тока для создания переменного магнитного поля, блока накладного датчика, установленного на объекте контроля, состоящего из катушки возбуждения, установленной на разомкнутом трансформаторе, и измерительной катушки с предварительным усилителем, блока усиления и фильтрации, модуля аналого-цифрового преобразователя, ЭВМ, при этом дополнительно содержит пирометрический датчик температуры, преобразователь напряжения для питания датчика температуры, преобразователь напряжения заключен в экранирующий кожух, USB интерфейс и микроконтроллер для управления и передачи данных на ЭВМ, а блок генератора имеет схему постоянного смещения для создания катушкой возбуждения постоянного магнитного поля противоположной направленности магнитному полю объекта контроля.
Повышение достоверности контролируемых параметров, плетей железнодорожного полотна методом шумов Баркгаузена, в частности контроля напряженного состояния участков рельсовых плетей бесстыкового железнодорожного пути, имеющих намагниченность, достигается тем, что при наличии магнитной напряженности контролируемого объекта проводят ее компенсацию, а затем регистрируют параметры шумов Баркгаузена. Обработку полученных значений шумов Баркгаузена, полученных при различных температурах, проводят созданной программой, позволяющей учитывать температуру объекта контроля, в частности железнодорожной плети. На экран ЭВМ выводится амплитудная составляющая магнитошумового сигнала. В зависимости от степени намагниченности объекта контроля в периодах следования огибающих гармоник спектра ШБ появляется девиация.
Для ликвидации девиации на катушку возбуждения блока датчика с блока генератора дополнительно подается постоянный ток смещения, в зоне измерения шумов Баркгаузена создается магнитное поле противоположной направленности магнитному полю объекта контроля. Добиваются заданной периодичности следования огибающих гармоник спектра ШБ. Таким образом проводят компенсацию выявленной намагниченности материала. Параметры механических напряжений регистрируют при достижении заданной периодичности следования огибающих гармоник спектра ШБ и с одновременном определением температуры пирометрическим датчиком.
Функциональная схема устройства контроля механических напряжений рельсовых плетей в условиях наличия магнитного и температурного полей методом шумов Баркгаузена представлена на фиг. 1.
Устройство контроля механических напряжений рельсовых плетей выполнено в виде отдельных модулей, соединенных между собой. Модуль датчика (Д) 1 представляет собой самостоятельный экранированный компактный модуль, устанавливаемый непосредственно на объект контроля (ОК) 2. Функциональный модуль регистрации шумов Баркгаузена (МРШБ) 3 управляется с ноутбука или планшетного компьютера (ЭВМ) 4 посредством USB интерфейса. Модуль датчика (Д) 1 соединен с модулем регистрации МРШБ 3 кабелем и состоит из катушки возбуждения (KB) 1.1, измерительной катушки (ИК) 1.2, датчика температуры (ДТ) 1.3. Модуль датчика (Д) 1 состоит из П-образного магнитопровода с установленной на нем катушкой возбуждения (KB) 1.1, предназначенной для формирования переменного магнитного поля в объекте контроля (ОК) 2, и измерительной катушки (ИК) 1.2, соединенной с предварительным усилителем (У) 3.5.1 и фильтром (Ф) 3.5.2 модуля усиления и фильтрации (МУФ) 3.5 шумов Баркгаузена. Измерительная катушка (ИК) 1.2 установлена в плоскости краев магнитопровода 1.4 катушки возбуждения (KB) 1.1 и обеспечивает регистрацию магнитных скачков Баркгаузена в ОК 2.
Одновременно с регистрацией шумов Баркгаузена производится регистрация температуры с помощью датчика температуры (ДТ) 1.3, который входит в модуль датчика (Д) 1. Датчик температуры (ДТ) 1.3 - это инфракрасный стационарный малогабаритный бесконтактный датчик температуры КЕЛЬВИН ИКС 4-20 с интерфейсом «Токовая петля 4-20 мА» и питанием от преобразователя напряжения (ПН) 3.2. Функционально модуль регистрации шумов Баркгаузена (МРШБ) 3 состоит из аккумуляторной батареи (АБ) 3.1 преобразователя напряжений (ПН) 3.2, генератора (Г) 3.3 напряжения и тока, модуля USB 3.4, модуля усиления и фильтрации (МУФ) 3.5 шумов Баркгаузена. Модуль USB 3.4 представляет собой USB DAQ устройство с мультиплексируемыми аналоговыми каналами модуля аналого-цифрового преобразователя АЦП 3.4.1, и цифровыми каналами входа/выхода, и микроконтроллером управления и передачи данных (МК) 3.4.2. Модуль USB 3.4 осуществляет коммуникацию аналоговых и цифровых входов модуля АЦП 3.4.1, функционирование устройства и его связь с ЭВМ 4 посредством USB драйвера, управляемого разработанной программой. Аналоговые входы мультиплексируемого АЦП 3.4.1 настроены на последовательное считывание сигналов, генерируемых генератором шумов Баркгаузена.
u
Функционирование устройства осуществляется следующим образом. Цифровые выходы USB модуля 3.4 выполняют установку заданной частоты и амплитуды на модуле цифро-аналоговой генерации (Г) 3.3 и коэффициента усиления К на модуле усиления и фильтрации (МУФ) 3.5. Выбирается местоположение на объекте контроля (ОК) 2 измерительной катушки (ИК) 1.2 и датчика температуры (ДТ) 1.3 датчика (Д) 1. Выбор места установки датчика (Д) 1 на объекте контроля (ОК) 2 рельсовой плети является важным, но не единственным условием обеспечения точности проводимых измерений. Важно определить наличие остаточной намагниченности (магнитного поля) рельсовой плети в месте установки датчика (Д) 1. При наличии в рельсовой плети магнитного поля это становится видно при проведении визуального просмотра амплитудного графика огибающих гармоник спектра ШБ. Наличие девиаций (смещений) полупериода следования огибающих гармоник спектра ШБ говорит о наличии намагниченности материала в зоне контроля накладного датчика (Д)1 регистрации ШБ. Для ликвидации девиации на катушку возбуждения (KB) 1.1 блока датчика (Д) 1 с блока генератора (Г) 3.3 дополнительно подается постоянный ток смещения, в зоне измерения шумов Баркгаузена создается магнитное поле противоположной направленности магнитному полю объекта контроля. Добиваются заданной периодичности следования огибающих гармоник спектра ШБ. Параметры механических напряжений регистрируют при достижении заданной периодичности следования огибающих гармоник спектра ШБ с одновременном определением температуры в зоне контроля датчиком температуры.
1
2
n
В качестве информативного параметра при регистрации шумов Баркгаузена использовали среднеквадратичное значение (RMS) шумов Баркгаузена. Расчет RMS числового ряда амплитуд оцифрованного сигнала ШБ {α, α, …, α} выполнялся по известной формуле:
Зарегистрированный ШБ при наличии магнитного поля представлен на фиг. 2, зарегистрированный ШБ после компенсации магнитного поля представлен на фиг. 3, спектр магнитных шумов ШБ представлен на фиг. 4.
Наличие девиаций (смещений) полупериода следования огибающих гармоник спектра ШБ говорит о наличии намагниченности материала в зоне контроля накладного датчика (Д)1 регистрации ШБ. С помощью генератора 3.3 на катушку возбуждения 1.1 на ферромагнитном сердечнике накладного датчика 1 регистрации ШБ подается синусоидальный ток заданной периодичностью 3.3.1, в измерительной катушке появляется спектр 3.3.2 электродвижущих сил (ЭДС) от магнитных шумов Баркгаузена в виде амплитудного графика огибающих гармоник спектра ШБ. Полупериоды 3.3.3 и 3.3.2 следования огибающих гармоник спектра ШБ при отсутствии магнитного поля в месте контроля имеют периодичность следования, совпадающую с периодичностью синусоидального тока, т.е. полупериоды 3.3.3 и 3.3.2 равны между собой и равны  периода 3.3.1.
При наличии постоянного магнитного поля в месте контроля и подаче синусоидального тока на катушку возбуждения (KB) 1.3 переменного магнитного поля амплитудный график огибающих гармоник спектра ШБ становится не симметричным, происходит смещение полупериодов следования огибающих гармоник спектра ШБ относительно друг друга, т.е. полупериод 3.3.4 не равен полупериоду 3.3.5. Величина такого смещения различна в различных местах установки катушки возбуждения 1.3 и зависит от степени намагниченности объекта контроля. При подаче с блока генератора постоянного тока смещения на катушку возбуждения 1.1 катушкой возбуждения создается постоянное магнитное поле противоположной направленности магнитному полю объекта контроля. Изменяя величину тока, достигают полупериодов следования огибающих гармоник спектра ШБ заданной периодичности.
Технические возможности USB модуля позволяют осуществлять регистрацию формы сигналов на максимальной частоте дискретизации 500 кГц. Предварительные исследования показали, что до 90% излучаемых скачков Баркгаузена А лежит в полосе частот в диапазоне 50-150 кГц (фиг. 4). Таким образом, USB модуль позволяет выполнять количественную оценку энергетических и эмиссионных составляющих сигналов ШБ при сохранении полной формы регистрируемых ШБ. Программное обеспечение позволяет задавать различные значения частоты переменного поля. Наиболее удачной частотой перемагничивания была выбрана частота 50 Гц. Более низкие частоты давали меньшие по амплитуде сигналы ШБ (фиг. 4). Повышение частоты приводило к увеличению разброса численных значений параметров RMS. Управляющая программа выполняет расчет RMS зарегистрированного сигнала ШБ и его индикацию на экране в установленном числовом коде, заранее заданном при калибровке прибора с учетом температурного режима. Для настройки режима работы прибор снабжен дополнительным цифровым интерфейсом, обеспечивающим связь с USB-портом ПК.