Намагничивающий узел мобильного рельсового дефектоскопа
MAGNETIZING UNIT OF A MOBILE RAIL FLAW DETECTOR

Изобретение относится к методам неразрушающего контроля материалов путем исследования магнитных полей рассеяния и может быть использовано при высокоскоростной двухниточной дефектоскопии железнодорожных рельсов.
Известен способ магнитодинамического (МД) (в зарубежной литературе MFL) метода обнаружения дефектов в рельсах [1, 2], заключающийся в возбуждении соответствующими средствами постоянного магнитного потока в рельсе и фиксации магнитного поля с помощью датчиков аномалий (индукционные катушки или датчики Холла), установленных на участке рельса с постоянным магнитным потоком. При совместном перемещении указанных средств возбуждения и датчиков появляется возможность обнаружения аномалий магнитного поля в головке рельса, в частности, вызванных дефектами в головке рельсов. Кроме того, МД метод позволяет обнаруживать стрелочные переводы [3], рельсовые стыки [4] и другие конструктивные элементы рельсового пути [5], которые могут быть использованы, например, для координатной привязки рельсового транспортного средства, измерять скорость движения мобильного рельсового дефектоскопа [6], определять расстояния между шпалами рельсового пути (эпюру шпал) [7] и оценивать опасность угона сварной рельсовой плети из-за ее температурного расширения [8].
Известны намагничивающие узлы мобильного рельсового дефектоскопа, содержащие соленоиды, связанные магнитной цепью с осями колесных пар двухосной тележки [9-11].
К недостаткам известных устройств следует отнести сложность конструкции системы намагничивания и низкую эффективность намагничивания контролируемого рельса.
Сложность конструкции связана с размещением соленоидов на осях колесных пар (как правило на подшипниках) и тем самым увеличение суммарной массы колесной пары. Большая масса вызывает значительные динамические нагрузки на конструкцию при проезде зон стрелочных переводов, болтовых стыков и других неровностей на поверхности катания действующих рельсовых путей. С целью предотвращения вращения соленоида вокруг оси применяют дополнительные элементы [9-11], что усложняет конструкцию намагничивающего устройства и снижает надежность его эксплуатации.
Низкая эффективность известных устройств [9-11] обусловлена недостаточным уровнем намагниченности контролируемого рельса и невозможностью выявлять дефекты, залегающие глубоко под поверхностью катания головки рельса. С увеличением скоростей сканирования недостаточная намагниченность рельса дополнительно сказывается на снижении эффективности контроля рельсов.
Известен намагничивающий узел мобильного дефектоскопа по [12], содержащий размещенные на колесных парах и раме дефектоскопной тележки и связанные магнитной цепью с осями колесных пар соленоиды, каждый из которых расположен коаксиально вокруг соответствующей оси колесных пар. Рама дефектоскопной тележки выполнена из немагнитного материала, а закрепление соленоидов на осях колесных пар выполнено через установленные на концах осей подшипники качения.
Недостатками известного решения по [12], принятого за прототип, являются низкая эффективность намагничивания рельса, сложность конструкции, и трудоемкость эксплуатации намагничивающего узла мобильного дефектоскопа.
Задачей, решаемой предлагаемым техническим решением, является повышение уровня намагничивания рельсов с целью повышения эффективности контроля рельсового пути магнитодинамическим (MFL) методом контроля и упрощение конструкции намагничивающего узла с целью повышения надежности его эксплуатации.
Поставленная задача решается тем, что намагничивающий узел мобильного рельсового дефектоскопа содержит соленоиды, связанные магнитной цепью с осями колесных пар рамы тележки, каждый из соленоидов расположен вокруг соответствующей оси колесных пар, оси выступают сердечниками соленоидов, отличающийся тем, что диаметры осей колесных пар выбирают из условия получения требуемого уровня магнитного потока в контролируемом рельсе, причем соленоиды размещены на раме тележки, а между каркасом соленоида и поверхностью оси предусмотрен определенный зазор для обеспечения динамических колебаний оси при парировании над неровностями рельсового пути в процессе контроля. При использовании стандартных колесных пар, необходимые диаметры осей получены путем установки коаксиальных накладок из ферромагнитного материала на оси, толщины накладок определены из условия получения требуемого уровня магнитного потока в контролируемом рельсе.
Существенными отличиями заявляемого устройства являются:
1. Диаметры осей колесных пар выбирают из условия получения требуемого уровня магнитного потока в контролируемом рельсе. В прототипе и в аналогах вопросы оптимизации сечений сердечников соленоидов (диаметров осей колесных пар) не рассматриваются.
2. В частном случае, при использовании колесных пар стандартных геометрических размеров, где диаметры осей явно недостаточны для реализации эффективного магнитодинамического метода контроля рельсов, сечение оси увеличивают путем установки коаксиальных накладок из ферромагнитного материала на оси колесных пар, причем толщины накладок (а значит, и суммарный диаметр усиленной оси) определяются из условия получения требуемого уровня магнитного потока в контролируемом рельсе. В прототипе использование стандартных колесных пар обуславливает низкую эффективность магнитодинамического контроля.
3. Соленоиды размещены на раме тележки, а между каркасом соленоида и поверхностью усиленной оси предусматривается определенный зазор для обеспечения динамических колебаний оси при парировании неровностей на рельсовом пути. В прототипе, и в других известных системах намагничивания [9-12], размещение соленоидов обеспечивается путем закрепления их на осях колесных пар через подшипники качения. При этом суммарная масса колесной пары значительно (масса колесной пары плюс масса соленоида) увеличивается, что ухудшает динамические свойства колесной пары при проходе возможных неровностей (болтовых стыков, стрелочных переводов, неровностей поверхностей катания рельса) и усложняет техническое обслуживание системы намагничивания (периодическая смазка, контроль температуры и т.п.).
Указанные существенные отличия позволяет получить технический результат: повышение эффективности магнитодинамического контроля рельсов за счет оптимального намагничивания контролируемого объекта и упрощение конструкции узла намагничивания рельсов.
Сущность предлагаемого устройства поясняется следующими фигурами:
Фиг. 1. Схема размещения соленоида вокруг колесной пары, где:
1 - рама тележки;
2 - соленоид (катушка электромагнита);
3 - ось колесной пары;
4 - колесная пара;
5 - каркас соленоида (катушки);
6 - коаксиальная накладка;
7 - кожух катушки;
8 - кронштейн крепления катушки с кожухом к раме тележки;
9 - букса.
Фиг. 2. Общий вид узла намагничивания мобильного средства дефектоскопии, где:
10 - челюстное соединение;
11 - кронштейн крепления буксы 9 с колесной парой 4 к раме 1 тележки;
12 - рессора.
Рассмотрим возможность реализации заявляемого устройства на раме 1 двухосной тележки мобильного средства. Размещение соленоидов (электромагнитных катушек) 2 на осях 3 колесных пар 4 (фиг. 1) выполняется путем прямой намотки витков на каркас 5 катушки соленоида 2.
Для реализации намагничивающей системы (узла) мобильного рельсового дефектоскопа с размещением соленоидов на осях колесных пар в известных устройствах используют типовые колесные пары, диаметры осей которых в соответствии с требованиями [13] не превышают 200 мм (типовые значения 180, 185 и 198 мм). Как показывают выполненные авторами расчеты магнитного поля, в этом случае уровень формируемого магнитного поля недостаточен для эффективного намагничивания контролируемых рельсов. При указанных размерах намагниченность оси колесной пары близка к состоянию насыщения ферромагнетика. Это означает, что магнитное сопротивление рассматриваемого участка магнитной цепи велико.
Количественные оценки величины магнитного поля в рельсе и вокруг него с использованием компьютерной модели двухосных тележек с необходимой степенью детализации выполнены путем расчета поля методом конечных элементов. Результаты расчета подтверждают, что наиболее эффективным способом повышения эффективности намагничивающей системы, при прочих равных условиях, является увеличение диаметра осей (площади сечения) колесных пар.
Величина диаметра ферромагнитного сердечника оказывает существенное влияние на способность электромагнита генерировать требуемый магнитный поток. В условиях, когда намагниченность материала сердечника близка к насыщению и магнитное сопротивление данного участка магнитной цепи становится определяющим, величина магнитного потока, генерируемого электромагнитом, оказывается пропорциональной площади сечения сердечника.
В соответствии с заявляемым техническим решением предлагается за счет увеличения сечения оси колесной пары уменьшить магнитную индукцию в оси и таким образом снизить магнитное сопротивление, одновременно повышая намагниченность контролируемого участка рельса (между колесами тележки -полюсами электромагнитов).
В общем случае при реализации способа возможно изначально изготовить (заказать) специальные колесные пары 4 с диаметрами осей 3 со значениями, определенными расчетным путем. Однако изготовление специальных колесных пар для целей создания намагничивающего узла мобильного рельсового дефектоскопа весьма дорогостоящий проект. Эксплуатационные расходы таких колесных пар также в несколько раз превышают расходы на эксплуатацию стандартных колесных пар.
Поэтому в частном случае суммарный диаметр оси колесной пары предлагается увеличивать путем установки коаксиальных накладок 6 из ферромагнитного материала на стандартные (типовые) оси, причем толщины накладок определяются из условия получения требуемого уровня магнитного потока в контролируемом рельсе.
В качестве материала для наладок 6 необходимо использовать ферромагнитный материал, обеспечивающий максимальную магнитную проводимость (например, Ст. 3) в зоне достаточно высокого уровня намагниченности (1,2-2,0 Тл). Крепление усилителей магнитного поля - накладок 6 на ось 3 колесной пары 4 (фиг. 1) осуществляется известными способами: например, путем накладывания полуцилиндров на ось с последующим их соединением между собой.
Для упрощения конструкции намагничивающего узла путем исключения подшипников качения, реактивных тяг и других конструктивных элементов, известных из уровня техники [9-11], внутренние размеры соленоида 2 с каркасом катушки 5 в заявляемом решении выполняются заведомо больших размеров, чем суммарный диаметр усиленной оси 3 колесной пары 4 с накладкой 6. При этом между усиленной осью колесной пары и внутренней поверхностью соленоида с каркасом 5 образуется зазор а (фиг. 1), величина которого подбирается из условия обеспечения динамических колебаний оси при парировании неровностей рельсового пути (болтовых стыков и других неровностей рельсового пути).
а
Величина зазора  между усиленной осью и соленоидом 2 не оказывает существенного влияния на величину магнитного потока, генерируемого электромагнитом. Поскольку магнитная проницаемость воздуха много меньше магнитной проницаемости ферромагнетика, величина магнитного потока, проходящего через воздух внутри соленоида, по сравнению с величиной магнитного потока, проходящего через ось, весьма мала. Поэтому даже значительное увеличение сечения соленоида (без изменения сечения ферромагнитного сердечника) не приводит к существенному изменению распределения магнитных потоков вне электромагнитов, в том числе и в рельсе.
Соленоид 2 с каркасом 5 и с кожухом 7 с помощью кронштейнов 8 крепится к раме 1 тележки (фиг. 1). Буксы 9, насаженные на оси колесных пар 3, через челюстное соединение 10 и кронштейны 11 также крепятся к раме 1 (фиг. 2). Рессоры 12 ограничивают вертикальное перемещении буксы больше допустимой величины и гасят возможные колебания рамы тележки 1 с соленоидами 2 на неровных участках рельсового пути (фиг. 1 и 2).
Таким образом, в процессе движения на больших скоростях мгновенные динамические нагрузки от неровностей рельсового пути в основном испытывают колесные пары 4, а достаточно массивные соленоиды 2 и рама 1 тележки, благодаря предусмотренным челюстному соединению 10 букс 9 и рессор 12, воспринимают эти неровности плавно. При этом, колебания осей 3 колесных пар 4 внутри соленоидов 2 практически не сказываются на стабильности формируемого магнитного потока в контролируемых рельсах.
Обмотки соленоидов соединяются согласованно так, чтобы при включении источника тока (на фиг. не показан) магнитный поток проходил по пути: ось одного колеса - колесо - пятно контакта колеса с рельсом - рельс - пятно контакта второго колеса, ось второго колеса и т.д. Таким образом, создаваемые соленоидами на двух осях колесных пар магнитные поля участвуют в формировании магнитного поля одновременно в обоих рельсах железнодорожного пути.
Датчики аномалий магнитного поля (на фиг. не показаны) в виде индукционных, магниторезистивных, феррозондовых измерительных преобразователей, или датчиков Холла, устанавливаются на обеих нитках рельсов у задней (по направлению движения) колесной пары.
Работа намагничивающего узла мобильного дефектоскопа при контроле рельсового пути очевидна. Скоростной состав с заданной скоростью перемещается по рельсовому пути. Электромагнитные катушки (соленоиды), установленные на осях колесных пар двухосной тележки, возбуждают постоянный магнитный поток на участке рельса, расположенном между пятнами контакта колесных пар с рельсом. Датчики аномалий магнитного поля, установленные на указанных участках рельсов, воспринимают аномалии магнитного поля: дефекты рельсового пути и конструктивные элементы (стрелки, стыки, сварные швы и т.п.).
Как показывает работа действующего образца намагничивающего узла мобильного дефектоскопа, выполненного в соответствии с заявляемом техническим решением, на скоростях до 70 км/ч уровень магнитного поля на 30-40% больше, чем у аналогов и прототипа и обеспечивает выявление дефектов в головке рельса, залегающих на глубине до 20 мм (что является практически предельным значением для магнитодинамического (MFL) метода). При этом конструкция намагничивающего узла проще и его техническое обслуживание менее трудоемко, чем у известных систем намагничивания.
Таким образом, заявляемое устройство может быть реализовано, и при одновременном упрощении конструкции намагничивающего узла и снижении эксплуатационных расходов, позволяет повысить обнаруживающую способность магнитодинамического дефектоскопа на высоких скоростях движения.
Источники
1. Гурвич А.К., Довнар Б.П., Козлов В.Б., Круг Г.А., Кузьмина Л.И., Матвеев А.И.; под ред. Гурвича А.К. Неразрушающий контроль рельсов при их эксплуатации и ремонте. - М.: Транспорт, 1983. - 318 с.
2. АС СССР 1516944.
3. RU 2652673.
4. RU 2696066.
5. RU 2521095.
6. RU 127703.
7. RU 2703802.
8. RU 2578897.
9. RU 42109.
10. RU 2225308.
11. RU 22662225.
12. RU 177412.
13. ГОСТ 3 3200-2014. Оси колесных пар железнодорожного подвижного состава. Общие технические условия. М.: Стандартинформ. 2016.