УСТРОЙСТВО ДЛЯ УЛЬТРАЗВУКОВОГО КОНТРОЛЯ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ОБОДЬЕВ ЦЕЛЬНОКАТАНЫХ КОЛЕС

Полезная модель предназначена для неразрушающего контроля механических свойств ободьев цельнокатаных колес железнодорожного транспорта, в частности, к контролю распределения остаточных механических напряжений.
Известно, что состояние подвижных частей железнодорожных составов нуждается в постоянном контроле и существует большое количество приборов для его осуществления, основанных на разных видах неразрушающего ультразвукового контроля.
Известно устройство (патент РФ №2149393), основанное на ультразвуковом способе обнаружения дефектов в различных цилиндрических изделиях машиностроения, в том числе в ободьях цельнокатаных колес железнодорожного транспорта. Для получения объективного документа контроля излучают с помощью пьезоэлектрического датчика ультразвуковые колебания в цилиндрическое изделие, принимают эхо-сигналы из изделия, с помощью манипулятора осуществляют круговое сканирование по поверхности изделия, анализируют принятые эхо-сигналы, регистрируют их в прямоугольных координатах, пропорциональных пути перемещения преобразователя по траектории кругового сканирования и времени распространения ультразвуковых колебаний в контролируемом изделии. Выполняют совместный анализ временных положений принятых эхо-сигналов на всем пути сканирования при полном обороте кругового сканирования. О дефектности изделия судят по результатам анализа зарегистрированных сигналов. Кроме того, угловое положение дефекта в сечении контролируемого изделия и центральный угол сектора, в котором находится дефект, определяют по зарегистрированным сигналам в соответствии с определенными выражениями. Скорость перемещения преобразователя по круговой траектории выбирают из условия получения заданного количества эхо-сигналов от подлежащего обнаружению минимального дефекта.
Устройство, реализующее рассмотренный способ контроля позволяет осуществлять контроль ободьев только с позиции наличия или отсутствия дефектов. Но отсутствие дефектов не полностью характеризуют механическое состояние изделия. В рассматриваемом устройстве не предусмотрено получение информации об усталостных свойствах материала изделия, о запасе его прочности.
Известно ультразвуковое устройство контроля механических свойств ободьев цельнокатаных колес, в котором механические свойства определяются через контроль распределения остаточных напряжений вдоль обода колеса. Описание его приведено в статье Schneider E, Herzer R, Bruche D, Frotscher H Ultrasonic Characterization of Stress States in Rims of Railroad Wheels. Nondestructive Characterization of Materials; Eds,: R.E.Green Jr. Et al. Plenum Press, New York, 1994, p.383-390. Известное устройство содержит блок манипулятора, электронную схему и блок вычислителя с интерфейсным блоком. На корпусе манипулятора размещен электромагнитно-акустический преобразователь (ЭМАП) и механизмы его продольного перемещения и поворота. ЭМАП электрически соединен с генератором зондирующих импульсов, а приемная его часть соединена с предварительным усилителем, а также устройство содержит блок цифровой обработки аналогового сигнала усилителя, микроконтроллер, блок интерфейса и вычислительное устройство, причем выходы микроконтроллера соединены со входом генератора, блоком цифровой обработки аналогового сигнала и интерфейсным блоком, выход которого соединен со входом микроконтроллера.
В известном устройстве при контроле изделия ЭМАП размещают на внутренней стороне обода. Управление генератором зондирующих импульсов производится микроконтроллером по команде на запуск, поступившей с вычислителя. При контроле ЭМАП возбуждает в изделии плоско-поляризованные поперечные волны, одна из которых радиально поляризована, а другая имеет окружное направление, принимают их отраженные сигналы. Разность времен между моментом генерации и приемом разных мод акустической волны является характеристикой остаточных механических напряжений. При перемещении датчика вдоль обода получаем картину распределения остаточных напряжений. Получение достоверной картины распределения остаточных напряжений позволяет исключить вероятность внезапного разрушения изделия, так как характеризует его остаточный ресурс.
При контроле прозвучивание обода производится сначала в радиальном направлении, затем с помощью механизма поворота поворачивают преобразователь на 90° и прозвучивают эту же область. Затем механизмом продольного перемещения сдвигают ЭМАП на следующую область и повторяют прозвучивание и таким образов перемещают преобразователь вдоль всей внутренней поверхности обода. Механизмами перемещения ЭМАП управляют импульсы с микроконтроллера по командам от вычислителя. Принятые отраженные сигналы обрабатывают в предварительном усилителе, в котором установку коэффициента усиления осуществляет микроконтроллер, а затем усиленный аналоговый сигнал преобразуется в цифровой в блоке цифровой обработки, частота дискретизации которого устанавливается микроконтроллером. Преобразованный в дискретный вид аналоговый сигнал сохраняется в промежуточном буфере микроконтроллера и далее по запросу передается на вычислитель для последующей обработки.
Недостатком известного устройства является его невысокая помехозащищенность. Это, объясняется тем, что аналоговая часть электронной схемы размещена в блоке манипулятора, а цифровая ее часть - в вычислителе, которые расположены на значительном расстоянии друг от друга. При этом кабель, соединяющий эти блоки, является источником помех, которые для данного вида измерений являются существенными. Как указывалось выше, контроль распределения остаточных напряжений основан на измерении разности времен прохождения одного и того же расстояния акустическими волнами разных мод, причем эти измерения проводятся с точностью до наносекунд. В этом случае, сигналы наводки в соединительном кабеле значительно искажают картину измерений.
Задачей, решаемой полезной моделью является увеличение помехозащищенности при контроле распределения остаточных напряжений в ободьях колес.
Поставленная задача решается за счет того, что предлагаемое устройство также, как и известное, содержит блок манипулятора, на котором установлены электромагнитно-акустический преобразователь и механизмы его перемещения, блок вычислителя с интерфейсным блоком, и электронный блок, состоящий из генератора зондирующих импульсов, выход которого соединен с электромагнитно-акустическим преобразователем, который соединен с предварительным усилителем, соединенным через блок цифровой обработки и интерфейсный блок с вычислителем, который через интерфейсный блок соединен с механизмами перемещения преобразователя, с микроконтроллером, который соединен с блоком цифровой обработки и генератором зондирующих импульсов. Но, в отличие от известного, в предлагаемом устройстве электронный блок размещен в блоке манипулятора.
Достигаемый технический результат - увеличение помехозащищенности. При размещении всей электронной схемы в блоке манипулятора в блок вычислителя через кабель поступает только цифровой сигнал и отсутствует аналоговый. В этом случае наводка в соединительном кабеле вычислителем воспринимается именно как помеха, и она не будет сказываться на результатах обработки информационного сигнала.
Полезная модель иллюстрируется чертежом, на котором приведена схема предлагаемого ультразвукового устройства.
Ультразвуковое устройство содержит блок манипулятора 1, в котором размещен ЭМАП 2, механизмы 3 и 4 продольного перемещения и поворота ЭМАП, а также электронная схема, состоящая генератора 5 зондирующих импульсов, соединенного с ЭМАП 2, выход которого соединен с предварительным усилителем 6, выход которого соединен через блок 7 цифровой обработки, блок интерфейса 8 с вычислителем 9. Вычислитель 9 может быть выполнен в виде персонального компьютера (ПК). Блок 7 цифровой обработки дополнительно соединен с микроконтроллером 10, соединенным с генератором 5 зондирующих импульсов и через интерфейсный блок 8 с вычислителем 9, сигнал с которого через интерфейсный блок поступает на механизмы перемещения ЭМАП.
Как видно из описания устройства, вся электронная схема размещена в блоке 1 манипулятора, поэтому в аналоговом сигнале нет помех, вызванных электрическими наводками, так как блок цифровой обработки 7, преобразующий аналоговый сигнал в цифровой расположен также в блоке манипулятора. По кабелю, который идет к рабочему месту оператора - ПК проходит только дискретный сигнал.