Устройство магнитной дефектоскопии ободьев колесной пары
WHEELSET RIM MAGNETIC FLAW DETECTION DEVICE

Изобретение относится к устройствам исследования или анализа ферромагнитных материалов для обнаружения локальных дефектов с помощью магнитных средств. В частности, с применением метода рассеяния (вытеснения) магнитного потока или Magnetic flux leakage (expulsion) (MFL). Изобретение может быть использовано при производстве, ремонте и т.п.колесных пар для обследования состояния их ободьев.
Известно, что согласно нормативным документам российских железных дорог (РЖД) [1] при дефектоскопии колесных пар основными способами контроля колесных пар являются:
1. Ультразвуковой (УЗ) - для контроля оси, обода, приободной зоны диска, перехода от диска к ступице, гребня, кромки ступицы и поверхности катания, например, [2]. Недостатки УЗ методов контроля состоят в сложности обеспечения акустического контакта излучателя-датчика с поверхностью объекта исследования, заданных углов прозвучивания и т.п.
2. Вихретоковый (ВТ) контроль используется для дефектоскопии упорного кольца буксового подшипника, латунного сепаратора подшипника буксового узла, роликов подшипников буксового узла и других мелких деталей. ВТ контроль обеспечивает лишь приповерхностную дефектоскопию (до 2,7 мм), например, [3] Патент RU 2493561.
3. Магнитный контроль (МК), который предлагается для контроля оси колесной пары и всех других цилиндрических поверхностей. МК является наиболее достоверным дефектоскопическим способом, обеспечивающим достаточный по глубине (до 20 мм и более) и повторяемый результат зондирования исследуемого объекта.
Способы магнитной дефектоскопии заключаются в создании магнитного потока на исследуемых участках ферромагнитных объектов. Поверхностные и внутренние дефекты объекта исследования вызывают неоднородности магнитного поля, которые могут быть обнаружены соответствующими средствами и позволяют оценить дефект. Устройства магнитной дефектоскопии отличаются
1. Способами и средствами намагничивания объекта исследования.
2. Типами сигналов, использующихся для намагничивания.
3. Способами приема и оценки сигналов аномалий магнитного поля.
В качестве способов и средств намагничивания могут использоваться [3] постоянные или электромагниты, ориентированные различными способами относительно исследуемого объекта. Постоянные магниты не могут создавать поле большой амплитуды и соответственно большую глубину зондирования. Электромагниты позволяют создавать мощное магнитное поле, проникающее в объект до 20 мм и более, доводящее ферромагнитный объект исследования до состояния близкого к магнитному насыщению, при котором аномалии магнитного поля можно зафиксировать на поверхности объекта исследования.
При МД большое значение имеет средство возбуждения магнитного поля в объекте исследования. Обычно в качестве такого средства используется П-образный магнит (постоянный или электромагнит). При этом магнитная дефектоскопия обычно осуществляется ручным перемещением зондирующих приборов, т.е. длительно и трудоемко. Проблемой МД в этом случае является обеспечение контакта полюсов излучателя магнитного поля с исследуемым объектом, связанная, например, с шероховатостью исследуемого объекта. Зазор между излучателем магнитного поля и объектом исследования приводит к существенным потерям энергии пропорциональным зазору в третьей степени.
В качестве зондирующих сигналов могут использоваться постоянное, переменное или импульсное возбуждение. В рассматриваемом применении наиболее перспективным является возбуждение магнитного потока электромагнитами постоянного тока.
В качестве средств обнаружения аномалий магнитного поля при МД в РЖД рекомендуют использовать [4]. Этот способ реализован, например, в [5].
Магнитопорошковый способ оценки аномалий магнитного поля является не точным из-за малой глубины обнаружения дефектов, субъективным и не позволяет точно определить характеристики дефекта.
Известно устройство магнитной дефектоскопии [6], в котором под поверхностью катания рельса устанавливают встроенные постоянные магниты и датчики аномалий магнитного поля.
Идея построения устройства состоит в том, что в поверхность рельса на участке большем, чем длина обода колеса, встраивают множество излучателей магнитного поля - постоянных магнитов и приемников аномальных магнитных сигналов. Несомненным достоинством данного способа является возможность его использования на действующем подвижном составе без демонтажа колесных пар.
Недостатком данного устройства является малая глубина обнаружения дефектов, обусловленная слабой степенью намагничивания постоянными магнитами и, соответственно, низкое качество обнаружения дефектов.
Наиболее близким к заявляемому изобретению является устройство магнитной дефектоскопии ободьев диагностируемой колесной пары, [7], содержащее электромагнит с сердечником, возбуждающий магнитный поток на исследуемых участках ободьев и средство обнаружении на них аномалий магнитного поля.
В устройстве [7] создание магнитного потока в исследуемых участках ободьев колесных пар осуществляется П-образными электромагнитами, контактирующими с ободьями колесных пар. Обнаружение аномалий магнитного поля производится с использованием магнитного порошка. Измерения проводят ручным перемещением по ободьям намагничивающего устройства. Такой способ создания магнитного потока и его оценки используется во множестве применений для обследования объектов сложной формы: труб, канатов и т.п.
Недостатками устройства [7] являются низкие точность и производительность дефектоскопии.
Низкая точность обусловлена:
- Проблемами с обеспечением контакта П-образного магнитного возбудителя магнитного поля с объектом исследования - ободом рельса имеющем сложную форму.
- Малой мощностью ручного электромагнита, приводящая к малой глубине обнаружения дефектов.
- Магнитопорошковым способом обнаружения и оценки дефектов.
Низкая производительность измерений обусловлена:
- ручным характером проведения измерений с необходимостью перемещения измерительного инструмента и (или) колесной пары, выбора шага измерений и т.п.;
- магнитопорошковым способом оценки, требующим нанесения порошка или суспензии на область исследования и визуальной оценкой результатов.
Техническими результатами использования заявляемого изобретения является повышение точности и производительности обнаружения дефектов в ободьях колесных пар.
Поставленный технический результат достигается за счет того, что в устройстве магнитной дефектоскопии ободьев колесной пары, содержащем электромагнит с сердечником, возбуждающий магнитный поток на исследуемых участках ободьев и средства обнаружении на них аномалий магнитного поля, дополнительно предусмотрена установка колесной пары на два валка, форма которых обеспечивает максимальное пятно контакта с ободьями колесной пары, в качестве сердечника электромагнита используют оси валков, в качестве средства обнаружении аномалий магнитного поля используют датчики магнитного поля, которые неподвижно размещают между пятнами контакта колесной пары и валков, смещают исследуемые участки ободьев колесной пары путем совместного вращения колесной пары и валков.
Существенными отличиями заявляемого устройства магнитной дефектоскопии ободьев диагностируемой колесной пары по сравнению с прототипом являются:
Колесную пару устанавливают на два валка, которые позволяют легко перемещать ее, используя, например, привод валка.
В прототипе дефектоскопию колесной пары проводят путем ручного перемещения П-образного электромагнита по ободу первого, а затем второго колеса.
Форму валков выполняют так, чтобы обеспечить максимальное пятно (зона) их контакта с ободьями диагностируемой колесной пары. Такое исполнение позволяет пропустить достаточно большое поле намагничивания через зону контакта.
В прототипе качество магнитопровода, образованного контактом П-образного электромагнита с ободом колеса недостаточно для пропускания большого магнитного потока.
В качестве сердечника электромагнита используют оси валков, что позволяет возбудить достаточно мощное магнитное поле и добиться большой глубины дефектоскопии.
В прототипе ручной П-образный электромагнит возбуждает небольшое магнитное поле, которое позволяет обнаружить лишь приповерхностные дефекты. Плоские поверхности полюсов магнита не согласованы с формой сканируемой поверхности обода колеса.
В качестве средства обнаружении аномалий магнитного поля используют датчики магнитного поля, что дает большую точность обнаружения и оценки дефектов.
В прототипе магнитопорошковый способ трудоемок и позволяет лишь качественно оценить приповерхностные дефекты.
Датчики магнитного поля неподвижно размещают между пятнами контакта колесной пары и валков, что позволяет постоянно (с любым шагом) обнаруживать дефекты.
В прототипе датчиков магнитного поля нет.
Смещают исследуемые участки ободьев колесной пары путем совместного вращения колесной пары и валков. Такой вариант дефектоскопии всего обода колесной пары позволяет провести измерения более быстро и точно, в том числе автоматизированном способом.
В прототипе ручное перемещение П-образного электромагнита по ободу колеса отличает высокая трудоемкость и длительность. Не ясен также вопрос с шагом перемещения, обеспечивающим заданное разрешение.
Принципиальными преимуществами заявляемого устройства являются:
1. Использование MFL технологии, которая позволяет, используя большую амплитуду намагничивающих сигналов, добиться большой глубины дефектоскопии.
2. Хороший механический и магнитный контакт валков и колесных пар позволяет минимизировать потери энергии в точках контакта устройства намагничивания и исследуемого объекта.
3. Использование датчиков аномалий магнитного поля (катушек индуктивности, датчиков Холла и т.п.), позволяет более точно обнаружить и оценить характер дефекта.
Заявляемое устройство иллюстрируют следующие графические материалы.
Фиг. 1 - конструкция заявляемого устройства, где:
1. Колесная пара.
2. Валки.
3. Катушка электромагнита.
4. Магнитный поток.
5. Датчики магнитного поля.
6. Ось валка 2.
Рассмотрим возможность реализации заявляемого устройства.
Валки 2 изготавливают из ферромагнитного материала и вращательно устанавливают в станину, которая на Фиг. 1 не показана с целью упрощения. Станина должна быть выполнена из немагнитного материала, чтобы не допустить утечек магнитного поля. Форма валков 2 выполняется так, чтобы обеспечить максимальное пятно контакта с ободьями диагностируемой колесной пары, т.е. с поверхностью катания колес. На оси 6 валков 2 устанавливают достаточно мощные катушки электромагнитов 3 (соленоиды) с согласованным направлением создания магнитного поля. Один из валков 2 может быть снабжен приводом для вращения колесной пары 1 и второго валка 2.
Колесную пару 1 устанавливают на валки 2. При включении электромагнитов 3 возникает магнитный поток, который проходит по кратчайшему пути: ось первого валка → пятно контакта первого валка 2 и первого колеса колесной пары 1 → участок обода первого колеса колесной пары 1 (исследуемый участок обода) → пятно контакта второго валка 2 и первого колеса колесной пары → ось второго валка и т.д., см. Фиг. 1. В результате исследуемые участки ободьев колесных пар между пятнами контакта окажутся намагниченными в степени близкой к насыщению. Глубина проникновения магнитного поля может составлять 20 мм и более.
Между пятнами контакта устанавливают датчики магнитного поля 5, воспринимающие аномалии магнитного поля, которые возникают в окрестности дефектов. При возникновении сигнала от датчиков 5 легко определить местоположение дефекта на соответствующем ободе колеса, а по амплитуде сигнала - степень опасности дефекта. Количество датчиков 5 может быть различным: от одного (большого) - для обнаружения дефекта в исследуемом участке обода колеса, до нескольких - для локализации обнаруженного дефекта по ширине обода.
При совместном вращении валков 2 и колесной пары 1 исследуемый участок смещается относительно датчиков 5, позволяя последовательно провести дефектоскопию ободьев колесной пары.
Таким образом, заявляемое устройство может быть реализовано и обеспечивает повышение точности измерений и производительности контроля.
Источники информации:
1. НЕРАЗРУШАЮЩИЙ КОНТРОЛЬ ДЕТАЛЕЙ ВАГОНОВ / Общие положения. РУКОВОДЯЩИЙ ДОКУМЕНТ РД 32.174-2001, (http://consult-nk.ru/uploads/files/2014-09/1411371581_rd-32.1742001-nerazrushayuschiy-kontrol-detaley-vagonov.-obschi/e-polozheniya.pdf) (Приложение А, Таблица А.1, стр. 15-16).
2. Патент RU 78323.
3. ГОСТ Р 55680-2013 Контроль неразрушающий. Феррозондовый метод http://www.internet-law.ru/gosts/gost/55426/.
4. МАГНИТОПОРОШКОВЫЙ МЕТОД НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ ДЕТАЛЕЙ ВАГОНОВ. Руководящий документ. РД 32.159-2000. http://consult-nk.ru/uploads/files/2014-09/1411131614_rd-32.159-2000-magnitoporoshkovyy-metod-nerazrushayuschego-kontrolya-detaley-vagonov.pdf.
5. Патент RU 2518954.
6. Jinyi Lee, Seokjin Kwon. Non-Destructive Testing of a Train Wheel using a Linearly Integrated Hall Sensor Array2011 IEEE Sensors Applications Symposium (SAS), Page(s): 268-272 (КОРЕЯ).
7. Мотовилов К.В. Методические указания к лабораторным работам. - М.: МИИТ, 2005. - 110 рис 2. 11, с. http://library.miit.ru/methodics/22_08_2012/04-35080.pdf