Ультразвуковой способ определения механических напряжений в рельсах



Ультразвуковой способ определения механических напряжений в рельсах
Ультразвуковой способ определения механических напряжений в рельсах
Ультразвуковой способ определения механических напряжений в рельсах
Ультразвуковой способ определения механических напряжений в рельсах
Ультразвуковой способ определения механических напряжений в рельсах
Ультразвуковой способ определения механических напряжений в рельсах
Ультразвуковой способ определения механических напряжений в рельсах

 

G01N29/07 - Исследование или анализ материалов с помощью ультразвуковых, звуковых или инфразвуковых волн; визуализация внутреннего строения объектов путем пропускания через них ультразвуковых или звуковых волн через предметы (G01N 3/00-G01N 27/00 имеют преимущество; измерение или индикация ультразвуковых, звуковых или инфразвуковых волн вообще G01H; системы с использованием эффектов отражения или переизлучения акустических волн, например акустическое изображение G01S 15/00; получение записей с помощью способов и устройств, аналогичных используемым в фотографии, но с использованием ультразвуковых, звуковых или инфразвуковых волн G03B 42/06)

Владельцы патента RU 2619842:

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Сибирский государственный университет путей сообщения" (СГУПС) г. Новосибирск (RU)

Использование: для определения механических напряжений в рельсах. Сущность изобретения заключается в том, что на рельсовые нити устанавливают преобразователи, подключают их к приемному устройству, производят начальные (эталонные) измерения, величину механических напряжений определяют по результатам измерения временных задержек прихода ультразвукового сигнала к приемникам от начальных измерений, при этом измерение начального напряжения осуществляют подключенным к приемному устройству преобразователем, установленным на отрезке рельса, размещенном на перемещающейся по рельсовому пути тележке, дополнительно измеряют временные задержки прихода ультразвукового сигнала к приемному устройству в зависимости от высоты рельса, подключенными к нему преобразователями продольной волны, установленными на отрезке рельса, и поверхности рельсовых нитей и механические напряжения определяют по заданной математической формуле. Технический результат: повышение точности определения механических напряжений в рельсах в динамике. 1 з.п. ф-лы, 2 табл., 1 ил.

 

Изобретение относится к неразрушающему контролю и технической диагностике верхнего строения пути, к рельсам, и может быть использовано для определения в них механических напряжений.

Известен способ определения механических напряжений в нагруженном рельсе через измерение временной задержки распространения ультразвуковых волн с использованием метода акустоупругости, при котором на поверхность катания головки рельса в области над шейкой устанавливаются измеритель температуры рельса и два пьезоэлектрических преобразователя, один из которых является излучателем, а другой - приемником, оси которых ориентированы навстречу друг другу, после чего дефектоскопом возбуждается зондирующий сигнал, задержка времени распространения ультразвуковых сигналов измеряется цифровым осциллографом, а измерительная информация обрабатывается и сохраняется в компьютере (Степанова Л.Н., Курбатов А.Н., Тенитилов Е.С., Глухов Б.В. Влияние температуры на задержку времени распространения ультразвуковых волн в рельсе // Известия высших учебных заведений. Строительство, 2014, №5, с. 118-124), принятый за аналог.

Недостатком способа является низкая точность измерения напряжения в рельсе, так как не учитывается влияние изменения высоты рельса из-за его деформации и износа, что вносит погрешность в измерение времени задержки. Кроме того, не учитывается влияние изменения температуры окружающей среды на время прохождения сигнала от излучателя до приемника.

Наиболее близким по технической сущности является способ измерения напряжений в рельсах, заключающийся в том, что на шейку рельсовой нити устанавливают пьезоэлектрические преобразователи, с помощью которых измеряют время прохождения ультразвуковых волн, подключают их к приемному устройству и измеряют время задержки импульсов, после чего производится расчет напряжений как

9

где k1, k2 - коэффициенты акустоупругой связи, которые характеризуют изменение скорости упругих волн при изменении напряжения на 1 МПа;

t01, t1 - времена распространения продольной ультразвуковой волны до и после возникновения напряжений, пропорциональных толщине шейки рельса;

t02, t2 - времена распространения поперечных ультразвуковых волн до и после возникновения напряжений, пропорциональных толщине шейки рельса (Карпов И.Г., Филатов Е.В., Лопатин М.В. и др. Измерение напряжений в плетях бесстыкового пути акустическим методом // Вестник транспорта Поволжья, 2012, №1(31), с. 53-59), принятый за прототип.

Недостатком способа определения механических напряжений в рельсах путем измерения времени распространения ультразвуковых волн является недостаточная точность, связанная с тем, что он используется для статического определения напряжения в точке на конкретном участке рельса, а не в движении. Измерение при использовании данного метода осуществляется не по всему объему рельса, а только в области шейки. Кроме того, для работы способа предусматривается зачистка рельса в месте установки пьезоэлектрического преобразователя, а для обеспечения акустического контакта используется жидкость CHEAR GEL с высокой степенью вязкости. Для повышения точности работы способа определения механических напряжений, описанного в прототипе, необходимо измерять температуру рельса, а это приводит к увеличению времени контроля и удорожанию работы по определению напряжений в рельсах. Не учитывается изменение времени прохождения ультразвуковой волны в рельсе с изменяемой высотой из-за его шлифования и износа по всей его длине. Кроме того, регистрация напряжений производится не в процессе движения состава, а в статике на выбранном участке рельса.

При разработке заявляемого ультразвукового способа определения механических напряжений в рельсах была поставлена задача повышения точности их определения в динамике.

Поставленная задача решается за счет того, что в предлагаемом ультразвуковом способе определения механических напряжений в рельсах, заключающемся в том, что на рельсовые нити устанавливают преобразователи, подключают их к приемному устройству, производят начальные (эталонные) измерения, величину механических напряжений определяют по результатам измерения временных задержек прихода ультразвукового сигнала к приемникам от начальных измерений, при этом измерение начального напряжения осуществляют подключенным к приемному устройству преобразователем, установленным на отрезке рельса, размещенном на перемещающейся по рельсовому пути тележке, дополнительно измеряют временные задержки прихода ультразвукового сигнала к приемникам в зависимости от высоты рельса, подключенными к приемному устройству преобразователями продольной волны, установленными на отрезке рельса, и поверхности рельсовых нитей и механические напряжения определяют по формуле:

где - время распространения сигнала продольной волны в ненагруженном отрезке рельса и в рельсовой нити, мс; - время распространения сигнала от излучателя к приемнику соответственно в ненагруженном отрезке рельса и в рельсовой нити, нс; ΔτL - разность времен распространения сигнала продольной волны в дополнительных преобразователях, установленных на ненагруженном отрезке рельса, нс; ΔτLT - разность времен распространения сигнала от излучателя к приемнику в дополнительных преобразователях, установленных на ненагруженном отрезке рельса, не; k - акустоупругий коэффициент, МПа-1, при этом преобразователи устанавливают параллельно друг другу на неподготовленную поверхность рельсовых нитей.

На чертеже представлена структурная схема устройства, реализующая ультразвуковой способ определения механических напряжений в рельсах.

Устройство включает:

1 - рельсовая нить;

2 - передвигающаяся по рельсам тележка;

3 - генератор;

4 - цифровой осциллограф;

5 - преобразователь продольной волны, установленный на ненагруженный отрезок рельса;

6 - блок, состоящий из двух наклонных преобразователей, которые работают в режиме излучения и приема;

7 - ненагруженный отрезок рельса;

8 - преобразователь продольной волны, устанавливаемый на рельсовую нить;

9 - блок, состоящий из двух наклонных преобразователей, которые работают в режиме излучения и приема, устанавливаемый на рельсовую нить;

10 - компьютер;

11 - прижимной механизм;

12 - бак с контактной жидкостью.

Каждый преобразователь продольной волны 5, 8 состоит из одного прямого пьезоэлектрического преобразователя, работающего по совмещенной схеме подключения, а каждый блок 6, 9 - из двух наклонных пьезоэлектрических преобразователей, работающих по раздельной схеме подключения, при этом один из них является излучателем ультразвуковых волн, а другой - приемником. Прямой пьезоэлектрический преобразователь 5, 8 излучает продольную ультразвуковую волну, распространяющуюся перпендикулярно поверхности катания рельса и используется для измерения времени прохождения продольной ультразвуковой волны от поверхности катания рельса до донной поверхности его подошвы и обратно. Два наклонных преобразователя 6, 9 предназначены для излучения и приема ультразвуковой волны с поверхности катания головки рельса 1 и ненагруженного отрезка рельса 7 под углом 18°. При этом волна распространяется по шейке до противоположной донной поверхности подошвы и, отразившись от нее, возвращается к приемному преобразователю, который расположен на поверхности катания головки рельса. Измеряют времена распространения ультразвуковых волн в каждой рельсовой нити 1 и ненагруженном отрезке рельса 7, возбужденные прямыми пьезоэлектрическими преобразователями 5, 8. Ультразвуковая волна, которая излучается одним из блоков наклонных пьезоэлектрических преобразователей 6, 9 в виде продольной (поперечной) волны, достигнув донной поверхности подошвы рельса, отражается от нее и трансформируется в поперечную (продольную) волну, принимаемую вторым - приемным наклонным преобразователем, подключенным к генератору 3 и цифровому осциллографу 4. При этом сравниваются времена прохождения ультразвуковых волн в ненагруженном отрезке рельса 7 и в каждой рельсовой нити 1. По разности отношений времен и акустоупругому коэффициенту определяют продольные механические напряжения в каждой рельсовой нити.

Способ реализуется следующим образом.

Для определения механических напряжений в рельсах сначала измерялась температура ненагруженного отрезка рельса 7, размещенного на тележке 2 и рельсовых нитях 1 исследуемого участка пути. При изменении температуры внешней среды необходимо дождаться равенства температур на рельсовых нитях 1 и на отрезке рельса 7. Для контроля соосности шейки рельсовой нити 1 и преобразователей 8 и 9, обеспечения необходимого прижимного усилия и улучшения контакта использовался прижимной механизм 11. После этого производятся начальные измерения. При этом на рельсы устанавливаются прямые преобразователи 5, 8 и блоки, состоящие из двух наклонных преобразователей 6, 9. Для этого предварительно создавался между ними акустический контакт за счет подачи из бака 12 контактной жидкости. Ультразвуковой сигнал с генератора 3 проходил на преобразователи 5, 6 и 8, 9. Цифровым осциллографом 4, с помощью преобразователей 5 и 8 оценивалось время распространения сигнала продольной волны в ненагруженном отрезке рельса, а с помощью преобразователей 6 и 9- время распространения сигнала от излучателя (И) к приемнику (П) в рельсовой нити. Результаты измерений сохранялись в памяти компьютера 10. Затем в процессе перемещения тележки 2 измеряются временные задержки прихода ультразвукового сигнала к приемникам блока преобразователей 6, 9 и дополнительно измеряются временные задержки прихода ультразвукового сигнала к приемникам 5, 8 в зависимости от высоты ненагруженного отрезка рельса 7 и рельсовой нити 1. Результаты измерений сохранялись в памяти компьютера 10. Используя сохраненные в памяти компьютера 10 результаты измерений и подставляя их в формулу, определялась величина продольных механических напряжений в рельсовых нитях:

где - время распространения сигнала продольной волны в ненагруженном отрезке рельса и в рельсовой нити, мс; - время распространения сигнала от излучателя к приемнику соответственно в ненагруженном отрезке рельса и в рельсовой нити, нс;

ΔτL - разность времен распространения сигнала продольной волны в дополнительных преобразователях, установленных на ненагруженном отрезке рельса, нс;

ΔτLT - разность времен распространения сигнала от излучателя к приемнику в дополнительных преобразователях, установленных на ненагруженном отрезке рельса, нс;

k - акустоупругий коэффициент, МПа-1.

Полученные результаты сравнивались с допускаемыми положительными и отрицательными напряжениями. Значения продольных механических напряжений, выходящие за пределы допускаемых, считались закритическими, и на участке с таким напряжением требуется принимать меры по приведению плети в оптимальную температурно-напряженную систему, то есть проводить «разрядку» механических напряжений.

Пример 1

Ультразвуковой способ определения механических напряжений в рельсах был реализован при контроле рельсов Р 65 на полигоне СГУПС. Для создания растягивающего или сжимающего напряжения в рельсах использовалось устройство, защищенное патентом на ПМ №154503, с помощью которого изменялось приложенное напряжение. На рельсы установили перемещающуюся по рельсам тележку 2, на которой разместили генератор 3, ненагруженный отрезок рельса 7 с блоком 6, прямым преобразователем 5 и бак с контактной жидкостью 12. На рельсовые нити 1 и рельс 7 из бака 12 подавалась контактная жидкость, на которую устанавливали прямые преобразователи 5, 8 и блоки преобразователей 6 и 9, при этом блоки преобразователей 9 устанавливали параллельно друг другу на неподготовленную поверхность рельсовых нитей. Блоки преобразователей 6 и 9, работающие в режиме излучения и приема, подключали к генератору 3, представляющего собой ультразвуковой дефектоскоп УД2-102 «Пеленг» для возбуждения зондирующих импульсов, наблюдения и контроля по А-развертке принятых, отраженных и прошедших сигналов и цифровому осциллографу 4. Затем блоком преобразователей 6 производили начальные (эталонные) измерения и по результатам измерения временных задержек прихода ультразвукового сигнала к приемникам от начальных измерений определяли величину начальных (эталонных) механических напряжений, затем в процессе перемещения тележки 2 измеряли временные задержки прихода ультразвукового сигнала к приемникам блока преобразователей 6, 9 и дополнительно измеряли временные задержки прихода ультразвукового сигнала к приемникам 5, 8 в зависимости от высоты ненагруженного отрезка рельса 7 и рельсовой нити 1. Создаваемые в устройстве напряжения контролировали микропроцессорной тензометрической системой ММТС-64.01 (свидетельство об утверждении типа RU.C.34.007.A №44412, регистрационный номер №21760-01) класса точности 0,2, которая осуществляла измерение деформаций с использованием проволочных тензодатчиков типа ПКС-12 (свидетельство RU. C. 28.007. А №30935, введен в Государственный реестр под №37343-08) сопротивлением R=200 Ом, базой L=12 мм и коэффициентом тензочувствительности К=2,12 и предлагаемым ультразвуковым способом. Результаты измерений приведены в таблице 1.

Как видно из табл.1, погрешность в определении механических напряжений составляет не более 10%.

Экспериментально исследовалось влияние температуры рельса на напряжения, создаваемые в нем. Экспериментальные результаты были получены в зимний, весенний, летний, осенний периоды на закрепленном рельсовом пути с рельсами Р65, в которых создавалось напряжение растяжения, равное 63 МПа. Напряжения контролировались микропроцессорной тензометрической системой ММТС-64.01 и проволочными тензодатчиками типа ПКС-12. Температура рельса измерялась рельсовым термометром типа ИТ 5-п/п-ЖД с пределом допускаемой абсолютной погрешности измерения не более ±1°С.Напряжения в рельсах определяли предлагаемым способом по времени распространения ультразвуковых сигналов в контролируемом рельсе 1 и в ненагруженном отрезке рельса 7. Результаты измерений приведены в таблице 2.

Как видно из табл.2, при определении напряжения предлагаемым ультразвуковым способом изменение температуры вносит относительную погрешность, не превышающую 10%.

Предлагаемый способ по сравнению с прототипом имеет преимущество в связи с тем, что преобразователи, расположенные на поверхности катания каждой рельсовой нити 1 и на ненагруженном отрезке рельса 7, находятся в одинаковых климатических условиях, что повышает точность измерений. При этом контролируется весь объем рельса, начиная с поверхности катания головки рельса, шейки и заканчивая донной поверхностью подошвы. Измерения проводятся непрерывно в динамике при движении тележки на всем протяжении участка контроля, а не отдельных участков шейки рельса непосредственно в области под преобразователем, как в прототипе.

Установка прямого преобразователя продольной волны на ненагруженном отрезке рельса позволяет проводить измерение времени распространения сигнала в зависимости от высоты рельса в процессе движения. Преобразователи продольной волны позволяют при изменении высоты рельса, вносить поправки за счет изменения расстояния между излучателем и приемником и тем самым исключить погрешности, появляющиеся в результате шлифования и износа по всей его длине.

Кроме того, контакт ультразвуковых преобразователей с рельсом осуществляется с поверхности катания головки, а не с боковой поверхности шейки, как в прототипе. При этом, перемещаясь по поверхности катания головки рельса, ультразвуковые преобразователи не сталкиваются с препятствиями в виде стыковых накладок, которые размещаются на шейке. Настройка оборудования проводится однократно в начале работы и не требует дополнительных подготовительных работ, связанных с зачисткой места контроля, нанесением меток или маркеров и т.д. Это приводит к уменьшению времени контроля и снижению материальных затрат на контроль напряжений рельсов. Кроме того, предлагаемый способ позволяет при сплошном контроле определить места возникновения закритических механических напряжений и своевременно принять меры по стабилизации рельсовых плетей и предотвращению их повреждений, что повышает безопасность движения поездов.

1. Ультразвуковой способ определения механических напряжений в рельсах, заключающийся в том, что на рельсовые нити устанавливают преобразователи, подключают их к приемному устройству, производят начальные (эталонные) измерения, величину механических напряжений определяют по результатам измерения временных задержек прихода ультразвукового сигнала к приемникам от начальных измерений, отличающийся тем, что измерение начального напряжения осуществляют подключенным к приемному устройству преобразователем, установленным на отрезке рельса, размещенном на перемещающейся по рельсовому пути тележке, дополнительно измеряют временные задержки прихода ультразвукового сигнала к приемному устройству в зависимости от высоты рельса, подключенными к нему преобразователями продольной волны, установленными на отрезке рельса, и поверхности рельсовых нитей и механические напряжения определяют по формуле:

где - время распространения сигнала продольной волны в ненагруженном отрезке рельса и в рельсовой нити, мс;

- время распространения сигнала от излучателя к приемнику в ненагруженном отрезке рельса и в рельсовой нити, нс;

ΔτL - разность времен распространения сигнала продольной волны, в ненагруженном отрезке рельса, нc;

ΔτLT - разность времен распространения сигнала от излучателя к приемнику в ненагруженном отрезке рельса, нс;

k - акустоупругий коэффициент, МПа-1.

2. Ультразвуковой способ определения механических напряжений в рельсах по п. 1, отличающийся тем, что преобразователи устанавливают параллельно друг другу на неподготовленную поверхность рельсовых нитей.



 

Похожие патенты:

Использование: для производства пищевых продуктов. Сущность изобретения заключается в том, что в общем варианте осуществления системы для производства пищевого продукта включают в себя по меньшей мере один теплообменник, по меньшей мере один резервуар для пищевого продукта, по меньшей мере один трубопровод, расположенный ниже по потоку от резервуара для пищевого продукта, для потока пищевого продукта и детектор потока, соединенный с трубопроводом снаружи.

Раскрыты способ и устройство для определения саморасцепа железнодорожного состава, когда один или более железнодорожных вагонов/пассажирских вагонов (401) случайно расцепляются от остальной части железнодорожного состава.

Изобретение относится к геофизическим, а в частности к сейсмоакустическим, методам исследований и может быть использовано для калибровки сейсмоакустических преобразователей, применяющихся при мониторинге различных технических объектов.

Использование: для диагностики изделий сложной геометрии. Сущность изобретения заключается в том, что в изделии возбуждают вынужденные колебания электромагнитным способом, измеряют параметры колебаний и разность фаз между опорным сигналом и колебаниями изделия в нескольких различных точках, возбуждают бигармонические колебания, выделяют сигнал отклик на комбинационных частотах, а по изменению параметров этого сигнала в сравнении с эталонными параметрами изделия без дефекта судят о наличии или отсутствии значимых дефектов в проверяемом изделии.

Способ относится к области измерительной техники и может быть использован для оперативного контроля уровня и плотности жидкости в баках резервуарного парка, что актуально для предприятий нефтедобывающей, нефтеперерабатывающей, авиационной, медицинской, пищевой промышленности.

Использование: для измерения параметров ультразвуковых волн (УЗВ) при исследованиях физико-механических характеристик материалов и дефектоскопии. Сущность изобретения заключается в том, что перед проведением основного измерения получают информацию о помехе, для чего в исследуемой среде располагают излучающий и приемный преобразователи, возбуждают и принимают ультразвуковые импульсы, нормируют амплитуду первого вступления, соответствующего волне помехи, запоминают полученный импульс, после чего проводят основное измерение, нормируют амплитуду первого вступления импульса, совмещают его с первым вступлением импульса, полученного при предварительном измерении, и производят вычитание импульсов.
Изобретение относится к геофизическим, в частности сейсмоакустическим, методам исследований, и может быть использовано для калибровки характеристик сейсмоакустических преобразователей.

Группа изобретений относится к средствам диагностики целостности корпуса оборудования. Технический результат – повышение точности определения потерь целостности корпуса оборудования.

Изобретение относится к области медицины, в частности к области онкологии и урологии, и касается способа выбора отделов предстательной железы для пункции при диагностике рака предстательной железы.

Изобретение относится к области исследования материалов с помощью ультразвуковых волн акустическими контрольно-измерительными приборами и может быть использовано при неразрушающем контроле материалов и изделий в различных областях промышленности.
Наверх