Результат интеллектуальной деятельности: УСТРОЙСТВО ДИАГНОСТИКИ КОНТРОЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ УСТРОЙСТВА КОНТРОЛЯ СХОДА ПОДВИЖНОГО СОСТАВА (УКСПС)

Изобретение относится к методам неразрушающего контроля и может быть использовано для диагностики контрольных элементов устройств контроля схода подвижного состава (УКСПС).

Уровень техники заявляемого устройства известен из диагностического комплекса магнитного контроля (ДКМК), приведенного на сайте http.//scbist.com/scb/uploaded/21_1333478377.rar. См СЦБИСТ.

Известный диагностический комплекс магнитного контроля (ДКМК) состоит из двух электронных приборов: блока контроля вихретоковым методом ЭМИТ-1М с датчиком вихретокового контроля (ДВК) и блока контроля по методу магнитной памяти металла ИКНМ-2ФП с датчиком магнитной памяти метала (МПМ), блоков питания, контрольного плоского образца.

Известный ДКМК предназначен для контроля плоских контрольных элементов, установленных на последних моделях УКСПС, и не позволяет проводить контроль цилиндрических контрольных элементов УКСПС. Второй недостаток заключается в недостаточной чувствительности датчиков. Это обусловлено большими потерями «рабочего сигнала», снимаемого с датчика, при передаче его в электронный блок. Значительное время проведения диагностики одного элемента.

Задачей заявляемого технического решения является повышение безопасности железнодорожного движения.

В процессе решения поставленной задачи достигается технический результат, заключающийся в снижении числа ложных срабатываний УКСПС, в расширении области применения устройства, заключающемся в диагностировании контрольных элементов УКСПС, имеющих различную геометрическую форму, повышении уровня точности, снижении уровня шумов и наводок при измерении за счет экранирования и размещения измерительной цепи рядом с чувствительным элементом.

Технический результат достигается устройством диагностики контрольных элементов устройства контроля схода подвижного состава (УКСПС), включающим электронный блок обнаружения и поиска дефектов на основе метода магнитной памяти металла (МПМ) с феррозондовым преобразователем (ФЗП), электронный блок обнаружения и поиска дефектов вихретоковым методом с вихретоковым преобразователем (ВТП), при этом устройство дополнительно имеет электронный блок регистрации и обработки, в состав которого входят корпус, источник питания, клавиатура, дисплей, энергонезависимая флеш-память, часы реального времени, микроконтроллер, интерфейс связи с блоками обнаружения и поиска дефектов и передачи данных в ПК и щипцы, изготовленные из немагнитного материала, а электронный блок обнаружения и поиска дефектов методом МПМ размещен в общем металлическом экранирующем корпусе с ФЗП и закреплен на одной из губок щипцов, в качестве источника питания использует источник питания блока регистрации и обработки, содержит генератор синусоидальных сигналов для возбуждения катушки ФЗП, фильтр для выделения второй гармоники сигнала с катушки ФЗП, устройство выборки и хранения, вход которого подключен к выходу фильтра, формирователь импульсов, который синхронизирует с генератором синусоидальных сигналов устройство выборки и хранения, выход которого подключен к входу аналого-цифрового преобразователя, микроконтроллер, к входу которого подключен выход аналого-цифрового преобразователя и оптопара курвиметра, а к выходу - вход интерфейса связи для передачи данных в блок регистрации и обработки, а электронный блок обнаружения и поиска дефектов вихретоковым методом размещен в общем металлическом экранирующем корпусе с ВТП и закреплен на одной из губок щипцов, в качестве источника питания использует источник питания блока регистрации и обработки, содержит генератор синусоидальных сигналов, сигнал которого возбуждает среднюю обмотку трехобмоточного трансформатора ВТП, которая в свою очередь возбуждает измерительную и опорную обмотки трансформатора, фазовый детектор, который определяет разность фаз, вход которого соединен с усилителями сигналов, поступающих с измерительной и опорной обмоток трансформатора, а выход - с входом аналого-цифрового преобразователя, микроконтроллер, к входу которого подключен выход аналого-цифрового преобразователя, а к выходу - вход интерфейса связи для передачи данных в блок регистрации и обработки. Кроме этого, время непрерывной работы устройства, без подзарядки блока питания, составляет не менее 8 часов, клавиатура имеет как минимум клавиши цифр 0-9 и десятичную точку, 4 стрелки, клавиши ввод, отмена, вкл/выкл, дисплей имеет разрешение не менее 64×32 точек, и позволяет отображать 4 строки по 10 символов и пиктограммы, энергонезависимая флэш-память блока регистрации и обработки не менее 4 Мбайт, передача данных между блоками обнаружения и поиска дефектов и блоком регистрации и обработки происходит по интерфейсу RS-485 по двум независимым каналам, передача данных в ПК происходит по интерфейсу USB2.0, щипцы обеспечивают усилие прижатия на контрольном элементе УКСПС не менее 10 Н, щипцы позволяют перемещать их по предполагаемой зоне разрушения, сохраняя при этом постоянным контакт между блоками обнаружения и поиска дефектов и контрольным элементом УКСПС, электронный блок обнаружения и поиска дефектов методом МПМ, размещенный в едином корпусе с ФЗП, и электронный блок обнаружения и поиска дефектов вихретоковым методом, размещенный в едином корпусе с ВТП, закреплены на одной губке щипцов, электронный блок обнаружения и поиска дефектов методом МПМ, размещенный в едином корпусе с ФЗП, и электронный блок обнаружения и поиска дефектов вихретоковым методом, размещенный в едином корпусе с ВТП, закреплены на разных щипцах, электронный блок обнаружения и поиска дефектов методом МПМ, размещенный в едином корпусе с ФЗП, и электронный блок обнаружения и поиска дефектов вихретоковым методом, размещенный в едином корпусе с ВТП, имеют светодиодную индикацию превышения пороговых значений, микроконтроллер блока обнаружения и поиска дефектов методом МПМ сохраняет калибровочные данные в своей энергонезависимой памяти, микроконтроллер блока обнаружения и поиска дефектов вихретоковым методом сохраняет калибровочные данные в своей энергонезависимой памяти, при диагностировании контрольного элемента блоком обнаружения и поиска дефектов методом МПМ фиксируют напряженность магнитного поля на элементах цилиндрической формы не менее (4*10⁴-5*10⁴) А/м², а на элементах плоской формы не менее (12*10⁴-13*10⁴) А/м², при диагностировании контрольного элемента блоком обнаружения и поиска дефектов вихретоковым методом фиксируют наличие микротрещин с раскрытием не менее 0,05 мм.

В процессе эксплуатации УКСПС контрольные элементы подвергаются различным видам механического воздействия, вибрации от проходящих составов, ударам различной силы от свисающих предметов, выходящих за предел нижнего габарита, изгибу от действия воздушного потока, создаваемого проходящим вагоном, а также влиянию внешней среды, влаги, температуры, которые передаются к каждой детали, входящей в конструкцию. Количество переданной энергии определяет уровень и характер изменения контрольных элементов УКСПС. Реакцией контрольных элементов на механические воздействия являются механические напряжения, деформации и разрушения элементов.

Усилия, приводящие к разрушению контрольного элемента, могут быть значительно меньше, чем те, на которые рассчитан данный контрольный элемент в исходном состоянии, определяемые техническими требованиями. Разрушение контрольного элемента при усилиях меньше, чем те, на которые они рассчитаны, приводят к ложным срабатываниям системы блокировки, как следствие, к значительным материальным потерям в результате простоя подвижных составов. Проведенные авторами исследования разрушенных контрольных датчиков позволили выявить основной механизм разрушения датчиков. Контрольные элементы, подверженные постоянному воздействию нескольких видов переменных механических воздействий, разрушаются вследствие усталости материала контрольного элемента. Практикой установлено, в зоне предполагаемого разрушения контрольного элемента, через некоторое время, при воздействии переменных сил и вибрации, на поверхности контрольного образца в зоне предполагаемого разрушения появляются микротрещины. При дальнейшем механическом воздействии на УКСПС дефекты продолжают развиваться (увеличиваются ширина устья микротрещины и глубина ее проникновения в тело элемента), приводя контрольный элемент к разрушению. Но прежде чем произойти такому явлению, как зарождение микротрещины и выход ее на поверхность, в материале происходят структурные изменения, которые приводят к появлению значительных механических напряжений в локальных объемах. Данные явления происходят не мгновенно, а растянуты во времени, поэтому время работы контрольного элемента УКСПС до его разрушения можно условно разбить на несколько периодов. В первый период идет накопление механических внутренних напряжений в материале контрольного элемента с образованием локальных объемов с высокими механическими напряжениями. Во втором периоде появляются внутренние микротрещины и выход их на поверхность в контролируемой зоне контрольного образца. В третьем периоде продолжается появление новых и развитие ранее появившихся микротрещин до критических размеров и разрушения контрольного элемента. Каждая стадия характеризуется появлением дефектов определенного вида, которые можно диагностировать, используя различные методы.

Изменения внутренних напряжений в локальных объемах материала оценивались по изменению напряженности магнитного поля, используя метод магнитной памяти металла (МПМ) (патент RU 2173838 от 26.07.2000 г. Автор Дубов А.А). Данный метод заключается в регистрации напряженности собственных магнитных полей рассеяния (СМПР) Н_р, возникающих в материале в локальных зонах концентрации напряжений под действием циклических нагрузок. При этом СМПР в объекте контроля отражает фактическое распределение деформаций и напряжений. Связь между величиной напряженности магнитного поля Н_р и величиной концентрации напряжений в локальных зонах устанавливали опытным путем. Экспериментально установлено, что в контрольном элементе отсутствуют дефекты в виде локальных зон с высокой концентрацией напряжений, если напряженность собственных магнитных полей рассеяния Н_р не превышает на разрушаемых элементах цилиндрической формы значения (4*10⁴-5*10⁴) A/м², а на элементах плоской формы значений (12*10⁴-13*10⁴) А/м², данные значения предлагается использовать как предельные.

Выход микротрещин на поверхность, скорость подрастания, увеличение количества микротрещин, возможно, оценивались по электромагнитному полю, наводимому вихревыми токами (Неразрушающий контроль и диагностика:

Справочник / В.В. Кдюев и др. - М.: Машиностроение, 1995 г. - 488 с., стр. 269). Метод вихретокового контроля заключается в анализе изменений параметров взаимодействия внешнего электромагнитного поля с электромагнитным полем вихревых токов, наводимых возбуждающей катушкой в электропроводящем контрольном объекте этим полем. В качестве источника электромагнитного поля используется индуктивная катушка, которая встроена в вихретоковый преобразователь. Ток в катушке вихретокового преобразователя создает электромагнитное поле, которое возбуждает вихревые токи в исследуемом контролируемом объекте. При наличии микротрещин в контролируемом элементе более 0,05 мм электромагнитное поле вихревых токов изменяется и соответственно меняется и воздействие на катушку преобразователя и наводящаяся в ней электродвижущая сила. Сигнал с вихретокового датчика (преобразователя) анализируется и по полученным данным делается вывод о наличии или отсутствии трещины в объекте контроля. Связь между величиной напряженности электромагнитного поля и величиной дефекта (микротрещины) устанавливали опытным путем. Контроль разрушаемого контрольного элемента проводили по поверхности специализированным вихретоковым преобразователем, позволяющим определить микротрещину в разрушаемом элементе с раскрытием более 0,05 мм.

Снижение числа ложных срабатываний УКСПС достигается повышением достоверности определения остаточного, на момент диагностирования, ресурса работоспособности контрольного элемента УКСПС. Остаточный ресурс оценивали по параметрам, полученным со всего периметра предполагаемой зоны разрушения контрольного элемента. Закрепление блока обнаружения и поиска дефектов на основе метода МПМ, размещенного в общем металлическом экранирующем корпусе с ФЗП, и блока обнаружения и поиска дефектов вихретоковым методом, размещенного в общем металлическом экранирующем корпусе с ВТП на щипцах, позволяет обеспечивать при перемещении по зоне предполагаемого разрушения одинаковое усилие прижатия на всех контрольных элементах, это позволяет минимизировать диапазон разброса получаемых значений напряженности магнитного поля. А так как датчик и электронный блок выполнены на одной плате и непосредственно находятся в зоне контакта с контрольным элементом, то снимаемый «рабочий» сигнал не теряется при передаче от ФЗП и ВТП к электронному блоку. Кроме этого, использование аналого-цифровых преобразователей, микроконтроллера и цифрового интерфейса связи для передачи данных в блок регистрации и обработки позволяет исключить влияние помех, вызванных взаимовлиянием сигналов в кабельных соединениях, электромагнитными помехами, непостоянной паразитной емкостью в кабельных соединениях. Возможность диагностировать всю зону по периметру позволяет выявить все возможные очаги напряжений и оценку ресурса работоспособности проводить по максимальным значениям напряжения магнитного поля. Выявленные дефекты в виде микротрещин или их отсутствие, в совокупности с полученными параметрам напряженности магнитного поля диагностируемой зоны контрольного элемента, и сравнение их с данными более раннего обследования, которые хранятся в энергонезависимой флэш-памяти блока регистрации и обработки, по разработанной программе позволяют определить остаточный ресурс работоспособности УКСПС и при необходимости заменить дефектный контрольный образец, исключив ложное срабатывание.

Расширение области применения устройства диагностирования контрольных элементов УКСПС достигается за счет использования щипцов, которые позволяют подвижно закрепить датчик на контрольном элементе, практически, любой формы, а не только на элементах, имеющих цилиндрическую и прямоугольную геометрическую форму.

После набора определенной статистики результатов диагностики контрольных элементов УКСПС предлагаемое устройство позволяет выявить наличие скрытых дефектов в исходном состоянии контрольного датчика, когда образование дефекта происходит в процессе изготовления или наличия скрытого дефекта в используемом материале.

Изобретение иллюстрируется чертежами, где на фиг. 1 показана схема электрическая структурная устройства диагностики контрольных элементов УКСПС, на фиг. 2 и 3 - крепление на щипцах корпуса электронного блока обнаружения и поиска дефектов вихретоковым методом с ВТП, на фиг. 4 и 5 - крепление на щипцах корпуса электронного блока обнаружения и поиска дефектов на основе метода магнитной памяти металла с ФЗП.

Устройство диагностики контрольных элементов устройства контроля схода подвижного состава (УКСПС) состоит из электронного блока регистрации и обработки 1 в состав которого входят энергонезависимая флэш-память 1.1, часы реального времени 1.2, дисплей 1.3, клавиатура 1.4 и микроконтроллер 1.5, интерфейс связи 1.6 и 1.7, блок расположен в жестком корпусе (не показан) с элементом питания (не показан). Электронный блок обнаружения и поиска дефектов методом МПМ 2 размещен в общем металлическом экранирующем корпусе с ФЗП (не показан) и закреплен на одной из губок щипцов 4, в качестве источника питания использует источник питания блока регистрации и обработки (не показан), содержит генератор синусоидальных сигналов 2.2 для возбуждения катушки ФЗП 2.1, фильтр 2.3 для выделения второй гармоники сигнала с катушки ФЗП 2.1, устройство выборки и хранения 2.4, вход которого подключен к выходу фильтра 2.3, формирователь импульсов 2.5, который синхронизирует с генератором синусоидальных сигналов устройство выборки и хранения 2.4, выход которого подключен к входу аналого-цифрового преобразователя 2.6, микроконтроллер 2.7, к входу которого подключен выход аналого-цифрового преобразователя 2.6 и оптопара курвиметра 2.8, а к выходу - вход интерфейса связи 2.9 для передачи данных в блок регистрации и обработки 1. Электронный блок обнаружения и поиска дефектов вихретоковым методом 3 размещен в общем металлическом экранирующем корпусе с ВТП 3.1 и закреплен на одной из губок щипцов 4, в качестве источника питания использует источник питания блока регистрации и обработки (не показан), содержит генератор синусоидальных сигналов 3.2, сигнал которого возбуждает среднюю обмотку трехобмоточного трансформатора ВТП 3.1, которая в свою очередь возбуждает измерительную и опорную обмотки трансформатора, фазовый детектор 3.3, определяющий разность фаз, усилитель сигналов 3.4, поступающих с измерительной обмотки, и усилитель сигналов 3.5, поступающих с опорных обмоток трансформатора, аналого-цифровой преобразователь 3.6, микроконтроллер 3.7, интерфейс связи 3.8 для передачи данных в блок регистрации и обработки. Щипы 4 изготовлены из немагнитного материала, позволяют подвижно крепить датчики на контрольных элементах УКСПС и перемещать датчики по предполагаемой зоне разрушения, сохраняя при этом постоянным контакт между датчиком и контрольным элементом. Щипцы 4 обеспечивают усилие прижатия на контрольном элементе УКСПС не менее 10 Н.

Устройство работает следующим образом.

С помощью клавиатуры 1.4 оператор вводит величину браковочных признаков (градиент напряженности магнитного поля и условную глубину трещины), а также другую необходимую служебную информацию (текущие время и дата, примечание), контролируя свои действия с помощью дисплея 1.3. Заносимая информация сохраняется в энергонезависимой флэш-памяти 1.1.

Щипцы 4 размещаются на предполагаемой зоне разрушения контрольных элементов УКСПС, перемещаются вокруг оси контрольного элемента 5 УКСПС на 360°, сохраняя при этом постоянным контакт между блоками обнаружения и поиска дефектов 2 и 3 и контрольным элементом 5 УКСПС. Генератор синусоидального сигнала 3.2 возбуждает среднюю обмотку трехобмоточного трансформатора 3.1, которая в свою очередь возбуждает измерительную и опорную обмотки трансформатора 3.1. Через усилитель измерительного канала 3.4 и усилитель опорного канала 3.5 сигналы с соответствующих обмоток поступают на фазовый детектор 3.3, сигнал с которого поступает на аналого-цифровой преобразователь 3.6, а оттуда на микроконтроллер 3.7, который фиксирует разность фаз сигналов с измерительной и опорной обмоток трансформатора 3.1. В интерфейсе связи 3.8 данные о разности фаз преобразуются по протоколу обмена с блоком регистрации и обработки 1 и передаются на блок интерфейса 1.7 блока регистрации и обработки 1, в котором производится преобразование данных по протоколу обмена с микроконтроллером 1.5. Микроконтроллер 1.5 преобразует данные о разности фаз в условную глубину трещины, сравнивает полученные значения с браковочными значениями, хранящимися во флэш-памяти 1.1, и выводит результаты на дисплей 1.3. В случае превышения пороговых значений срабатывает светодиодная индикация, что говорит о наличии в зоне испытания микротрещины, изделие считается бракованным и дальнейшему исследованию не подвергается. Генератор синусоидального тока 2.2 возбуждает катушку ФЗП 2.1, вторая гармоника сигнала с которого выделяется фильтром 2.3 и поступает в устройство выборки-хранения 2.4, которое синхронизировано с генератором синусоидального тока 2.2 посредством формирователя импульсов 2.5. Величина выделяемой второй гармоники зависит от напряженности внешнего магнитного поля, таким образом, зная эту величину, можно определить напряженность внешнего магнитного поля. С устройства выборки-хранения 2.4 сигнал поступает в аналого-цифровой преобразователь 2.6, откуда цифровой сигнал попадает на вход микроконтроллера 2.7, который фиксирует величину второй гармоники и передает ее в интерфейс связи 2.9. Одновременно с этим с оптопары курвиметра 2.8 поступают сигналы о перемещении ФЗП 2.1. В интерфейсе связи 2.9 сигналы о перемещении ФЗП 2.1 и величине второй гармоники преобразуются по протоколу обмена и передаются на интерфейс связи 1.7 блока регистрации и обработки 1, в котором производится преобразование данных по протоколу связи с микроконтроллером 1.5. Микроконтроллер 1.5 преобразует данные о величине второй гармоники в величину напряженности внешнего магнитного поля и, используя информацию о перемещении ФЗП, вычисляет величину градиента напряженности внешнего магнитного поля. После сравнения полученных значений с браковочными значениями, хранящимися во флэш-памяти 1.1, полученные данные выводятся на дисплей 1.3. В случае превышения пороговых значений срабатывает светодиодная индикация, что говорит о наличии в зоне испытания микротрещины, изделие считается бракованным и дальнейшему исследованию не подвергается.