Измерения и неразрушающий контроль на железнодорожном транспорте

Современные технологические процессы изготовления продукции маши­ностроения во многих случаях сопровождаются промежуточным контролем ка­чества изделий. В связи с этим важное значение приобретают неразрушающие методы контроля качества, которые позволяют не только обнаруживать дефек­ты на поверхности или в толще изделия, но и определять их форму и размеры, а также пространственное положение. Каждый из этих методов обладает опреде­ленными преимуществами, что позволяет с большей точностью выявлять те или иные типы дефектов.

Процессы образования и роста дефектов ставят под угрозу возможность безаварийной эксплуатации подвижного состава. Обеспечение безопасности движения за счет своевременного обнаружения заводских и усталостных де­фектов в ответственных элементах пути и подвижного состава приносит огром­ный экономический эффект и служит сохранению человеческих жизней. Реше­ние этой проблемы достигается современными физическими методами неразрушающего контроля.

В настоящее время неразрушающий контроль представляет собой само­стоятельную интенсивно развивающуюся на стыке физического материалове­дения и технологии отрасль науки и техники, которая находит широкое приме­нение в различных сферах производства и особенно на транспорте.

Практика показывает, что правильная организация контроля, а также умелое использование того или иного метода контроля, разумное сочетание этих методов позволяют с большой надежностью оценить наличие дефектов контролируемых изделий.

I. УЛЬТРАЗВУКОВАЯ ДЕФЕКТОСКОПИЯ

1.1. Краткие теоретические сведения

1.1.1. Физические основы

Ультразвуковые колебания являются одним из многочисленных приме­ров колебаний, имеющих место в природе (морские волны, ветровые импульсы и т. д.) и возникающих под действием одного или, что гораздо чаще, несколь­ких непрерывно действующих импульсов.

Ультразвуковые волны получили широкое применение в народном хо­зяйстве, в механических, физических, химических процессах, в медицине. Ультразвуковые колебания широко применяются для контроля качества мате­риала, сварных соединений и др. Для этих целей пьезоэлектрическим преобра­зователем возбуждаются ультразвуковые колебания. Возбуждение их происхо­дит в результате так называемого пьезоэффекта - электрические колебания, по­данные на пластину, преобразуются в механические. Это имеет место в пласти­нах из кварца, титаната бария и других материалов вследствие перестройки в них положения кристаллов, оси которых под действием проходящего тока по­ворачиваются в металле, и в результате этого поворота изменяется и суммарная длина пластины. Эти удлинения, следующие непрерывно друг за другом, соз­дают волну.

Частота колебаний, возбуждаемая ультразвуком, может варьироваться в широких пределах - от 0,5 - 1,0 Гц до 20 МГц.

Между изделием и ультразвуковым преобразователем акустический контакт создают путем введения слоя воды или незамерзающей магнитной жидкости. Если акустический контакт невозможен, то применяют бесконтактный ввод ультразвуковых колебаний с помощью электромагнитных акустических преобразователей (ЭМА), чувствительность которых ниже, чем у пьезоэлектрических.

Волны передают механическую энергию, а скорость их перемещения определяется лишь свойствами колеблющейся среды:

(1.1)

где - длина волны;

- частота.

Приближенно скорость распространения продольной волны определяется по формуле:

(1.2)

где Е - модуль упругости;

р—плотность среды, подверженной колебаниям.

Скорость распространения поперечной волны определяется по формуле:

(1.3)

где G- модуль поперечной упругости,

-коэффициент поперечного сокращения Пуассона, для стали - 0,3.

1.1.2. Аппаратура ультразвукового (УЗ) контроля

Процессы преобразования энергии УЗ-колебаний происходят в трех трак­тах дефектоскопа:

- электроакустический тракт, где электрические колебания преоб­разуются в ультразвуковые и обратно, состоит из пьезопреобразователей, демпферов, переходных и контактных слоев, электрических колебательных контуров генератора;

- электрический тракт состоит из генератора, усилителя и определяет амплитуду зондирующего импульса;

- акустический тракт определяет путь от излучателя до отражателя в металле и обратно - от отражателя до приемника.

Ультразвуковые дефектоскопы предназначены для излучения УЗ-колебаний, приема эхо-сигналов, установления положения и размеров дефек­тов. Аппаратура УЗ-контроля включает в себя пьезопреобразователь, электрон­ный блок и вспомогательные устройства.

Основной частью пьезопреобразователя является пьезоэлемент, например пластина кварца или титаната бария в виде диска толщиной, равной половине длины волны ультракоротких (УК) колебаний. Преобразователи разделяются на прямые (вводят продольную волну перпендикулярно контролируемой поверх­ности); наклонные (вводят поперечную волну под углом к поверхности); раз­дельно-смещенные (вводят продольную волну под углом 5 - 10° к плоскости, перпендикулярной поверхности ввода).

Прямой УЗ-преобразователь состоит из корпуса, пьезопластины, окруженной с одной стороны демпфером, сокращающим длительность сво­бодных колебаний, а с другой - защитным донышком , предохраняющим ее от механических повреждений.

Наклонный преобразователь имеет пьезопластину , прикле­енную к призмам из полимеров (оргстекло, полистирол и др.). Малая скорость распространения волн в полимерах позволяет при малых углах падения волн на объект вводить поперечные волны под большим углом. Когда ультразвуковой импульс достигает противоположной стороны образца, он отражается от нее и продолжает зигзагообразный путь между двумя поверхностями.