Диагностический комплекс рельсосварочного предприятия
Диагностический комплекс рельсосварочного предприятия (РСП) предназначен для автоматизированной оценки качества сварных стыков рельсов путем их ультразвукового (УЗ) контроля, измерения геометрии рельсовой плети в окрестности сварки, оценки твердости сварного стыка, а также для сохранения и документирования результатов работы РСП в виде паспорта рельсовой плети. Комплекс содержит сканер, обеспечивающий автоматическое перемещение в окрестности сварного стыка по всем поверхностям рельса проводящих УЗ упругих колес с размещенными внутри них электроакустическими преобразователями (ЭАП), зондирование рельса УЗ сигналами по разным схемам и оперативное отображение результатов. Комплекс также содержит системы электромагнитного контроля линейных размеров рельса, оценки твердости сварного стыка и фотоорегистрации сварного стыка. Наличие образцового рельса с моделями дефектов и механизмом оперативной установки образцового рельса вместо контролируемого позволяет периодически контролировать состояние сканера и ЭАП. Диагностический комплекс повышает качество контроля рельсов и производительность труда.
Заявляемая полезная модель - диагностический комплекс рельсосварочного предприятия (РСП) предназначено для оценки качества выполненных работ путем неразрушающего ультразвукового (УЗ) контроля сварных стыков рельсов, измерения геометрии рельсовой плети в окрестности сварки, оценки твердости сварного стыка, а также для сохранения и документирования результатов работы РСП в виде паспорта рельсовой плети.
Известен ряд руководящих документов, определяющих порядок работы РСП, в частности, [1] описывает порядок контроля результатов сварки рельсов, который предполагает УЗ неразрушающий контроль сварного стыка, измерение линейности рельса в районе сварного стыка, периодическое измерение твердости сварки и другие действия с составлением отчетных материалов в виде паспорта сварного стыка и всей плети.
На всех известных авторам РСП все перечисленные работы выполняются вручную, что приводит к неоправданно большим временным затратам и низкому качеству контроля сварки.
Известен комплекс для УЗ дефектоскопии сварных стыков рельсов [2], содержащий многоканальный УЗ дефектоскоп, соединенный с множеством электроакустическуих преобразователей (ЭАП), расположенных на поверхности катания рельса и направленных на сварной стык рельсов.
Недостатками такого комплекса является ограниченный круг решаемых задач и низкое качество дефектоскопии: только УЗ дефектоскопия и только по оси симметрии (головке и шейке) рельса
Известен [3] комплекс для контроля сварных стыков рельсов содержащий многоканальный УЗ дефектоскоп соединен с несколькими ЭАП, которые расположены на поверхностях катания, боковых гранях головки и перьях рельса и направленны на сварной стык рельса. Дефектоскопия всего сварного стыка осуществляется путем перемещения ЭАП.
Недостатками такого комплекса также является ограниченный круг решаемых задач и невысокое качество дефектоскопии: только УЗ дефектоскопия и только по некоторым участкам сварного стыка.
Патенты [2, 3] предполагают дефектоскопию сварных стыков готового рельсового пути, где доступ к поверхностям рельса существенно ограничен. На металлургических предприятиях, производящих рельсы, а также на РСП, осуществляющих сварку в протяженные плети старых, но пригодных для использования («старогодных») рельсов, имеется возможность установки ЭАП на всех поверхностях рельса и использовать широкий круг схем УЗ прозвучивания рельсов с целью обеспечения достоверного контроля качества во всех частях рельса: головке, шейке и перьях.
Наиболее близким к заявляемому является диагностический комплекс РСП [4] Заявка на полезную модель содержащий станину, снабженную катками для продольного перемещения контролируемых рельсов, прибор их многоканального ультразвукового контроля, соединенный с множеством электроакустических преобразователей, образцовый рельс с моделями дефектов и механизмом оперативной установки образцового рельса вместо контролируемого. Такой комплекс позволяет производить достоверную УЗ диагностику сварного стыка, а кроме того, быстро и просто контролировать состояние ЭАП, используя калибровочный рельс.
Недостатками диагностического комплекса РСП [4] являются. Ограниченный круг задач - только УЗ дефектоскопия. Низкая производительность труда и качество диагностики, обусловленные ручным характером измерений, при которых достоверность зависит от добросовестности и трудовых навыков дефектоскописта. В условиях РСП сварные стыки рельсов часто покрыты абразивом, имеют шероховатую поверхность, вследствие чего сложно обеспечить надежный акустический контакт ЭАП с рельсом, а сами ЭАП подвержены быстрому износу.
Задачей, решаемой заявляемой полезной моделью является создание автоматизированного диагностического комплекса РСП, обеспечивающего полный, быстрый и достоверный контроль качества сварных стыков рельсов.
Для решения этой задачи в диагностическом комплексе рельсосварочного предприятия, содержащем станину, снабженную катками для продольного перемещения контролируемых рельсов, прибор их многоканального ультразвукового контроля, соединенный с множеством электроакустических преобразователей, образцовый рельс с моделями дефектов и механизмом оперативной установки образцового рельса вместо контролируемого, дополнительно введены сканер, установленный на станине и системы: его продольного и поперечного позиционирования относительно рельса, электромагнитного контроля линейных размеров рельса и твердости сварного стыка, фоторегистрации сварного стыка, связанные с центральным компьютером, который снабжен средствами оперативного отображения и сохранения результатов измерений всеми средствами в виде паспорта сварного стыка, множество электроакустических преобразователей, обеспечивающих УЗ контроль всего сварного стыка рельса, разделено на группы, каждая из которых размещена внутри соответствующего ультразвукопроводящего колеса с эластичной оболочкой и закреплена на оси его вращения, последняя соединена с соответствующим кронштейном, обеспечивающим непрерывный акустический контакт поверхностей колеса с рельсом и закрепленным на каретке, способной перемещаться под действием приводов по соответствующим направляющим сканера, компьютер соединен с приводами кареток и с многоканальным ультразвуковым дефектоскопом.
Заявляемую полезную модель иллюстрируют следующие графические материалы:
Фиг. 1 - Диагностический комплекс рельсосварочного предприятия,
где:
1. Станина.
2. Катки.
3. Рельс.
4. Образцовый рельс.
5. Сканер.
6. Каретка.
7. Кронштейн.
8. УЗ колесо с ЭАП.
9. Направляющие.
10. Привод каретки.
11. Механизмом оперативной установки образцового рельса.
12. Фоторегистратор.
13. Лазер.
14. Средство оперативного отображения.
Фиг. 2, где:
15. Сменные пластины механизма захвата.
16. Привод механизма захвата.
Фиг. 3. Расположение УЗ колес на рельсе.
Фиг. 4. Расположение ЭАП в колесе, где:
17. ЭАП.
Фиг. 5. Информационная схема диагностического комплекса рельсосварочного предприятия
18. Прибор многоканального ультразвукового контроля.
19.. Система контроля твердости сварного стыка.
20. Компьютер.
21.. Средство хранения.
22. Система контроля линейных размеров рельса.
Фиг. 6 Изображение состояния сварного стыка рельса на средстве оперативного отображения 14.
Фиг. 7 Фотография диагностического комплекса рельсосварочного предприятия.
На фиг. 1-4 с целью упрощения не показаны информационные и управляющие связи элементов диагностического комплекса рельсосварочного предприятия, которые приведены на фиг. 5.
Существенными отличиями заявляемого диагностического комплекса РСП являются следующие элементы и связи.
Наличие сканера, установленного на станине и управляемого компьютером, позволяет осуществлять УЗ сканирование и диагностику сварного стыка рельсов в автоматическом режиме.
Системы продольного и поперечного позиционирования сканера относительно рельса позволяют сделать его начальную установку.
Системы контроля линейных размеров рельса и твердости сварного стыка позволяют оценить соответствующие свойства сварного стыка рельсов.
Фоторегистратор сварного стыка позволяет зафиксировать и сохранить изображение сварного стыка рельсов с возможностью последующего анализа этого изображения.
Средства оперативного отображения и сохранения результатов измерений всеми средствами в виде паспорта сварного стыка позволяют наблюдать процесс контроля сварного стыка в процессе его проведения и проводить апостериорный анализ для управления качеством продукции.
Множество ЭАП, обеспечивающих УЗ контроль всего сварного стыка рельса позволяют обнаружить разнообразные дефекты сварного стыка, используя различные схемы и способы прозвучивания, [5].
Размещение ЭАП внутри соответствующего колеса с эластичной оболочкой позволяет предотвратить износ ЭАП из-за трения о поверхности рельса.
Наличие кареток способных перемещаться под действием привода по соответствующей поверхности рельса на направляющих сканера под управлением компьютера обеспечивает автоматический режим сканирования сварного стыка. При этом реализуются заданные пространственные и временные схемы прозвучивания сварного стыка, обеспечивая полный контроль сварного стыка и избегая взаимовлияния ЭАП друг на друга.
В прототипе указанные выше существенные отличия не рассматриваются.
Рассмотрим назначение элементов диагностического комплекса РСП.
Станина 1, фиг. 1, предназначена для размещения оборудования диагностического комплекса. На станине 1 установлены катки 2 для перемещения измеряемого рельса 3. Под станиной размещен образцовый рельс 4. Образцовый рельс 4 предназначен для оперативного контроля углов ввода УЗ колебаний всеми ЭАП 17. Для решения этой задачи в образцовый рельс 4 (небольшой кусок рельса длиной около метра) вводят модели дефектов в виде пропилов, сверлений и т.п., которые про правильной ориентации ЭАП 17 должны быть обнаружены по соответствующим схемам УЗ прозвучивания ЭАП 17. Образцовый рельс 4 устанавливается вместо контролируемого 3 пневматическим или гидравлическим механизмом оперативной установки 11. Образцовый рельс 4 позволяет проверить соответствие желаемых схем прозвучивания рельса всеми ЭАП 17 реальным.
Сканер 5 предназначен для УЗ зондирования сварного стыка рельса 3 с целью обнаружения дефектов в нем. Для решения этой задачи сканер снабжен направляющими 9, на которых установлены с возможностью перемещения вдоль рельса 3 (4) каретки 6. На каретках закреплены кронштейны 7, к которым прикреплены оси вращения УЗ колес 8.
УЗ колеса 8 заполнены УЗ проводящей жидкостью и имеют эластичную внешнюю полиуретановую оболочку, также проводящую УЗ колебания и обеспечивающую надежный акустический контакт УЗ колеса 8 с соответствующей поверхностью рельса 3(4) в виде пятна контакта. УЗ колеса 8, фиг. 3, устанавливаются на все поверхности рельса 3(4): катания, боковые грани головки, шейку и основание. Внутри УЗ колес, фиг. 4, на оси их вращения установлены группы ЭАП 17 с выбранными направлениями излучения/приема УЗ колебаний, проходящими через пятно контакта. Направления излучения ЭАП 17 выбираются такими, чтобы обеспечить полное прозвучивание сварного стыка рельса при перемещении каретки 6. Расположение ЭАП 17 внутри УЗ колеса препятствует их износу из-за трения о рельс.
Привод 10, фиг.1, состоящий из двигателя и резьбового вала, обеспечивает перемещение кареток 6 вдоль рельса 3 (4) под управлением компьютера 20.
Системы продольного и поперечного позиционирования обеспечивают начальную установку сканера 5.
Система продольного позиционирования, фиг. 1, включает лазер 13 и привод 10, которые перемещением кареток 6 направляют лазер 13 на сварной шов рельса 3 (4) и обеспечивают начальную установку устройства. Система поперечного позиционирования, фиг. 2, включает сменные пластины 15, размер и форма которых зависит от сортамента исследуемого рельса и (гидравлический, пневматический и т.п.) привод 16, обеспечивающие надежную фиксацию рельса, так, чтобы УЗ колеса 8 оказывались на нужных поверхностях рельса с требуемым прижимом. Внутри УЗ колес, фиг. 4, на оси их вращения установлены группы ЭАП 17 с выбранными направлениями излучения/приема УЗ колебаний, проходящими через пятно контакта.
Прибор многоканального ультразвукового контроля 18 обеспечивает формирование УЗ зондирующих сигналов для ЭАП 17 по командам от компьютера 20, а также прием и УЗ сигналов ЭАП 17, их оцифровку и передачу в компьютер 20.
Система контроля твердости сварного стыка включает твердомер 19 с цифровым выходом и интерфейсом связи с компьютером 20 может быть выполнен в виде ультразвукового твердомера типа ТКМ-459С [6].
Система контроля линейных размеров рельса 22 может быть выполнена в виде измерителя геометрии рельсов автоматизированный (ИГРА-01) [7], который обеспечивает получение информации по горизонтальным и вертикальным неровностям с координатной привязкой к рельсу или рельсовой плети, выдачу на видеотерминал и передачу полученной измерительной информации для дальнейшей обработки и анализа на компьютер 20.
Средство оперативного отображения 14, фиг. 1, 5, 6 позволяет оператору наблюдать процесс диагностики рельсового стыка, оценивать степень опасности обнаруженных дефектов сварного стыка и принимать решения о возможности использования рельсовой плети.
Диагностический комплекс рельсосварочного предприятия работает следующим образом.
Система протяжки рельсовой плети по валкам 2 обеспечивает предварительное позиционирование рельса 3 так, чтобы сварной стык оказался в окрестности диагностического комплекса. Устанавливают сменные пластины механизма захвата 15 соответствующие сортаменту рельса. Для точного продольного позиционирования перемещают сканер 5 вдоль рельса, так, чтобы лазер 13 оказался направлен на центр сварного стыка. По команде от компьютера 20 приводы 16 захватывают рельс с двух сторон, обеспечивая точное поперечное позиционирование рельса 3 относительно комплекса. При этом УЗ колеса 8 оказываются прижатыми к рельсу 3 в положениях фиг. 3. В компьютере 20 заложена программа УЗ зондирования сварного стыка рельса 3, которая предусматривает последовательность излучения и приема УЗ зондирующих сигналов через прибор многоканального ультразвукового контроля 18 и ЭАП 17 исключающую их взаимовлияние. Каждый ЭАП 17 имеет определенное направление излучения УЗ сигналов, которые, проходя сквозь жидкость и оболочку УЗ колеса через пятно контакта, попадают в рельс 3. В диагностическом комплексе используются различные способы неразрушающего УЗ контроля: зеркальные, теневые и т.д. В компьютере 20 также заложена программа перемещений УЗ колес 8 для сканирования всего сварного стыка. Для решения этой задачи компьютер 20 управляет приводами 10, обеспечивая перемещение кареток 6 по направляющим 9, а через кронштейны 7 - качение УЗ колес 8 по соответствующим поверхностям рельса 3. Результаты УЗ зондирований сохраняются в памяти 21 компьютера 20 и выводятся на средство оперативного отображения, фиг.6 в виде сигналов об обнаружении дефектов, а также в виде дефектограмм (A или B сканов).
Периодически, по окончании рельсовой плети 3 вместо нее при помощи приводов 11 устанавливают образцовый рельс 4, который имеет преднамеренно введенные модели дефектов в виде пропилов, сверлений и т.п. Эти модели позволяют проверить работоспособность ЭАП 17 и их схем прозвучивания.
Фотосъемка сварного стыка регистратором 12 и ее сохранение в паспорте сварного стыка позволяет зафиксировать внешний вид стыка, маркировку и т.п. элементы для последующего анализа.
Измерение свойств сварного стыка твердомером 23 под управлением компьютера 20 с сохранением результатов измерений в средстве хранения 21 позволяет сделать эту процедуру обязательной, вне зависимости от желания оператора.
Измерение геометрических свойств сварного стыка системой измерения 22 под управлением компьютера 20 с сохранением результатов измерений в средстве хранения 21 также позволяет сделать эту процедуру обязательной, вне зависимости от желания оператора. Использование электронных средств измерения повышает точность измерения по сравнению с использованием линеек и щупов, применяющихся на современных рельсосварочных предприятиях.
Фотография опытного образца диагностического комплекса рельсосварочного предприятия приведена на фиг. 7. Этот комплекс содержит более 80 ЭАП 17. Время контроля одного сварного стыка диагностическим комплексом РСП составляет 3 минуты. Применяемые ручные способы контроля требуют более 20 минут при существенно более низком качестве контроля. На каждый проверенный стык формируется подробный протокол контроля, сохраняемый на центральном сервере предприятия.
Таким образом, диагностический комплекс рельсосварочного предприятия позволяет в автоматическом режиме обнаруживать трудно выявляемые дефекты сварки, обеспечивает сохранение результатов измерений для последующего анализа и управления качеством и повышает безопасность движения рельсового транспорта.
Источники информации:
1. http://gelezka.ucoz.ru/load/raznoe/tekhnicheskie_uslovija-cpt_80_350/8-1-0-219 ТУ ЦПТ-80/350.
2. Патент US 3960005.
3. Патент RU 2309402.
4. Заявка RU 201312671.
5. Марков А.А., Шпагин Д.А. Ультразвуковая дефектоскопия рельсов, СПб.: «Образование - Культура», 1999. - 230 с.
6. www.control.sp.ru <http://www.control.sp.ru>.
7. http://www.infotrans-logistic.ru/page.htm?title=ИГРА-01
Диагностический комплекс рельсосварочного предприятия, содержащий станину, снабженную катками для продольного перемещения контролируемых рельсов, прибор их многоканального ультразвукового контроля, соединенный с множеством электроакустических преобразователей, образцовый рельс с моделями дефектов и механизмом оперативной установки образцового рельса вместо контролируемого, отличающийся наличием сканера, установленного на станине и содержащего системы: его продольного и поперечного позиционирования относительно рельса, электромагнитного контроля линейных размеров рельса и твердости сварного стыка, фоторегистрации сварного стыка, связанные с центральным компьютером, который снабжен средствами оперативного отображения и сохранения результатов измерений всеми средствами в виде паспорта сварного стыка, множество электроакустических преобразователей, обеспечивающих УЗ контроль всего сварного стыка рельса, разделено на группы, каждая из которых размещена внутри соответствующего ультразвукопроводящего колеса с эластичной оболочкой и закреплена на оси его вращения, последняя соединена с соответствующим кронштейном, обеспечивающим непрерывный акустический контакт поверхностей колеса с рельсом и закрепленным на каретке, способной перемещаться под действием приводов по соответствующим направляющим сканера, компьютер соединен с приводами кареток и с многоканальным ультразвуковым дефектоскопом.
