Устройство для обнаружения и регистрации трещин на поверхностях деталей конструкций

Авторы патента:

G01N27/20 - обнаружение локальных дефектов

Полезная модель относится к средствам диагностики поверхностей конструкций на предмет выявления трещин, а именно, к устройствам неразрушающего контроля целостности контура и обнаружения усталостных трещин на поверхности боковых рам тележек вагонов и может быть использовано в любых вагонах железнодорожного транспорта и метрополитена. Технический результат заявляемой полезной модели - своевременное обнаружение усталостных трещин в боковых рамах тележек вагонов, исключающий влияние человеческого фактора. Предлагаемое устройство состоит из токопроводящих дорожек, которые объединены с одной стороны, а с другой стороны токопроводящие дорожки по отдельности соединены с регистратором 2. Устройство снабжено автономным источником питания, который может быть выполнен в виде принимающего проводящего контура (катушки индуктивности), и являющийся, по своей сути, блоком питания заявляемого устройства. Данные об обрыве дорожки или нескольких токопроводящих дорожек могут передаваться, например, в виде радиосигнала на пункт аварийной регистрации неисправностей. Источник радиосигнала может быть встроен в регистратор. Как показала практика эксплуатации боковых рам тележек вагонов, в процессе эксплуатации на рамах возникают поперечные трещины, поэтому для их обнаружения достаточно использовать токопроводящие дорожки одного продольного направления.

Известны датчики развития поверхностных трещин TK-09-CPD01-NRA/DP, которые обеспечивают удобный метод проверки скорости распространения трещины на поверхности (http://veda.com.ua/catalogue/tenzorezistory/datchiki_razvitiia_treshchin/80.html

В этом датчике токопроводящие нити с одной стороны соединены перемычкой, с другой каждая из них имеет вывод. Все это нанесено на изолирующую подложку для закрепления этого датчика на диагностируемой поверхности.

Наиболее близким решением к предлагаемому устройству, использующемся в способе регистрации трещин, в котором используют гребенчатый тензодатчик, состоящий из токопроводящих дорожек, которые располагают перпендикулярно предполагаемому направлению распространения трещин. Дорожки соединяют с одной стороны и на общий вывод подают заданное напряжение. С другой стороны на каждой из токопроводящих дорожек контролируют напряжение посредством соответствующего согласующего усилителя и многоканального регистратора. Обрыв дорожки, то есть появление трещины, фиксируют по пропаданию напряжения на соответствующем канале регистрации (Клюев В.В. и др. Испытательная техника. М. 1982, Машиностроение, т. 2, с. 445).

Данное устройство, применяющееся при испытаниях конструкций на усталость и состоящее из токопроводящих дорожек, которые соединены с одной стороны и подсоединены к источнику питания (напряжения), а с другой стороны соединены с многоканальным регистратором, является наиболее близким к заявляемой полезной модели и выбрано в качестве прототипа.

Недостатком прототипа является наличие постоянного источника питания, так как появление трещин в процессе испытаний каких-либо конструкций на усталостную прочность отслеживается по обрыву тензонити (токопроводящей дорожки) и пропаданию напряжения на соответствующем канале регистрации) в течение какого-то продолжительного промежутка времени при испытании. Также к недостаткам можно отнести то, что проверка осуществляется только в стационарных условиях.

Устройства для регистрации трещин (прототип), в частном случае, можно применить для контроля целостности контура и обнаружения усталостных трещин на поверхности боковых рам тележек вагонов. В настоящее время основным звеном в борьбе с литейными дефектами в эксплуатации был и остается осмотрщик вагонов, который в повседневной работе применяет малоэффективные приспособления. Поиск дефектов осуществляется на визуальном уровне при натурном осмотре боковых рам, но так как в большинстве случаев дефекты развиваются в невидимой для осмотрщика зоне, выявить их практически невозможно. Осмотрщик вагонов, зачастую в меру своей неопытности, усталости, влияния погодных факторов и других причин не может стать безоговорочным гарантом, предотвращающим изломы боковых рам, которые могут привести к более тяжелым последствиям, чем просто сход подвижного состава.

Предлагаемое устройство позволяет своевременно обнаружить усталостную трещину или очаг ее зарождения на поверхности боковых рам тележек вагонов, не требуя затрат на текущую эксплуатацию, специального места для проведения проверки, исключает влияние человеческого фактора, а так же существенно уменьшает время на осмотр вагона осмотрщиком вагонов. При этом проверяемая деталь или контролируемое место проверки может находиться в недоступном или труднодоступном месте.

Технический результат полезной модели - автономность использования регистрирующего устройства для своевременного обнаружения усталостных трещин в боковых рамах тележек вагонов, исключающее влияние человеческого фактора, что влечет за собой предотвращение чрезвычайных ситуаций, которые могут возникнуть в результате разрушения элементов конструкции тележки, исключение материального ущерба, экологических катастроф и появления человеческих жертв.

Указанный технический результат достигается тем, что устройство снабжено автономным источником питания, который может быть выполнен в виде принимающего проводящего контура (катушки индуктивности), и являющийся, по своей сути, блоком питания заявляемого устройства. Данные об обрыве дорожки или нескольких токопроводящих дорожек могут передаваться, например, в виде радиосигнала на пункт аварийной регистрации неисправностей. Источник радиосигнала может быть встроен в регистратор. Как показала практика эксплуатации боковых рам тележек вагонов, в процессе эксплуатации на рамах возникают поперечные трещины, поэтому для их обнаружения достаточно использовать токопроводящие дорожки одного продольного направления.

На фиг.1 представлена схема устройства для обнаружения и регистрации трещин, на фиг.2 - вид сбоку боковой рамы колесной тележки вагона, на фиг.3 - вид сверху фрагмента рамы, на фиг.4 - схематическое изображение образовавшейся трещины на поверхности рамы, на фиг.5 представлено схематическое изображение вида сбоку проверяемой поверхности с нанесенной на нее токопроводящей дорожкой.

Устройство для обнаружения и регистрации трещин на поверхностях деталей конструкций (далее - устройство) состоит из токопроводящих дорожек 1, которые объединены с одной стороны и соединены с автономным источником питания 3. С другой стороны токопроводящие дорожки 1 по отдельности соединены с регистратором 2, в который встроен источник радиосигнала 4.

Устройство работает следующим образом:

По контуру поверхности боковой рамы 5 тележки вагона (Фиг.2, 3) на диэлектрический слой, перпендикулярно предполагаемому направлению распространения трещины, наносятся токопроводящие дорожки 1, являющиеся по своей сути датчиками обнаружения трещин, соединенные между собой с одного конца, но не замыкающиеся на самих себя и на любую другую дорожку. На соединенные между собой концы токопроводящих дорожек 1 одновременно и периодически во времени подается напряжение с автономного источника питания, а с другой стороны дорожек регистратор проверяет на каждой дорожке наличие напряжения. Наличие напряжения на дорожках говорит о том, что на проверяемой поверхности трещин нет. Отсутствие напряжения хотя бы на одной или нескольких дорожках указывает на разрыв токопроводящих дорожек и образование трещины на поверхности боковой рамы тележки. Регистратор формирует сигнал (звуковой, световой) при обнаружении дорожек с отсутствием напряжением или передает информацию о повреждении на внешнее принимающее устройство с помощью радиосигнала.

По количеству токопроводящих дорожек 1 с отсутствием напряжения, в совокупности с шириной дорожек и шириной шага между ними, можно рассчитать длину проекции появившейся трещины и скорость ее развития. Чем меньше ширина токопроводящей дорожки 1 и шаг между ними, тем выше вероятность выявить трещину наименьшей длины. Чем меньше толщина токопроводящей дорожки, тем выше вероятность выявить трещину наименьшей ширины.

Представим, что начало и конец образовавшейся трещины приходится в ширине шага между дорожками с разрывом одной или нескольких токопроводящих дорожек 1 (проекция L1 на фиг.4). Достоверно неизвестно, где в ширине шага образовалась трещина, поэтому, чтобы не допустить приуменьшение образовавшейся трещины, продолжим расчетную длину проекции трещины до первой неразорвавшейся дорожки с одной и другой стороны трещины. Для выполнения нижеследующих расчетов необходимо, чтобы наносимые токопроводящие дорожки были одинаковой ширины a, с одинаковой шириной шага между ними b. Исходя из вышесказанного, длину проекции L образовавшейся трещины можно определить по формуле:

L=n(a+b)+b, где:

n - количество порванных дорожек, определенное прибором;

a - ширина токопроводящей дорожки;

b - ширина шага между токопроводящими дорожками.

Погрешность определения длины проекции трещины равна ширине шага между дорожками. Минимально возможная длина L(min) проекции трещины, которая может быть определена указанным способом, равна:

L(min)=a+2b;

Минимально возможная ширина трещины H, которая может быть определена указанным устройством, равна толщине токопроводящей дорожки (фиг. 5):

H(min)=h, где:

h - толщина токопроводящей дорожки.

Т.е. при срабатывании устройства можно судить о том, что на проверяемой поверхности образовалась трещина минимальной ширины H(min) или более, или имеется предпосылка к ее образованию.

Зафиксировав время разрывов дорожек, можно определить скорость развития усталостной трещины по формуле:

V=L/t, где:

L -длина проекции образовавшейся усталостной трещины;

t - время образования усталостной трещины.

Предлагаемое устройство может быть сконструировано на любых цифровых или аналоговых элементах, и должно обеспечивать контроль над уровнем напряжения на токопроводящих дорожках.

Опрос состояния токопроводящих дорожек происходит на пунктах осмотра вагонов осмотрщиком вагонов с помощью метода электромагнитной индукции. Устройство в своей конструкции содержит принимающий проводящий контур (катушку индуктивности), являющийся по своей сути блоком питания устройства 3. Индукционный ток на принимающем контуре, возникающий при воздействии на него переменного магнитного поля, которое создает прибор возбуждения переменного магнитного поля, находящийся в руках осмотрщика вагонов, обеспечивает электропитанием токопроводящие дорожки 1 и регистратор 2, который проверяет состояние токопроводящих дорожек 1 и формирует сигнал об ошибке, если последнее имело место быть. Такое устройство с обеспечением автономного электропитания не требует наличия постоянного электропитания на вагоне (аккумуляторных батарей и др. видов электропитания), обеспечивает герметичность регистратора, что обеспечивает защиту от влияния погодных условий и не требует эксплуатационных расходов на текущее обслуживание. Для исключения ложных срабатываний регистратора 2 на предмет разрыва токопроводящих дорожек 1, указывающих на образование усталостной трещины 6, перед каждой проверкой дорожек 1, устройство регистратора 2 выполняет самодиагностику на предмет своей работоспособности.

При разработке устройства можно предусмотреть использование стандарта Qi, разработанного Консорциумом беспроводной электромагнитной энергии (Wireless Power Consortium, WPC) в части индукционной передачи энергии на расстояние, или других аналогичных стандартов.

1. Устройство для обнаружения и регистрации трещин на поверхностях деталей конструкций, содержащее токопроводящие дорожки, одним концом соединенные между собой, а с другой стороны подсоединенные к многоканальному регистратору, отличающееся тем, что оно снабжено автономным источником питания.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что автономный источник питания выполнен в виде принимающего проводящего контура.

3. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что принимающий проводящий контур выполнен в виде катушки индуктивности.

4. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что регистратор снабжен световой и/или звуковой сигнализацией.

5. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что регистратор снабжен источником радиосигнала.