ПСЖД лабы

5.2 Формируемые компетенции

ПК 4 — способен … определять меры по обеспечению безопасности разрабатываемой техники;

ПК 8 — способен … обоснованно выбирать известные устройства, системы и методы защиты человека и природной среды от опасностей.

5.3 Теоретическая часть

5.3.1 Общие сведения

Ультразвуком называют механические колебания частиц среды с частотой более 20 кГц. Процесс распространения колебаний в среде называют волной. Различают продольные, поперечные и поверхностные ультразвуковые волны.

В продольной волне частицы колеблются вдоль направления распространения волн. В поперечной волне частицы колеблются перпендикулярно направлению распространения волны. Поверхностные волны распространяются вдоль поверхности детали, повторяя ее изгибы. Эти волны проникают в деталь лишь на небольшую глубину порядка полутора длин волн.

где С — скорость волны, м/с; λ — длина волны, м; v — частота колебаний, Гц.

Для дефектоскопии применяют ультразвук частотой от 0,5 МГц до 10 МГц. Чем больше частота, тем меньше длина волны в данной среде.

Скорость продольной ультразвуковой волны Cl почти в два раза больше скорости поперечной ультразвуковой волны Ct. В металлах

Скорость поверхностной волны равна 0,93 Ct.

5.3.2 Понятие об интенсивности ультразвука и децибелах

Важной характеристикой ультразвуковой волны является интенсивность. Интенсивность волны J, Вт/м 2, численно равна энергии пе-

41

реносимой волной за 1 с через площадку 1 м 2, ориентированную перпендикулярно направлению распространения волны.

Интенсивность волны прямо пропорциональна квадрату амплитуды и квадрату частоты волны. По мере распространения волны ее интенсивность падает. Затухание ультразвуковых колебаний определяется в основном рассеянием ультразвука на границах зерен и практически тем больше, чем крупнее структура металла. Это свойство ультразвука используется для определения структуры металла осей колесных пар.

Интенсивность ультразвука меняется в очень широких пределах, поэтому для удобства сравнения уровень силы ультразвука N оценивают в децибелах (дБ):

где J0 — постоянная, J0 = 10–12 Вт/м 2.

Из формулы (5.3) следует, что если интенсивность одного ультразвукового сигнала в 10 раз больше другого, то его сила больше на 10 дБ, если интенсивность больше в 100 раз, то сила ультразвука больше на 20 дБ и т. д.

Пьезоэлементы дефектоскопа реагируют на амплитуду давления P, оказываемого волной. Интенсивность ультразвука прямо пропорциональна квадрату амплитуды давления J ~ P 2, а P, в свою очередь, прямо пропорциональна напряжению U на выводах электрического преобразователя J ~ U. Учитывая эти зависимости, из (5.3), получим

где P0 — амплитуда давления, соответствующая интенсивности J0, P0 = 2·10–5 Н/м 2; U0 — напряжение на выводах преобразователя, при котором амплитуда давления излучаемой им волны равна P0.

5.3.3 Отражение и преломление ультразвуковых волн

Если волна падает перпендикулярно на границу раздела двух сред (угол падения α = 0˚), то и отраженная, и прошедшая волны будут того же типа, что и падающая.

42

При падении продольной ультразвуковой волны на границу раздела сред под некоторым углом α ≠ 0˚ могут возникать отраженные и прошедшие (преломленные) волны двух типов: продольные L и поперечные T (см. рисунок 5.1).

Угол отражения продольной волны γL равен углу падения αL, γL = αL. Углом ввода β называют угол между осью ультразвукового луча, прошедшего во вторую среду, и перпендикуляром к поверхности кон-

тролируемого изделия в точке ввода ультразвука.

На рисунке 5.1: βT — угол ввода поперечной волны; βL — угол ввода продольной волны.

Углы падения, отражения и преломления связаны между собой следующим соотношением:

гдеCl иCt —скоростираспространениясоответственнопродольныхипо- перечных волн; индексы 1 и 2 соответствуют первой и второй средам.

T2

βL

Рисунок 5.1 — Отражение и преломление продольной волны при падении ее под углом на границу раздела двух сред

На рисунке 5.1 буквами L и T обозначены оси распространения соответственно продольных и поперечных волн.

Из (5.5) видно, что величина углов ввода β тем больше, чем выше скорость волны во второй среде.

Если увеличивать угол падения α, то все другие углы также будут возрастать. При увеличении угла падения до критического значения

43

αкр1, называемого первым критическим углом, преломленная продольная волна во вторую среду не проникает, она распространяется во второй среде почти параллельно поверхности, быстро затухая, такая волна называется «головной».

Дальнейшее увеличение угла падения приводит к тому, что во второй среде возбуждается лишь поперечная волна. Если α достигает значения, называемого вторым критическим углом αкр2, то угол ввода поперечной волны βТ становится равным 90˚. В этом случае ультразвук во вторую среду не проникает, возбуждая в ней лишь поверхностную волну.

Для наклонного ввода ультразвука в металлоизделие применяют преобразователи, призмы которых изготовлены из оргстекла. При переходе продольной ультразвуковой волны через границу «оргстекло — сталь» значения критических углов составляют αкр1 = 28˚, αкр2 = 55˚.

Это значит, что призмы с углами падения от 28˚ до 55˚ обеспечивают возбуждение в стали только поперечной волны.

Призмы с углом падения α > 55˚ возбуждают в стальном изделии лишь поверхностную волну.

5.3.4 Пьезоэлектрические преобразователи (ПЭП)

Прямым пьезоэлектрическим эффектом называется явление поляризации некоторых диэлектриков при механическом воздействии на них. Этот эффект используется для регистрации ультразвука, поскольку вызываемое им переменное механическое воздействие на пьезопластины создает между их противоположными поверхностями электрическое напряжение, которое по форме повторяет это воздействие.

Обратным пьезоэлектрическим эффектом называется явление деформации некоторых диэлектриков под воздействием внешнего электрического поля. Если между противоположными поверхностями пьезоэлемента поддерживать переменное напряжение, то его размеры будут изменяться с частотой приложенного напряжения. В этом случае при достаточно хорошем акустическом контакте пьезоэлемент будет излучать в окружающую среду механическую волну.

При контроле деталей вагонов и локомотивов обычно используют пьезоэлектрические пластины из цирконата титанита свинца (ЦТС) или титанита бария (ТБК). Размеры пластины подбирают таким образом, чтобы их собственная резонансная частота соответствовала частоте ультразвуковых колебаний.

44

Корпус ПЭП изготовляют из металла. Устройство пьезоэлектрического преобразователя представлено на рисунке 5.2.

4

6

Рисунок 5.2 — Схема прямого ультразвукового искателя

1 — пьезокерамика; 2 — металлизированные электроды (служат для создания электрического контакта); 3 — протектор (служит для защиты от механических повреждений, изготовляется из оргстекла или металла); 4 — контактная жидкость (индустриальное масло, вода); 5 — демпфер (гасит колебания, излучаемые в обратном направлении, изготавливается из текстолита, эпоксидной смолы с вольфрамовой

крошкой); 6 — объект контроля

Линия, указывающая направление максимальной интенсивности излучаемого ультразвука, называется акустической осью преобразователя.

В дефектоскопии деталей локомотивов используют прямые (β = 0˚, рисунок 5.3, а) и наклонные (β ≠ 0˚, рисунок 5.3, б) преобразователи.

Рисунок 5.3 — Схема излучения и приема сигнала прямым и наклонным ПЭП

Все ПЭП имеют условное обозначение согласно ГОСТ 26266–84.

45

5.3.5 Методы ультразвуковой дефектоскопии

5.3.5.1 Эхо-метод Этот метод основан на посылке в контролируемое изделие корот-

ких импульсов УЗК и регистрации интенсивности и времени прихода этих импульсов, отраженных от дефектов или границ изделия. ПЭП включают по совмещенной схеме, при этом он излучает через определенные промежутки времени зондирующие импульсы (ЗИ), а в промежутках между излучениями успевает регистрировать отраженные ультразвуковые колебания. Противоположную поверхность, зеркально отражающую ультразвук, называют донной поверхностью, а отраженный от нее импульс — донным импульсом (ДИ) (рисунок 5.4, а).

Признаком дефекта служит сильное ослабление сигнала, отраженного от донной поверхности, вызванное рассеянием на дефекте (рисунок 5.4, б).

Рисунок 5.4 — Контроль эхо-методом

5.3.5.2 Теневой метод

При использовании этого метода к дефектоскопу подключают два ПЭП по раздельной схеме (рисунок 5.5, а), один излучает зондирующие импульсы, которые после прохождения через изделие контролируются другим ПЭП.

Признаком дефекта служит отсутствие или сильное ослабление, (рисунок 5.5, б) прошедшего через изделие сигнала.

46

5.3.5.3 Зеркально-теневой метод

При использовании этого метода ПЭП включают по совмещенной схеме (рисунок 5.6, а). Признаком обнаружения дефекта в этом случае служит уменьшение на экране амплитуды сигнала, отраженного от противоположной поверхности изделия (ДИ), за счет рассеивания на дефекте (рисунок 5.6, б).

Рисунок 5.6 — Контроль зеркально-теневым методом

5.3.6 Структурная схема дефектоскопа

Небольшие габариты и масса современной ультразвуковой аппаратуры неразрушающего контроля, технологичность операций контроля обусловили широкое применение ультразвуковой дефектоскопии для контроля ответственных деталей подвижного состава железнодорожного транспорта, где наибольшее распространение получили та-

47

кие ультразвуковые дефектоскопы, как УД2–12, УД2–32 и УД2–102, структурная схема одного из которых представлена на рисунке 5.7.

Рисунок 5.7 — Структурная схема дефектоскопа

Энергообеспечение дефектоскопа УД2-102 осуществляется с помощью встроенной аккумуляторной батареи или внешнего сетевого адаптера с возможностью одновременного подзаряда батареи. Формирование необходимых напряжений питания для всех узлов электронного блока (ЭБ) осуществляется с помощью преобразователя напряжения.

Приемовозбудитель (ПВ) электронного блока генерирует через определенный промежуток времени электрические импульсы необходимой частоты, которые через разъем «C < –V» и высокочастотный кабель подаются на ПЭП, излучающий за счет обратного пьезоэффекта в исследуемую деталь ультразвуковые импульсы.

УЗК после отражения от дефектов или границ детали возвращаются к ПЭП, вызывая в нем за счет прямого пьезоэффекта электрические импульсы, которые через тот же разъем поступают в электронный блок (это современный режим работы). В случае реализации раздельного режима работы УЗК воздействуют на другой ПЭП, подключенный к разъему «– > п».

Поступающие от ПЭП сигналы усиливаются в ПВ и идут на устройство цифрового интерфейса (УЦИ), который преобразует их в цифро-

48

вую форму и передает в устройство обработки (УО), которое управляет дефектоскопом во всех режимах работы.

Основные функции УО:

— тестовая проверка при включении питания; — запоминание параметров настройки дефектоскопа; — управление генерацией зондирующих импульсов;

— прием и анализ сигналов, поступающих с УЦИ, если сигнал превышает установленный порог или по величине ниже выбранного уровня, то формируется команда для включения светового и звукового индикаторов дефекта;

— опрос кнопок панели управления; — передача измеренных параметров сигналов на дисплей, кото-

рый вместе с кнопочной панелью управления образует пульт управления и индикации.

5.4 Порядок работы

1 Ознакомиться с органами управления и системой меню дефектоскопа (Руководство по эксплуатации ДШЕК. 663532. 001 РЭ Пеленг УД2–102, с. 39–45).

2 Подключить ПЭП Ш11–2.5–12 через соединительный кабель к разъему «С↔».

3 Включить дефектоскоп тумблером, расположенным на коммутационной панели.

4 Вызвать настройку 054 или другую, указанную преподавателем; для этого:

4.1В меню «Режим работы» с помощью кнопок «↑», «↓» выделить пункт «Вызов настройки».

4.2С помощью кнопок «→», «←» или кнопок «F» «5» «4» «F» набрать номер «54» настройки.

4.3Вызвать настройку кнопкой «‾↓».

5 Осуществить «прозвучивание» темплета бандажа или другой предлагаемой детали; для этого:

5.1Очистить контролируемую поверхность.

5.2С помощью масленки нанести на поверхность протектора ПЭП каплю трансформаторного масла.

5.3Приложить ПЭП к одной из параллельных поверхностей темплета бандажа и, слегка прижимая спиралеобразными движениями, создать тонкую равномерную прослойку масла между ПЭП и дета-

49

лью, при этом на экране появляются донные импульсы, отраженные от противоположной поверхности.

5.4С помощью кнопок «◄» «►» изменения усиления добиться, чтобы вершины донных сигналов были в промежутке между 7,5 и 1,5 делениями развертки.

5.5Обратите внимание, что если вершина хоть одного сигнала пересекает горизонтальную линию посередине экрана (порог автоматической сигнализации дефектов — АСД), то зажигается светодиод «Дефект».

6 Измерить амплитуды N и координаты прямых сигналов, а также сигналов, отраженных от дефектов (при наличии).

Для чего следует:

6.1Кнопкой «^^↑» вызвать меню «Поиск» и с помощью кнопок «↑», «↓» выделить пункт меню «Стоп-кадр».

6.2Убедиться, что амплитуды сигналов на экране имеют достаточную величину и любой из кнопок «→», «←» установить режим «Стоп-кадр+».

6.3Кнопкой «!!!!» вызвать меню «Измерение», нажать кнопку «YRT» измерения временных параметров.

6.4Обратите внимание, что в верхней строчке экрана индуцируется координата Y, мм, вершины импульса с максимальной амплитудой (по расположению автоматической измерительной метки «ﻩ»), величина амплитуды N этого импульса и значение усиления «►», при котором получен стоп-кадр, запишите значение «►».

6.5С помощью кнопок ««←┤», «├→ « совместить строб ручной измерительной метки с положением одного из импульсов, в меню «Измерение» прочитать для него Y и N, а также время распространения Т.  Аналогично измерить параметры других сигналов. Занести результаты в таблицу 8.1.

7 Провести аналогичные измерения для другого участка прозвучивания, для этого:

7.1Кнопкой «^^↑» перейти в меню «Поиск», кнопками «↑», «↓» выделить пункт «Стоп-кадр», любой из кнопок «←», «→» заменить состояние на «––»;

7.2Выполнить пункты 5, 6.

8 Ознакомиться с параметрами настройки; для этого:

8.1С помощью кнопки настройка перейти в меню «Настройка», кнопкой «‾↓» перейти в подменю «Общие параметры» и выписать значения частоты, скорости, угла ввода УЗК, время распространения сигнала в пьезоэлементе ВР. ПЭП;

8.2Кнопкой «_↑» вернуться в меню «Настройка», кнопкой «↓» выделить подменю «Зона, развертка» и перейти в него через «‾↓», где вы-

50