ДОПОЛНЕНИЕ К ФИЗИЧЕСКИМ ОСНОВАМ МАГНИТНЫХ МЕТОДОВ ДЕФЕКТОСКОПИИ ПРИМЕНИТЕЛЬНО К ДЕФЕКТОСКОПИИ РЕЛЬСОВ

Содержание

7. Электромагнитная индукция, вихревые токи 20

8. Магнитодтнамический метод контроля 22

8.1. Магнитодинамическое намагничивание рельсов 22

8.2. Характер сигнала. Факторы, влияющие

на характер сигнала 26

9. Феррозондовый контроль 29

Рекомендуемая литература 31

7. Электромагнитная индукция, вихревые токи

Явление электромагнитной индукции было открыто Фарадеем 1886 году. Это открытие дало мощный толчок развитию науки и техники тех лет. Схема опыта, иллюстрирующая это явление, приведена на рис. 13 а. Как показали опыты, в момент движения магнита в катушке возникает электрический ток. Причем, при движении магнита внутрь катушки стрелка отклоняется в одну сторону (вправо), а при движении магнита наружу - в другую (влево). После многочисленных экспериментов Фарадей сделал вывод, что причиной возникновения этих токов является изменяющийся магнитный поток, пронизывающий витки катушки. Эти токи возникают не обязательно в катушке, а будут возникать в любом массивном проводящем теле. Поскольку контуры токов имеют замкнутый вид, их назвали вихревыми токами или токами Фуко. Для напряжения (ЭДС – электродвижущей силы), создающего эти токи, было получено уравнение  = – Ф/t, где  - величина электрического напряжения (ЭДС), наводимого в катушке, Ф – изменение магнитного потока, t – время, за которое произошло это изменение. Заметим, что в этой формуле стоит знак минус. Этот знак указывает на то, что направлены эти токи так, чтобы скомпенсировать причину, их вызывающую. То есть магнитное поле, создаваемое вихревыми токами будет направлено в противоположную сторону полю магнита.

а

б

Рис. 13. Возникновение вихревых токов в катушке.

Величина магнитного потока равна произведению магнитной индукции на количество витков и площадь катушки, поэтому чем быстрее будет меняется магнитное поле пронизывающее витки катушки, тем большее напряжение будет на ней возникать. На рис. 13 б показано возникновение ЭДС в катушке перемещаемой над дефектом, создающим магнитное поле рассеяния. В этом случае магнитный поток создается продольной составляющей поля рассеяния дефекта. При наезде на дефект поток возрастает и ЭДС имеет один знак, при отъезде – поток уменьшается и знак ЭДС противоположный.

8. Магнитодинамический метод контроля

8.1. Магнитодинамическое намагничивание рельсов

Намагничивание детали осуществляется при помещении ее в магнитное поле. Как уже отмечалось в начале, магнитные поля могут создаваться постоянными магнитами, электромагнитами или проводниками с током. Для скоростного дефектоскопирования рельсов в пути используется магнитодинамический способ намагничивания. Схема магнитодинамического намагничивания, используемая в магнитном вагоне дефектоскопе, приведена на рис. 14. Постоянное магнитное поле возбуждается П – образными электромагнитами постоянного тока (по одному на каждую рельсовую нитку пути) и перемещается относительно рельса со скоростью движения вагона. Для обеспечения стабильности процесса намагничивания между полюсами электромагнита и рельсом фиксируется постоянный воздушный зазор порядка 8 – 10 мм. Магнитный поток, создаваемый в П – образном сердечнике частично рассеивается ( Ф_р), частично замыкается через рельс в межполюсном пространстве (Ф_мп) и частично замыкается через рельс и металлические детали вагона в заполюсном пространстве (Ф_зп). Используемый для контроля межполюсной поток составляет, в

Рис. 14. Схема распределения магнитного потока при магнитодинамическом намагничивании.

зависимости условий (скорость вагона, величина зазора, ток намагничивания) до 60 % от общего потока Ф, создаваемого в электромагните.

В любом случае Ф = Ф_р + Ф_зп + Ф_мп . Намагничивание в совмещенной дефектоскопной мотрисе отличается тем, что оно происходит через колесные пары на осях которых находятся катушки.

Рассмотрим процесс намагничивания рельса в точке, указанной на рис.14 стрелкой при движении намагничивающего устройства в несколько последовательных моментов времени. Пусть в начальный момент над рассматриваемой точкой находится южный полюс электромагнита (рис.15 а). В этот момент направление магнитной индукции в рассматриваемой точке будет перпендикулярно поверхности рельса и направлено вверх, продольной составляющей у него нет.

а б

контур

вихревых

токов

в

контур вихревых токов

г д

S

N

S

N

В

В

Рис.15. Направление магнитной индукции и контур вихревых токов, наводимых в рельсе в пять последовательных момен- тов времени в точке указанной стрелкой.

Появление магнитного поля и изменяющегося магнитного потока, как это было показано ранее, приведет к возникновению вихревых токов, контур которых будет лежать в плоскости перпендикулярной магнитной индукции. В следующий момент времени рассматриваемая точка будет находиться за полюсом. Направление поля и положение контура вихревых токов изображены на рис. 15 б. Продольная составляющая магнитного поля растет, а контур вихревых токов поворачивается. В следующий момент времени, когда рассматриваемая область находится между полюсами, продольная составляющая магнитного поля будет максимальна, а контур вихревых токов лежит в плоскости перпендикулярной продольной оси рельса (рис. 15 в). Следующие два момента, изображены на рис. 15 г и д и аналогичны первым двум. Распределение среднего значения продольной составляющей магнитного потока в головке рельса в пространстве между полюсами электромагнита показано на рис. 16. Серые прямоугольники соответствуют полюсам электромагнита, направление движения указано стрелкой. Графику под цифрой 1 соответствует статическое распределение при отсутствии движения. Распределение имеет симметричный относительно средней линии вид. Резкое изменение продольной составляющей магнитного потока происходит в области около полюсов, в остальном межполюсном промежутке поток одинаков. Графики для

Ф 1

2

3

Х

Рис. 16. Распределение среднего значения продольной составляющей магнитного потока в головке рельса в пространстве между полюсами электромагнита для разных скоростей движения электромагнита: 1 – 0 км/ч, 2 – 10 км/ч, 3 – 40 км/ч.

скоростей 10 км/ч и 40 км/ч приведены соответственно под цифрами 2 и 3. Из графиков видно, что симметрия кривых распределения нарушается. Появляется максимум магнитного поля, который находится в области заднего полюса электромагнита и величина которого несколько меньше, чем было при отсутствии скорости. С ростом скорости значение потока уменьшается во всех точках межполюсного промежутка.

Приведенные картинки справедливы для среднего значения магнитного потока и для поверхностных слоев. Распределения поля в более глубоких слоях значительно сложнее, что объясняется действием вихревых токов. При этом, если контуры вихревых токов будут пересекать трещины, то эти контуры изменят свою форму, что приведет в изменению их магнитных полей как внутри головки рельса, так и над ее поверхностью. Таким образом, при магнитодинамическом намагничивании магнитное поле рассеяния дефекта Н_Д , которое называется магнитодинамическим полем дефекта, можно представить себе состоящим из двух частей. Первое это поле рассеяния дефекта, о котором говорилось в п. 6, называется магнитостатическим Н_ДМ и второе это поле от взаимодействия вихревых токов с трещинами, называется вихретоковым Н_ДВ : Н_Д = Н_ДМ + Н_ДВ . При этом надо учитывать, что поперечные трещины будут препятствовать протеканию продольных вихревых токов, а продольные (как горизонтальные, так и вертикальные) трещины будут препятствовать протеканию поперечных вихревых токов. Продольная составляющая магнитодинамического поля дефекта регистрируют при помощи многовитковой катушки без сердечника, перемещающейся вместе с намагничивающей системой и расположенной около рабочей поверхности рельса (рис. 17). Оптимальным положением приемной катушки будет область межполюсного пространства около заднего полюса электромагнита. С одной стороны значение продольной составляющей магнитного потока там близко к максимальному (рис.16), а с другой стороны контур вихревых токов там имеет как продольную (для выявления поперечных трещин), так и поперечную (для выявления продольных трещин), составляющие (рис. 15 г).

При движении вагона в искательной (приемной) катушке наводится ЭДС в виде отдельных импульсов, имеющих различную величину, длительность и форму. Сигнал приемной катушки будет зависеть от скорости движения. При низких скоростях (до 15 - 20 км/ч) величина вихревых токов еще не значительна и основной вклад будет давать магнитостатическая составляющая Н_ДМ . При увеличении скорости с ростом величины вихревых токов основной вклад будет переходить к вихретоковой составляющей Н_ДВ . Меняться будет также и форма сигнала, наводимого в катушке. Максимальная скорость, при которой может осуществляться контроль, достигает 70 – 80 км/ч.

Рис. 17. Искательная система для магнитодинамического

контроля рельсов.

Магнитодинамический метод позволяет выявлять внутренние поперечные трещины в головке рельса с площадью поражения более 30 – 50% и залегающие на глубине до 5 – 6 мм от поверхности катания. Выявляются так же продольные вертикальные и горизонтальные трещины как выходящие на поверхность, так и внутренние расположенные на глубине до 4 – 5 мм.