Курсовая работа: Ультразвуковой контроль ближней подступной части оси колесной пары

В общем случае, если волна падает на границу раздела  двух твердых сред под углом β  из первой среды во вторую, то в обеих  средах возникают четыре волны (рисунок 3): в каждой по две волны продольного  и поперечного типа. 
 

Рисунок 3 - Падение  ультразвуковой волны на границу  раздела двух сред 
 

Причем при облучении  продольной «l» - волной образуются отраженные продольная «l1» и поперечная «t1», возникшая в результате явления  трансформации, и две преломленные волны «l2» и «t2», из которых  последняя трансформированная (рисунок 3,а). При облучении поперечной волной также образуются отраженные волны «l1» и «t1», но трансформированная волна уже продольная, и две преломленные – «l2» и «t2, где волна продольного типа «l2» также трансформированная (рисунок 3,б). 

Углы отражения  βe1, βt1 и αe1, αt1 преломления (ввода) отсчитываются  от нормали к границе раздела  в точке падения (ввода), они связаны  между собой и углом падения  β через соответствующие скорости законом Снеллиуса (закон «синусов»  в оптике» в оптике): 

(3) 

  

Здесь Ce1, Ct1 скорости продольной и поперечной волн в первой среде; 

Ce2, Ct2 – то же, но  во второй среде. 

Из соотношения  Снеллиуса следует: для волны  одного типа угол отражения равен  углу падения; угол отражения волны  другого типа, чем падающая, а  также углы преломления волн тем  больше, чем выше скорость их распространения. 

Частный случай - нормальное падение волны. Это наиболее простая  ситуация, так как β=0 и, следовательно, α=0. Отсюда главная особенность –  нет явления трансформации волн, отраженная и прошедшая волны  будут того же типа, что и падающая. 

1) βe=0 – нормальное  падение «1» - волны. Тогда 
 

и  

Данный случай сводится к частному, трансформация отсутствует, выражения для R и D совпадают. 

2) Увеличиваем угол  падения (Рисунок 6а) до тех  пор, когда уже продольная волна  не вводится во вторую среду,  а «скользит» вдоль границы  раздела, т.е. αe=900. При этом  угол падения принимает значение  βe= βkp1. Из (3) при αe=900 получаем, что  sin βkp1=Ce1/Ce2. Так Ce1/Ce2 1, то такой  угол существует, если βkp1=27,50. Например, для пары «оргстекло-сталь» первый  критический угол βkp1=27,50 

3) Пусть в диапазоне  βe> βkp1 растет βe. Теперь (рисунок  6,б) во вторую среду вводится  поперечная волна. При значении  βe= βkp2 уже поперечная волна будет  «скользить» вдоль границы двух  сред. Из (3) очевидно, что sinβкр2=Сe1/Ct2, так как αt=900, это означает, что βkp2существует, когда Ct2 Ce1. Например, для пары «оргстекло-сталь» второй критический угол существует и равен 540. Заметим, что выполнение условия βkp1<β< βkp2 на практике используется как способ возбуждения поперечных волн. За вторым критическим углом во вторую среду уже ничто не вводится. Вдоль поверхности в этом случае распространяется неоднородная волна. Она самостоятельно не существует, в данном случае она «живет» за счет энергии падающей, является продольной, но на своем пути теряет энергию, переизлучая ее в поперечную (рисунок 4,б), и с глубиной быстро затухает. 
 
 

а б в 

Рисунок 4 - Отражение  и преломление ультразвуковых волн при различных углах падения 

1.               Поперечная волна падает под  углом βt на границу раздела  твердой и газообразной сред. Для любого твердого материала  (первая среда) существует такой  угол βkp3, когда отраженная продольная  волна будет «скользить» вдоль  границы двух сред (рисунок 4,в). Тогда , что возможно, так как всегда /. При углах, больших βkp3, эта неоднородная волна существует, но энергию она отдает сразу. Для пары «сталь-воздух» третий критический угол βkp3=340. 

Теперь можно проследить, как изменяются коэффициенты отражения Rtt и Rt1 и коэффициенты прозрачности Dll и Dlt, это иллюстрируется рисунке 5. На рисунке 5, а показана зависимость Dll (β) и Dlt(β) для пары «оргстекло-сталь». В области малых углов βl=(0-100) в стали существует практически  только продольная волна, что используется при ультразвуковом контроле КП. Далее, вплоть до первого критического угла  идет область одновременного существования  волн двух типов. Эту область в  дефектоскопии используют редко. В  интервале между первым и вторым критическими углами существует только поперечная волна. Эту область наиболее часто используют в дефектоскопии  КП для возбуждения в стали  поперечных волн. За вторым критическим  углом  может быть возбуждена поверхностная  волна. 
 
 

а                                                            б 

Рисунок 5 – Зависимости  и при отражении волны от границы  раздела «твердая среда-газ» 

На рисунок 5, б  показаны  и при отражении волны  от границы раздела «твердая среда-газ». При угле падения резко падает амплитуда поперечной волны и  возрастает амплитуда продольной. При  углах 0 и . 

Величиной углов  отражения и преломления плоских  ультразвуковых волн подчиняются закону Снеллиуса только в том случае, если поверхность раздела сред является зеркально-плоской. Однако на практике таких поверхностей нет. Чистота  их обработки определяется средним  размером высоты шероховатостей. Поверхность  может считаться «акустически зеркальной», если размер длины волны в несколько  раз превышает уровень шероховатости. Если же размеры шероховатости соизмеримы с длиной волны, то поверхность считается диффузной, т.е. когда отраженные и преломленные волны случайным образом рассеиваются в различных направлениях. 

1.4 Излучатели и  приемники ультразвуковых волн 

Пьезоэлектрические  преобразователи (ПЭП) служат для излучения  и приема акустических (ультразвуковых) волн в контролируемой среде. 

Основной элемент  ПЭП – пьезопластина 1, которая  приклеена с одной стороны  к демпферу, а с другой – к  протектору 3. В реально существующих ПЭП пьезопластина (ПП) выполнена круглой или прямоугольной формы из пьезокирамики типа ЦТС-19 (цирконата титана свинца). На обе поверхности ПП нанесены тонкие слои серебра 4, к которым присоединены электроды 5 (рисунок 6,а). Демпфер в ПЭП служит для подавления паразитных колебаний, укорочения длительности импульса колебаний и повышения механической прочности ПП. Протектор предназначен для защиты ПП от механических повреждений, обеспечения электрического согласования с выходом генератора и акустического контакта. 
 
 

а                                                               б                              в 

Рисунок 6 – Схема  пьезоэлектрического преобразователя 

Работа ПЖП основана на явлениях обратного (при излучении) и прямого (при приеме) пьезоэффектов, суть которых состоит в следующем. Если ПП сдавливать или разжимать, то на ее поверхностях возникают электрические  заряды, полярность которых определяется направлением действия сжимающих или  растягивающих сил. Величина заряда прямо пропорциональна силе, т.е. амплитуде упругой волны. Это  прямой пьезоэффект и используется для приема акустических колебаний (рисунок 6,в). Пьезоэффект – явление  обратимое, т.е. если на пластину подавать электрическое напряжение, то в зависимости  от его полярности пьезопластилина  будет сжиматься или разжиматься. Это обратный пьезоэффект, используется для излучения акустических колебаний. Например, если на пьезопластину подавать переменное электрическое напряжение, то она, деформируясь в поперечном направлении, будет как бы «колотить» по поверхности ОК, создавая эффект работы «поршня» и возбуждая при этом в ОК продольные волны (рисунок 6, б). 
 

2.ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ  СРЕДСТВА УЛЬТРАЗВУКОВОГО  

НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ 

Существует множество  ультразвуковых дефектоскопов, такие  как УД2-12, УД2-70, УДС2-32 и д. р. На железнодорожном  транспорте имеют право использования  только те дефектоскопы, которые разрешены  в соответствующей документации. В данной работе был выбран ультразвуковой дефектоскоп УД2-102, так как он разрешен документацией. Он является одним  из последних достижений отечественной  промышленности и по своим функциональным возможностям превосходит, такие дефектоскопы УД2-12 И УДС2-32. А также этот дектооп нашел боле лушее применение на предприятиях железнодоржного транспорта. 

  

2. 1 Дефектоскоп УД2-102 

Дефектоскоп УД2-102 отличается достаточно гибкой системой программирования операций контроля на базе типовых  вариантов, надежностью в эксплуатации, удобством управления и набором  дополнительных сервисных функций. Пеленг является наиболее удобным и  информативным дефектоскопом, позволяет  повысить производительность за счет использования типовых настроек, создания, запоминания их. Эффективность  операций по контролю колесных пар  определяется уровнем подготовки операторов и качеством аппаратуры, применяемой  для контроля. 

Дефектоскоп предназначен для ультразвукового контроля осей и ободьев колесных пар, других деталей  грузовых и пассажирских вагонов  при плановых видах ремонта и  освидетельствовании колесных пар  в вагонных депо. 

«Пеленг» может  использоваться для проведения контроля на железнодорожном транспорте, в  метрополитенах; на предприятиях городского электротранспорта и других отраслях. 

С помощью дефектоскопа обеспечивается ультразвуковой контроль в вагонных депо, вагоноремонтных (вагоностроительных) заводах (далее - заводы) и других объектах. 

Дефектоскоп предназначен для выявления дефектов типа нарушения  сплошности (трещины, поры и др.) с  измерением и регистрацией в памяти дефектоскопа характеристик выявленных дефектов (амплитуда отраженного  сигнала и координаты) при контроле вручную и (или) с использованием устройств сканирования в соответствии с типовыми вариантами работы или предварительно созданных и запомненными настройками. 
 
 

Рисунок 7 - Лицевая  панель дефектоскопа УД2-102 

В дефектоскопе предусмотрено: 

• типовое представление  результатов ультразвукового контроля (А-развертка) и визуализация контролируемого  сечения элемента колесной пары (В- и W-развертки); 

• энергонезависимая  память для созданных настроек и  записанных результатов контроля (протоколов); 

• возможность создания и сохранения в памяти дефектоскопа блоков этапов (для реализации многоэтапного  контроля); 

• ведение и сохранение в памяти дефектоскопа отчетов о  проведении контроля однотипных изделий (например, колесных пар); 

• применение эхо  и зеркально-теневого методов (ЗТМ) ультразвукового контроля, а также  всех необходимых частот ультразвуковых колебаний (УЗК), позволяющих надежно  выявлять дефекты в элементах  колесных пар; 

• использование  автоматической регулировки усиления (АРУ) для контроля осей и ободьев  колес; 

• существенное упрощение  процедуры создания настроек, а также  повышение их достоверности благодаря  наличию типовых вариантов работы; 

• возможность подключения  дефектоскопа к типовой ПЭВМ. 

Методы ультразвукового  контроля, реализованные в дефектоскопе: 

1.      Эхо-импульсный; 

2.      ЗТМ  (зеркально-теневой); 

3.      Теневой. 

Дефектоскоп "ПЕЛЕНГ УД2-102 является переносным одноканальным  ультразвуковым дефектоскопом со встроенным микропроцессорным управлением. Дефектоскоп  состоит из следующих основных составных  частей 

• блок электронный; 

• сетевой адаптер; 

• головные телефоны; 

• комплект инструмента  и принадлежностей. 

Необходимые для  нормального функционирования ручные пьезоэлектрические преобразователи  ПЭП, кабели для подключения ПЭП, дискета с программный обеспечением (ПО) для ПЭВМ и др. входят в комплект инструмента и принадлежностей. 

БЭ предназначен для генерации импульсных УЗК необходимой частоты, приема и усиления отраженных сигналов, их временной и амплитудной селекции и отображения на ЖКД, а также для измерения характеристик дефектов, управления АСД и сохранения/вызова информации в/из памяти дефектоскопа. 

В качестве АСД (порогового индикатора) используется световой индикатор  дефекта, встроенный в БЭ звуковой индикатор  и (или) головные телефоны, которые подключены к соответствующему разъему БЭ. Типовой  интерфейс RS232 предназначен для подключения  персонального компьютера с принтером. 

Автоматическая регулировка  чувствительности. Временная регулировка  чувствительности. Изменение чувствительности дефектоскопа осуществляется за счет изменения усиления приемного тракта. Значение усиления индицируется в верхней  части экрана ЖКД правее символа" ^ ". При этом большему значению " ^ " соответствует большее усиление и наоборот. Для наиболее распространенного  эхо-метода большей чувствительности соответствует большее значение усиления " г" и наоборот. Для ЗТМ и теневого метода имеет место обратная зависимость. 

Методика настройки  чувствительности дефектоскопа основана на том, что значение требуемой чувствительности задано относительно опорного сигнала (сигнала от эталонного отражателя).