CC BY
1УДК 624.21.037:620.179.1
Инновационные технологии неразрушающего контроля и технической диагностики рельсов эстакады общепланетарного транспортного средства
99
Рассмотрены два подхода решения задач неразрушающего контроля и диагностики рельсов эстакады общепланетарного транспортного средства (ОТС). Для локализации нарушений сплошности поверхности корпусных элементов рельсов предложен улучшенный ультразвуковой способ, объединяющий лазерное возбуждение зондирующих импульсов и их бесконтактную регистрацию с помощью электромагнитных акустических преобразователей. В ходе работы сделан вывод: диагностика качественных изменений состояния непосредственно головки (поверхности катания) рельсовых структур, набранной из ленточных элементов (полос), более эффективна при применении технологий, основанных на использовании виброакустических методов.
Ключевые слова:
лазерный ультразвук, оптоакустика, бесконтактные методы/ контроля, виброакустика.
Сергиенко В.П.1 Бухаров С.Н.1 Кожушко В.В.1 Бочкарёв Д.И.2 3
1 Институт механики металлополимерных систем им. В.А. Белого Национальной академии наук Беларуси,
г. Гомель, Беларусь
2 Белорусский государственный университет транспорта, г. Гомель, Беларусь
3 ЗАО «Струнные технологии», г. Минск, Беларусь
Введение
Стартовая эстакада общепланетарного транспортного средства (ОТС) является взлётно-посадочным, энергетическим и коммуникационным узлом для геокосмических перевозок.
Элементы эстакады (например, рельсо-струнная путевая структура Струнного транспорта Юницкого (ЮСТ; англ. -uST) и сеть uNet [1]) используются для функционирования ОТС: обеспечения электрической подзарядки, комплектации пассажирами и грузом, взлёта, приземления, разгрузки, передачи космической продукции и накопленной в космосе солнечной энергии, обслуживания и ремонта.
Кроме того, в зоне эстакады размещаются следующие транспортно-инфраструктурные элементы сети uNet:
• гиперскоростной комплекс в форвакуумном канале (скорость до 1500 км/ч);
• высокоскоростной комплекс (скорость до 600 км/ч);
• городской комплекс (скорость до 150 км/ч);
• линии электропередач;
• линии связи.
Высокие требования к надёжности, долговечности и безопасности эстакады ОТС, а также рельсов, инженерных сетей и других её конструктивных элементов выдвигают соответствующие условия к применению эффективных методов контроля и диагностических средств, позволяющих с максимальной точностью выполнять поиск и идентификацию возможных дефектов.
Общая протяжённость эстакады ОТС, охватывающей Землю в экваториальной плоскости, составляет 40 076 км, из которых примерно 20 % длины - сухопутные участки,
80 % - морские [1, 2]. Следовательно, особенно актуальным является внедрение методов диагностики, способствующих реализации непрерывного бесконтактного дистанционного поиска дефектов и повреждений.
Важность выбора и внедрения эффективной системы диагностики определяется в том числе конструктивными решениями эстакады ОТС, состоящей из различных элементов, объединённых в целостную предварительно напряжённую несущую конструкцию, которая в процессе эксплуатации выполняет функции пролётного строения и рельсового пути для движения транспортных средств на всех режимах работы, а также воспринимает вертикальные, продольные и поперечные нагрузки и передаёт их на опоры через опорные узлы и узлы анкерения [1, 2].
Методика исследования
Протяжённая геометрия корпусных элементов струнных рельсов позволяет возбуждать в них стержневые моды, т. е. упругие волны определённой частоты, распространяющиеся на значительные расстояния от источника. Регистрация таких волн возможна набором преобразователей, расположенных вдоль длинномерного изделия на заданной дистанции. Регистрируемые сигналы содержат информацию о наличии структурных дефектов в материале, его однородности, зарождающихся разрушениях, трещинах и др.
Одним из наиболее быстро развивающихся направлений улучшенного неразрушающего контроля является лазерный ультразвук. Возбуждение зондирующих ультразвуковых импульсов происходит вследствие поглощения
Сборник материалов IV международной научно-технической конференции «БЕЗРАКЕТНАЯ ИНДУСТРИАЛИЗАЦИЯ БЛИЖНЕГО КОСМОСА: ПРОБЛЕМЫ, ИДЕИ, ПРОЕКТЫ»
энергии лазерного импульса наносекундной длительности. Коэффициент поглощения металлов в видимом и ближнем инфракрасном диапазоне составляет более 104 см-1. В результате глубина проникновения излучения ограничена десятками нанометров. Энергия лазера преобразуется в тепло, диффузия которого за время лазерного импульса достигает приблизительно 1 мкм. Тепловое расширение тонкого приповерхностного слоя возбуждает объёмные, а в случае фокусировки - поверхностные акустические импульсы. Особенность возбуждаемых лазером ультразвуковых импульсов заключается в форме с выраженной фазой сжатия и широкой полосой частот, охватывающих более двух декад с верхней границей, превышающей 50 МГц [3]. Такая ширина полосы частот позволяет обнаруживать неоднородности, в том числе зарождающиеся трещины размером более 50 мкм в продольном направлении. Регистрация ультразвуковых импульсов возможна традиционными контактными методами с применением пьезоэлектрических преобразователей. В то же время существенный недостаток указанных преобразователей связан с необходимостью обеспечения акустического контакта с объектом контроля, для чего используются слои жидкости или геля, толщину которых сложно контролировать. Одновременно с этим известны оптические методы, в которых применяются отдельные лазерные источники, гарантирующие бесконтактную регистрацию ультразвука в широкой полосе частот [4, 5]. Недостатком подобных решений является высокая стоимость и сложность монтажа системы, компенсируемая в рассматриваемом случае высокой стоимостью и ответственностью объекта контроля.
Результаты и анализ
Исходя из конструктивных особенностей рельсов, головка (поверхность катания) которых в одном из вариантов исполнения состоит из набранных в блок вертикально ориентированных ленточных элементов (полос), установленных на рёбра в корпусе, внедрение ультразвуковых методов контроля (в том числе лазерных) возможно только непосредственно для корпусных элементов, имеющих большую протяжённость.
С учётом вышеизложенного для диагностики корпусных элементов рельсов в настоящее время разработаны методы регистрации, применяющие усовершенствованные электромагнитные акустические преобразователи, чувствительные к переменному электромагнитному полю, которое возникает в ферромагнитных материалах в результате магнитострикционного эффекта [6-8].
Преимуществом данного метода является простота, относительно невысокая стоимость и хорошая информативность для решения задач бесконтактного неразрушающего контроля и диагностики.
Одновременно с этим для диагностики головки рельса, набранной из ленточных элементов, представляет интерес контроль уровня шума при движении транспортных средств - путём использования многоканальной системы сбора и анализа виброакустических сигналов с реализацией узкополосной спектральной обработки на основе быстрого преобразования Фурье (БПФ-анализ), а также вибрации - с помощью виброизмерительной аппаратуры (акселерометров). Акселерометр устанавливается непосредственно в транспортных средствах и осуществляет непрерывные бесконтактные измерения при взаимодействии их колёс с объектами контроля.
Виброизмерительная аппаратура обеспечивает следующие параметры:
• полосы пропускания частот для измерения значений в октавных полосах частот в диапазоне 1-63 Гц и 1/3-октав-ных полосах частот в диапазоне 0,8-80 Гц;
• измерение уровней виброускорений в пределах 0,1-10 м/с2 по всему спектру в октавных и 1/3-октав-ных полосах частот с постоянными времени усреднения (интегрирования) от 1 с до 10 с;
• измерение текущих, максимальных и минимальных (за время измерений) значений средних квадратических уровней, эквивалентных (по энергии) средних квадратических уровней абсолютных величин виброускорений в м/с2 или их логарифмических уровней в дБ по всему диапазону октавных и 1/3-октавных полос частот одновременно по трём направлениям ортогональных осей (Х У 1) в одной точке измерений с применением одного трёхосе-вого акселерометра или трёх отдельных акселерометров, ориентированных вдоль осей (Х У 1);
• выполнение узкополосной спектральной обработки на основе БПФ-анализа спектров с высокой частотной детализацией;
• выполнение анализа порядковых (оборотных) и резонансных (собственных) составляющих в узкополосных БПФ-спектрах вибрации, что позволит реализовать комплексный подход к решению задачи по высокоточной непрерывной дистанционной диагностике (с привязкой к координатам) путевых структур транспортной эстакады ОТС и обеспечит минимизацию рисков возникновения аварийных ситуаций, связанных с техническим состоянием элементов системы «стальное колесо транспортного средства - стальная головка рельса».
ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ И ТЕХНИЧЕСКОЙ ДИАГНОСТИКИ РЕЛЬСОВ ЭСТАКАДЫ ОБЩЕПЛАНЕТАРНОГО ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА
Сергиенко В.П., Бухаров С.Н., Кожушко В.В., Бочкарёв Д.И.
Выводы
и дальнейшие направления исследования
На основании вышеизложенного можно предложить эффективный подход к организации системы дистанционной непрерывной бесконтактной диагностики и неразру-шающего контроля рельсов эстакады ОТС, базирующейся на двух направлениях: использовании лазерного ультразвука для корпусных элементов и виброакустического метода для наборной поверхности катания (головки) рельсов. Внедрение данных технологий позволит гарантировать безопасность рельсового пути эстакады ОТС на уровне, необходимом для надёжной эксплуатации рассматриваемого масштабного сооружения после соответствующей апробации.
Литература
1. Юницкий, А.Э. Струнные транспортные системы: на Земле и в Космосе: науч. издание / А.Э. Юницкий. - Минск: Беларуская навука, 2017. - 342 с.: ил.
2. Юницкий, А.Э. Струнные транспортные системы: на Земле и в Космосе: науч. издание / А.Э. Юницкий. - Силакрогс: ПНБ принт, 2019. - 576 с.: ил.
3. Characterization of Elastic Properties of Metals and Composites by Laser-Induced Ultrasound/ V.V. Kozhushko [et al.] // Non-Destructive Testing and Repair of Pipelines; eds.: E.N. Barkanov, A. Dumitrescu, I.A. Parinov. - Springer, 2018. - P. 209-225.
4. Fully Noncontact Measurement of Inner Cracks in Thick Specimen with Fiber-Phased-Array Laser Ultrasonic Technique / C. Pei [et al] // NDT & E International. -2020. - Vol. 113. - 102273.
5. Non-Destructive Laser-Ultrasonic Synthetic Aperture Focusing Technique (SAFT) for 3D Visualization of Defects / C.-Y. Ni [et al]//Photoacoustics. - 2021. - Vol. 22. - 100248.
6. Detection of Cracks in Metal Sheets Using Pulsed Laser Generated Ultrasound and EMAT Detection / S. Dixon [et al.]//Ultrasonics. - 2011. - Vol. 5 (1). - P 7-16.
7. Method of Measuring the Mechanical Properties of Ferromagnetic Materials Based on Magnetostrictive EMAT Characteristic Parameters / P. Wang [et al.]//Measure-ment. - 2020. - Vol. 168. - 108187.
8. Study of a Spiral-Coil EMA T for Rail Subsurface Inspection / Y Li [et al]// Ultrasonics. - 2020. - Vol. 108. - 106169.
Сборник материалов IV международной научно-технической конференции «БЕЗРАКЕТНАЯ ИНДУСТРИАЛИЗАЦИЯ БЛИЖНЕГО КОСМОСА: ПРОБЛЕМЫ, ИДЕИ, ПРОЕКТЫ»
