/>ВСТУП
Двадцять перше століття — століття| атома, підкорення космосу, радіоелектроніки і ультразвуку. Наука про ультразвук порівняно молода. Перші лабораторні роботи по дослідженню ультразвука були проведені великим російським ученим-фізиком П. Н. Лебедевим в кінці|у кінці, наприкінці| XIX, а потім ультразвуком займалися багато видних|показних| учених.
Ультразвук є коливальним рухом частинок|часток, часточок| середовища|середи|, що хвилеподібно розповсюджується|поширюється|. Ультразвук має деякі особливості в порівнянні із звуками звукового діапазону. В ультразвуковому діапазоні порівняно легко одержати|отримати| направлене|спрямоване| випромінювання; він добре піддається фокусуванню, внаслідок чого підвищується інтенсивність ультразвукових коливань. При розповсюдженні|поширенні| в газах, рідинах і твердих тілах ультразвук породжує цікаві явища, багато з|із| яких знайшли практичне застосування|вживання| в різних областях науки і техніки.
Так, ультразвукові коливання застосовують в неруйнуючому контролі. Професор С. Я. Соколов використав властивість розповсюдження|поширення| ультразвука у ряді|в ряді| матеріалів і запропонував в 1928 році новий метод виявлення дефектів, що залягають в товщі металу. Ультразвуковий метод скоро|швидко| одержав|отримав| визнання|зізнання| в нашій країні і за кордоном. Це пояснюється вищою чутливістю по розкриттю на 5 порядків|лади|, достовірністю в 2 – 2,5 рази виявлення дефектів, вищою оперативністю в 15 – 20 разів і продуктивністю в 2 – 4 рази, меншою вартістю в 2 – 6 разів і безпекою в роботі в порівнянні з іншими методами неруйнуючого контролю.
1. АНАЛІТИЧНИЙ ОГЛЯД ЛІТЕ/>РАТУРНИХ ДЖЕРЕЛ І ПАТЕНТНИХ МАТЕРІАЛІВ
Згідно ДСТ 23829-79 акустичні методи ділять на дві великі групи: що використовують випромінювання і прийом акустичних хвиль (активні методи) і засновані тільки|лише| на прийомі (пасивні методи). У кожній з груп можна виділити методи, засновані на виникненні в об'єкті контролю біжучих і стоячих хвиль, або коливань.
Активні акустичні методи, в яких застосовують біжучі хвилі, ділять на дві підгрупи, що використовують проходження і віддзеркалення|відображення, відбиття| хвиль. Застосовують як безперервне, так і імпульсне випромінювання.
До методів проходження відносяться наступні|слідуючі|:
1. Тіньовий метод, заснований на зменшенні амплітуди пройденої хвилі під впливом дефекту.
2. Часовий тіньовий метод, заснований на запізнюванні імпульсу, викликаному|спричиненому| огинанням дефекту.
3. Дзеркально-тіньовий метод, заснований на ослабленні|ослабінні| сигналу, відбитого від протилежної поверхні виробу (донного сигналу).
4. Велосиметричний метод, заснований на зміні швидкості пружних хвиль за наявності дефекту.
У методах віддзеркалення|відображення, відбиття| застосовують, як правило, імпульсне випромінювання. До цієї підгрупи відносяться наступні|такі| методи дефектоскопії.
/>/>
Рисунок 1.1– Класифікація акустичнихметодів контролю
1. Ехо-метод. Реєструє сигнали луни від дефектів. (рисунок 1.1)
2. Дзеркальний ехо-метод заснований на дзеркальному відбиванні імпульсів від дефектів, орієнтованих вертикально до поверхні, за якою ведеться контроль.
3. Ревербераційний метод призначений для контролю шаруватих конструкцій типу метал-пластик. Він заснований на аналізі тривалості реверберації ультразвукових імпульсів в одному з шарів.
Від розглянутих акустичних методів неруйнуючого контролю істотно відрізняється імпедансний метод, (рисунок 1.1) заснований на аналізі зміни механічного імпедансу ділянки поверхні контрольованого об'єкту, з яким взаємодіє перетворювач. На використанні стоячих хвиль засновані наступні методи:
1. Локальний метод вільних коливань. Він заснований на аналізі спектру збуджених в частині контрольованого об'єкту за допомогою ударів молоточка-вібратора. />
2. Інтегральний метод вільних коливань. Механічним ударом збуджуються вібрації у всьому виробі або в значній його частині.
3. Локальний резонансний метод. Застосовується в товщинометрії.
4. Інтегральний резонансний метод. Застосовують для визначення модулів пружності матеріалу по резонансних частотах поздовжніх, вигинистих або крутильних коливань виробів простої геометричної форми.
1.1. Ехо-імпульсний| метод ультразвукової дефектоскопії
Як видно|показно|, існує величезна кількість методів ультразвукової дефектоскопії, але|та| один з найбільш поширених методів є|з'являється, являється| ехо-імпульсний| метод ультразвукового неруйнуючого контролю. Це пояснюється тим, що цей метод – на відміну|відзнаці| від інших – застосовний при односторонньому|однобічному| доступі до досліджуваного об'єкту, і при цьому дозволяє визначити розміри дефекту, його координати, характер|вдачу|.
У ехо-імпульсному методі ультразвукової дефектоскопії (УЗД|вузд|) використовуються ті ж принципи, що і в радіо — і акустичної локації.
Сучасний ехо-метод УЗД|вузд| заснований на випромінюванні в контрольований виріб коротких імпульсів пружних коливань (тривалістю 0,5 – 10 мксек|) іреєстрації інтенсивності (амплітуди) і часу приходу|прибутку| сигналів луни, відбитих від дефектів відбивачів.
Імпульсний ехо-метод дозволяє вирішувати наступні|слідуючі| задачі дефектоскопії:
1. Виявлення і визначення координат дефектів, що є порушеннями суцільності| і розташованих|схильних| як на поверхні, так і всередині|усередині| металевих і неметалічних виробів і в зварних з'єднаннях.
2. Визначення розмірів дефектів і виробів.
3. Виявлення зон крупнозернистості в металевих виробах і заготовках.
Апаратура, що реалізовує даний метод, дозволяє визначити характер|вдачу| дефектів, ідентифікувати їх за розмірами, формами, орієнтацією.
/>
1.2. Характеристики ехо-методу
До основних характеристик методу відносяться: чутливість, максимальна глибина проникання|, мінімальна глибина («мертва» зона), розрізнювальна здатність|здібність|, точність вимірювання|виміру| відстані, продуктивність контролю.
Під чутливістюрозуміють мінімальний розмір дефекту, що знаходиться|перебуває| на максимальній глибині і чітко реєстрований приладом. Кількісно її визначають порогом чутливості. Для методу луни – це мінімальна площа|майдан| штучного дефекту типу плоскодонного отвору, який виявляється при контролі. Її можна визначити по відбивачах іншого типу, виконуючи перерахунок на площу|майдан| плоскодонного отвору по формулах акустичного тракту. Поріг чутливості обмежується двома головними чинниками|факторами|: чутливістю апаратури і рівнем перешкод. Залежно від структури матеріалу буде і змінюватися поріг чутливості.
Максимальна глибина проникання| визначається максимальною відстанню від дефекту (відбивача) заданого розміру, на якому він упевнено виявляється. Вона обмежується умовою, щоб сигнал від дефекту був більше мінімального сигналу, реєстрованого приладом і рівня перешкод. Вона також визначається параметрами апарату/>ри. У технічних характеристиках приладу як максимальну глибину проникання|вказують|вказують| максимальну тривалість розгортки дефектоскопа. Досягнення максимальної глибини проникання|обмежується тими ж чинниками|факторами|, які перешкоджають підвищенню чутливості.
Мінімальна глибина або «мертва» зона — мінімальна відстань від перетворювача або від поверхні виробу до дефекту, на якому він чітко виявляється не зливаючись із|із| зондуючим імпульсом або імпульсом від поверхні введення ультразвуку.
Розрізнювальна здатність|здібність| — мінімальна відстань між двома однаковими дефектами, при якому вони реєструються роздільно. Розрізняють променеву і фронтальну розрізнювальну здатностіметоду.
Променева роздільна здатність|здібність|- мінімальна відстань в променевому напрямі|направленні|, при якому сигнали від дефектів видно на екрані як два роздільні імпульси.
Фронтальнароздільна здатність по переміщенню- мінімальна відстань між дефектами в напрямі|направленні| перпендикулярному променевому.
Точність вимірювання|виміру| відстані до дефекту визначається погрішністю в % від вимірюваної величини.
Продуктивність контролювизначається кроком і швидкістю сканування (переміщення) перетворювача. При оцінці часу контролю враховується і час на дослідження дефекту.
1.3. Умо/>ви отримання|здобуття| максимального сигналу від дефекту
Для оптимального виконання першої умови виявлення дефекту величина /> повинна мати максимальне значення. Де Vд – сигнал від дефекту, а V0– сигнал посланий перетворювачем. Також, часто від правильного вибору частоти ультразвукових коливань залежить потужність отримання сигналу від дефекту, і як наслідок, точність визначення дефекту. Можна сказати, що частота є|з'являється, являється| одним з головних параметрів, від вибору яких залежить виявлення. Зупинимося|зупинятимемося| детально на її виборі. Як відомо, частота залежить від коефіцієнта загасання|затухання|. Для більшості матеріалів в діапазоні частот, використовуваних в дефектоскопії, ця залежність приблизно виражається|виказується, висловлюється| формулою:
/> (1.1)
де /> і /> — коефіцієнти, не залежні від частоти.
Перший член пов'язаний з поглинанням, другий – з|із| розсіянням ультразвуку дрібними|мілкими| зернами (кристалітами) металу.
При малих відстанях від перетворювача до дефекту вплив загасання|затухання| ультразвуку невеликий, тому в ближній|близькій| зоні доцільно застосування|вживання| високих частот. У дальній|далекій| зоні загасання|затухання| має дуже велике значення для раціонального вибору частоти.
Оптимальна частота ультразвукових коливань визначається формулою:
/> (1.2)
де: С1 – коефіцієнт, пов'язаний з поглинанням ультразвуку для дрібнозернистих матеріалів;
r – відстань від перетворювача ультразвукових хвиль до дефекту
А для грубозернистих|крупнозернистих| о/>птимальна частота знаходиться|перебуває| по формулі:
/> (1.3)
де С2 залежно від співвідношення />;
r – відстань від перетворювача ультразвукових хвиль до дефекту
Таким чином, в обох випадках із|із| збільшенням товщини виробу слід знижувати частоту.
`
1.4. Ультразвуковий эхо-імпульсний| дефектоскоп
Ультразвуковий ехо-дефектоскоп – це прилад, призначений для виявлення несуцільності та неоднорідностей|у виробі, визначення їх координат, розмірів і характеру|вдачі| шляхом випромінювання імпульсів ультразвукових коливань, прийому і реєстрації відбитих від неоднородностей| сигналів луни. Розглянемо|розгледимо| його складові.
На рисунку приведена принципова схема імпульсного ультразвукового дефектоскопа. Генератор радіоімпульсів 3 збуджує|збуджує|, п’єзопластину | передавальної пошукової| головки|голівки| 1. Ультразвукові коливання розповсюджуються|поширюються| в контрольованій деталі, відбиваються|відбиваються| від її протилежної стінки («донний сигнал») і потрапляють|попадають| на п’єзопластину| приймальної|усиновленої| пошукової| головки|голівки| 2. Відбиті ультразвукові коливання збуджують|збуджують| коливання п’єзопластини | приймальної|усиновленої| пошукової| головки|голівки| 2. При цьому на гранях п’єзопластини | виникає змінна напруга|напруження|, яка детектується і підсилюється|підсилюється| в підсилювачі 4, а потім поступає|надходить| на вертикальні відхиляючі пластини електронно-променевої трубки|люльки| (ЕПТ) 5 осцилографа. Одночасно генератор горизонтальної розгортки 6 подає пилкоподібну напругу|напруження| на горизонтальні відхиляючі пластини ЕПТ 5. Генератор радіоімпульсів 3 збуджує|збуджує| п’єзопластину |передавальної/> пошукової| головки|голівки| 1 коротким імпульсом, між яким виходять тривалі паузи. Це дозволяє чітко розрізняти на екрані ЕПТ 5 сигнал початкового (зондуючого) імпульсу I, сигнал від дефекту III і донний сигнал II. За відсутності дефекту в контрольованій ділянці деталі на екрані осцилографа імпульс III буде відсутній.
Переміщаючи передавальну і приймальну|усиновлену| пошукові|головки|голівки| по поверхні контрольованої деталі, виявляють дефекти і визначають їх місцезнаходження. У деяких конструкціях ультразвукових дефектоскопів є|наявний| тільки|лише| одна суміщена|поєднана| пошукова|головка|голівка|, яка використовується як для передачі, так і для прийому ультразвукових коливань.
/>
Рисунок 1.2. – Блок схема імпульсного ультразвукового дефектоскопа
1-передавальна пошукова| головка;
2- приймальна|усиновленої| пошукова| головка;
3- генератор радіоімпульсів;
4- підсилювач;
5- електронна трубка (ЕПТ);
6- генератор горизонтальної розгортки
Переміщаючи передавальну і приймальну|усиновлену| пошукові|головки|голівки| по поверхні контрольованої деталі, виявляють дефекти і визначають їх місцезнаходження. У деяких конструкціях ультразвукових дефектоскопів є|наявний| тільки|лише| одна суміщена|поєднана| пошукова|головка|голівка|, яка використовується як для передачі, так і для прийому ультразвукових коливань. Місця прилягання пошукових|головок|голівок| до контрольованої деталі змащується тонким шаром трансформаторного масла|мастила, олії| або вазеліну для забезпечення безперервного акустичного контакту пошукових|головок|голівок| з|із| поверхнею контрольованого виробу.
/>
1.5. Рейковий дефектоскоп УДС 2-73 — три прилади в одному
Сьогодні існує величезна кількість різних ультразвукових дефектоскопів. Вони застосовуються практично у всіх галузях промисловості, оскільки практичні і дозволяють якісно вирішувати задачі дефектоскопії і габаритометрії|. Одним з місць, де застосовують ці дефектоскопи – залізничне полотно. Часто|частенько| рейки є|з'являються, являються| основним елементом залізничної колії, яка піддається значним навантаженням. У міру експлуатації в них з'являються|появляються| різні дефекти, загрозливі безпеці рухи потягів|поїздів|. Злами рейок є|з'являються, являються| першою причиною аварій і крахів|катастроф| в шляховому господарстві.
При контролі стану рейок застосовують ультразвукові дефектоскопні| візки, що дозволяють своєчасно виявляти дефекти, оцінити ступінь|міру| їх розвитку і небезпеки. Розглянемо|розгледимо| один з таких візків — УДС2-73, яка була розроблена на Україні НПФ| «Ультракон-сервіс», і є мікропроцесорним багатоканальним ультразвуковим дефектоскопом.
При розробці враховувався світовий досвід|дослід|, накопичений при експлуатації даного виду устаткування|обладнання|. Основними вимогами, що пред'являються до системи, були наступні|слідуючі|:
1) висока достовірність контролю з|із| можливістю|спроможністю| документування результатів;
2) використання максимальної автоматизації процесу контролю і настройки, при відносній простоті і зручності в управлінні і обслуговуванні;
3) забезпечення високої надійності, гнучкості і універсальності.
Дефектоскоп призначений для виявлення дефектів в обох нитках залізничної колії по всій довжині і перетину рейок, за винятком пір'я підошви, за допомогою дефектоскопного| візка, а/> також для контролю окремих ділянок однієї нитки залізничної колії і контролю елементів стрілочних переводів|переведень, переказів| за допомогою ручної штанги.
Контролю підлягають всі типи залізничних рейок, при цьому передбачене автоматичне коректування настройок при переході на інший тип рейок по вказівці оператора. Схеми прозвучування|дозволяють виявляти всі види критичних дефектів згідно класифікатору НДТ/ЦП-1-93. При цьому реалізовані эхо-|, дзеркальний і дзеркально-тіньовий методи УЗК|, з використанням контактного способу введення ультразвука. У дефектоскопі передбачений алгоритм розпізнавання типу дефекту, але|та| остаточне рішення|розв'язання, вирішення, розв'язування| повинен ухвалювати оператор, використовуючи додатково ручний контроль і візуальний огляд дефектної ділянки.
У УДС2-73 для суцільного контролю використовується 18 каналів, по 9 на кожну рейкову нитку. Так само дефектоскоп має додатково 5 окремих каналів для контролю однієї рейкової нитки і елементів стрілочних переводів|переведень, переказів| в ручному варіанті за допомогою штанги або окремого ПЭП.
Відмітними особливостями дефектоскопа є|з'являються, являються|:
1) наявність вбудованих типових настройок роботи каналів, можливість|спроможність| створення|створіння| робочих настройок оператора на основі типових, а також що відрізняються від типових, при використанні іншої схеми УЗК|;
2) наявність вбудованої пам'яті для збереження|зберігання| результатів контролю по всіх каналах на базі flash-карти, з|із| можливістю|спроможністю| швидкої передачі на ЕОМ без участі дефектоскопа;
/> 3) можливість|спроможність| визначення пройденого|минути, спливти| шляху|колії, дороги| і швидкості руху при суцільному контролі за допомогою датчика шляху|колії, дороги|;
4) наявність великого кольорового екрану з|із| високою роздільністю;
5) різні режими представлення інформації на екрані дефектоскопа;
6) візуальна і звукова система автоматичної сигналізації дефектів (