RU2634806C1

RU2634806C1 - Device of magnetic flaw detection of rails

Info

Publication number: RU2634806C1
Application number: RU2016139182A
Authority: RU
Inventors: Анатолий Аркадиевич Марков; Андрей Геннадиевич Антипов
Original assignee: Открытое акционерное общество "Радиоавионика"
Priority date: 2016-10-05
Filing date: 2016-10-05
Publication date: 2017-11-03

Abstract

FIELD: physics.

SUBSTANCE: device for magnetic flaw detection of a track contains electromagnetic coils mounted on the axes of the wheel pairs and exciting a constant magnetic flux on the sections of the rail located between the contact spots of wheel pairs with the rail and the magnetic field anomaly detectors installed on these sections of rails, on the axes of wheel sets of neighboring cars.

EFFECT: increasing the detection ability of the magnetodynamic flaw detector at high speeds.

3 dwg

Description

Изобретение относится к методам неразрушающего контроля материалов путем исследования магнитных полей рассеяния и может быть использовано при высокоскоростной двухниточной дефектоскопии преимущественно головок рельсов, в том числе с использованием не специализированного (дефектоскопического), а обычного подвижного железнодорожного состава.The invention relates to methods of non-destructive testing of materials by studying magnetic fields of scattering and can be used for high-speed two-thread inspection of mainly rail heads, including using not specialized (flaw detection), but a conventional rolling stock.

Известен способ магнитодинамического (МД) метода обнаружения дефектов в рельсах [1], [2], заключающийся в возбуждении соответствующими средствами постоянного магнитного потока в рельсе и датчики аномалий (индукционные катушки) магнитного поля, установленные на участке рельса с постоянным магнитным потоком. При совместном перемещении указанных средств возбуждения и датчиков появляется возможность обнаружения аномалий магнитного поля в головке рельса, в частности, вызванных дефектами в головке рельсов. Кроме того, МД метод позволяет обнаруживать стрелки, рельсовые стыки и другие конструктивные элементы рельсового пути, которые могут быть использованы, например, для координатной привязки рельсового транспортного средства.A known method of the magnetodynamic (MD) method for detecting defects in rails [1], [2], which consists in the excitation of a constant magnetic flux in a rail by appropriate means and anomaly sensors (induction coils) of a magnetic field mounted on a portion of a rail with constant magnetic flux. When these excitation means and sensors are moved together, it becomes possible to detect magnetic field anomalies in the rail head, in particular, caused by defects in the rail head. In addition, the MD method allows you to detect arrows, rail joints and other structural elements of the rail track, which can be used, for example, for coordinate snap rail vehicles.

МД метод обнаружения дефектов в рельсах имеет следующие особенности:MD method for detecting defects in rails has the following features:

1. Чем больше время взаимодействия магнитного потока с контролируемым объектом (с рельсом), тем больше глубина проникновения и однородность магнитного поля в рельсе и качество обнаружения дефектов;1. The longer the interaction time of the magnetic flux with the controlled object (with the rail), the greater the penetration depth and uniformity of the magnetic field in the rail and the quality of detection of defects;

2. На степень намагничивания головки рельса влияют:2. The degree of magnetization of the rail head is affected by:

2.1 - сила тока намагничивания катушек, зависящая от энергетических возможностей дефектоскопа;2.1 - the current strength of the magnetization of the coils, depending on the energy capabilities of the flaw detector;

2.2 - свойства магнитопровода, которые зависят от его поперечного сечения и магнитной проницаемости по всей длине (используемых материалов, площади сечения, наличия зазоров, величины пятен контакта и т.п.);2.2 - the properties of the magnetic circuit, which depend on its cross section and magnetic permeability along the entire length (materials used, cross-sectional area, the presence of gaps, contact spots, etc.);

2.3 - утечка магнитного потока через посторонние магнитопроводящие материалы;2.3 - leakage of magnetic flux through extraneous magnetic conductive materials;

3. Чем выше скорость движения средства магнитной дефектоскопии, тем большим должен быть размер области намагничивания, поскольку при больших скоростях магнитные домены не успевают изменить ориентацию и поле по поперечному сечению рельса не успевает становиться однородным.3. The higher the speed of the magnetic flaw detector means, the larger the size of the magnetization area should be, since at high speeds the magnetic domains do not have time to change orientation and the field does not have time to become uniform over the rail cross section.

МД метод имеет различные варианты реализации в виде устройств.The MD method has various implementations in the form of devices.

Известны устройства для МД обнаружения дефектов в рельсах [2], [3], содержащие средство возбуждения постоянного магнитного потока в рельсах, выполненные в виде П-образного магнита, возбуждающего постоянный магнитный поток в рельсах и датчики аномалий магнитного поля, установленные между полюсами магнита.Known devices for MD detection of defects in rails [2], [3], containing means for exciting a constant magnetic flux in the rails, made in the form of a U-shaped magnet, exciting a constant magnetic flux in the rails and magnetic field anomaly sensors installed between the poles of the magnet.

Недостатком таких устройств является низкая обнаруживающая способность, обусловленная низкой степенью намагничивания рельса из-за сложности обеспечения минимального зазора П-образного магнита с рельсом и малым межполюсным расстоянием, особенно при высоких скоростях дефектоскопии. Увеличение межполюсного расстояния в П-образном магните энергетически нецелесообразно из-за наличия технологических зазоров и возрастания массогабаритных характеристик.The disadvantage of such devices is the low detecting ability, due to the low degree of magnetization of the rail due to the difficulty of ensuring a minimum clearance of the U-shaped magnet with the rail and a small interpolar distance, especially at high speeds of defectoscopy. An increase in the interpolar distance in a U-shaped magnet is energetically impractical due to the presence of technological gaps and an increase in weight and size characteristics.

Известны устройства для МД обнаружения дефектов в рельсах [4] и [5], содержащие средства возбуждения постоянного магнитного потока, содержащие специальные колесные пары с намагничивающими катушками, расположенными на осях колесных пар, и датчики аномалий магнитного поля. При этом тележки или средства их контакта с вагоном выполнены из немагнитного материала, что уменьшает утечки магнитного поля через конструктивные элементы вагона.Known devices for MD detection of defects in rails [4] and [5], containing means for exciting a constant magnetic flux, containing special wheelsets with magnetizing coils located on the axles of the wheelsets, and magnetic field anomaly sensors. In this case, the carts or means of their contact with the carriage are made of non-magnetic material, which reduces leakage of the magnetic field through the structural elements of the carriage.

Недостатком таких устройств является высокая сложность и дороговизна специальных тележек.The disadvantage of such devices is the high complexity and high cost of special trolleys.

Известны устройства МД дефектоскопии рельсового пути [6] и [7], содержащие катушки возбуждения постоянного магнитного потока в рельсах, установленные на осях рабочих (ходовых) колесных пар, и датчики аномалий магнитного поля, установленные на рельсах между этими колесными парами.Known devices MD defectoscopy of the rail track [6] and [7], containing a constant magnetic flux excitation coil in the rails mounted on the axes of the working (running) wheel pairs, and magnetic field anomaly sensors mounted on the rails between these wheel pairs.

Недостатком таких устройств является невысокая степень намагничивания рельса, обусловленная особенностями п. 2.3, отмеченными выше. По п. 2.3 магнитный поток, созданный в оси рабочей колесной пары, может замыкаться через конструктивные элементы вагона, что приводит к неэффективному использованию энергии источника возбуждения магнитного поля. Магнитная изоляция колесных пар тележки требует существенных затрат.The disadvantage of such devices is the low degree of magnetization of the rail, due to the features of clause 2.3 noted above. According to paragraph 2.3, the magnetic flux created in the axis of the working wheelset can be closed through the structural elements of the car, which leads to inefficient use of the energy of the magnetic field excitation source. Magnetic insulation of the wheelsets of the trolley is costly.

Наиболее близким к заявляемому является устройство [8], содержащее электромагнитные катушки, установленные на осях колесных пар и возбуждающие постоянный магнитный поток на участках рельса, расположенных между пятнами контакта колесных пар с рельсом, и датчики аномалий магнитного поля, установленные на указанных участках рельсов. Использование рабочих колесных пар позволяет проводить магнитодинамическую дефектоскопию с использованием обычного железнодорожного подвижного состава, а не специальными дефектоскопическими вагонами.Closest to the claimed is a device [8], containing electromagnetic coils mounted on the axles of the wheelsets and exciting a constant magnetic flux on the sections of the rail located between the spots of contact of the wheelsets and the rail, and magnetic field anomalies sensors installed on these sections of the rails. The use of working wheelsets allows magnetodynamic inspection using conventional railway rolling stock, rather than special inspection vehicles.

Недостатком устройства [8] является его плохая пригодность для дефектоскопии на высоких скоростях дефектоскопических средств. Этот недостаток обусловлен невысокой степенью намагничивания рельса, указанной в особенностях (п. 2.3), отмеченных выше. А именно магнитный поток, созданный в оси рабочей колесной пары, может замыкаться через конструктивные элементы тележки вагона, что приводит к неэффективному использованию энергии источника возбуждения магнитного поля. Магнитная изоляция колесных пар тележки требует существенных затрат.The disadvantage of the device [8] is its poor suitability for flaw detection at high speeds of flaw detection tools. This drawback is due to the low degree of magnetization of the rail indicated in the features (paragraph 2.3) noted above. Namely, the magnetic flux created in the axis of the working wheelset can be closed through the structural elements of the carriage of the car, which leads to inefficient use of the energy of the magnetic field excitation source. Magnetic insulation of the wheelsets of the trolley is costly.

Указанные выше недостатки аналогов и прототипа становятся особенно актуальными при высокой скорости перемещения подвижного состава. Высокая загруженность железных дорог требует минимальных временных затрат на служебные операции по обслуживанию рельсового пути, в частности на дефектоскопию. Решение этой проблемы может состоять в повышении скорости до 120 км/ч и выше специальных вагонов - дефектоскопов и(или) установке дефектоскопических средств на обычные вагоны. Таким образом, задачей, решаемой заявляемым устройством, является обеспечение возможности высококачественной дефектоскопии рельсов высокоскоростными средствами.The above disadvantages of analogues and prototype become especially relevant at high speed of movement of the rolling stock. High congestion of railways requires minimal time spent on official operations for maintenance of the rail track, in particular for flaw detection. The solution to this problem may consist in increasing the speed to 120 km / h and above special cars - flaw detectors and (or) installing flaw detectors on ordinary cars. Thus, the problem solved by the claimed device is to provide high-quality flaw detection of rails with high-speed means.

Для решения этой задачи в устройстве магнитной дефектоскопии рельсового пути, содержащем электромагнитные катушки, установленные на осях колесных пар и возбуждающие постоянный магнитный поток на участках рельса, расположенных между пятнами контакта колесных пар с рельсом, и датчики аномалий магнитного поля, установленные на указанных участках рельсов, катушки электромагнитов установлены на осях колесных пар соседних вагонов.To solve this problem, in a device for magnetic flaw detection of a rail track containing electromagnetic coils mounted on the axles of the wheelsets and exciting a constant magnetic flux on sections of the rail located between the spots of contact between the wheelsets and the rail and magnetic field anomalies sensors installed on these sections of the rails, coils of electromagnets are mounted on the axles of the wheelsets of neighboring cars.

Такое решение позволяет:This solution allows you to:

1. Увеличить длину намагниченного участка рельса, улучшив характер и степень его намагниченности (особенность 3, отмеченная выше). Расстояние между рельсовыми парами колес одной тележки обычно составляет около 2 (2,2-2,4) метров, а расстояние между осями колесных пар соседних вагонов может достигать 6-8 метров;1. Increase the length of the magnetized section of the rail, improving the nature and degree of its magnetization (feature 3, noted above). The distance between the rail pairs of wheels of one trolley is usually about 2 (2.2-2.4) meters, and the distance between the axles of the wheelsets of neighboring cars can reach 6-8 meters;

2. Повысить энергетическую эффективность дефектоскопии, благодаря уменьшению утечек магнитного поля через различные конструктивные элементы (п. 2.3, описанный выше). В рамках одной тележки, содержащей две колесные пары, такого результата добиться трудно из-за наличия в конструкции большого количества металлических деталей и разнонаправленных полюсов электромагнита на каждой стороне тележки и вагона. При использовании колесных пар соседних вагонов единственным путем магнитного потока оказывается сцепка вагонов, которую несложно выполнить и немагнитных материалов. Кроме того, благодаря соосному направлению магнитного потока в соседних осях колесных пар, практически отсутствует утечка магнитного поля по краям корпуса вагона в зоне каждой тележки;2. To increase the energy efficiency of flaw detection, due to the reduction of leakage of the magnetic field through various structural elements (paragraph 2.3, described above). It is difficult to achieve such a result within a single carriage containing two wheelsets due to the presence of a large number of metal parts and multidirectional electromagnet poles on each side of the carriage and wagon. When using wheelsets of adjacent wagons, the only way to magnetic flux is the coupling of wagons, which is easy to perform with non-magnetic materials. In addition, due to the coaxial direction of the magnetic flux in the adjacent axles of the wheelsets, there is practically no leakage of the magnetic field along the edges of the car body in the area of each carriage;

3. Повысить степень намагниченности участка рельса за счет установки катушек намагничивания на несколько колесных пар соседних вагонов. При этом степень намагничивания увеличивается не только за счет увеличения числа катушек, но из-за увеличения пятна контакта колес с рельсом (п. 2.2 отмеченный выше);3. To increase the degree of magnetization of the rail section due to the installation of magnetization coils on several wheelsets of neighboring cars. In this case, the degree of magnetization increases not only due to an increase in the number of coils, but because of an increase in the contact spot of the wheels with the rail (paragraph 2.2 noted above);

4. Использовать для дефектоскопии колесные тележки обычных вагонов, оснастив их колесные пары катушками возбуждения и соответствующим оборудованием. Такие устройства можно использовать в качестве дефектоскопических вагонов без существенных материальных и временных затрат на специальные вагоны-дефектоскопы.4. To use wheeled trolleys of ordinary wagons for inspection, equipping their wheelsets with excitation coils and appropriate equipment. Such devices can be used as flaw detectors without significant material and time costs for special flaw detectors.

Техническим результатом использования заявляемого устройства является повышение обнаруживающей способности МД дефектоскопа на высоких скоростях. Указанный результат достигается благодаря:The technical result of using the inventive device is to increase the detecting ability of the MD flaw detector at high speeds. The specified result is achieved due to:

1. Увеличению расстояния между полюсами магнитов, возбуждающими магнитный поток в рельсах, так что магнитные домены в рельсах успевают принять заданное положение и происходит более равномерное намагничивание рельса по сечению;1. An increase in the distance between the poles of the magnets that excite the magnetic flux in the rails, so that the magnetic domains in the rails manage to take a predetermined position and a more uniform magnetization of the rail over the section occurs;

2. Уменьшению утечек магнитного потока, из-за разнесения катушек между соседними вагонами;2. To reduce magnetic flux leaks due to spacing of coils between adjacent wagons;

3. Увеличению степени намагниченности рельсов при использовании по меньшей мере двух колесных пар в каждом вагоне для создания указанного магнитного потока.3. To increase the degree of magnetization of the rails when using at least two wheelsets in each car to create the specified magnetic flux.

Заявляемое устройство иллюстрируют следующие графические материалы:The inventive device is illustrated by the following graphic materials:

Фиг. 1 - схема возбуждения магнитного потока, где:FIG. 1 is a diagram of a magnetic flux excitation, where:

1. Рельс;1. Rail;

2. Электромагнитные катушки;2. Electromagnetic coils;

3. Колесные пары;3. Wheel pairs;

4. Магнитный поток;4. Magnetic flux;

5. Датчик аномалий магнитного поля.5. Sensor of anomalies of the magnetic field.

Фиг. 2 - двухвагонная схема устройства, где:FIG. 2 - two-car scheme of the device, where:

3-1 - колесные пары первого вагона;3-1 - wheelsets of the first car;

3-2 - колесные пары второго вагона;3-2 - wheelsets of the second car;

6 - сцепное устройство вагонов.6 - coupling device of wagons.

Фиг. 3 - схема возбуждения магнитного потока четырьмя колесными парами соседних вагонов.FIG. 3 is a diagram of a magnetic flux excitation by four wheel pairs of adjacent cars.

Рассмотрим возможность реализации заявляемого устройства. Установка электромагнитных катушек 2 на осях колесных пар 3, Фиг. 1, известна и выполняется путем прямой намотки витков на ось колесных пар с соответствующими конструктивными элементами или установки готовых катушек на оси до крепления на них колес. Катушки устанавливаются на оси близлежащих колесных пар соседних вагонов, а обмотки соединяются согласованно так, чтобы магнитный поток проходил по пути: ось одного колеса - колесо - пятно контакта колеса с рельсом (самая узкая часть магнитопровода) - рельс (в основном головка рельса) - пятно контакта второго колеса и т.д. Высокие требования по скорости дефектоскопии могут привести к тому, что степени намагничивания рельсов в рассмотренном варианте окажется недостаточной для уверенной МД рельсов. Для решения этой проблемы можно увеличить степень намагничивания путем установки электромагнитных катушек 2 на обе колесные пары соседних тележек 3-1 и 3-2, Фиг. 2. Естественно, что направления тока в катушках должны быть согласованы, чтобы магнитные потоки в рельсах складывались, Фиг. 3. Датчики аномалий магнитного поля 5 в виде индукционных, магниторезистивных, феррозондовых измерительных преобразователей или датчиков Холла устанавливаются на обеих нитках рельсов у задней по направлению движения колесной пары, чтобы эта часть рельса дольше намагничивалась. Для возможности движения вагонов в противоположном направлении следует установить два дополнительных датчика аномалий 5, Фиг. 2.Consider the possibility of implementing the inventive device. The installation of electromagnetic coils 2 on the axles of the wheelsets 3, FIG. 1, is known and is performed by direct winding of turns on the axle of the wheelsets with the corresponding structural elements or installation of the finished coils on the axis before the wheels are mounted on them. Coils are mounted on the axis of the adjacent wheelsets of neighboring cars, and the windings are connected in such a way that the magnetic flux passes along the path: the axis of one wheel - the wheel - the spot of contact of the wheel with the rail (the narrowest part of the magnetic circuit) - the rail (mainly the head of the rail) - the spot second wheel contact, etc. High requirements for the speed of flaw detection can lead to the fact that the degree of magnetization of the rails in the considered version will be insufficient for a reliable MD rails. To solve this problem, it is possible to increase the degree of magnetization by installing electromagnetic coils 2 on both wheelsets of adjacent bogies 3-1 and 3-2, FIG. 2. Naturally, the directions of the current in the coils must be consistent so that the magnetic fluxes in the rails add up, FIG. 3. Magnetic field anomaly sensors 5 in the form of induction, magnetoresistive, flux-gate transducers or Hall sensors are installed on both rails of the rails at the rear pair of wheels so that this part of the rail is magnetized longer. To allow cars to move in the opposite direction, two additional anomaly sensors 5 should be installed, FIG. 2.

Работа устройства магнитной дефектоскопии рельсового пути очевидна. Высокоскоростной состав с заданной скоростью перемещается по рельсовому пути. Электромагнитные катушки, установленные на осях колесных пар соседних вагонов, возбуждают постоянный магнитный поток на участках рельса, расположенных между пятнами контакта колесных пар с рельсом. Датчики аномалий магнитного поля, установленные на указанных участках рельсов, воспринимают аномалии магнитного поля: дефекты рельсового пути и конструктивные элементы (стрелки, стыки, сварные швы и т.п.).The operation of the magnetic flaw detection device of the rail track is obvious. A high-speed train moves at a given speed along a rail track. Electromagnetic coils mounted on the axles of the wheelsets of adjacent cars excite a constant magnetic flux in the sections of the rail located between the spots of contact between the wheelsets and the rail. The magnetic field anomaly sensors installed on the indicated sections of the rails perceive magnetic field anomalies: rail track defects and structural elements (arrows, joints, welds, etc.).

Таким образом, заявляемое устройство может быть реализовано, неизвестно на современном уровне развития техники и позволяет повысить обнаруживающую способность МД дефектоскопа на высоких скоростях движения, а за счет этого - безопасность железнодорожного транспорта.Thus, the inventive device can be implemented, it is unknown at the current level of technological development and can improve the detecting ability of MD flaw detector at high speeds, and due to this - the safety of railway transport.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИINFORMATION SOURCES

1. http://innorail2015.hu/wp-content/uploads/2015/12/MARKOV-Anatoly_ANTIPOV-Andrey_RU.pdf.1. http://innorail2015.hu/wp-content/uploads/2015/12/MARKOV-Anatoly_ANTIPOV-Andrey_RU.pdf.

2. Гурвич А.К., Довнар Б.П., Козлов В.Б., Круг Г.А., Кузьмина Л.И., Матвеев А.И.; под ред. Гурвича А.К. Неразрушающий контроль рельсов при их эксплуатации и ремонте. - М.: Транспорт, 1983. - 318 с.2. Gurvich A.K., Dovnar B.P., Kozlov V.B., Krug G.A., Kuzmina L.I., Matveev A.I .; under the editorship of Gurvich A.K. Non-destructive testing of rails during their operation and repair. - M.: Transport, 1983.- 318 p.

3. АС СССР №1516944.3. AS of the USSR No. 1516944.

4. Патент RU 2225308.4. Patent RU 2225308.

5. Патент 2266225.5. Patent 2266225.

6. Патент RU 10465.6. Patent RU 10465.

7. Патент RU 127703.7. Patent RU 127703.

8. Патент RU 2521095.8. Patent RU 2521095.

Claims

A device for magnetic flaw detection of a rail track, comprising electromagnetic coils mounted on the axles of the wheelsets and exciting a constant magnetic flux on sections of the rail located between the spots of contact between the wheelsets and the rail, and magnetic field anomaly sensors installed on these sections of the rails, characterized in that the coils mounted on the axles of the wheelsets of adjacent cars.