Symulacyjne badania modeli wad dla celów defektoskopii ultradźwiękowej szyn

Z E S Z Y T Y N A U K O W E P O L I T E C H N I K I Ś L Ą S K I E J

Seria: T R A N S P O R T z. 14 Nr kol. 10 48

__________ 1 9 8 9

Piotr L E S I A K

In st ytu t A u t o m a t y k i i E l e k t r o n i k i T r a n s p o r t u Wyższ a S z k o ł a I n ż y n i e r s k a w R a d o m i u

S Y M U L A C Y J N E B A D A N I A M O D E L I W A D D L A C E L Ó W D E F E K T O S K O P I I U L T R A D Ź W I Ę K O W E J S Z Y N

S t r e s z c z a n l e . W p r a c y o m ó w i o n o a k u s t y c z n e m o d e l e w y b r a n y c h typów w a d w y s t ę p u j ą c y c h w s z y n a c h k o l e j o w y c h , p o d d a n o je s y m u l a cy j ny m b a ­ d a n i o m k o m p u t e r o w y m o r a z p r z e a n a l i z o w a n o p od k ę t e m z a u t o m at y zo wa ­ n y c h b a d a ń u l t r a d ź w i ę k o w y c h .

1. W S T Ę P

O c e n a w i e l k o ó c i w a d w s z y n a c h b a d a n y c h m e t o d ę u l t r a d ź w i ę k o w ą opiera się na p o r ó w n a n i u o b r a z ó w w a d r z e c z y w i s t y c h z o b r a z a m i s z t u c z n y c h wad o o k r e ś lo n yc h w y m i a r a c h i k s z t a ł t a c h . W z o r c e te s t a n o w i ę p o d s t a w ę ka l ib r a­

cji a p a r a t u r y s t o s o w a n e j p o w s z e c h n i e do k o n t r o l i r ęc z n e j szyn [2j. Jednak w p r z y p a d k u a u t o m a t y z a c j i t a k i c h b a d a ń z w y k o r z y s t a n i e m w a g o n u de f e k t o ­ sko powego, t w o r z e n i a w z o r c ó w z p eł ną g am ę w a d s z t u c z n y c h s t a j s się ucią­

żliwe l u b w r ę c z n i e m o ż l i w e [83. S p r a w i a to o d m i e n n y s p o s ó b p o m i a r u 1 k l a ­ sy fi kac ji wad , w y n i k a j ą c y z d y s k r e t y z a c j i s z y n y na e l e m e n t a r n e p rz ekr oje , co w e f e k c i e p o z w a l a na u z y s k a n i a z n a c z n i e w i ę k s z e j d o k ł a d n o ś c i pomiaru[7].

O b r a z w a d y z a l e ż y n i e t y l k o o d Jej w y m i a r u z a s t ę p c z e g o (śred nic y, d ł u ­ gości), a l e też od c h a r a k t e r u p o w i e r z c h n i o d b i j a j ą c e j £1, 4, 6j. D la t e g o też dl a p r a w i d ł o w e j i n t e r p r e t a c j i b a d a ń s z c z e g ó l n i e z a u t o m a t y z o w a n y c h , niezbę dn a jest z n a j o m o ś ć c h a r a k t e r y s t y k t y p o w y c h w a d w y s t ę p u j ą c y c h w s z y ­ nach. W y g o d n i e p o s ł u ż y ć s i ę w tym p r z y p a d k u s y m u l a c j ę k o m p u t e r o w ą , która pozwala na i l o ś c i o w ą a n a l i z ę z a g a d n i e n i a .

W a r t y k u l e o g r a n i c z o n o s i ę do p r o b l e m ó w w a d p o p r z e c z n y c h , a w i ę c w y k r y - nenych g ł o w i c a m i k ą t o w y m i . Z ł o ż o n o ś ć i n i e r ó w n o m i e r n o ś ć ich p o w i e rz c hn i, skłania do r o z p a t r y w a n i a e l e m e n t a r n y c h m a ł y c h p o w i e r z c h n i , z k t ó r y c h tw o ­ rzy si ę m e t o d ę s u p e r p o z y c j i w a d y r z e c z y w i s t e . W i ę k s z o ś ć z ty c h w a d c e ch u ­ je si ę s z y b k i m r o z w o j e m , s z c z e g ó l n i e w o b s z a r z e g ł ó w k i sz yn y , p ow od u ją c jej z ł a m a n i e [2, 3]. D l a t e g o też r o z p a t r z o n o c h a r a k t e r y s t y c z n e d l a badań u l t r a d ź w i ę k o w y c h r e f l e k t o r y o d b i j a j ą c a , tj. o t w ó r p ł a s k o d e n n y i p o w i e r z ­ chnię c y l i n d r y c z n ą .

144 P. L e s l a k

2. P O D S T A W Y T E O R E T Y C Z N E B A D A Ń S Y M U L A C Y D N Y C H

W z a u t o m a t y z o w a n y c h b a d a n i a c h s zy n, p r z e s u w a j ą c e 3 i ę w z d ł u ż os i x po p o w i e r z c h n i t o c z n e j g ł ó w k i g ł o w i c e , p o d ł ą c z o n e d l a c z ę ś c i n a d a w c z o - o d b i o r ­ czej d e f e k t o s k o p u (rys. 1), r e j e s t r u j ą w a d y w p o s t a c i o b w i e d n i s y g n a ł u n a p i ę c i o w e g o o a m p l i t u d z i e U ^ ( x ) r ó w n e j :

U „ y (x) = k fU „ ( x ) - A U (1)

g d z i e :

U H (x) - a m p l i t u d a s y g n a ł u e c h a na w e j ś c i u o d b i o r n i k a d e f e k t o s k o p u ,

kj - r e g u l o w a n e w z m o c n i e n i e w z m a c n i a c z a w . c z . d e f e k t o s k o p u ,

A U - n a p i ę c i e p o d c i ę c i a s y g n a ł u .

Rys. 1. I l u s t r a c j a s p o s o b u b a d a n i a s z y n y g ł o w i c ą k ą t o w ą

N - n a d a j n i k d e f e k t o s k o p u ,

Qz -

Fig. 1. I n v e s t i g a t i o n m e t h o d of r ai l U 3 i n g a n g l e p r o b e

N - f l o w d e t e c t o r t r a n s m i t t e r , Ww c z - h i g h f r e q u e n c y a m p l i f i e r , D - ampli­

t u d e d e t e c t o r

W i e l k o ś ć n a p i ę c i a U w (x) z a l e ż y z a r ó w n o od f u n k c j i o p i s u j ą c e j c h a r a k ­ t e r y s t y k ę k i e r u n k o w ą g ł o w i c y y ( r o z k ł a d c i ś n i e n i a f al i) jak i fu n k­

cji c h a r a k t e r y z u j ą c e j z d o l n o ś ć o d b i c i a fa li u l t r a d ź w i ę k o w e j p r z e z w a d ę

V / V - 9łowicy

S y m u l a c y j n e b a d a n i a m o d e l i w a d . . 1 4 5

(

)

g d z i e :

t ‘ ” eln/ V

2

a - d ł u g o ś ć b o k u p r z e t w o r n i k a ,

f - c z ę s t o t l i w o ś ć gł ow i c y ,

C T - p r ę d k o ś ć fa l p o p r z e c z n y c h w m a t e r i a l e b a d a n y m (stal szynowa), 2

et - kęt p a d a n i a g ło w i c y ,

1

fi

rp - o d l e g ł o ś ć c h w i l o w a g ł o w i c y o d w ad y .

W c e l u w y z n a c z e n i a w y r a ż e n i a na w i e l k o ś ć e c h a Uw (x) e le me n ta rn e j w a ­ dy, z n a j d u j ę c e j s i ę w o d l e g ł o ś c i x od p u n k t u W na o s i z więzki w y s y ­ łanej p r z e z g ł o w i c ę (rys. 2), w y z n a c z o n o r o z k ł a d c i ś n i e n i a P^(z,x)|

w i r w p o l u d a l e k i m w i ę z k i fal o d b i t y c h od tej w a d y z w y r a ż e n i a :

Ry s. 2. I l u s t r a c j e s p o s o b u o k r e ś l e n i a p o ł o ż e n i a w a d y g ł o w i c ę kę to w ę Fi g. 2. D e t e r m i n a t i o n m e t h o d of d e f e c t p o s i t i o n u s i n g a n gl e .probe

(3)

1 4 6 P . L e s l a k

g d z i e :

P(z)| - c i ś n i e n i e w p u n k c i e W o s i z,

9 w (/31) - c h a r a k t e r y s t y k a k i e r u n k o w a w a dy .

Z a k ł a d a j ą c i d e n t y c z n o ś ć c h a r a k t e r y s t y k i V g ( / ^ ) d la p r z y p a d k u n a d a w a ­ n i a i o d b i o r u , o t r z y m a n o :

Uw (x) = P ( * ) | r P,,i*)|rv;(/St )Vl,(/S1 )

(*)

g d z i e :

P „ ( z ) | r - c i ś n i e n i e fa l i o d b i t e j od w a d y na o s i w i ą z k i z w o d l e g ł o ­ śc i r.

3. M O D E L E T Y P O W Y C H W A D

Do b a d a ń w y b r a n o m o d e l e d w ó c h t y p o w y c h r e f l e k t o r ó w : o t w ó r p ł a s k o d e n n y i p o w i e r z c h n i ę c y l i n d r y c z n ą , t a b l i c a 1 [ l , 6], S y m u l u j ę o n e n a s t ę p u j ą c e w a d y r z e c z y w i s t e , i tak:

- o t w ó r p ł a s k o d e n n y to p ł a t k i , p ę c h e r z e g a z o w e l u b w t r ą c e n i a n i e m e t a ­ l i c z n e , w g U I C t y p 2 1 1 . 2 0 i 2 1 1 . 1 0 [2, 3j] ,

- p o w i e r z c h n i a c y l i n d r y c z n a to w a d y z m ę c z e n i o w e t y p u 2 1 1 i w z g r z e i n a c h t y p u 4 1 1

T a b l i c a 1

R o d z a j w o u iy

' O t w ó r 3

p ta s kodę»*

% ( M

T P t t f a b f ) Ł cosfl. .

[ 2 c T2 ( r p * r 2 ) J

1 cosoC

P o w ie n c k m ia

\ l__ trrtł

D i t - t o

(Ij.

o a b a s f i o j f — ^ b .

+ r , ) i c o s o c r c rz l W

S y m u l a c y j n a b a d a n i a m o d e l i w a d . . 1 4 7

g d z i e :

- w s p ó ł c z y n n i k p r z e c h o d z e n i a f a l i u l t r a d ź w i ę k o w e j przez g r a n i c ę k o n t a k t u g ł o w i c a - s z y n a ,

Hi

¡5. - w s p ó ł c z y n n i k t ł u m i e n i a f al i w gł ow i c y ,

rj - d r o g a f al i w gł ow i c y ,

c5"t - w s p ó ł c z y n n i k t ł u m i e n i a fali w sz yn i e ,

CL c°e/>o

r2 " c J c o s c T r i “ z a s t ę p c z a d r o g a fa l i w g ło w i c y , 2

L1

W b a d a n i a c h z a u t o m a t y z o w a n y c h w y z n a c z a n a jest s z e r o k o ś ć obwiedni w a d y , o k r e ś l o n a s k r a j n y m i w i e l k o ś c i a m i + x k (rys. 2), p r z y których a m p l i t u d a a c h a w a d y U w (*) ^ U k , g d z i e U k - p o z i o m k o m p a r a c j i . Po ró wnujęc a m p l i ­ t u d ę e c h a w a d y d l a x = x ( U k ) i x - 0, p r z y j m u j ą c ^ g ( p i ) | x „o “ 1 o r a z u w z g l ę d n i a j ą c z a l e ż n o ś ć (4), o t r z y m a n o :

Uw ( X ) FdDl I. W

" 0

- 1

U w (x.Ó)

LdBJ

g d z i e i W g - c z u ł o ś ć u k ł a d u d e f e k t o s k o p - g ł o w i c a .

M o d e l u j ą c w y r a ż e n i e (5) i k o r z y s t a j ą c z o p i s ó w f u n k c j i z a m i e ­ s z c z o n y c h w t a b l i c y 1, w y z n a c z o n o d r o g ą s y m u l a c j i k o m p u t e ro we j s k r a j n e w a r t o ś c i x k> d l a z a d a n e g o p r o g u n a p i ę c i a k o m p a r a c j i (rys. 3).

Slwiu:ZnBlSxl5 : pdtm) : 91.17 ctałeść Hj : 8.7 eaśa: Mis dilfkl plaski

siew] : 49 ; kim! : 3 t U

; r

! / /

\\ir i

ŚB... 8 ... x Em 3 S B 1"

Feziwi k w m ra c ji IdSS ? -70 X . s.e

3 * 1 ii 1:1

1 4 8 P. L e s l a k

Rys. 3. P r z y k ł a d o w e z m i a n y a m p l i t u d y n a p i ę c i a a c h a w a d Fig. 3. E x a m p l e of a m p l i t u d e c h a n g e of d e f e c t e c h o v o l t a g e s i g n a l

4. A N A L I Z A W Y B R A N Y C H B A D A Ń

B a d a n i a s y m u l a c y j n e w y k o n a n o d l a g ł ó w k i s z y n y , k t ó r a p r z y k o n t r o l i a p a r a t u r ę W A D - 1 [7, 8], d z i e l o n a jest u m o w n i e na 13 p o z i o m ó w A u ^ , n a t o ­ m i a s t k o l e j n e e m i s j e fa li u l t r a d ź w i ę k o w e j n a s t ę p u j ę z k r o k i e m A x (rys.l), W u t w o r z o n e j w te n s p o s ó b s i a t c e u m i e s z c z o n o w ś r o d k a c h jej o c z e k a n a l i ­ z o w a n e w a d y o r ó ż n y c h w y m i a r a c h . Na p o d s t a w i e o b l i c z o n y c h ¿ x^ , w y z n a c z o ­ no p r z y r o s t y Ax', A x " o r a z A y , A y ' (rys. 2) o k r e ś l a j ę c e s k r a j n e w y m i a ­ ry wad , a tym s a m y m i n f o r m u j ę c e o m o ż l i w o ś c i p o z o r n e g o z w i ę k s z e n i a w y m i a ­ ró w w a d y ( w y j ś c i a p o z a o b r ę b o c z k a s i a t k i ) . P r z y k ł a d p o k a z a n o na rys. 4, d l a A y g = 3 , 6 m a i A x » 1 0 mm, co w y n i k a z k ę t a g ł o w i c y 70°.

Na tej p o d s t a w i e m o ż n a o s z a c o w a ć m a k s y m a l n ę g ł ę b o k o ś ć (nr p o z i o m u ) z a l e g a n i a e l e m e n t a r n e j w a d y , k t ó r e j w y m i a r y n i e z o s t a n ę z a w y ż o n e , p o d wa­

r u n k i e m p e ł n e j s y m e t r i i p o ł o ż e n i a w a d y w o c z k u s i a t k i .

Z p r z e p r o w a d z o n y c h o b l i c z e ń w y n i k a d u ż a z b i e ż n o ś ć a n a l i z o w a n y c h modeli r e f l e k t o r a p ł a s k o d e n n e g o i p o w i e r z c h n i c y l i n d r y c z n e j . N a j w i ę k s z ę r o z b i e ż ­ n o ś ć u z y s k a n o dl a $ 3 z t e n d e n c j ę w z r o s t u d l a n i ż s z y c h p o z i o m ó w . Np. dla n a j b a r d z i e j n i e k o r z y s t n e g o p r z y p a d k u p o k a z a n e g o na rys. 3, o d p o w i e d n i e r ó ż n i c e p r z y r o s t ó w p o d a n e w m m w y n o s z ę ¿(Ax') « 0 , 5 1 , <5 ( A x ' ) = 1,2,

¿(Ay') - 0 , 1 8 i ¿ ( A y " ) = 0 , 3 7.

S y m u l a c y j n e b a d a n i a m o d e l i w a d . . _{1 4 9}

W y n i k i te ś c i ś l e k o r e l u j ę z p r z y j ę t y m p o z i o m e m k o m p a r a c j i napięcia o r a z c z u ł o ś c i ą d e f e k t o e k o p - g ł o w i c a . W i e l k o ś c i te m o g ę by ć us t alo ne d o ­ ś w i a d c z a l n i e d l a m i n i m a l n e g o w y m i a r u j e d n e g o t y p u w a d y w y m a g a n e j do w y ­ k r y c i a M .

Rys. 4. I l u s t r a c j a p o z o r n y c h z m i a n w y m i a r ó w w a d p ł a s k o d e n n y c h w z a l e ż n o ­ ści o d g ł ę b o k o ś c i ic h z a l e g a n i a w g ł ó w c e e z y ny

Fig. 4. I m a g i n e r y c h a n g e of d i m e n s i o n e of fiat b o t t o m d e f e c t s w i t h r e s pe ct to d e p t h of p o s i t i o n in ra ił h ea d

5. W N I O S K I I K I E R U N K I D A L S Z Y C H P R A C

P r z e d s t a w i o n e b a d a n i a s y m u l a c y j n e m o d e l i w a d s z y n k o l e j o w y c h po w in n y być p o m o c n e pr zy o c e n i e r o z m i a r ó w w a d i k a l i b r a c j i a p a r a t u r y u l t r a d ź w i ę ­ k o wej w y k o r z y s t u j ą c e j s k a n i n g o w ą m e t o d ę p o m i a r u wad. Jak np. W A D - 1

[ V ] .

R o z s z e r z a j ą c m o d e l e w a d o i n n e c h a r a k t e r y s t y c z n e r e f l e k t o r y , m oż na o d ­ w z o r o w a ć z ł o ż o n e k s z t a ł t y n i e c i ą g ł o ś c i s z y n w c a ł y m Jej o b s z a r z e na p o d ­ s t a w i e m e t o d y s u p e r p o z y c j i . P o z w o l i to na d o s k o n a l e n i e f u n k c j i p r z e t w a ­ r z a n i a a p a r a t u r y w z a k r e s i e d o k ł a d n o ś c i p o m i a r u g e o m e t r i i wad.

1 5 0 P . L e s l a k

L I T E R A T U R A

[[1^ r y p B a a A. K. , E p M o jio B H . H.i y n b i p a 3 B y K O B o a K O H ip o jib C B ap H H x e i b o b . T e x -

HHKa 1972.

C2]

C 3 ] B a ł u c h H. : D i a g n o s t y k a n a w i e r z c h n i k o l e j o w e j . W Ki Ł, W a r s z a w a 19 78.

C 4 ] D e p u t a t 0.1 B a d a n i a u l t r a d ź w i ę k o w e . P o d s t a w y . IM Z i O D K K S M H , G l i w i c e 19 79 .

l5-1 r y p a n ą A . K . , K y3bM H H a J I . H . : C n p a B o a H u e A a a r p a w u H a n p aB JiS K H O cTh a c K a i e j i e # y ź b i p a 3 B y K 0 B u x A S tp S K T o c K o n o B . T e x H H K a , K a e B 1 9 8 0 .

C n p a B o h h k k n o A p e ^ a K i j e a iO w oeB a B . B . j I l p a f i o p u ą j i h H e p a s p y m a m ą e r o k o h t p o j i h M a ie p H a JiO B

k

1986.

L 7 j Le si a k P . , K a r c z A., W l a z ł o 0.: M e t o d a p o m i a r u d y s k r e t n e g o o b r a z u wad w z a u t o m a t y z o w a n y c h b a d a n i a c h u l t r a d ź w i ę k o w y c h s z y n k o l e j o w y c h . M a t e ­ r i a ły VI I K r a j o w e j K o n f e r e n c j i M e t r o l o g i i i B u d o w y A p a r a t u r y P o m i a r o ­ w e j , W r o c ł a w 1986.

L8 ] L e s i a k P . , K a r c z A., W l a z ł o 0. : B a d a n i a u l t r a d ź w i ę k o w e j a p a r a t u r y W a ­ g ow ej W A D - 1 w t o r z e p r ó b n y m . M a t e r i a ł y X V I I K r a j o w e j K o n f e r e n c j i B a ­ d a ń N i e n i s z c z ą c y c h , C z ę s t o c h o w a 1988.

R e c e n z e n t : Ooc. dr inż. Z d z i s ł a w S w i d a r s k i

W p ł y n ę ł o do R e d a k c j i 1 5 . 0 9 . 1 9 8 9 r.

CHMMyjIbHUHOHHHE HCCJIEflOBAHHH M0.HEJIEH HE$EKT OB JDIH y jIb T P A 3 B y KOBOM JEiE K T O C K O IIH H JKEJIESHOflOPOaCHUX PEJIbCOB

P e 3 jo u e

B p a O o i e c o3, n a H H a i c y c T a a e c i c B e i i o f l e j i a h s k o t o p h x t h h o b f l e S i e a i o B x s j i e a H o a o - p o x H h c c p e x b c o B , n p o B e a e H H c a n y j i a a o h h h s K o u n b r a r e n H u e H c c j i e a o B a H H a u o a e j i e i t a . p a 3 p a 6 o i a H a x a a a j i a 3 o t o b i c h 3 p e H a a a B i o M a i a p a 3 0 B a H H o a y x b i p a3B y K o B o a A e $ e K i o o K o n a a .

S I M U L A T I O N T E S T S OF D E F E C T M O D E L F O R U L T R A S O N I C D E T E C T I O N OF R A I L S

S u m m a r y

T h e p a p e r d e a l s w i t h a c o u s t i c m o d e l s of c h o s e n t y p e s of r ai l d e f e c t s . T h e s e d e f e c t s a r e i n v e s t i g a t e d u s i n g s i m u l a t i o n m e t h o d a n d a n a l y z e d w i t h r e s p e c t to a u t o m a t i c u l t r a s o n i c tes ts.