авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:   || 2 | 3 |

Методическое, алгоритмическое и программное обеспечение регистрации и анализа дефектограмм при ультразвуковом контроле рельсов

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

Шилов Максим Николаевич

Методическое, алгоритмическое и программное обеспечение регистрации и анализа дефектограмм при ультразвуковом контроле рельсов

Специальность 05.11.13 – Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Санкт-Петербург

2007 г.

Работа выполнена в государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения» (ГУАП)

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Семенова Елена Георгиевна
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Гурвич Анатолий Константинович
кандидат технических наук, доцент Добросельский Михаил Анатольевич

Ведущая организация: Всероссийский научно-исследовательский институт железнодорожного транспорта (г. Москва)

Защита состоится « 20 » июня 2007 года в 15-00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.233.01 при государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения» по адресу: 190000, Санкт-Петербург, ул. Большая Морская, 67.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГУАП

Автореферат разослан: « 18 » мая 2007 г.

Ученый секретарь диссертационного совета,

доктор технических наук, профессор Д.К. Шелест

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Неразрушающий контроль рельсов – основное, и в ряде случаев, единственно возможное средство предотвращения чрезвычайных ситуаций на железнодорожном транспорте из-за изломов рельсов по причине образования в них дефектов.

На железных дорогах России для своевременного выявления дефектов в рельсах используется около 5 тысяч съемных и мобильных средств ультразвукового (УЗ) контроля. Эксплуатацией этих средств занято более 10 тыс. операторов. Ежегодно проверяется более 4,5 млн. км рельсового пути, 3,5 млн. сварных стыков рельсов. Периодичность контроля - от 2 до 6 раз в месяц. По результатам контроля в год выявляется более 50 тыс. потенциально опасных дефектов. Тем не менее, при этом допускается 110 – 150 изломов, приводящих в ряде случаев к сходу поездов. Но, несмотря на высокую вероятность обнаружения дефектов, действующая система не удовлетворяет потребностям отечественного железнодорожного транспорта. Затраты на УЗ контроль составляют существенную часть общих затрат на текущее содержание рельсового пути.



Результаты контроля рельсов как съемными, так и мобильными средствами неразрушающего контроля во многом определяются квалификацией операторов, их сосредоточенностью в процессе контроля и другими субъективными факторами.

Необходимость дальнейшего повышения эффективности системы контроля при одновременном снижении затрат и численности операторов очевидна. Совершенствование используемых технологий диагностики пути предполагает развитие компьютерных методов анализа данных контроля, выявления дефектных сечений и оценки степени их опасности. Следовательно, необходимые для развития этого направления методы обработки, регистрации и отображения сигналов УЗ контроля рельсов становятся наиболее актуальными.

При этом основное внимание должно быть сосредоточено на разработке методов и алгоритмов анализа сигналов в зоне болтовых стыков рельса, на которые приходится около 40 процентов всех дефектов, возникающих в рельсовом пути. Кроме того, в указанной зоне сосредоточены конструктивные отражатели, вызывающие сигналы, аналогичные эхо-сигналам от искомых дефектов. Решение задачи по повышению достоверности обнаружения полезных сигналов на фоне конструктивных отражателей позволит повысить достоверность ультразвукового контроля рельсов в целом.

При решении этой задачи необходимо учитывать результаты, полученные в работах отечественных (Н.П. Алешина, А.К. Гурвича, И.Н. Ермолова, В.В. Клюева, А.А. Маркова, С.К. Павроса, А.И. Потапова, С.Я. Соколова, В.Г. Щербинского и др.) и зарубежных ученых (Л. Бергмана, М. Кренинга, Й. Крауткремера и Г. Крауткремера и др.), которые внесли значительный вклад в развитие методов и средств дефектоскопии.

Целью работы является повышение достоверности результатов ультразвукового контроля рельсов при одновременном снижении затрат на системы диагностики за счет создания методического, алгоритмического и программного обеспечения регистрации и анализа дефектограмм при многоканальном контроле в широком диапазоне скоростей сканирования.

Для достижения поставленной цели потребовалось решить следующие задачи:

  1. Обосновать параметры дискретизации сигнала на выходе приемного тракта ультразвукового дефектоскопа (далее – «сигнала») для регистрации и последующего анализа дефектограмм проконтролированного участка рельсового пути.
  2. Разработать метод выделения информативной части ультразвукового сигнала, подлежащей сохранению и необходимой для оценки параметров дефектов по принятым методикам для сплошного контроля рельсов.
  3. Разработать алгоритм выделения на дефектограмме групп эхо-импульсов, полученных в последовательных тактах зондирования, от несплошности рельса (дефект или элемент конструкции).
  4. Решить задачу сжатия дефектоскопической информации, для чего выбрать метод кодирования с учетом особенностей регистрируемых данных и построить код, обеспечивающий наименьший объем формируемых дефектограмм.
  5. Определить набор параметров выявляемых несплошностей для использования в качестве словаря признаков при распознавании элементов конструкции рельса и дефектов в зоне болтовых стыков; разработать методику оценки их значений.
  6. Построить описание элементов конструкции рельса с использованием предложенного словаря признаков и разработать алгоритм распознавания этих элементов (в частности, болтового стыка) с целью восстановления образа бездефектного рельса и последующего выделения на его фоне сигналов от дефектов.
  7. Разработать способ представления результатов ультразвукового контроля рельсов с использованием оценки реального положения точки отражения (координаты условного отражателя) для каждого эхо-импульса.

Методы исследования. Теоретические исследования данной работы построены на использовании основных положений теории распространения и приема УЗ колебаний, статистической теории измерительных радиосистем, вероятностных методов распознавания образов. Используемый в диссертации математический аппарат содержит элементы численных методов решения нелинейных уравнений. Экспериментальные исследования включали в себя полунатурные испытания на специальном стендовом оборудовании, а также опытную эксплуатацию образцов аппаратуры, изготовленной при непосредственном участии автора.

Научная новизна работы

1. Предложено использование многоуровневой дискретизации сигналов ультразвукового контроля при регистрации, что по информативности эквивалентно многократному контролю участка пути при различных уровнях чувствительности дефектоскопа, в том числе, и выше нормативной (это способствует выявлению дефектов на ранней стадии развития).

2. Предложен и разработан метод выделения информативной параметров ультразвукового сигнала, в соответствии с которым для формирования записей о выявляемых несплошностях регистрируется временное положение и значение максимума эхо-сигналов, что обеспечивает сокращение массива обрабатываемых данных при сохранении их информативности.

3. По результатам анализа особенностей регистрируемой информации (параметры сигналов, координаты положения преобразователей, основные параметры дефектоскопа) при ультразвуковом контроле рельсов решена задача кодирования дефектоскопической информации, обеспечивающего максимальное сжатие регистрируемых данных контроля.

4. Определен набор параметров, характеризующих несплошности рельсов, и предложен алгоритм распознавания их типа; разработана методика оценки значений этих параметров по принятым последовательностям эхо-импульсов от несплошностей.

5. Разработано описание основных конструктивных элементов рельса с использованием предложенного словаря признаков несплошностей, необходимое для построения процедуры распознавания конструктивных элементов и дефектов.

6. Предложен способ представления получаемых дефектограмм, который, в отличие от традиционно используемой развертки, отражающей только время запаздывания эхо-импульсов, обеспечивает оценку реального положения условных отражателей.

Практическая ценность результатов исследований

1. Создано методическое и алгоритмическое обеспечение для разработки систем многоуровневой регистрации рельсовых ультразвуковых дефектоскопов, в том числе, и для модернизации уже эксплуатируемых.

2. Разработана методика расчета величины межтактового изменения задержки, обеспечивающая выделение последовательности эхо-импульсов от дефектов и конструктивных несплошностей.

3. Предложен метод кодирования, обеспечивающий максимальное сжатие дефектоскопических данных, для использования в системах регистрации с ограниченным объемом носителя информации и энергопотреблением.

4. Разработан алгоритм распознавания элементов конструкции рельса, который необходим для построения систем автоматизированной расшифровки дефектограмм.

5. Предложен и защищен патентом РФ способ многоканального ультразвукового контроля рельсов, основными отличиями которого являются сравнение обнаруженного эхо-сигнала с совокупностью различных уровней, регистрация его амплитуды и задержки относительно зондирующего импульса, отображение информации по результатам совместного анализа результатов всех ультразвуковых каналов на контролируемом участке пути.

Внедрение результатов работы. Основные результаты диссертационной работы внедрены при разработке средств неразрушающего контроля в ОАО «Радиоавионика». Регистратор информации РИ-01 для дефектоскопа АВИКОН-01 эффективно эксплуатируется (более 800 экземпляров) на сети железных дорог, метрополитенах и рельсосварочных предприятиях РФ, Казахстана, Грузии, Азербайджана. С начала 2006 года на железных дорогах России введен в эксплуатацию дефектоскоп нового поколения АВИКОН-11 со сплошной регистрацией сигналов.

Материалы диссертации использованы в НИОКР, проводимых в НИИ «Союз» ОАО «Радиоавионика» по заказу ОАО «РЖД».

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Метод и алгоритм выделения информативных параметров сигнала (выделение отдельных эхо-импульсов и регистрация положения их максимумов) с выхода приемного тракта специализированного многоканального дефектоскопа для ультразвукового контроля железнодорожных рельсов.

2. Постановка и решение задачи кодирования дефектоскопической информации при многоканальном ультразвуковом контроле рельсов, уложенных в путь.

3. Методика оценки значений параметров, характеризующих несплошность, которые используются для описания элементов конструкции рельса и дефектов в этой зоне с целью последующего их распознавания.

4. Программное обеспечение, реализующее анализ и представление результатов ультразвукового контроля рельсов с выделением бездефектных элементов конструкции и дефектов в данных зонах.

5. Способ оценки координат положения условных отражателей для каждого эхо-импульса при визуализации результатов контроля.





Апробация результатов работы. Результаты работы поэтапно докладывались и обсуждались на 56-ой научно-технической конференции СПбНТОРЭС (2001 г.), 3-ей международной конференции «Компьютерные методы и обратные задачи в неразрушающем контроле и диагностике» (2002 г.), 16-ой Российской научно-технической конференции «Неразрушающий контроль и диагностика» (2002 г.), 2-х Всероссийских научно-практического семинарах «Неразрушающий контроль и диагностика материалов, конструкций и окружающей среды» (2003-2004 г.г.), 18-ой Петербургской конференции «Ультразвуковая дефектоскопия металлоконструкций» (2004 г.).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 16 печатных работ, включающих 8 статей в сборниках научных трудов и журналах (2 из них являются реферируемыми изданиями, входящими в перечень ВАК), 6 публикаций в сборниках конференций, патент на изобретение и отчет по научно-исследовательской работе.

Структура и объем работы. Диссертационная работа изложена на 153 страницах и состоит из введения, четырех глав, заключения и списка используемых источников, включающего 91 наименование. Основное содержание диссертации включает 37 рисунков и 5 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы цель и задачи исследований, приведена оценка новизны и практической ценности полученных результатов.

В первой главе приведен обзор используемых в настоящее время методов УЗ контроля рельсов, терминология и ссылки на нормативные документы, действующие в отрасли, а также показаны масштабы использования средств контроля для содержания пути на железных дорогах России и других стран.

Методика оценки степени дефектности рельса определена действующими на железной дороге нормативными документами. В зависимости от типа дефекта и степени опасности для движения поездов, рельсы подразделяются на остродефектные (представляющие прямую угрозу безопасности движения из-за возможного разрушения под поездом или схода колес с рельса из-за его повреждения и, поэтому, подлежащие немедленной замене) и дефектные (служебные свойства которых ниже нормативного уровня, но еще обеспечивают безопасный пропуск поездов с установленными или ограниченными скоростями). Дефектные рельсы могут быть оставлены в пути до замены в плановом порядке с соблюдением указаний по их эксплуатации, приведенных в каталоге дефектов рельсов.

В УЗ дефектоскопах в качестве излучающего и принимающего элементов (по совмещенной и раздельной схемам) используются пьезоэлектрические преобразователи (ПЭП) с различными углами ввода УЗ волны. Необходимо отметить, что при механизированном сплошном контроле установка ПЭП возможна только на поверхности катания рельса. Обычно для сканирования всего профиля (за исключением перьев подошвы) используют не более 10 УЗ каналов на одну рельсовую нить.

Для оценки зоны залегания дефекта и его условных размеров используют измерения амплитуды и временной задержки отраженного эхо-сигнала. При перемещении ПЭП вдоль зоны залегания дефекта измеряют зону, в пределах которой сигнал превышает браковочный уровень, оценивая, таким образом, условные размеры дефекта.

Как уже было отмечено, в последние годы в эксплуатацию на железных дорогах России были внедрены съемные дефектоскопы со сплошной регистрацией сигналов, кроме того, активно развивается направление мобильных средств диагностики, технология использования которых изначально базируется на такой регистрации. При этом в рельсовой дефектоскопии получил широкое применение метод регистрации, при котором развертка дискретизируется по времени, и для каждого отсчета записывается только факт превышения установленного порога. При этом за временное значение задержки эхо-сигнала, необходимое для расчета положения отражателя, принимают момент превышения им порога.

Все регистрируемые сигналы расшифровываются опытным оператором на стационарной ПЭВМ. Результаты контроля представляются в виде развертки типа «В», которая содержит отметки о сигналах, превысивших порог, для каждой координаты сканирования. Очевидно, среди данных сигналов присутствуют не только отражения от дефектов, но и, в первую очередь, отражения от конструктивных элементов рельса, что значительно повышает трудоемкость поиска дефектных сечений.

Задачи данной работы направлены на построение систем регистрации и анализа результатов УЗ контроля рельсов, которые обеспечивали бы измерение параметров обнаруженных дефектов, распознавая при этом элементы конструкции самого рельса и дефекты в этих зонах.

Во второй главе разработаны методы и алгоритмы цифровой обработки сигнала с выхода приемного тракта дефектоскопа, выделения информации, подлежащей регистрации, и ее кодирования.

Очевидно, задача построения системы регистрации эхо-сигналов, полученных при контроле рельсов УЗ дефектоскопом, предполагает выбор характеристик точности их измерения, имея ввиду тот факт, что указанные измерения будут производиться на основании записанной информации. Как уже было отмечено, в рельсовой дефектоскопии для оценки степени дефектности сечения используются измерения амплитудных и временных параметров эхо-сигналов, а также размера зоны сканирования, в пределах которой сигнал от дефекта превышает порог. Таким образом, первоначально должны быть определены параметры дискретизации сигнала по времени и по уровню для отдельного такта излучение–прием и интервал по координате сканирования между соседними точками измерений с учетом всего диапазона рабочих скоростей.

К недостаткам существующих систем регистрации сигналов ультразвукового контроля, подобных разрабатываемой в данной работе, можно отнести:

- низкую частоту дискретизации по времени задержки эхо-сигнала относительно зондирующего импульса, значение которой задается грубее точности глубиномера самого дефектоскопа, что не позволяет повторять измерение параметров дефектов при анализе записанных дефектограмм;

- отсутствие регистрации амплитуды сигналов в данных системах, что не позволяет производить сравнение уровня сигнала от выявленного дефекта с сигналом от образцовой меры (отверстие 6 мм на глубине 44 мм, ГОСТ 14782-86).

Глубину залегания дефекта оценивают, используя выражение , где с – скорость распространения колебаний в изделии; t – задержка эхо-сигнала относительно зондирующего импульса; 2tп – двойное время задержки колебаний в ПЭП; – угол ввода луча в контролируемое изделие. Если учесть значения углов ввода УЗ волны, а также то, что скорость распространения сl=5,9103 м/c для продольной волны и сt=3,26103 м/с для поперечной волны, то дискретность измере­ния времени запаздывания эхо-сигнала может быть принята tl=1/3 мкс и tt= 1 мкс соответственно для разных типов волн, что примерно соответствует 1 мм по глубине рельса.



Pages:   || 2 | 3 |
 

Похожие работы:










 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.