ТЕМА:

Физические основы ультразвуковых колебаний,

используемые при проведении ультразвукового контроля

деталей подвижного состава

ВВЕДЕНИЕ

При изучении дисциплины «Конструкция, техническое обслуживание

и ремонт подвижного состава» необходимо уделять внимание на методы

неразрушающего

контроля

и

обеспечение

надежности

работы

электротягового подвижного состава, а также техническое обслуживание и

текущий ремонт в соответствии с технологическими

процессами. При

изучении дисциплины следует уяснить причины и признаки появления

износов и повреждений деталей и узлов.

Для закрепления практических навыков и теоретических знаний,

предусмотрено выполнение лабораторных и практических работ.

Сегодня

на

сети

железных

дорог

эксплуатируется

более

200

различных средств контроля и технической диагностики. К сожалению,

большинство приборов не имеет встроенных систем обработки, записи,

архивирования и передачи информации в электронном виде, что затрудняет

создание автоматизированных комплексов по управлению качеством ремонта

и ведения электронного паспорта вагонов, локомотивов и их оборудования.

Вместе с тем применение технических средств входного, межоперационного

и

выходного

контроля

при

выполнении

ремонтных

работ

является

неотъемлемой частью обеспечения безопасности движения. Их эффективное

использование

в

условиях

ремонтных

предприятий

ОАО

«РЖД»

и

собственников

подвижного

состава

за

счет

проведения

мониторинга

подвижного состава в движении, создания дорожных и региональных

диагностических

центров

обработки

и

накопления

диагностической

информации,

проведения

безразборной

диагностики

обеспечивает

постепенный отказ от регламентного метода и переход на ремонт по

фактическому состоянию контролируемых объектов при высоком качестве и

минимизированных эксплуатационных расходах на их содержание.

Физические основы ультразвуковых колебаний, используемые

при проведении ультразвукового контроля деталей подвижного

состава

Колеблющиеся тела взаимодействуют с той средой, в которой они

находятся. При колебаниях камертона каждая из его ножек производит с

одной стороны сжатие, а с другой — разряжение воздуха.

Из-за упругих свойств воздуха эти периодические изменения давления

передаются в окружающую среду. По воздуху распространяются упругие

волны, которые человек воспринимает как звук. Изменение давления среды,

вызванное прохождением звуковой волны, принято называть звуковым

давлением, а максимальную величину изменения давления в ту или иную

сторону — амплитудой звукового давления. Расстояние l (рис. 1) между

двумя ближайшими сжатиями а или разряжениями б воздуха называется

длиной волны. Скорость перемещения одного какого-либо сжатия или

разряжения принято называть скоростью распространения волн в данной

среде.

При этом нельзя смешивать скорость и перемещение волн в среде со

скоростью и смещением отдельных частиц среды. Частицы среды совершают

колебания вблизи положения покоя, в то время как волны, т. е. упругие

колебания самой среды, в некоторых случаях распространяются на очень

большие расстояния.

Скорость движения частиц среды является переменной величиной, а

скорость распространения волн для данных условий — постоянной

величиной. Скорость звуковых волн в воздухе при нормальных условиях

равна 340 м/с. С этими двумя характеристиками волн тесно связана третья

характеристика — частота колебании.

Частотой колебаний волн называется число сгущений (или

разряжений), прошедших через небольшую область среды распространения

этих воли в течение одной секунды. Упругие волны, в которых направление

колебаний частиц среды совпадает с направлением распространения волны,

называются продольными волнами.

В воздухе и во всех газообразных средах распространяются только

продольные волны.

Рисунок 1

Помимо непрерывных колебаний могут быть кратковременные

колебания, чередующиеся через какие-то промежутки времени. Так,

например, звучащее тело может совершить 10—15 колебаний, а затем на

некоторое время прекратить эти колебания. Затем снова возникнут такие же

колебания. По воздуху будут распространяться звуковые импульсы. Если от

какого-либо источника звука в одну секунду исходит 50 таких импульсов, то

говорят, что частота повторений равна 50.

По частоте колебаний мы отличаем звуки один от другого. Звуковой

импульс, состоящий из нескольких колебаний, также характеризуется

частотой, соответствующей длине и скорости распространения волн,

входящих в данный импульс. Скорость распространения непрерывных и

импульсных звуковых волн в одной и той же среде одинакова.

Человеческое ухо способно воспринимать упругие волны частотой от

16 до 20000 колебаний в секунду. Длина волны в воздухе для низкой частоты

равна 21,2 м, а для высокой—17 мм. Звуки более низкой и более высокой

частот человек обычно не воспринимает. Точной границы в слышимости

звуков нет.

Ультразвуковыми волнами (ультразвуком) называются упругие

механические колебания (звуки), имеющие частоты более 20000 колебаний в

секунду.

Для понятия “число колебаний в секунду” принят специальный термин

— Герц. Таким образом, если тело совершает, например, 16 колебаний в

секунду, то говорят, что частота колебаний тела равна 16 герц (Гц). В

технике приняты более крупные единицы измерений частот, а именно 1000

Гц—1 килогерц (кГц) и 1000 кГц—1 мегагерц (МГц). В ультразвуковой

дефектоскопии применяются частоты от 0,5 до 10 МГц.

Между скоростью, частотой и длиной волны ультразвуковых

(звуковых) волн существует простое соотношение

С=f λ

где с — скорость ультразвука, м/с; f— частота колебаний, Гц; λ—

длина волны, м.

Во всех газообразных средах ультразвуковые волны на частотах,

принятых в дефектоскопии, практически не распространяются.

Звуковые и ультразвуковые волны хорошо распространяются в воде и

во многих жидких средах. Чем ниже частота, тем на большие расстояния

проходят ультразвуковые волны. В жидкостях, так же как и в газах,

распространяются продольные ультразвуковые волны.

Продольные ультразвуковые волны образуются и в твердых телах.

Если, например, ударить по торцу металлического стержня молотком, то в

толще стержня пойдут упругие продольные волны сжатия.

В твердых телах, помимо продольных, могут быть волны и другого

типа. Среди них для ультразвуковой дефектоскопии наибольший интерес

представляют поперечные, поверхностные и нормальные волны.

Поперечные ультразвуковые волны отличаются от продольных тем, что

при их прохождении частицы колеблются не параллельно, как в случае

продольных волн, а перпендикулярно направлению распространения волн

(рис. 2). Передача колебаний происходит не повышением давления, а

посредством касательных или сдвиговых напряжений, передаваемых от

одной площадки тела к другой. В связи с этим поперечные ультразвуковые

волны часто называют сдвиговыми волнами.

Рисунок 2

Продольные и поперечные ультразвуковые волны распространяются в

толще металлов и имеют прямолинейное направление распространения.

Поверхностные ультразвуковые волны во многом отличаются от

продольных и поперечных. Наиболее интересной особенностью их является

то, что эти волны распространяются по поверхности детали, следуя ее

изгибам. Поверхностные волны не входят в толщу материала

контролируемого изделия глубже двух длин волн. Если две плоские

поверхности детали образуют двухгранный угол, то при любой величине

этого угла поверхностные волны, частично отражаясь, переходят от одной

поверхности к другой. Коэффициент прохождения зависит от материала

детали и угла между этими поверхностями. Если в соединении этих

поверхностей вместо острого угла имеется закругление, то прохождение

поверхностных волн существенно улучшается, а при радиусе закругления

больше двух длин волн наступает полное их прохождение. На вогнутой

цилиндрической поверхности часть энергии ультразвуковых волн теряется.

Потери отсутствуют, когда радиус вогнутой поверхности становится больше

30 длин волн.

В последнее время для контроля тонкостенных (от 0,3 до 25 мм)

металлических и неметаллических листов и труб, имеющих свободные обе

поверхности, применяют нормальные волны — волны Лэмба (рис. 3). Они

распространяются в листовых изделиях по всему объему материала листов

или стенок труб. Обязательным условием распространения волн является

равномерность толщины материала этих изделий. Применяют симметричные

и несимметричные нормальные волны. В отличие от продольных и

поперечных волн смещение частиц материала изделий происходит как в

направлении распространения волн, так и перпендикулярно плоскости

листов. Скорость их распространения зависит не только от материала, но и от

толщины стенок контролируемых изделий.

Рисунок 3

Для ультразвуковой дефектоскопии существенное значение имеет

скорость распространения ультразвуковых волн. В табл. 2 приведены

скорости распространения ультразвуковых волн в некоторых наиболее часто

встречающихся материалах.

Как видно из таблицы, скорость распространения поперечных волн

меньше, чем продольных. Скорость поверхностных воли еще меньше и для

одних и тех же материалов составляет примерно 0,9 скорости поперечных

волн.

При встрече со средой (имеющей другие акустические свойства) и

переходе из одной среды в другую, а также при прохождении через

неоднородности и на разрывах оплошностей данной среды ультразвуковые

волны претерпевают изменения.

Наиболее сложные явления происходят при распространении

ультразвуковых волн в твердых телах, так как наряду с первоначальными в

них образуются и волны другого типа.

Методы ультразвукового контроля

Ультразвуковые методы контроля деталей основаны на способности

ультразвуковых волн отражаться от разрыва сплошности материалов

(трещины, раковины и т. д.) и имеющихся в них неоднородностей. Под

неоднородностями понимаются участки среды, где акустическое

сопротивление отличается от акустического сопротивления основной среды.

В некоторых случаях используется повышенное поглощение

ультразвуковых волн при прохождении их через отдельные области детали.

На железнодорожном транспорте применяются четыре метода

ультразвукового контроля: теневой, зеркально-теневой, эхо-импульсный и

резонансный.

Теневой метод является исторически первым методом ультразвукового

дефектоскопирования материалов и деталей. На деталь, подлежащую

контролю, в противоположных ее сторонах устанавливают два искателя (рис.

4, а). Один из искателей 1 посылает ультразвуковые волны в деталь, а второй

искатель 2 принимает прошедшие через деталь ультразвуковые волны. Если

на пути ультразвуковых волн будет находиться дефект 3 достаточного

размера и притом не пропускающий ультразвуковые волны (например,

раковина, пористость или трещина), то они не дойдут частично или

полностью до второго искателя. При уменьшении ультразвуковой энергии,

прошедшей через деталь, уменьшается амплитуда дефектности.

Разновидностью теневого метода является зеркально-теневой метод.

Рисунок 4

Зеркально-теневым методом проверяют детали, имеющие поверхности

с односторонним доступом (рис. 4, в). Один из искателей 1 служит для

передачи, а второй 2 для приема ультразвуковых колебаний. Искатели

устанавливают на определенном расстоянии друг от друга, оно зависит от

толщины, детали. Ультразвуковые волны проходят деталь, отражаются от

противоположной ее грани, вновь проходят по материалу детали и затем

воспринимаются вторым искателем. Искатели (обычно соединенные в один

блок), перемещаются по поверхности детали. Когда на пути распространения

ультразвуковых волн окажется дефект 3, препятствующий их прохождению,

то количество ультразвуковой энергии, воспринимаемой вторым искателем,

уменьшится, что замечается по уменьшению амплитуды сигнала. Зеркально-

теневой метод применяют для обнаружения усталостных трещин и

пористости в стенках тепловозных поршней.

Рисунок 5

Широко используют на железнодорожном транспорте эхо-импульсный

метод. В этом случае применяют один искатель, который излучает и

принимает ультразвуковые волны. От искателя 4 (рис. 5) периодически

исходят короткие ультразвуковые импульсы, которые распространяются по

контролируемой детали 5. В промежутке между импульсами искатель

принимает отраженные от дефектов 6 и различных стенок детали 5

ультразвуковые волны. При нормальном падении волн, когда стенки детали

параллельны (рис. 5,а), на экране дефектоскопа возникают сигналы 2 от

дефекта 6 и сигналы 3 от противоположной стенки. При наклонном падении

ультразвуковых волн (рис. 5,6) на экране дефектоскопа в общем случае

появляется только сигнал 2 от дефекта 6, Наличие дефекта определяют но

появлению сигнала на экране дефектоскопа, а глубину залегания его — по

времени прохождения ультразвука. Эхо-импульсным методом обнаруживают

дефекты меньших размеров.

Толщину деталей, имеющих односторонний доступ, определяют

резонансным методом (рис. 6). В проверяемую деталь 5 с помощью

модулятора 1, генератора 3 и искателя 4 вводят ультразвуковые колебания

различной частоты. Изменяя частоту, находят ту частоту, при которой по

толщине детали укладывается целое число волн. При этих условиях

происходит усиление колебательного процесса, что и отмечается

регистратором резонансов 2. По резонансной частоте определяют толщину

изделия. Исчезновение резонансов или уменьшение в одном из

контролируемых мест измеренной толщины изделия указывает на наличие

дефектов 6.

Рисунок 6

Большое значение для ультразвуковой дефектоскопии имеет способ

ввода ультразвука в материал детали. Различают три способа ввода:

контактный, щелевой и иммерсионный. В локомотивных и вагонных депо

применяют преимущественно контактный способ ввода. При этом способе

ввода искатель устанавливают па контролируемую деталь. Поскольку

ультразвуковые колебания практически не проходят даже через очень тонкие

слои воздуха, то для прохождения ультразвука от искателя в деталь перед

проверкой контактные поверхности смазывают какой-либо жидкостью.

Жидкость должна хорошо смачивать протектор искателя и материал

контролируемой детали. Обычно пользуются различными минеральными

маслами. При вводе ультразвуковых колебаний в деталь через

горизонтальные поверхности применяют практически любые минеральные

масла, при вводе ультразвуковых колебаний через вертикальные стенки—-

более вязкие масла.

При контроле деталей на повышенных скоростях жидкостная

прослойка между протектором и деталью часто разрывается. В этих случаях

применяют щелевой способ ввода ультразвуковых колебаний. Искатель

устанавливают так, чтобы между протектором и поверхностью

контролируемого изделия был 'небольшой зазор (щель). В этот зазор под

небольшим давлением подается жидкость. При щелевом способе ввода

обычно применяют воду или водяные эмульсии.

Все большее распространение получают иммерсионные способы ввода.

При этом способе ввода ультразвуковые колебания попадают в деталь через

толстый слой жидкости. Деталь погружается в жидкость, а искатель,

закрепленный на подвижной каретке, перемещается над ней. Если

контролируемая деталь является телом вращения (цилиндр, труба, поршень),

то искатель устанавливается неподвижно, а перемещается (вращается)

деталь.