АВТОМАТИЧЕСКИЙ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНЫЙ МОЛОТОК

 

       Самый старый и самый надежный инструмент железнодорожника – обычный молоток на длинной ручке, которым простукивают рельсы или колеса со времени изобретения паровоза. Наличие дефектов определяется на слух по характерному дребезжанию, которое должен уловить тонкий слух осмотрщика. Нужно знать, где стукнуть, как стукнуть, и какой звук должен быть, если изделие исправно. Среди многих преимуществ данного метода, есть один очень существенный недостаток. Эффективность этого метода во многом зависит от профессионального опыта человека и его субъективных параметров. Попытки автоматизировать процесс поиска дефектов привели к появлению теории колебаний, которая может являться основой для разработки электронного молотка, и метода измерений параметров ударного воздействия.

       Метод основан на использовании измерений частот собственных колебаний колес, и построении их спектра. Колебания возбуждаются ударом молотка по колесу. При этом сила удара дозируется специальным электромеханическим устройством, которое имеется в конструкции молотка. Молоток, разработанный на нашем предприятии имеет конструкцию электромеханического ударника, обеспечивающего дозированное воздействие на исследуемый объект (см. фото).

 

%d1%81%d1%82%d0%b0%d1%82%d1%8c%d1%8f30

 

       Проблема данного метода заключается в том, что не существует единого критерия оценки колебаний, одинакового для разных колес. Поэтому требуются эталонные испытания для разработки цифровых параметров оценки технического состояния каждого вида колеса. Калибровку можно осуществлять на стендовых (разрушающих) испытаниях, когда анализируются значения, получаемые при различной степени износа, или наличия различных дефектов. При этом учитывается фактор увеличения промежутка времени между моментом возбуждения колебаний (в момент удара) и моментом появления сформировавшихся собственных колебаний. Звук проходит через толщу материала с определенной скоростью, которая зависит от наличия дефектов или физических свойств структуры. Экспериментально установлено, что наличие трещин значительно замедляет скорость прохождения звука. Этот процесс по своему быстродействию и по своей природе сравним с процессом прохождения ударных волн в твердом теле. Известно, что ударная волна в твердом теле состоит как минимум из двух волн. Первая волна — упругая, имеет высокую скорость распространения, при этом потери энергии при ее прохождении незначительны. Вторая волна — пластическая, которая возникает даже при не очень сильном ударе. Ее скорость меньше упругой волны и при ее распространении значительная доля энергия удара переходит в тепло. При этом процесс перехода энергии в тепло требует определенной задержки по времени. Эту задержку можно использовать в качестве критерия оценки физических свойств исследуемого материала.

       При наличии трещины наблюдается аналогичное явление. Около вершины трещины даже при малой амплитуде проходящих волн всегда возникает зона пластической деформации, которая потребляет значительно больше энергии, чем упругая деформация. Соответственно увеличивается количество энергии, переходящей в тепло, что тоже вызывает определенную задержку времени прохождения волны.

       Как известно, каждое тело в процессе деформации стремится иметь минимум внутренней энергии. Если наличие трещины при деформации вызывает трение стенок этой трещины друг о друга, то это приводит к существенному повышению внутренней энергии. Упругая деформация возникает в результате удара молотком по колесу и последующим распространением упругих волн от точки удара. В первый момент происходит распространение с конечной скоростью широкого спектра разнообразных волн, которое иногда называют возмущением. Основная масса волн быстро затухает, остаются только те гармоники, которые кратно укладываются в геометрические параметры колеса и образуют “стоячие волны”. Эти волны, то есть собственные колебания, концентрируют в себе основной объем энергии удара. Они стремятся перевести эту энергию в тепло. Поэтому энергия, которую получает тело при ударе, распределяется на те формы собственных колебаний, которые не создают сдвиговые процессы в трещинах. То есть трещины демпфирует определенные формы собственных колебаний, и они не возбуждаются, то можно наблюдать изменение скорости распространения волн, и, соответственно, изменение спектра колебаний.

       Обобщая вышеизложенное более простым языком можно сказать, что звук удара молотка по рельсу аналогичен звуку камертона, настроенного на определенную частоту. Если в камертоне будет трещина, или часть камертона сточить напильником, моделируя механический износ, то тональность звучания при ударе будет отличаться. Чем больше изменения (дефекты или износ) тем больше смещается частота звука. Цифровую оценку изменения физических свойств исследуемого объекта можно осуществить методом спектрального анализа акустических колебаний (звука). Однако, здесь следует отметить, что для  измерений технического состояния рельс, колес и других объектов спектр не годится, поскольку в условиях эксплуатации измерения осуществляет не высококвалифицированный ученый, а обычный рабочий-осмотрщик. Поэтому результаты измерений должны быть представлены в максимально простом и понятном виде. И при этом точность измерений должна быть достаточно высокой. Данные проблемы удалось решить в конструкции электронного молотка (см. фото), который входит в комплект универсальной измерительной системы “Эксперт М-18”.

 
%d1%81%d1%82%d0%b0%d1%82%d1%8c%d1%8f31