Особенности дефектоскопия изделий рельсовых плетей постоянными, переменными и импульсными электромагнитными полями

АННОТАЦИЯ

В статье рассматриваются особенности дефектоскопия изделий рельсовых плетей при различных электромагнитных полях и типы обнаружения дефектов. На основании анализов рельсовых плетей определены причины их дефектов постоянными магнитами, переменными и импульсными  электромагнитными полями.

ABSTRACT

The article discusses the features of flaw detection of products of rail strings under various electromagnetic fields and the types of defects detection. On the basis of analyzes of rail strings, the causes of their defects with permanent magnets, alternating and pulsed electromagnetic fields are determined.

Ключевые слова: намагничивание, циркулярное движение, продольное, комбинированное, рельсовые плети.

Keywords: magnetization, circular motion, longitudinal, combined, rail lashes.

Детали и устройства могут намагничиваться постоянным магнитом, постоянным, переменным и импульсным током. Использование каждого из этих путей имеет свои положительные стороны. Применению постоянного тока способствует равномерное распределение магнитного потока вдоль внутреннего сечения деталей или изделий. С этой целью применяют генераторы с напряжением от 6 до 24В, при мощности аккумуляторных батарей от 8кВА до 20 кВА.[5-7] Иногда применяют выпрямленный переменный ток мощными полупроводниковыми диодами и селеновыми выпрямителями. При намагничивании переменном током магнитный поток распределяется у поверхности намагничиваемого изделия. Это возникает потому, что наблюдается так называемый скин-эффект, то есть изменение плотности тока по сечению проводника. С этой целью применяют трансформаторы с напряжением от 80 до 500В. Имеется много способов намагничивания изделий. Они показаны в табл.1 [4].

Таблица 1.

Способы намагничивания изделий

Намагничивания бывают паразитные и с целью контроля. Паразитные намагничивания в рельсовых плетях возникают за счет обратного тягового тока: вращения колесных пар, применения электромагнитов при загрузке и выгрузке плетей рельсов, неоднородности рельсовых плетей, замыкания контактов на стыках, между постоянным и переменным током (железная стружка).

С целью контроля и обнаружения дефектов используют циркулярное, продольное и комбинированное намагничивание, как по всему объему, так и по частным сечениям изделия или плетей рельсов. Дефекты в рельсовых цепях обнаруживаются при направлениях перпендикулярно с намагничиванием.

Циркулярное намагничивание применяется при пропускании тока через изделие или проводник, помещенный в отверстие изделия или рельса. Как правило, полюсные намагничивания используется с помощью электромагнитов, постоянных магнитов и катушек индуктивностей. Комбинированное намагничивание производится при одновременном использовании двух и более изменяющихся электромагнитных полей. При контроле рельсовых плетей используется в основном продольное намагничивание катушек индуктивности. Намагниченность изделий зависит от напряженности намагничивающего поля. Продольное намагничивание позволяют определять дефекты перпендикулярные магнитному потоку.

Циркулярное намагничивание позволяет определить напряженность магнитного поля при пропускании по нему тока, то есть согласно закону полного тока. Намагничивающие поля должны иметь разные частоты. Более строгий и качественный контроль, имеющий высокую чувствительность, проводится на остаточную намагниченность. Способ контроля на остаточную намагниченность обладает преимуществами над всеми другими способами.

Намагниченность изделия определяется особой структурой, то есть если на изделие, не воздействует внешнее электромагнитное поле, то моменты атомов распределяются параллельно друг к другу, образуя домены – идеальные постоянные магниты. Домены образует малые области, не соизмеримые с размерами атомов. Магнитные моменты доменов во внутри ориентированы одинаково, образуя область насыщения намагничивания - сильный постоянный магнит. Все магнитные материалы можно разделить на диамагнетики, парамагнетики и ферромагнетики. Они намагничиваются во внешнем магнитном поле по-разному.

Диамагнетики во внешнем поле намагничиваются, противоположно полю действуют парамагнетики, по направлению внешнего поля ферромагнетики самопроизвольно намагничивается. Диамагнитные и парамагнитные материалы, имеющие магнитную проницаемость, мало отличающуюся от 1, слабо взаимодействуют с внешним полем, поэтому они оказываются равноценны в вакууме.  

Иногда применяют намагничивание способом магнитного контакта. Особенно это необходимо при контроле систем обнаружения неисправностей. Суть этого метода заключается в использовании постоянного магнита или электромагнита, который перемещают вдоль рельсовой плети. При этом площадь контроля соответствует ширине полюса магнита.

В депо и вагоноремонтных заводах также применяют намагничивание для контроля осей колесных пар и буксовых подшипников. Каждый вид намагничивания является эффективным, если в изделии получаются выгодные условия значений напряженности поля, при которых создается необходимое направление силовых линий поля с ориентацией дефектов в изделиях и рельсовых плетях. Достоинством намагничивания постоянным полем является его стабильность и отсутствие вихревых токов. Намагничивание пульсирующим током даёт возможность обеспечить намагниченность всего изделия или рельсовой плети и обеспечить их (впоследствии), перемагничиванием.

Особенным предназначением намагничивания изделий и рельсовых плетей переменным электромагнитным полем являются исследования динамических характеристик нелинейной электромагнитной цепи. В этих цепях часть энергии электромагнитного поля тратится на тепло. Поэтому необходимо определять потери мощности.

Динамические процессы в соленоиде вызываются вихревыми токами. Ориентация магнитных доменов в электромагнитном поле определяет потери на гистерезисе.  Магнитная индукция отстает от напряженности магнитного поля за счет влияния вихревых токов. Они препятствуют увеличению магнитной индукции, возникновению гистерезиса и вязкости. Угол между магнитной индукцией и напряженностью называется - углом магнитных потерь. Вихревые токи определяются вихревыми электродвижущими силами:

.                                                                       (1)

Вихревые токи могут циркулировать вдоль стального сердечника, препятствием им является активное сопротивления в сердечнике:

,                                                                      (2)

где  – элементарный слой толщиной сердечника, по которому протекает вихревой ток,  – поперечное сечение пути вихревого тока;  – удельное сопротивления материала,  – высота магнитной цепи вихревого тока [1-3].

Элементарный участок магнитопровода из листовой стали катушки индуктивности показан на рис.1.

Рисунок 1. Элементарный участок магнитопровода из листовой стали катушки индуктивности

Вихревые потери можно определить, если положить, что индукция распределена равномерно вдоль сечения магнитопровода и равна:

,                                                                (3)

а ЭДС вихревых токов равны:

,                               (4)

где .

Потери на вихревые токи определяться в виде мощности потерь на элементарном участке магнитопровода:

                                  (5)

Мощность потерь в магнитопроводе составляет:

,                        (6)

где  - толщина листа.

Полные удельные потери на вихревые токи равны:

                                         (7)

 где  – плотность материала магнитопровода;  - коэффициент, определяющий тип материала и толщину листа магнитопровода.

Потери, вызванные гистерезисом, равны:

,                                                  (8)

где  и  – коэффициенты, определяющие тип материала магнитопровода.

Существуют также дополнительные потери, связанные с рассеянием магнитного потока в сердечнике соленоида. Дополнительные потери определяются выражением:

.                                                       (9)

В нелинейном соленоиде с сердечником токи и напряжения являются  несинусоидальными функциями, поэтому в расчетах используют метод эквивалентных синусоид. В этом случае, действующие значения токов и напряжений выбираются такими же, как и действующие значения несинусоидальной функции. При этом угол сдвига фаз находится из выражения:

  ,                                                      (10)

где P – активная мощность (несинусоидальной функции).

Так как поток магнитной индукции синусиодален, то вихревые токи отстают на угол Т/4 от магнитной индукции. Возникающая намагничивающая сила из-за вихревых токов компенсирует часть намагничивающей силы катушки индуктивности. Для динамической петли гистерезиса, представляемой эквивалентным эллипсом, можно записать и параметрические уравнения:

,                                                         (11)

,                                                 (12)

где  и   координаты параметрического уравнения.

Индукция  может быть разложена на две составляющие: на индукцию, совпадающую с напряженностью магнитного поля , и индукцию , отстающую от напряженности  на 90⁰. Таким образом, получим:

 ,                                                      (13)

.                                                      (14)

Эти составлющие связаны энергетическими соотношениями процессов перемагничивания при переменном токе. Кроме тех магнитных пронициамостей, которые были получены в предыдущем параграфе, для переменного тока вводятся понятия амплитудной магнитной проницаемости (полной) , упругой , проницаемость потерь  и комплексной магнитной проницаемости . Амплитудная магнитная проницаемость представляет собой амплитуду комплексного числа и равна:

.                                                           (15)

Упругая проницаемость потерь представляет собой действительную часть комплексной величины и равна:

.                                                        (16)

Проницаемость потерь представляет собой мнимую часть комплексной величины и равна:

.                                                       (17)

Полная комплексная проницаемость определяет процессы намагничивания в переменном электромагнитном поле и равна:

.                          (18)

Квазиупругая магнитная проницаемость  и поглощающая  указывают на неоднозначность кривой намагничивания. Эта неоднозначность определяется петлёй гистерезиса, ширина которой увеличивается с увеличением частоты электромагнитного поля. Расширение петли гистерезиса происходит за счет динамических потерь. При воздействии переменных магнитных полей основное внимание уделяется потерям на вихревые токи и гистерезис. Основополагающими величинами при рассмотрении переменных электромагнитных полей являются потери в стали, угол потерь и комплексная магнитная проницаемость. Кроме этого, приходится пользоваться динамическими кривыми намагничивания и динамической петлёй гистерезиса. Все эти величины полностью не характеризуют всех процессов, происходящих в переменном магнитном поле, но по ним можно рассчитать параметры устройств [8-10].

Особенностью импульсного намагничивания является сочетание достоинств намагничивания постоянным и переменным электромагнитными полями. Существует несколько способов импульсного намагничивания. В этом случае происходит обмен энергией между накопителем и намагничивающими катушками. Такой способ позволяет получать кратковременные импульсы до десятков кА. Намагничивание деталей происходит стационарным или медленно меняющимся электромагнитным полем. Импульсное намагничивание является энерго- и ресурсосберегающей технологией.

Наиболее подходящей кривой для импульсного намагничивания считается прямоугольная петля гистерезиса, показанная на рис.2.

Рисунок 2. B(H) с прямоугольной петлёй гистерезиса

Прямоугольная петля гиетерезиса отличается от той, которая применялась при намагничивании переменным током. Во - первых, она имеет большой наклон в режиме намагничивания и малый в режиме насыщения. Поэтому она может быть заменена на прямоугольник. Прямолинейность участков ограничена индукциями В₂, В₃ и В₁, В₄. Отношение остаточной индукции к амплитудному значению называют коэффициентом прямоугольности:

.                                                              (19)

Коэффициент, определяющий отношение индукции при  к индукции при  называется коэффициентом квадратности:

.                                                       (20)

Импульс, который направляется через катушки индуктивности, имеет, прямоугольную форму с периодом Т больше, чем период перемагничивания, Т₀. Эффект перемагничивания определяется напряженностью магнитного поля:

,                                                           (21)

где  - средняя длина магнитопровода;  – число витков соленоида.

Время перемагничивания сердечника равно приближенно:

,                                                      (22)

где    определяет тип материала и диапазон температуры;  зависит от материала и скорости перемагничивания.

 Сердечник при перепозничивании поглощает энергию:

         (23)

Энергия рассеивается, часть ее уходить на нагревания сердечника, другая часть - на увеличение потенциальной энергии. После прекращения действия импульса с периодом Т₀ индукция магнитного поля уменьшается от  до , то есть сердечник размагничивается. Энергия, которая возвращается соленоиду в результате перемагничивания равно:

.                                          (24)

Учитывая участок петли гистерезиса между индукциями  -  как прямолинейный, мы получием:

               (25)

Таким образом, наибольшее намагничивание изделий и рельсовых плетей достигается с максимальной остаточной индукцией  при прямоугольной петле гистерезиса. При этом динамические характеристики импульсного намагничивания зависят от свойств материла, размеров, формы и частоты импульсов.

При импульсном намагничивании важную роль играют не только динамические характеристики, но статические, по которым определяют коэрцитивные силы, остаточную индукцию и коэффициент прямоугольности. Состояние магнитного материала определяется несимметричной петлей магнитного гистерезиса, представленной на рис.3.

Рисунок 3. Несимметричная петля магнитного гистерезиса, – наибольшие приращения при намагничивании.

При импульсном намагничивании основными динамическими характеристиками являются: импульсная магнитная проницаемость, импульсная кривая намагничивания, удельные потери на перемагничивание, время перемагничивания, коэффициент перемагничивания, скорость перемагничивания.

Импульсной магнитной проницаемостью называется отношение наибольшего приращения индукции к наибольшему приращению напряженности намагничивающего поля:

.                                        (26)

Зависимость максимального приращения магнитной индукции от наибольшего приращения напряженности называется импульсной кривой намагничивания и кратко записывается в виде:

.                                             (27)

Удельные потери на перемагничивание зависят от наибольших изменений магнитной индукции:

.                                                  (28)

Длительность импульса определяется на уровне 0,1 амплитуды импульса  и его зависимости от амплитуды намагничивающего поля :

.                                                  (29)  

Обычно пользуются импульсной характеристикой, показанной на рис.4.

Рисунок 4. Импульная харатеристики намагничивания материала

Зависимость  от амплитуды намагничивающего поля линейна, точка пересечения линейной части характеристики с осью абсцисс представляет собой точку H_СТ старта (начало, трогание) резкого изменения магнитного потока намагничивающего материала.

Коэффиент перемагничивания определяется импульсным полем, необходимым для изменения состояния материала от  до , и представляется выражением:

.                                            (30)

Для прямоугольного импульса:

.                                                (31)

Скорость перемагничивания тела, то есть скорость изменения магнитного потока, зависит от амплитуды напряженности намагничивающего поля:

                                                      (32)

Заключения

Таким образом, картина состояния тела в режиме импульного намагничивания определяется частным динамическим несимметричным циклом с наибольшими приращениями индукции и напряженности электромагнитного поля.

Достоинством намагничивания постоянным полем является его стабильность и отсутствие вихревых токов.

Намагничивание пульсирующим током даёт возможность обеспечить намагниченность всего изделия или рельсовой плети и обеспечить их перемагничиванием.

На основании анализов рельсовых плетей определены причины их  дефектов постоянными магнитами, переменными и импульсными  электромагнитными полями.

Список литературы:

1. Колесников И.К., Курбанов Ж.Ф. Программное обеспечение системы управления единым пространственным полем // Современные состояние и перспективы применения информационных технологий в управлении, доклады республиканской научно-технической конференции,5-6сентябрь 2016г., Джизак.
2. Халиков А.А., Колесников И.К., Курбанов Ж.Ф. Исследование и разработка единого пространственного электромагнитного поля и устройств на их основе. / Монография. Издательства «Фан ва технология», 2019. – С.238.
3. Халиков А.А., Колесников И.К., Кадыров О.Х., Яронова Н.В. Влияния электромагнитного поля на свойства жидких и твердых тел // Наука образование техника №4, 2007г. Ош, Киргизия, – С.104-106.
4. Халиков А.А., Курбанов Ж.Ф., Ортиков М.С. Устройства намагничивания и размагничивания рельсовых плетей и их сравнительный анализ. // UNIVERSUM Технические науки. Москва– 2019. №10 (67) – С.78-80. Электронный научный журнал tech@7universum.com .
5. Халиков А.А., Курбанов Ж.Ф., Ортиков М.С. Параметры магнетизма, намагничивания и размагничивания материалов и рельсовых плетей. // UNIVERSUM Технические науки. Москва– 2019. №10 (67). – С.81-83. Электронный научный журнал. tech@7universum.com .
6. Халиков А.А., Мирсагдиев О.А. Разработка информационно-измерительных систем на основе волоконно-оптических датчиков. //ПРОБЛЕМЫ ПОЛУЧЕНИЯ, ОБРОБОТКИ И ПЕРЕДАЧИ ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ ИНФОРМАЦИИ. II Международная научно-техническая конференция, посвященная 90-летию со дня рождения профессора Зарипова Мадияра Фахритдиновича. Уфа-2019. – С.207-212.
7. Халиков А.А., Ибрагимова О.А. Исследование  устройств систем управления единым пространственным электромагнитным полем. Монография. / Под ред.проф. ХаликоваА.А. Ташкент–Тамбов: Консальтинговая компания Юком, 2020. 102с. https: //ukonf.com/doc/mon.2020.05.01.pdf. E-mail: mon@ukonf.com. 
8. Khalikov A.A. Analysis of methods for determining the characteristics of a single spatial electromagnetic field. // Индонезия. Icon Beat 2019. icon-beat@umm.ac.id. International Conference on Bioinergy and Environmtntally Sustainable Agriculture Technology. (Международная конференция).
9. Kurbanov J.F. The spectral characteristics of the new functional materials based on a single device spatial field // «American Journal of Science and Tehnologies» International collaboration in Eurasia // American Journal of Science andTehnologies, «Hrinceton University Press», 2015, №2(20).  –P.11-16.
10. Kurbanov J.F., Khalikov A.A., Ortikov M.S. Devices for magnetization and demagnization of rail lashes and their comparative analysis with existing. Сборник статьей XXVIII международной научно-практической конференции «Технические науки: проблемы и решения». Сайт https://internauka.org/.