Методы диагностики и макет диагностического стенда для неразрушающего контроля дефектов в железнодорожных рельсах и деталях подвижного состава

Направление научной деятельности: опто-, радио- и акустоэлектроника, перспективные системы связи, навигации, локации и управления
Тип исследования: фундаментальное
Источник финансирования
Грант № 20-38-51019 Научное наставничество "Разработка метода и аппаратно-программных средств для оценки состояния и остаточного ресурса сложных технических систем на основе анализа данных акустической эмиссии и применения машинного зрения", Российский фонд фундаментальных исследований совместно с ОАО "Российские железные дороги", Образовательным Фондом "Талант и успех" и АНОО ВО "Научно-технологический университет "Сириус". Срок выполнения: 12.2020 – 11.2022 гг.

Авторы: Мачихин А.С. (руководитель), Барат В.А., кафедра ДИТ, ИВТИ, Марченков А.Ю., кафедра ТМ, ЭнМИ

Результат
Разработаны методические и аппаратные решения, предназначенные для неразрушающего контроля и мониторинга железнодорожных рельсов и деталей подвижного состава железнодорожного транспорта, изготовленных из конструкционных углеродистых и низколегированных сталей.

Разработан метод диагностики, основанный на совместном применении акустической эмиссии и машинного зрения, который заключается в определении местоположения дефекта и степени его опасности с использованием данных акустической эмиссии и последующего уточнения наличия дефекта, его типа, ориентации и оценке размеров с использованием системы машинного зрения. Метод опробован и верифицирован на образцах рельса (сталь Э76Ф), оси колесной пары (сталь ОсВ) и хомута автосцепного устройства (сталь 20ГЛ) железнодорожного вагона.

Разработана предикативная модель развития усталостной трещины, позволяющая выделять различные стадии ее развития: стадии припорогового, стабильного и ускоренного роста. По полученным результатам был разработан нейросетевой алгоритм, позволяющий на основании данных АЭ определять стадию развития усталостной трещины с погрешностью классификации не более 10%.

Моделирование методом конечных элементов позволило получить образцовый вид полей смещений при наличии и отсутствии усталостной трещины. С использованием полученных результатов был разработан новый подход, позволяющий определять наличие усталостных трещин на основании сравнения деформаций данных моделирования и экспериментальных данных (рис. 1).

Рис. 1. Пространственные распределения смещений при имитирующем движение поезда циклическом нагружении, полученные экспериментально методом цифровой корреляции изображений (верхний ряд) и в результате моделирования методом конечных элементов (нижний ряд) в образце рельса без дефекта (а) и с дефектом в области его головки (б), шейки (в) и подошвы (г)

Разработан макет диагностического стенда для контроля деталей тележки железнодорожного вагона, отличающийся от существующих комбинированным применением методов акустической эмиссии и машинного зрения. Макет стенда (рис. 2) включает в себя испытательную машину (осуществляет нагружение объекта диагностирования в соответствии с заданной схемой нагружения), систему освещения, оптическую стереосистему (осуществляет регистрацию полей деформации наблюдаемого участка объекта с использованием метода цифровой корреляции изображений) и систему регистрации сигналов АЭ (осуществляет регистрацию сигналов и локацию АЭ, вызванных процессом развития трещиноподобных дефектов, а также оценку степени опасности в соответствии с разработанной системой классификации).

Рис. 2. Схема и макет стенда для диагностики деталей подвижного состава методами акустической эмиссии и машинного зрения: CAM1 и CAM2 – оптическая стереосистема; ПАЭ – преобразователи акустической эмиссии; БС – блок сопряжения; ИС - источник света; М –система механического нагружения

Макет стенда автоматизирован и позволяет в лабораторных условиях интерактивно осуществлять изменение параметров нагружения и регистрации данных. Для контроля внутренних полостей деталей железнодорожного транспорта разработана миниатюрная призменно-линзовая стереосистема машинного зрения.

Назначение и предполагаемое использование результата
Применение разработанных в проекте методических и программно-аппаратных разработок по неразрушающему контролю элементов железнодорожного транспорта позволяет выявлять опасные дефекты (особенно трещины) на ранних стадиях их развития, что снижает риск неожиданных преждевременных разрушений и аварий на транспорте. Полученные результаты могут быть востребованы как профильными научно-исследовательскими организациями железнодорожной отрасли при решении экспертных задач, так и производственными и ремонтными предприятиями при проведении регулярных диагностических процедур.

Публикации
Machikhin A.S., Bardakov V.V., Marchenkov A.Yu., Poroykov A.Yu., Sharikova M.O., Meleshko N. Feasibility of digital image correlation for fatigue cracks detection under dynamic loading // Sensors. 2021. Volume 21. No. 6457.
DOI: 10.3390/s21196457
Scopus: https://www.scopus.com/record/display.uri?eid=2-s2.0-85115802956&origin=resultslist&sort=plf-f&src=s&st1=10.3390%2fs21196457&sid=e2958ba092607234dc1a8091d2184033&sot=b&sdt=b&sl=22&s=DOI%2810.3390%2fs21196457%29&relpos=0&citeCnt=3&searchTerm=
Полнотекстовая версия: https://www.mdpi.com/1424-8220/21/19/6457
Barat V.A., Marchenkov A.Yu., Ivanov V.I., Bardakov V.V., Elizarov S.V., Machikhin A.S. Empirical approach to defect detection probability by acoustic emission testing // Applied Sciences. 2021. Volume 11. No. 9429.
DOI: 10.3390/app11209429
Scopus: https://www.scopus.com/record/display.uri?eid=2-s2.0-85117241453&origin=resultslist&sort=plf-f&src=s&st1=10.3390%2fapp11209429&sid=cea759594eab3b9f266ccca4132380a9&sot=b&sdt=b&sl=24&s=DOI%2810.3390%2fapp11209429%29&relpos=0&citeCnt=1&searchTerm=
Полнотекстовая версия: https://www.mdpi.com/2076-3417/11/20/9429
Sharikova M.O., Poroykov A.Yu., Marchenkov A.Yu. Application of the digital image correlation method for diagnosing the condition of railway parts // Journal of Physics: Conference Series. 2021. Volume 2091. No. 012043.
DOI: 10.1088/1742-6596/2091/1/012043
Scopus: https://www.scopus.com/record/display.uri?eid=2-s2.0-85123484296&origin=resultslist&sort=plf-f&src=s&st1=10.1088%2f1742-6596%2f2091%2f1%2f012043&sid=31ac8e8d03d1cefd09b04874f6c5fd1b&sot=b&sdt=b&sl=36&s=DOI%2810.1088%2f1742-6596%2f2091%2f1%2f012043%29&relpos=0&citeCnt=0&searchTerm=
Полнотекстовая версия: https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1742-6596/2091/1/012043

Правовая охрана
Заявка на изобретение, № 2021138936 от 27.12.2021 г. "Способ получения трёхмерного пространственного распределения деформаций поверхности труднодоступных объектов", приоритет от 27.12.2021 г., РФ ​