Устройство ультразвукового контроля головки и шейки рельсов

Полезная модель относится к области неразрушающего контроля материалов и может быть использована при ультразвуковой (УЗ) дефектоскопии железнодорожных рельсов и других длинномерных изделий. Технической задачей, решаемой заявленной полезной моделью, является создание устройства для достоверного способа УЗ контроля головки и шейки рельсов за счет конкретизации углов ввода УЗ волн в исследуемый объект и, углов разворота акустической оси ЭАП относительно продольной оси рельса, настройки строб импульса (временные зоны фиксации эхо-сигналов, отраженных от дефектов), а также за счет применения достаточного количества ЭАП в схемах прозвучивания. Техническим результатом поставленной задачи является повышение надежности, достоверности и производительности УЗ контроля головки и шейки рельсов. Поставленная задача решается двумя вариантами. В варианте первом устройство содержит ЭАП, установленные, например, в искательную лыжу, закрепленную на подвагонной тележке УЗ дефектоскопа, излучающие и принимающие УЗ волны в заданных временных зонах. Причем, устройство выполнено в виде искательной системы (ИС) из последовательно расположенных друг за другом трех блоков ЭАП, каждый из которых содержит по три ЭАП. В первый блок установлены 1-й, 2-й и 3-й ЭАП для сплошного контроля головки рельса, излучающие УЗ в направлении движения ИС, из которых 2-й и 3-й сдвоенные и смонтированные на расстоянии друг от друга в пределах 25-30 мм. Во второй блок установлены три ЭАП для сплошного контроля шейки рельса, из которых 4-й, излучающий УЗ в направлении движения ИС, 5-й, сдвоенный, излучающий УЗ в вертикальной плоскости, 6-й, излучающий УЗ против направления движения ИС. В третий блок установлены сдвоенные 7-й, 8-й и 9-й ЭАП для сплошного контроля головки рельса, излучающие УЗ волны против направления движения ИС, из которых 7-й и 8-й смонтированы на расстоянии друг от друга в пределах 25-30 мм. В варианте втором в первый блок установлены сдвоенные 2-й и 3-й ЭАП, излучающие УЗ в направлении движения ИС, и смонтированные на расстоянии друг от друга в пределах 25-30 мм, и 4-й, излучающий УЗ волны против направления движения ИС. Во второй блок установлены три ЭАП, из которых 1-й, излучающий УЗ волны в направлении движения ИС, 5-й, сдвоенный, излучающий УЗ волны в направлении движения ИС и 9-й сдвоенные, излучающий УЗ волны в направлении против движения ИС. В третий блок установлены 6-й, излучающий УЗ волны в направлении движения ИС и сдвоенные 7-й, 8-й, излучающие УЗ волны против направления движения ИС, смонтированные на расстоянии друг от друга в пределах 25-30 мм. При этом 4-й и 6-й устанавлены на расстоянии друг от друга в пределах 260-280 мм. Использование заявленного устройства позволит обеспечить выявление сильноразвитых плоскостных дефектов и, как следствие, плановую замену ОДР. Повышение надежности, достоверности и производительности неразрушающего УЗ контроля рельсов способствует дальнейшему улучшению безопасности движения поездов на железных дорогах илл.4.

Полезная модель относится к области неразрушающего контроля материалов и может быть использована при ультразвуковой (УЗ) дефектоскопии железнодорожных рельсов и других длинномерных изделий.

Вследствие динамического воздействия колес подвижного состава на железнодорожные рельсы, головка и шейка рельса испытывают большие нагрузки. В результате в головке и шейке рельсов образуется и развивается большое количество опасных дефектов (дефекты вида 11.1-2, 20.1-2, 21.1-2, 24, 25, 26.3, 27.1-2, 30В.1-2, 30Г.1-2, 38.1, 50.1-2, 52.1-2, 53.1-2, 55, 56.3 по [1]). Для повышения достоверности контроля скорость контроля, начиная с 2004 г., была снижена с 60 км/ч до 40 км/ч по перегону и до 25 км/ч на стрелочном переводе, так как существующие схемы прозвучивания не позволяют выявлять острые дефекты рельсов (ОДР) при высоких скоростях контроля. При этом все равно ежегодно происходят изломы рельсов под поездами из-за пропущенных дефектов, эхо-сигналы от которых не регистрируются, а фиксируемые дефекты принимаются при расшифровке за помехи из-за недостаточного количества получаемой информации. По данным Департамента пути и сооружений МПС России, в период с 2007 по 2011 гг. включительно, было зафиксировано 289 случаев не выявления дефектов мобильными средствами контроля и 75 случаев плохой записи дефектов, сравнительной с шумами, что повлекло за собой во всех случаях изломы рельсов. Из этого количества 74% изломов произошли из-за дефектов головки и шейки рельсов.

Для обнаружения вышеперечисленных дефектов, согласно ГОСТ 18576-85 [2], предусмотрено использование эхо-, эхо-зеркального, зеркально-теневого и теневого методов УЗ контроля. Контроль должен проводиться контактным способом (7). Из множества устройств, для реализации сплошного контроля можно использовать лишь те, которые позволяют обеспечить ввод УЗ лучей с поверхности катания рельса и обеспечить качественный акустический контакт. В связи с этим, в серийно выпускаемых дефектоскопах для контроля головки рельсов используются варианты схем прозвучивания с применением следующих электроакустических преобразователей (ЭАП):

- с углом ввода УЗ колебаний =58° и углом разворота акустической оси относительно продольной оси рельса 32-35°;

- сдвоенные преобразователи, работающие по совмещенной схеме от одного генератора-усилителя (ГУ), с углом ввода УЗ колебаний =58°/58° и с углом разворота акустической оси каждого из них относительно продольной оси рельса 32-35°;

- с углом ввода УЗ колебаний =70° и углом разворота акустической оси относительно продольной оси рельса =0°.

Для контроля шейки рельсов используют преобразователи:

- с углом ввода УЗ колебаний =38°, 40°, 42°, 45°, 49° и углом разворота акустической оси относительно продольной оси рельса =0°, работающие в совмещенном режиме;

- сдвоенные преобразователи с углом ввода УЗ колебаний =38°/45°, 41°/49° и углом разворота акустической оси относительно продольной оси рельса =0°, работающие в совмещенном режиме;

- прямые (=0°), также с углом разворота акустической оси относительно продольной оси рельса =0°, работающие в раздельно-совмещенном режиме от одного ГУ.

На практике, при выявлении дефектов в боковой части головки рельса схемами прозвучивания с указанными параметрами ЭАП между амплитудой эхо-сигнала, отраженного от дефекта, и его размерами не существует конкретной зависимости: в ряде случаев амплитуда эхо-сигнала от поперечной трещины на ранней стадии развития намного превышает амплитуду эхо-сигнала от более развитого дефекта [3, 4].

Это объясняется следующим: основной поток акустических колебаний, падая на плоскостной дефект, отражается согласно закону зеркального отражения и к излучающему преобразователю не возвращается. На ранней же стадии развития дефект имеет объемную форму, то есть имеются условия для возвращения колебаний к их источнику (фиг.1). В результате, при сплошном контроле рельсов надежность выявления сильно развитых поперечных трещин с зеркальной поверхностью в боковой части головки рельса весьма низкая и, как следствие, возможен их пропуск [5].

Из известных устройств для УЗ контроля головки рельса наиболее близким к предлагаемому является «Устройство для ультразвукового контроля головки рельсов», патент 22330 [6], который выбран в качестве прототипа. Известное устройство предусматривает установку на поверхность катания головки рельса двух пар наклонных ЭАП, развернутых под углом =34° относительно продольной оси рельса к противоположным боковым граням головки рельса и имеющих угол ввода УЗ колебаний в металл =58° каждый.

Недостатками известного устройства, принятого за прототип, являются низкая надежность и достоверность контроля, обусловленная тем, что предложенная схема контроля не позволяет выявлять с необходимой долей вероятности сильно развитые плоскостные дефекты головки рельсов, которые имеют зеркальную поверхность.

Технической задачей, решаемой заявленной полезной моделью, является создание устройства для достоверного способа УЗ контроля головки и шейки рельсов за счет конкретизации углов ввода УЗ волн в исследуемый объект и углов разворота акустической оси ЭАП относительно продольной оси рельса, настройки строб импульса (временные зоны фиксации эхо-сигналов, отраженных от дефектов), а также за счет применения достаточного количества ЭАП в схемах прозвучивания.

Техническим результатом поставленной задачи является повышение надежности, достоверности и производительности УЗ контроля головки и шейки рельсов.

Поставленная задача решается двумя вариантами.

В варианте первом устройство содержит ЭАП, установленные, например, в искательную лыжу, закрепленную на подвагонной тележке УЗ дефектоскопа, излучающие и принимающие УЗ волны в заданных временных зонах. Причем, устройство выполнено в виде искательной системы (ИС) из последовательно расположенных друг за другом трех блоков ЭАП, каждый из которых содержит по три ЭАП. В первый блок установлены 1-й, 2-й и 3-й ЭАП для сплошного контроля головки рельса, излучающие УЗ в направлении движения ИС, из которых 2-й и 3-й-сдвоенные и смонтированные на расстоянии друг от друга в пределах 25-30 мм. Во второй блок установлены три ЭАП для сплошного контроля шейки рельса, из которых 4-й, излучающий УЗ в направлении движения ИС, 5-й, сдвоенный, излучающий УЗ в вертикальной плоскости, 6-й, излучающий УЗ против направления движения ИС. В третий блок установлены сдвоенные 7-й, 8-й и 9-й ЭАП для сплошного контроля головки рельса, излучающие УЗ волны против направления движения ИС, из которых 7-й и 8-й смонтированы на расстоянии друг от друга в пределах 25-30 мм.

В варианте втором в первый блок установлены сдвоенные 2-й и 3-й ЭАП, излучающие УЗ в направлении движения ИС, и смонтированные на расстоянии друг от друга в пределах 25-30 мм, и 4-й, излучающий УЗ волны против направления движения ИС. Во второй блок установлены три ЭАП, из которых 1-й, излучающий УЗ волны в направлении движения ИС, 5-й, сдвоенный, излучающий УЗ волны в направлении движения ИС и 9-й сдвоенные, излучающий УЗ волны в направлении против движения ИС. В третий блок установлены 6-й, излучающий УЗ волны в направлении движения ИС и сдвоенные 7-й, 8-й, излучающие УЗ волны против направления движения ИС, смонтированные на расстоянии друг от друга в пределах 25-30 мм. При этом 4-й и 6-й установлены на расстоянии друг от друга в пределах 260-280 мм.

На фиг.1 изображена схема отражения УЗ волны от дефекта на ранней стадии зарождения и от развитого (зеркального) дефекта.

На фиг.2 показано расположение ЭАП по варианту 1 заявленного устройства и его схемы прозвучивания.

На фиг.3 показано расположение ЭАП по варианту 2 заявленного устройства и его схемы прозвучивания.

На фиг.4 изображена схема прохождения УЗ волн по трем временным зонам.

Сущность устройства ультразвукового контроля головки и шейки рельса заключается в том, что на поверхность катания головки рельса заключается в том, что на поверхность катания головки рельса устанавливают ЭАП, например в искательную лыжу, закрепленную на подвагонной тележке УЗ дефектоскопа, сгруппированные в три блока, по три штуки в каждом, которые перемещают вдоль продольной оси рельса, излучают и принимают УЗ волны в заданных временных зонах и по параметрам принятых колебаний судят о наличии дефекта.

Конкретизация углов ввода УЗ волн и углов разворота акустической оси ЭАП относительно продольной оси рельса характеризуется следующими параметрами (фиг.2, 3).

- 1, 9 - наклонный ЭАП с углом ввода УЗ колебаний =70°^-5° и с углом разворота акустической оси относительно продольной оси рельса 0°±2°, из которых ЭАП 7 - сдвоенный;

- 2, 3, 7 - наклонный сдвоенный ЭАП с углом ввода УЗ колебаний =62°/62°^-2 и с углом разворота акустической оси каждого ЭАП относительно продольной оси рельса 25°^+1°;

- 4, 6 - наклонный ЭАП с углом ввода УЗ колебаний =42°^-2° и с углом разворота акустической оси относительно продольной оси рельса 0°±2°;

- 5 - наклонный сдвоенный ЭАП с углом ввода УЗ колебаний =12°/12°±1° и с углом разворота акустической оси каждого ЭАП относительно продольной оси рельса 0°±2°;

- 8 - наклонный сдвоенный ЭАП с углом ввода УЗ колебаний =58°/58° и с углом разворота акустической оси каждого ЭАП относительно продольной оси рельса =34°.

Для повышения надежности, достоверности и производительности контроля, по варианту 1 схемы прозвучивания (фиг.1), на поверхность катания головки рельса, вдоль его оси устанавливают ИС из последовательно расположенных друг за другом трех блоков ЭАП I, II и III соответственно, по три преобразователя в каждый блок, которые в свою очередь устанавливаются на искательную лыжу IV, закрепленную на подвагонной тележке. В первый блок установлены ЭАП 1-й, далее за ним установлены пара сдвоенных ЭАП 2-й и 3-й на расстоянии друг от друга в пределах 25-30 мм. Эти три ЭАП позволяют осуществить сплошной контроль головки рельсов, излучая УЗ волны в направлении движения ИС. Во второй блок устанавливаются ЭАП 4-й, излучающий УЗ волны в направлении движения, ИС, 5-й, излучающий УЗ волны в вертикальной плоскости, 6-й, излучающий УЗ волны против направления движения ИС. Эти три ЭАП позволяют осуществить сплошной контроль шейки рельсов. В третий блок устанавлены пара сдвоенных ЭАП 7-й, 8-й на расстоянии друг от друга в пределах 25-30 мм и ЭАП 9-й, которые излучают УЗ волны в направлении противоположном движению ИС. Эти три ЭАП так же позволяют осуществить сплошной контроль головки рельсов.

По варианту 2 схемы прозвучивания (фиг.3) в первый блок устанавлены пара сдвоенных ЭАП 2-й и 3-й на расстоянии друг от друга в, пределах 25-30 мм, которые излучают поле УЗ волны в направлении движения ИС. За ними устанавливается ЭАП 4-й, излучающий УЗ волны против направления движения ИС. Во второй блок устанавливается ЭАП 1-й, излучающий УЗ волны в направлении движения ИС, за ним устанавливается сдвоенный ЭАП 5-й, излучающий УЗ волны в вертикальной плоскости, и за ним 9-й ЭАП излучающий УЗ волны в направлении против движения ИС. В третий блок установлены ЭАП 6-й, излучающий УЗ волны в направлении движения ИС, за ним устанавливается пара сдвоенных ЭАП 7-й, 8-й на расстоянии друг от друга в пределах 25-30 мм, которые излучают УЗ волны в против направления движения ИС. Причем ЭАП 4-й и 6-й, устанавлены друг от друга на расстоянии в пределах 260-280 мм, что обеспечивает получение качественного донного сигнала.

Сдвоенные ЭАП 2, 3 и 7, 8 расположены в непосредственной близости друг от друга, что увеличивает, на скорости, надежность выявления ОДР, а ЭАП 1 и 9 дополнительно подтверждают регистрацию ОДР.

Принцип действия ИС следующий.

Все девять ЭАП работают от четырнадцати ГУ. Каждый ЭАП работает в совмещенном режиме (источник/приемник).

ЭАП 2, 3, 7 (с углом ввода УЗ колебаний =62°/62°^-2 и с углом разворота акустической оси каждого ЭАП относительно продольной оси рельса 25°^+1°) позволяют направить импульс ультразвуковой волны в рабочую и нерабочую грань от своего ГУ на центр подголовочной грани, поэтому нет потерь в радиусном сопряжении между боковыми гранями головки рельса и подголовочной частью, в отличие от ЭАП с углом ввода УЗ колебаний =58°/58° и с углом разворота акустической оси каждого ЭАП относительно продольной оси рельса 34°.

Прием и обработка принятых сигналов, осуществляется в трех временных зонах (фиг.4):

- ближняя зона от 10 мкс до 90 мкс;

- средняя зона от 90 мкс до 130 мкс;

- дальняя зона от 130 мкс до 230 мкс.

Путь прямого луча УЗ волны от ЭАП 2, 3 и 7 по сравнению с ЭАП 8, на 18 мкс больше и возвращенные эхо-сигналы сильнее даже с дальней зоны, что позволяет принимать сигнал от дефекта, расположенного на расстоянии до 600 мм вдоль продольной оси рельса от точки ввода УЗ волны.

В свою очередь, это дает возможность четко фиксировать кольца развития зеркальных ОДР и вертикальных трещин в головке рельсов. Фиксируются дефекты площадью от 100 мм² до полностью пораженной поверхности (ранее известные устройства не позволяли фиксировать сильноразвитые дефекты с зеркальной поверхностью) и обеспечивать качественную фиксацию дефектов в головке и шейке рельсов при скорости контроля до 80 км/ч.

Использование заявленного устройства позволит обеспечить выявление сильноразвитых плоскостных дефектов и, как следствие, плановую замену ОДР.

Повышение надежности, достоверности и производительности неразрушающего УЗ контроля рельсов способствует дальнейшему улучшению безопасности движения поездов на железных дорогах.

Источники информации

1. Классификация дефектов рельсов. НТД/ЦП-1-93. М.: Транспорт, 1993.

2. ГОСТ 18576-85. Контроль неразрушающий. /Рельсы железнодорожные. Методы ультразвуковые. М.: Изд-во стандартов, 1985.

3. Кузьмина Л.И. Выявление дефектов второй группы эхо-импульсным методом. //Ультразвуковая дефектоскопия рельсов. Серия "Путь и путевое хозяйство". М.: ЦНИИТЭИ МПС, Выпуск 66, 1971, с.12-21.

4. Колотушкин С.А., Капорцев В.Н. Исследование интенсивности развития и выявляемости в рельсах дефекта 21.1-2. - Вестник ВНИИЖТ, 1978, 5, - с.38-40.

5. Марков А.А., Шпагин Д.А. Ультразвуковая дефектоскопия рельсов., - СПб.: «Образование - Культура», 1999,- с.133-134.

6. Марков А.А., Бершадская Т.Н., Белоусов Н.А., Мосягин В.В., Маркова А.А. Устройство для ультразвукового контроля головки рельсов. Патент РФ 22330, приоритет от 06.11.01 г., Бюлл. изобр. 2002.

7. ГОСТ 23829-85. Контроль неразрушающий акустический. Термины и определения.

1. Устройство ультразвукового контроля головки и шейки рельсов, содержащее электроакустические преобразователи, установленные, например, в искательную лыжу, закрепленную на подвагонной тележке ультразвукового дефектоскопа, излучающие и принимающие ультразвуковые волны в заданных временных зонах, отличающееся тем, что устройство выполнено в виде установленной на поверхность катания головки рельса вдоль его продольной оси искательной системы из последовательно расположенных друг за другом трех блоков электроакустических преобразователей, каждый из которых содержит по три электроакустических преобразователя, причем в первый блок установлены 1-й, 2-й и 3-й электроакустические преобразователи для сплошного контроля головки рельса, излучающие ультразвуковые волны в направлении движения искательной системы, из которых 2-й и 3-й сдвоенные и смонтированные на расстоянии друг от друга в пределах 25-30 мм, во второй блок установлены три электроакустических преобразователя для сплошного контроля шейки рельса, из которых 4-й, излучающий ультразвуковые волны в направлении движения искательной системы, 5-й, сдвоенный, излучающий ультразвуковые волны в вертикальной плоскости, 6-й, излучающий ультразвуковые волны против направления движения испытательной системы, а в третий блок установлены сдвоенные 7-й, 8-й и 9-й электроакустические преобразователи для сплошного контроля головки рельса, излучающие ультразвуковые волны против направления движения искательной системы, из которых 7-й и 8-й смонтированы на расстоянии друг от друга в пределах 25-30 мм.

2. Устройство ультразвукового контроля головки и шейки рельсов по варианту 2, отличающееся тем, что устройство выполнено в виде установленной на поверхность катания головки рельса вдоль его продольной оси искательной системы из последовательно расположенных друг за другом трех блоков электроакустических преобразователей, каждый из которых содержит по три электроакустических преобразователя, причем в первый блок установлены сдвоенные 2-й и 3-й электроакустические преобразователи, излучающие ультразвуковые волны в направлении движения искательной системы, и смонтированные на расстоянии друг от друга в пределах 25-30 мм, и 4-й, излучающий ультразвуковые волны против направления движения искательной системы, во второй блок установлены три электроакустических преобразователя, из которых 1-й, излучающий ультразвуковые волны в направлении движения искательной системы, 5-й, сдвоенный, излучающий ультразвуковые волны в вертикальной плоскости и 9-й, излучающий ультразвуковые волны в направлении против движения искательной системы, а в третий блок установлены 6-й, излучающий ультразвуковые волны в направлении движения искательной системы и сдвоенные 7-й, 8-й, излучающие ультразвуковые волны против направления движения искательной системы, смонтированы на расстоянии друг от друга в пределах 25-30 мм, при этом 4-й и 6-й установлены на расстоянии друг от друга в пределах 260-280 мм.