Устройство для ультразвуковой дефектоскопии рельсов

Полезная модель относится к ультразвуковому контролю материалов и может быть использовано при ультразвуковой (УЗ) дефектоскопии железнодорожных рельсов.

Устройство для ультразвуковой дефектоскопии рельсов, выполнено в виде вращающегося колеса, наполненного жидкостью, и имеющего эластичную мембрану на поверхности катания по рельсу, внутри колеса на оси его вращения в обтекаемом корпусе закреплены электроакустические преобразователи (ЭАП), направленные под прямыми и острыми углами в подошву рельса и на сопряжение боковой и нижней поверхностей рабочей, а также нерабочей части головки рельса. В варианте выполнения устройство содержит два колеса, у которых наклонные ЭАП одного колеса направлены на соответствующие ЭАП другого колеса.

Полезная модель относится к ультразвуковому контролю материалов и может быть использовано при ультразвуковой (УЗ) дефектоскопии железнодорожных рельсов.

Известны [1] Марков А.А., Шпагин Д.А. УЛЬТРАЗВУКОВАЯ ДЕФЕКТОСКОПИЯ РЕЛЬСОВ., С.Пб.: «Образование - Культура», 2008.-283 с. различные способы и соответствующие устройства УЗ контроля, заключающиеся в излучении электроакустическими преобразователями (ЭАП) зондирующих УЗ сигналов, приеме отраженных сигналов и обнаружении дефектов различными методами: эхо, зеркально-теневым, теневым, зеркальным и дельта, стр.51. Серьезной проблемой при УЗ исследованиях является обеспечение акустического контакта ЭАП или призм, на которые они установлены, с поверхностью исследуемого материала. Для решения этой задачи обычно прибегают к смачиванию места контакта жидкостями. Количество такой жидкости при исследовании длинномерных объектов оказывается значительным, а качество контакта зачастую неудовлетворительным, что приводит к ошибкам измерений.

Известны [2], [3], [4], [5], [6] устройства для ультразвуковой дефектоскопии головки рельса, в которых ЭАП, расположенные на поверхности катания рельса, направлены на сопряжение боковой и нижней поверхностей головки рельса, и образуют острые углы с плоскостью симметрии рельса. Такие схемы прозвучивания головки рельса обеспечивают обнаружение дефектов различной ориентации практически по всему объему головки рельса.

Недостатком таких устройств является сложность обеспечения акустического контакта ЭАП или призм, на которые они установлены, с поверхностью катания рельса.

Для решения указанной проблемы в устройствах для ультразвуковой дефектоскопии рельсов [7], [8], [9], [10] ЭАП размещены во вращающемся колесе, наполненным звукопроводящей жидкостью, и имеющего эластичную мембрану на поверхности катания по рельсу, ЭАП расположены внутри колеса, неподвижно закреплены на оси его вращения и направленны в рельс через пятно контакта эластичной мембраны с поверхностью катания рельса. В этом случае гарантирован контакт ЭАП с жидкостью, а качество контакта эластичной мембраны с жестким рельсом оказывается более высоким, чем у жестких призм и ЭАП.

Известно [11] устройство для ультразвуковой дефектоскопии рельса, в котором ЭАП установлены непосредственно над эластичной мембраной, контактирующей с рельсом и содержащее два колеса. УЗ сигналы, излученные в одном колесе, принимаются во втором.

Недостатком этого устройства является низкая обнаруживающая способность, связанная со слаборазвитыми схемами прозвучивания. Кроме того, при близком расположении ЭАП над рельсом возникают многочисленные переотражения между поверхностью катания рельса, корпусами ЭАП и конструкциями крепления ЭАП, которые совпадают по времени и накладываются на сигналы отраженные от подповерхностных дефектов рельса, что затрудняет выявление последних.

Наиболее близким к заявляемому является устройство для ультразвуковой дефектоскопии рельсов [12], выполненное в виде вращающегося колеса, наполненного жидкостью, и имеющего эластичную мембрану на поверхности катания по рельсу, внутри колеса на оси его вращения закреплены ЭАП, направленные в рельс через пятно контакта эластичной мембраны с поверхностью катания рельса, направления первого и вторых ЭАП лежат в плоскости симметрии рельса под прямым и острыми углами к подошве рельса соответственно, третий ЭАП направлен под прямым углом на сопряжение боковой и нижней поверхностей рабочей части головки рельса

Недостатком этого устройства является низкая обнаруживающая способность дефектов в головке рельса, связанная с тем, что схема прозвучивания рельса используемая третьей группой ЭАП позволяет обнаруживать дефекты в головке рельса параллельные плоскости симметрии рельса. Дефекты, имеющие другую ориентацию, например, поперек головки рельса, не будут выявлены из-за параллельности дефекта и направления зондирования. Кроме того, сложная, угловатая конструкция держателя ЭАП неизбежно вызовет вихревые потоки в жидкости, заполняющей колесо, в том числе с образованием воздушных пузырьков ухудшающих условия измерения.

Задачей, решаемой заявляемым устройством является повышение качества обнаружения дефектов за счет выбора рациональной схемы прозвучивания и снижения вероятности возникновения помех от заполняющей жидкости.

Для решения указанной задачи по п.1 формулы полезной модели в устройстве для ультразвуковой дефектоскопии рельсов, выполненном в виде вращающегося колеса, наполненного жидкостью, и имеющего эластичную мембрану на поверхности катания по рельсу, внутри колеса на оси его вращения закреплены ЭАП, направленные в рельс через пятно контакта эластичной мембраны с поверхностью катания рельса, направления первого и вторых ЭАП лежат в плоскости симметрии рельса под прямым и острыми углами к подошве рельса соответственно, третий ЭАП направлен под прямым углом на сопряжение боковой и нижней поверхностей рабочей части головки рельса, установлены четвертые, пятый и шестые ЭАП, четвертые ЭАП направлены под острыми углами на сопряжение боковой и нижней поверхностей рабочей части головки рельса, пятый и шестые ЭАП, направлены на сопряжение боковой и нижней поверхностей нерабочей части головки рельса и установлены зеркально третьему и четвертым ЭАП относительно плоскости симметрии рельса соответственно, все ЭАП установлены в обтекаемом корпусе.

Для решения указанной задачи по п.2. формулы полезной модели устройство для ультразвуковой дефектоскопии рельсов по п.1, содержит два идентичных колеса, установленных на рельсе на расстоянии друг от друга, направления, по крайней мере, одного из вторых, одного из четвертых и одного из шестых ЭАП выбраны так, чтобы зондирующий сигнал, излученный ЭАП одного колеса, после отражения от соответствующей внутренней поверхности рельса поступал в соответствующий ЭАП другого колеса.

Существенными отличиями, заявляемой полезной модели по сравнению с прототипом по п.1 формулы полезной модели являются:

Наличие четвертых, пятого и шестых ЭАП обеспечивает более полную схему прозвучивания рельса, в частности:

Четвертые ЭАП с направлением излучения/приема 7 под острыми углами к сопряжению боковой и нижней поверхностей рабочей части головки рельса позволяют, обнаруживать дефекты 12 в головке рельса, перпендикулярные направлению излучения. Четвертые ЭАП могут быть направлены, как по ходу перемещения колеса, так и в противоположную сторону.

В прототипе имеется только третий ЭАП 6, направленный на сопряжение боковой и нижней поверхностей рабочей части головки рельса способный обнаруживать дефекты 13.

Пятый и шестые ЭАП, направлены на сопряжение боковой и нижней поверхностей нерабочей части головки рельса и установлены зеркально третьему и четвертым ЭАП относительно плоскости симметрии рельса соответственно. Таким образом, эти ЭАП способны обнаруживать дефекты, так же, как третий и четвертый, но со стороны нерабочей поверхности головки рельса.

В прототипе нерабочая поверхность головки рельса не исследуется.

Все ЭАП преобразователи установлены в обтекаемом корпусе, что позволяет при вращении колес избежать образования воздушных пузырей и улучшить качество обнаружения дефектов.

В прототипе используется угловатая конструкция держателя ЭАП.

По п.2. формулы полезной модели устройство для ультразвуковой дефектоскопии рельсов содержит два идентичных колеса, установленных на рельсе на расстоянии друг от друга, что позволяет использовать схемы прозвучивания недоступные в прототипе, и за счет этого повысить качество обнаружения дефектов.

В прототипе используется одно колесо.

Выбор направлений, по крайней мере, одного из вторых, одного из четвертых и одного из шестых ЭАП так, чтобы зондирующий сигнал, излученный ЭАП одного колеса, после отражения от соответствующей внутренней поверхности рельса поступал в соответствующий ЭАП другого колеса позволяет достаточно подробно исследовать обе стороны головки и шейку рельса различными схемами прозвучивания.

В прототипе используется только зеркальная схема.

Заявляемое устройство для ультразвуковой дефектоскопии рельсов иллюстрируют следующие графические материалы:

Фиг.1 - схема прозвучивания рельса по п.1 формулы полезной модели, где:

1. Вращающееся колесо, наполненное жидкостью.

2. Эластичная мембрана.

3. Блок ЭАП в обтекаемом корпусе.

4. Направление первого ЭАП.

5. Направления вторых ЭАП.

6. Направление третьего ЭАП.

7. Направления четвертых ЭАП.

8. Направление пятого ЭАП.

9. Направления шестых ЭАП.

10. Рабочая поверхность головки рельса.

11. Нерабочая поверхность головки рельса.

12. Дефекты.

13. Дефект.

Фиг.2 - схема прозвучивания рельса по п.2 формулы полезной модели.

Вращающееся колесо, наполненное жидкостью предназначено для обеспечения надежного акустического контакта ЭАП, находящихся внутри колеса, с жидкостью и через эластичную мембрану 2 с поверхностью катания рельса. Скорость распространения УЗ сигналов в жидкости в несколько раз ниже, чем в металле рельса.

Блок ЭАП в обтекаемом корпусе 3 предназначен для излучения/приема УЗ зондирующих сигналов. ЭАП являются двунаправленными приборами, способными как излучать, так и принимать УЗ зондирующие сигналы.

Формирование зондирующих и обработка принятых УЗ сигналов производится в электронном блоке, который не показан с целью упрощения. Излучение УЗ сигналов ЭАП близких направлений, как правило, производится последовательно, чтобы избежать взаимовлияния. Зондирование ЭАП, направленными по ходу перемещения колеса и в противоположном направлении может производиться одновременно.

Рассмотрим работу заявляемого устройства по п.1 формулы полезной модели.

Внутри колеса 1, фиг.1, заполненного звукопровдящей жидкостью и имеющего на поверхности катания эластичную мембрану 2 установлен блок обтекаемой формы 3, в котором вмонтированы ЭАП (на фиг.1, 2 не показаны с целью упрощения). Направления излучения/приема ЭАП выбраны следующим образом: первое 4 - вертикально к подошве рельса, вторые 5 - под острыми углами к подошве рельса, причем первое и вторые направления лежат в плоскости симметрии рельса. Вторых направлений 5 может быть несколько, отличающихся, как по углу ввода, так и по направлению перемещения колеса - вперед и назад (на фиг.1 они показаны пунктиром). Третье 6 и четвертые 7 направления ЭАП ориентированы на сопряжение боковой и нижней поверхностей рабочей части головки рельса под прямым и острыми углами соответственно. Сказанное относится и к пятому и шестым направлениям, но ориентированным на нерабочую часть головки рельса. Четвертых и шестых также как и вторых направлений может быть несколько. Колесо устанавливается на поверхность катания рельса, образуя пятно контакта, через которое все ЭАП будут прозвучивать рельс. Последовательность подачи УЗ зондирующих сигналов на ЭАП преобразователи выбирается так, чтобы исключить их взаимовлияние. Сразу после излучения ЭАП переключаются на прием, в результате чего появляется возможность обнаружить дефекты 12, 13, расположенные (в идеале) ортогонально направлению излучения каждого ЭАП. В случае появления сигнала, отраженного от дефекта, определяется временной интервал между излучением и приемом, по которому рассчитывается местоположение дефекта. При перемещении колеса происходит прозвучивание всех описанных областей по длине рельса и обнаружение возможных дефектов. Таким образом, в устройстве, по п.1 формулы полезной модели используется зеркальный метод обнаружения дефектов.

В устройстве по п.2 формулы полезной модели, фиг.2, на рельс устанавливается второе колесо, аналогичное первому. При этом, каждое из колес может обнаруживать дефекты, так же, как и в п.1. Помимо этого появляется возможность использовать теневой метод, т.е. сигналы, излученные ЭАП первого колеса, должны быть приняты соответствующими ЭАП второго колеса. В случае их отсутствия принимается решение о наличии препятствия (дефекта) на пути распространения УЗ сигналов. Этот способ не позволяет точно определить местоположение дефекта, но зато применим к дефектам любой ориентации. Определенную сложность вызывает выбор вторых 5, четвертых 7 и шестых 9 направлений прозвучивания так, чтобы с одной стороны в рельсе формировались поперечные УЗ волны, а с другой - сигналы ЭАП преобразователей одного колеса попадали в соответствующие ЭАП другого.

Таким образом, заявляемая полезная модель обеспечивает более достоверное обнаружение дефектов по сравнению с прототипом.

Источники информации:

1. Марков А.А., Шпагин Д.А. УЛЬТРАЗВУКОВАЯ ДЕФЕКТОСКОПИЯ РЕЛЬСОВ., С.Пб.: «Образование - Культура», 2008.-283 с.

2. Патент RU22330

3. Патент RU2060493

4. Патент RU2184374

5. Патент RU2184960

6. Патент RU2308027

7. Патент US3257843

8. Патент US3628375

9. Патент US4165648

10. Патент US5419196

11. Патент US6604421

12. Патент US5419196

1. Устройство для ультразвуковой дефектоскопии рельсов, выполненное в виде вращающегося колеса, наполненного жидкостью и имеющего эластичную мембрану на поверхности катания по рельсу, внутри колеса на оси его вращения закреплены электроакустические преобразователи, направленные в рельс через пятно контакта эластичной мембраны с поверхностью катания рельса, направления первого и вторых электроакустических преобразователей лежат в плоскости симметрии рельса под прямым и острыми углами к подошве рельса соответственно, третий электроакустический преобразователь направлен на сопряжение боковой и нижней поверхностей рабочей части головки рельса под прямым углом, отличающееся тем, что содержит четвертые, пятый и шестые электроакустические преобразователи, четвертые электроакустические преобразователи направлены под острыми углами на сопряжение боковой и нижней поверхностей рабочей части головки рельса, пятый и шестые электроакустические преобразователи направлены на сопряжение боковой и нижней поверхностей нерабочей части головки рельса и установлены зеркально третьему и четвертым электроакустическим преобразователям относительно плоскости симметрии рельса соответственно, все электроакустические преобразователи установлены в обтекаемом корпусе.

2. Устройство для ультразвуковой дефектоскопии рельсов по п.1, отличающееся тем, что содержит два идентичных колеса, установленных на рельсе на расстоянии друг от друга, направления, по крайней мере, одного из вторых, одного из четвертых и одного из шестых электроакустических преобразователей выбраны так, чтобы зондирующий сигнал, излученный электроакустическим преобразователем одного колеса, после отражения от соответствующей внутренней поверхности рельса поступал в соответствующий электроакустический преобразователь другого колеса.