ИСКАТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО СКОРОСТНОГО МОБИЛЬНОГО ДЕФЕКТОСКОПА

Полезная модель относится к области измерительной техники и может использоваться в скоростных мобильных дефектоскопах для совмещенного ультразвукового и магнитного контроля рельсов.
Для поддержания рельсового пути в рабочем состоянии необходим сплошной контроль рельсов. Наиболее эффективно эта задача решается посредством мобильных дефектоскопов, содержащих искательные устройства с блоками ультразвуковых преобразователей и/или магнитными узлами контроля, размещенными на несущем основании искательных устройств. Искательные устройства включают также средства для удержания блоков ультразвуковых преобразователей в заданном положении на поверхности катания головки рельсов. Эксплуатационная эффективность искательных устройств, определяемая в том числе достоверностью (объективностью) и качеством (точностью) контроля при выявлении дефектов рельсов различных типов вне зависимости от состояния рельсового пути, во многом зависит от конструктивных особенностей как самих элементов ультразвукового и магнитного контроля, так и элементов их установки.
Известно, например, искательное устройство вагона-дефектоскопа индукционного типа, содержащее катушку, реагирующую на изменение продольной составляющей магнитного поля над рельсом, при этом искательное устройство выполнено в виде индукторной тележки, размещенной под вагоном-дефектоскопом (Гурвич А.К. и др. Неразрушающий контроль рельсов при их эксплуатации и ремонте. М., «Транспорт», 1983, с. 164-166). Это устройство обеспечивает магнитодинамический контроль дефектов рельсов поверхностного и приповерхностного типа в виде продольных и поперечных трещин в головке рельса, в том числе при высоких скоростях вагона-дефектоскопа. Однако дефекты, удаленные от поверхности головки рельса, этим устройством не выявляются.
Широкий набор типов выявляемых дефектов в рельсе обеспечивают искательные устройства ультразвукового контроля.
Известно, например, искательное устройство, входящее в состав мобильного дефектоскопа для ультразвукового контроля рельсов, содержащее жестко соединенные штангу и основание, в прорезях которого размещены последовательно три акустических блока с ультразвуковыми преобразователями, и пружинный механизм их прижатия к поверхности катания головки рельса, при этом два акустических блока содержат по два ультразвуковых преобразователя и расположены вдоль продольной осевой линии основания, а третий акустический блок содержит один ультразвуковой преобразователь и расположен со смещением относительно продольной осевой линии основания, устройство содержит также систему подачи на рельс контактирующей жидкости (RU 105248 U1, 2011). Это устройство позволяет эффективно выявлять дефекты в различных областях подошвы рельса при падении на дефекты ультразвуковых волн в плоскости, параллельной или близкой к параллельности продольной плоскости симметрии рельса и перпендикулярной плоскости развития дефекта. При этом выявление дефектов в других областях рельса недостаточно надежно. Конструкция искательного устройства не позволяет достичь высокой степени его центрирования на рельсе, что не позволяет обеспечить достаточную достоверность и качество дефектоскопии.
Повысить количество типов выявляемых дефектов в рельсе позволяют устройства совмещенного магнитного и ультразвукового контроля.
Известно, например, искательное устройство дефектоскопа совмещенного бесконтактного магнитного и ультразвукового контроля рельсов, содержащее искательную балку с закрепленными на ней тремя рамками ультразвуковых искателей, каждая из которых содержит основание, закрепленное на искательной балке посредством шарнирных рычагов, и связанный с ним механизм подпружинивания, выполненный с использованием пружин растяжения, при этом на концах крайних рамок ультразвуковых искателей закреплены магнитные искатели, устройство содержит также механизм фиксации искательной системы, включающий два пневмоцилиндра, связанных с искательной балкой (RU 2225308 С2, 2004). Это устройство сложно по конструкции и недостаточно надежно в эксплуатации. Его конструкция не обеспечивает высокой прочности подвески ультразвуковых искателей. Использование пружин растяжения не обеспечивает высокую надежность работы механизмов подпружинивания при прохождении дефектоскопом с таким искательным устройством значительных неровностей рельсового пути, например, стрелочных переводов.
Из известных устройств наиболее близким к предложенному является искательное устройство скоростного мобильного дефектоскопа, содержащее несущий узел, выполненный в виде жестко соединенных посредством кронштейнов верхней балки и снабженного прорезями основания, и размещенный в нижней части несущего узла искательный узел, включающий блоки ультразвуковых преобразователей, установленные посредством разъемных элементов крепления последовательно вдоль продольной осевой линии основания в его прорезях с обеспечением возможности контактирования их рабочей поверхности с поверхностью катания головки рельса, и пружины сжатия, установленные между каждым из блоков ультразвуковых преобразователей и верхней балкой посредством закрепленных на них фиксирующих элементов (RU 189379 U9, 2019). Устройство может включать до пяти блоков ультразвуковых преобразователей. Количество используемых в механизмах подпружинивания пружин сжатия в этом устройстве в два раза превышает количество блоков ультразвуковых преобразователей, поскольку для подпружинивания одного блока ультразвуковых преобразователей используется две пружины сжатия. При этом закрепление фиксирующих элементов на поверхности блоков ультразвуковых преобразователей выполнено вблизи их торцов. Каждый из разъемных элементов крепления блоков ультразвуковых преобразователей выполнен в виде одного штырька на соответствующем торце блока ультразвуковых преобразователей и установленного на основании уголка с пазом под этот штырек.
Это устройство достаточно надежно. Однако оно имеет недостаточно высокую эксплуатационную эффективность. Выявление ряда дефектов, например, поверхностного типа, этим устройством затруднено вследствие особенностей ультразвуковой дефектоскопии. Отсутствие ограничений в размерах блоков ультразвуковых преобразователей не позволяет увеличить их количество более пяти, что в свою очередь не позволяет реализовать более насыщенную схему прозвучивания рельса и следовательно повысить достоверность контроля. Значительная площадь контакта блоков ультразвуковых преобразователей с рельсом также снижает достоверность ультразвукового контроля из-за влияния состояния рельсового пути (ступеньки в стыках, просадки, смятие торцов рельсов) на работу ультразвуковых преобразователей. Разъемные элементы крепления в этом устройстве не позволяют обеспечить высокую стабильность положения блоков ультразвуковых преобразователей, что снижает качество ультразвукового контроля из-за наличия не проконтролированных участков, возникающих вследствие неблагоприятного воздействия элементов рельсового пути (стрелочные переводы, крестовины и др.). Воздействие пружин сжатия на блоки ультразвуковых преобразователей по их краям не позволяет достичь высокого качества ультразвукового контроля из-за возможной неравномерности нагрузки на ультразвуковые преобразователи при эксплуатации устройства. Наличие значительного количества пружин затрудняет замену блоков ультразвуковых преобразователей.
Технической проблемой, решаемой полезной моделью, является создание искательного устройства мобильного ультразвукового дефектоскопа, лишенного недостатков прототипа. Технический результат, обеспечиваемый полезной моделью, заключается в повышении эксплуатационной эффективности искательного устройства скоростного мобильного дефектоскопа, в том числе за счет расширения типов выявляемых дефектов и повышения достоверности и качества контроля.
Это достигается тем, что в искательном устройстве скоростного мобильного дефектоскопа, содержащем несущий узел, выполненный в виде жестко соединенных посредством кронштейнов верхней балки и снабженного прорезями основания, и размещенный в нижней части несущего узла искательный узел, включающий блоки ультразвуковых преобразователей, установленные посредством разъемных элементов крепления последовательно вдоль продольной осевой линии основания в его прорезях с обеспечением возможности контактирования их рабочей поверхности с поверхностью катания головки рельса, и пружины сжатия, установленные между каждым из блоков ультразвуковых преобразователей и верхней балкой посредством закрепленных на них фиксирующих элементов, количество пружин сжатия выбрано равным количеству блоков ультразвуковых преобразователей, закрепление фиксирующих элементов на блоках ультразвуковых преобразователей выполнено в их центре так, что каждая из пружин сжатия расположена вдоль поперечной центральной оси соответствующего блока ультразвуковых преобразователей, относительная длина каждого из блоков ультразвуковых преобразователей выбрана равной величине от 0,030 до 0,032 длины основания, каждый из разъемных элементов крепления блоков ультразвуковых преобразователей выполнен в виде пары направляющих осей, которыми снабжены блоки ультразвуковых преобразователей на своих торцах, и установленной на основании у каждого из торцов блоков ультразвуковых преобразователей направляющей пластины с двумя пазами под направляющие оси, а искательный узел включает два размещенных на основании магнитных узла контроля, один из которых расположен у одного из его концов, а другой - у его другого конца с обеспечением возможности намагничивания рельса. Каждый из блоков ультразвуковых преобразователей может содержать один пьезоэлектрический преобразователь. Каждый из фиксирующих элементов, закрепленных на верхней балке, может быть выполнен в виде снабженной верхним улавливающим конусом направляющей, а каждый из фиксирующих элементов, закрепленных на соответствующем блоке ультразвуковых преобразователей - в виде нижнего улавливающего конуса. Каждый из магнитных узлов контроля может быть выполнен в виде магнитоиндукционной катушки.
Указанный технический результат обеспечивается в рамках реализации назначения всей совокупностью существенных признаков, представленной в формуле полезной модели, каждый признак которой необходим, а вместе они достаточны для решения указанной технической проблемы. Составные части (конструктивные элементы) искательного устройства скоростного мобильного дефектоскопа соединяются посредством сборочных операций с образованием единой конструкции на предприятии-изготовителе, что обеспечивает конструктивное единство и реализацию устройством его функционального назначения. Поэтому заявленное устройство представляет собой одно устройство, составные части которого, характеризуемые соответствующими существенными признаками, находятся в функционально-конструктивном единстве.
На чертеже показан общий вид части искательного устройства скоростного мобильного дефектоскопа.
Искательное устройство скоростного мобильного дефектоскопа содержит несущий узел и размещенный в его нижней части искательный узел. Несущий узел выполнен в виде жестко соединенных посредством кронштейнов 1 верхней балки 2 и основания 3, выполненного преимущественно в форме лыжи. Искательный узел включает установленные в выполненных в основании 3 прорезях (на чертеже не показаны) блоки 4 ультразвуковых преобразователей в количестве преимущественно семи. Ультразвуковые преобразователи выполнены преимущественно пьезоэлектрическими. Каждый блок 4 ультразвуковых преобразователей содержит, например, один пьезоэлектрический преобразователь. Блоки 4 ультразвуковых преобразователей установлены последовательно вдоль продольной осевой линии основания 3 с обеспечением возможности контактирования их рабочей поверхности с поверхностью катания головки рельса. Относительная длина каждого из блоков 4 ультразвуковых преобразователей выбрана равной величине от 0,030 до 0,032 длины основания 3. При длине основания (длине лыжи) равном 960 мм, длина каждого из блоков 4 ультразвуковых преобразователей (длина контактной площадки) может составлять 30 мм. Установка блоков 4 ультразвуковых преобразователей выполнена посредством разъемных элементов. Каждый из них выполнен в виде пары направляющих осей 5, которыми снабжены блоки 4 ультразвуковых преобразователей на своих торцах, и установленной на основании 3 у каждого из торцов блоков 4 ультразвуковых преобразователей направляющей пластины 6 с двумя пазами под направляющие оси. Искательный узел содержит пружины 7 сжатия, установленные между каждым из блоков 4 ультразвуковых преобразователей и верхней балкой 2 посредством закрепленных на них фиксирующих элементов. Количество пружин 7 сжатия выбрано равным количеству блоков 4 ультразвуковых преобразователей, а закрепление фиксирующих элементов на блоках 4 ультразвуковых преобразователей выполнено в их центре так, что каждая из пружин 7 сжатия расположена вдоль поперечной центральной оси соответствующего блока 4 ультразвуковых преобразователей. Каждый из фиксирующих элементов, закрепленных на верхней балке, выполнен, например, в виде снабженной верхним улавливающим конусом направляющей, а каждый из фиксирующих элементов, закрепленных на соответствующем блоке 4 ультразвуковых преобразователей, выполнен в виде нижнего улавливающего конуса (на чертеже не показаны). Искательный узел преимущественно снабжен узлом подачи на поверхность катания головки рельса контактирующей жидкости, при этом у каждого из торцов блоков 4 ультразвуковых преобразователей размещен элемент 8 подачи контактирующей жидкости. Искательный узел включает также два размещенных на основании 3 магнитных узлах контроля, один из которых расположен у одного из концов основания 3, а другой - у его другого конца с обеспечением возможности намагничивания рельса. Каждый из магнитных узлов контроля выполнен, например, в виде магнитоиндукционной катушки 9, которая преимущественно представляет собой диэлектрическую подложку с намотанными на нее витками проволоки, размещенную в герметичном корпусе. Магнитоиндукционные катушки 9 подключены к источнику постоянного тока (на чертеже не показан). Блоки 4 ультразвуковых преобразователей и магнитные узлы контроля выполнены с обеспечением возможности их подключения к электронному модулю дефектоскопа (на чертеже не показан).
Искательное устройство скоростного мобильного дефектоскопа используется преимущественно в составе скоростного вагона-дефектоскопа. Перед началом работы устанавливают необходимый зазор между основанием 3 искательного устройства и головкой рельса. Блоки 4 ультразвуковых преобразователей в рабочем состоянии располагаются на поверхности катания головки рельса, прижимаются к ней с помощью пружин 7 сжатия и передвигаются вдоль рельса при движении вагона. При этом на поверхность катания головки рельса может подаваться контактирующая жидкость. На ультразвуковые преобразователи искательного устройства подается импульсное напряжение, вырабатываемое соответствующими блоками электронного модуля дефектоскопа, в результате чего в рельс излучаются в импульсном режиме лучи ультразвуковых волн, а переотраженные от дефектов рельса лучи ультразвуковых волн принимаются ультразвуковыми преобразователями, которые вырабатывают электрические сигналы, передающиеся в соответствующие блоки электронного модуля дефектоскопа для обработки и визуализации. Одновременно с работой блоков 4 ультразвуковых преобразователей работают магнитные узлы контроля, магнитное поле которых при передвижении устройства вызывает намагничивание рельса. При намагничивании рельса в нем возникают вихревые токи, позволяющие выявить поверхностные и приповерхностные дефекты рельса за счет возникновения местного изменения магнитного поля. Электрические сигналы, вызываемые магнитодинамическим полем дефектов, также передаются в соответствующие блоки электронного модуля дефектоскопа для обработки и визуализации. Выполнение несущего узла в виде жестко соединенных верхней балки 2 и основания 3 обеспечивает высокую точность центрирования искательного устройства на рельсе. Это также обеспечивает высокую прочность искательного устройства. Использование пружин сжатия 7 обеспечивает надежное и с постоянным усилием прижатие блоков 4 ультразвуковых преобразователей к рельсу. Закрепление фиксирующих элементов с пружинами 7 сжатия по центру блоков 4 ультразвуковых преобразователей повышает качество контроля, поскольку усилие от пружин 7 сжатия приложено непосредственно по центру блоков 4 ультразвуковых преобразователей, что снижает влияние на работу ультразвуковых преобразователей изменений нагрузки при различных условиях эксплуатации. При этом использование одной пружины 7 сжатия для подпружинивания каждого из блоков 4 ультразвуковых преобразователей упрощает конструкцию устройства и упрощает его обслуживание при эксплуатации, облегчая и ускоряя замену блоков 4 ультразвуковых преобразователей. Выбор длины каждого из блоков 4 ультразвуковых преобразователей в зависимости от длины основания 3 так, что эти величины находятся в соотношении от 0,030 до 0,032, позволяет увеличить количество размещаемых на основании 3 блоков 4 ультразвуковых преобразователей, что обеспечивает более насыщенную схему прозвучивания рельса и поэтому позволяет увеличить количество типов выявляемых дефектов рельсов и повысить достоверность ультразвукового контроля. Оптимальные значения указанного соотношения определены эмпирически. При значении менее 0,030 становится затруднительным конструктивно обеспечить выполнение ультразвуковых преобразователей с минимальной длиной. Выбор значения выше 0,032 привел бы к снижению достигаемого эффекта. Кроме того, фактическое уменьшение длины блоков 4 ультразвуковых преобразователей при выполнении указанного условия обеспечивает меньшую площадь контакта рабочей поверхности ультразвуковых преобразователей с рельсом, что повышает качество ультразвукового контроля вследствие снижения влияния на процесс контроля состояния рельсового пути. Выполнение разъемных элементов крепления блоков 4 ультразвуковых преобразователей с использованием пар направляющих осей 6 и соответствующих им направляющих пластин 7 с пазами повышает устойчивость блоков 4 ультразвуковых преобразователей к неблагоприятным воздействиям элементов рельсового пути, что уменьшает количество непроконтролированных участков рельсов. Такая конструкция разъемных элементов крепления также повышает качество ультразвукового контроля. Наличие магнитных узлов контроля позволяет эффективно выявлять поверхностные и приповерхностные дефекты рельсов, контроль которых ультразвуковым методом может быть затруднен, что повышает количество типов выявляемых дефектов. При этом обеспечивается высокая степень качества и достоверности контроля, поскольку на работу магнитных узлов контроля не оказывает влияния состояние окружающей среды и рельсового пути. Хотя для реализации магнитного контроля может быть достаточно одного магнитного узла контроля, использование двух таких узлов, размещенных указанным выше образом, позволяет повысить надежность контроля и обеспечивает унификацию искательного устройства с точки зрения удобства его использования на обеих сторонах мобильного дефектоскопа. Таким образом, искательное устройство скоростного мобильного дефектоскопа обладает высокой эксплуатационной эффективностью, оно позволяет обнаруживать с использованием ультразвукового и магнитного контроля все основные типы поверхностных и скрытых дефектов в рельсах с обеспечением высокой достоверности и высокого качества контроля.
Опытный образец искательного устройства реализован и испытан в составе скоростного вагона-дефектоскопа «СПРИНТЕР» (АО «Фирма ТВЕМА», г. Москва) на скоростях до 120 км/час. При этом результаты испытаний подтверждают указанный технический результат. Подтверждено, что это искательное устройство обеспечивает выявление всех основных типов дефектов рельсов, предусмотренных нормативными документами, принятыми в Российской Федерации (Инструкция «Дефекты рельсов. Классификация, каталог и параметры дефектных и остродефектных рельсов», утвержденная распоряжением ОАО «РЖД» 23 октября 2014 г., № 2499р).
Искательное устройство скоростного мобильного дефектоскопа, выполненное в соответствии с полезной моделью, обладает более высокой эксплуатационной эффективностью по сравнению с аналогичными известными. Оно надежно и просто в эксплуатации, обеспечивает контроль дефектов различной природы в рельсах при передвижении мобильного дефектоскопа на высоких скоростях и при различных условиях эксплуатации с достижением высоких достоверности и качества контроля.