СПОСОБ СПЛОШНОГО УЛЬТРАЗВУКОВОГО КОНТРОЛЯ ПОДОШВЫ РЕЛЬСОВ
METHOD FOR COMPLETE ULTRASONIC INSPECTION OF RAIL BASES

Изобретение относится к области ультразвукового контроля дефектов в твердых телах и может использоваться для обнаружения дефектов в подошвах рельсов преимущественно железнодорожного транспорта и метрополитена.
Известен способ ультразвукового контроля подошвы рельсов, включающий излучение в рельс с поверхности галтельного перехода шейки одной из половин рельса в его подошву посредством ультразвукового преобразователя луча поперечных ультразвуковых волн с диаграммой направленности, обеспечивающей падение луча поперечных ультразвуковых волн в угол подошвы другой половины рельса, прием отраженного от возможного дефекта луча поперечных ультразвуковых волн тем же ультразвуковым преобразователем и измерение параметров этого луча, по которым определяют качество рельса (SU1732260 А1, 1992).
Такой способ, однако, не обеспечивает высокую достоверность контроля и обладает повышенной трудоемкостью. Это связано с трудностью доступа к месту ввода поперечных ультразвуковых волн из-за наличия в этой области элементов рельсовых креплений. В этой области скапливаются значительные загрязнения, что приводит к необходимости дополнительной очистки поверхности рельса для обеспечения надежного акустического контакта ультразвукового преобразователя с поверхностью рельса. Кроме того, контроль дефектов таким способом можно осуществлять практически только в кромочных участках подошвы рельса. При этом чем ближе дефекты расположены к продольной плоскости симметрии рельса, тем меньше достоверность их определения, что ограничивает применение этого способа в целях сплошного контроля.
Известны и другие способы контроля дефектов в рельсах, основанные на излучение в рельс с различных участков его поверхности луча поперечных ультразвуковых волн с последующим приемом отраженного луча тем же или другим, приемным ультразвуковым преобразователем (например, SU252700 А1, 1969; RU2085936 C1, 1997; US4593569 A, 1986; GB1506214 A, 1978; JP2005180991 A, 2005; WO 82/03920 А1, 1982). Однако все они не дают возможности в полной мере достоверно определять наличие дефектов любых типов в подошве рельса при сплошном контроле.
Из известных способов наиболее близким к предложенному является способ сплошного ультразвукового контроля подошвы рельсов, включающий излучение в рельс с его поверхности катания посредством основного ультразвукового преобразователя луча поперечных ультразвуковых волн с диаграммой направленности, обеспечивающей начальное падение луча поперечных ультразвуковых волн на нижнюю грань подошвы одной из половин рельса и последовательное его отражение этой гранью, галтельным переходом шейки этой половины рельса в его подошву и конечное падение луча поперечных ультразвуковых волн на возможный дефект вблизи кромки пера другой половины рельса, прием отраженного от возможного дефекта луча поперечных ультразвуковых волн основным ультразвуковым преобразователем и измерение параметров поперечных ультразвуковых волн для определения наличия дефектов, перемещение основного ультразвукового преобразователя вдоль поверхности катания рельса с последующим повторением операций излучения, приема переотраженного луча поперечных ультразвуковых волн и измерения их параметров (RU2353924 С1, 2009).
Этим способом достаточно эффективно обнаруживаются дефекты в перьях подошвы, развивающиеся непосредственно от боковой поверхности перьев подошвы. При этом обеспечивается высокая точность измерений в связи с вводом луча поперечных ультразвуковых волн с поверхности головки рельса, поскольку здесь возможно достичь наилучшего акустического контакта с ультразвуковым преобразователем. Однако достоверность контроля значительно снижается, если дефекты, обычно коррозионно-усталостного характера, развиваются с нижней поверхности подошвы, особенно в зонах между зоной, близкой к боковой поверхности (кромки) пера и зоной вблизи продольной плоскости симметрии рельса. Отношение сигнал/шум при этом для дефектов с глубиной развития до 5 мм не превышает 6-11 дБ, а условная протяженность дефектов, измеренная в процессе сканирования, не превышает 15-20 мм. И чем дальше от кромки пера находится дефект, тем меньше достоверность его определения этим способом.
Задача, решаемая изобретением, заключается в создании способа сплошного ультразвукового контроля подошвы рельсов, лишенного недостатков прототипа. Технический результат, обеспечиваемый изобретением, состоит в повышении достоверности ультразвукового контроля подошвы рельсов за счет возможности обнаружения дефектов с повышенной условной протяженностью в любых областях подошвы, в том числе трещин коррозионно-усталостного характера, развивающихся от нижней поверхности подошвы, и повышения чувствительности контроля.
Это достигается тем, что в способе сплошного ультразвукового контроля подошвы рельсов, включающем излучение в рельс с его поверхности катания посредством основного ультразвукового преобразователя луча поперечных ультразвуковых волн с диаграммой направленности, обеспечивающей начальное падение луча поперечных ультразвуковых волн на нижнюю грань подошвы одной из половин рельса и последовательное его отражение этой гранью, галтельным переходом шейки этой половины рельса в его подошву и конечное падение луча поперечных ультразвуковых волн на возможный дефект вблизи кромки пера другой половины рельса, прием отраженного от возможного дефекта луча поперечных ультразвуковых волн основным ультразвуковым преобразователем и измерение параметров поперечных ультразвуковых волн для определения наличия дефектов, перемещение основного ультразвукового преобразователя вдоль поверхности катания рельса с последующим повторением операций излучения, приема переотраженного луча поперечных ультразвуковых волн и измерения их параметров, определение наличия дефектов вблизи кромки пера подошвы первой половины рельса ведут в области, расположенной на расстоянии (0,91-1,00) L от его продольной плоскости симметрии, где L - половина ширины подошвы рельса, дополнительно одновременно излучают в рельс с его поверхности катания посредством первого дополнительного ультразвукового преобразователя луч поперечных ультразвуковых волн с диаграммой направленности, обеспечивающей начальное падение луча поперечных ультразвуковых волн на стенку шейки первой половины рельса и последовательное его отражение этой стенкой, нижней гранью подошвы второй половины рельса, галтельным переходом шейки второй половины рельса в его подошву и двукратно нижней гранью подошвы и верхней гранью пера подошвы первой половины рельса и конечное падение луча поперечных ультразвуковых волн на возможный дефект параллельно продольной плоскости симметрии рельса, дополнительно одновременно излучают в рельс с его поверхности катания посредством второго дополнительного ультразвукового преобразователя луч поперечных ультразвуковых волн с диаграммой направленности, обеспечивающей начальное падение луча поперечных ультразвуковых волн на стенку шейки первой половины рельса и последовательное его отражение троекратно этой стенкой и стенкой шейки второй половины рельса и двукратно нижней гранью подошвы первой половины рельса и верхней гранью пера подошвы первой половины рельса и конечное падение луча поперечных ультразвуковых волн на возможный дефект параллельно продольной плоскости симметрии рельса, дополнительно одновременно излучают в рельс с его поверхности катания посредством третьего дополнительного ультразвукового преобразователя луч поперечных ультразвуковых волн с диаграммой направленности, обеспечивающей начальное падение луча поперечных ультразвуковых волн на стенку шейки первой половины рельса и последовательное его отражение троекратно этой стенкой и стенкой шейки второй половины рельса, нижней гранью подошвы первой половины рельса, галтельным переходом шейки первой половины рельса в его подошву, нижней гранью подошвы первой половины рельса и верхней гранью пера подошвы первой половины рельса и конечное падение луча поперечных ультразвуковых волн на возможный дефект параллельно продольной плоскости симметрии рельса, и дополнительно одновременно излучают в рельс с его поверхности катания посредством четвертого дополнительного ультразвукового преобразователя луч поперечных ультразвуковых волн с диаграммой направленности, обеспечивающей падение луча поперечных ультразвуковых волн непосредственно на возможный дефект под углом в пределах 0-8 угловых градусов относительно продольной плоскости симметрии рельса в первой половине рельса, при этом принимают излученные первым, вторым, третьим и четвертым дополнительными преобразователями отраженные от возможных дефектов лучи поперечных ультразвуковых колебаний первым, вторым, третьим и четвертым дополнительными преобразователями соответственно и определяют наличие дефектов в областях подошвы первой половины рельса, расположенных на расстоянии (0,71-0,93) L, (0,51-0,73) L, (0,24-0,53) L и (0-0,27) L соответственно, а обнаружение дефектов в подошве второй половины рельса осуществляют с той же последовательностью операций с выбором соответствующих условий падения и отражения луча поперечных ультразвуковых волн. Преимущественно для основного ультразвукового преобразователя могут устанавливать угол ввода луча поперечных ультразвуковых волн в пределах 55-65 угловых градусов, его угол разворота относительно продольной плоскости симметрии рельса - в пределах 0-3 угловых градусов в сторону первой половины рельса, а его положение относительно продольной плоскости симметрии рельса - в пределах (0±0,053) W, где W - ширина головки рельса, для первого дополнительного ультразвукового преобразователя могут устанавливать угол ввода луча поперечных ультразвуковых волн в пределах 45-55 угловых градусов, его угол разворота относительно продольной плоскости симметрии рельса - в пределах 4-10 угловых градусов в сторону первой половины рельса, а его положение относительно продольной плоскости симметрии рельса - в пределах (0±0,053) W, для второго дополнительного ультразвукового преобразователя могут устанавливать угол ввода луча поперечных ультразвуковых волн в пределах 45-55 угловых градусов, его угол разворота относительно продольной плоскости симметрии рельса - в пределах 16-24 угловых градусов в сторону первой половины рельса, а его положение относительно продольной плоскости симметрии рельса - в пределах (0,13±0,04)W со смещением в сторону второй половины рельса, для третьего дополнительного ультразвукового преобразователя могут устанавливать угол ввода луча поперечных ультразвуковых волн в пределах 38-55 угловых градусов, его угол разворота относительно продольной плоскости симметрии рельса - в пределах 8-18 угловых градусов в сторону первой половины рельса, а его положение относительно продольной плоскости симметрии рельса - в пределах (0±0,053) W, для четвертого дополнительного ультразвукового преобразователя могут устанавливать угол ввода луча поперечных ультразвуковых волн в пределах 45-55 угловых градусов, его угол разворота относительно продольной плоскости симметрии рельса - в пределах 0-8 угловых градусов в сторону первой половины рельса, а его положение относительно продольной плоскости симметрии рельса - в пределах (0±0,053) W.
Указанный технический результат обеспечивается всей совокупностью существенных признаков.
В связи с тем, что наиболее часто встречающиеся и наиболее опасные эксплуатационные дефекты в рельсах имеют коррозионно-усталостный характер, развиваются в виде трещин от нижней поверхности подошвы и ориентированы в плоскости, перпендикулярной оси рельса, то наиболее эффективно они обнаруживаются посредством поперечных ультразвуковых волн, падающих на них в плоскости, параллельной или близкой к параллельности продольной плоскости симметрии рельса и перпендикулярной плоскости развития дефекта. Точность определения дефектов в конкретной области подошвы повышается, если в каждой такой области оптимизированы условия излучения-приема луча поперечных ультразвуковых волн. Для соблюдения этих требований подошва одной из половин рельса условно разбивается на пять областей, первая из которых расположена на расстоянии (0,91-1,00) L от продольной плоскости симметрии рельса, где L - половина ширины подошвы рельса, вторая - (0,71-0,93) L, третья - (0,51-0,73) L, четвертая - (0,24-0,53) L, пятая - (0-0,27) L. Размеры областей выбраны оптимальными с точки зрения получения наибольшего эффекта, соответствующего указанному техническому результату, и подтверждены экспериментально. При этом перекрытие этих областей на величину (0,02-0,03) L связано с необходимостью соблюдения технологических допусков. Для определения дефектов в каждой из областей применяется своя схема излучения-приема поперечных ультразвуковых волн. Эти схемы, которые иллюстрируются фиг.1-фиг.5, обеспечиваются соответствующими диаграммами направленности ультразвуковых преобразователей.
Способ ультразвукового контроля осуществляют следующим образом. В контролируемый рельс 1 с пяти точек его поверхности 2 катания одновременно изучают в рельс 1 посредством соответствующего ультразвукового преобразователя, например, ультразвукового преобразователя 3, показанного на фиг.1, лучи 4 поперечных ультразвуковых волн (на фиг.1-фиг.5 пунктиром показана их акустическая ось). Для ультразвукового контроля в первой из указанных областей задают диаграмму направленности ультразвукового преобразователя 3 (основного), обеспечивающую начальное падение луча 4 поперечных ультразвуковых волн на нижнюю грань подошвы 5 одной из половин рельса 1 и последовательное его отражение этой гранью, галтельным переходом 6 шейки 7 этой половины рельса 1 в его подошву 5 и конечное падение луча 4 поперечных ультразвуковых волн на возможный дефект 8 вблизи кромки пера 9 другой половины рельса 1 (фиг.1). Для контроля наличия дефектов 8 во второй из указанных областей задают диаграмму направленности ультразвукового преобразователя 10 (первого дополнительного), обеспечивающую начальное падение луча 4 поперечных ультразвуковых волн на стенку шейки 7 первой половины рельса 1 и последовательное его отражение этой стенкой, нижней гранью подошвы 5 второй половины рельса 1, галтельным переходом 6 шейки 7 второй половины рельса в его подошву 5 и двукратно нижней гранью подошвы 5 и верхней гранью пера 9 подошвы 5 первой половины рельса 1 и конечное падение луча 4 поперечных ультразвуковых волн на возможный дефект 8 параллельно продольной плоскости симметрии рельса 1 (фиг.2). Для контроля наличия дефектов 8 в третьей из указанных областей задают диаграмму направленности ультразвукового преобразователя 11 (второго дополнительного), обеспечивающую начальное падение луча 4 поперечных ультразвуковых волн на стенку шейки 7 первой половины рельса 1 и последовательное его отражение троекратно этой стенкой и стенкой шейки 7 второй половины рельса 1 и двукратно нижней гранью подошвы 5 первой половины рельса 1 и верхней гранью пера 9 подошвы 5 первой половины рельса 1 и конечное падение луча 4 поперечных ультразвуковых волн на возможный дефект 8 параллельно продольной плоскости симметрии рельса 1 (фиг.3). Для контроля наличия дефектов 8 в четвертой из указанных областей задают диаграмму направленности ультразвукового преобразователя 12 (третьего дополнительного), обеспечивающую начальное падение луча 4 поперечных ультразвуковых волн на стенку шейки 7 первой половины рельса 1 и последовательное его отражение троекратно этой стенкой и стенкой шейки 7 второй половины рельса 1, нижней гранью подошвы 5 первой половины рельса 1, галтельным переходом 6 шейки 7 первой половины рельса 1 в его подошву 5, нижней гранью подошвы 5 первой половины рельса 1 и верхней гранью пера 9 подошвы 5 первой половины рельса 1 и конечное падение луча 4 поперечных ультразвуковых волн на возможный дефект 8 параллельно продольной плоскости симметрии рельса 1 (фиг.4). Для контроля наличия дефектов 8 в пятой из указанных областей задают диаграмму направленности ультразвукового преобразователя 13 (четвертого дополнительного), обеспечивающую падение луча 4 поперечных ультразвуковых волн непосредственно на возможный дефект 8 под углом 0-8 угловых градусов относительно продольной плоскости симметрии рельса 1 в первой его половине (фиг.5). Высокая точность определения дефектов 8 в этой области связана как с выполнением условия падения луча 4 поперечных ультразвуковых волн параллельно или близко к параллельности продольной плоскости симметрии рельса 1, так и практически прямым начальным падением луча 4 поперечных ультразвуковых волн на возможный дефект 8 без каких-либо переотражений. Пределы указанного угла выбраны из условия обеспечения реализации заданной диаграммы направленности для данной области. Обнаружение дефектов 8 в подошве 5 второй половины рельса 1 осуществляют аналогично.
Диаграммы направленности каждого из ультразвуковых преобразователей 3, 10, 11, 12, 13 задают выбором угла ввода луча 4 поперечных ультразвуковых волн, угла разворота относительно продольной плоскости симметрии рельса 1 и линейного положения относительно продольной плоскости симметрии рельса 1. Преимущественные количественные значения этих параметров установлены экспериментально и составляют: 55-65 угловых градусов, 0-3 угловых градуса в сторону первой половины рельса 1 и (0±0,053) W соответственно для основного ультразвукового преобразователя 3; 44-45 угловых градусов, 4-10 угловых градусов в сторону первой половины рельса 1 и (0±0,053) W соответственно для первого дополнительного ультразвукового преобразователя 10; 44-45 угловых градусов, 16-24 угловых градусов в сторону первой половины рельса 1 и (0,13±0,04) W со смещением в сторону второй половины рельса 1 соответственно для второго дополнительного ультразвукового преобразователя 11; 38-55 угловых градусов, 8-18 угловых градусов в сторону первой половины рельса и (0±0,053) W соответственно для третьего дополнительного ультразвукового преобразователя 12; 45-55 угловых градусов, 0-8 угловых градусов в сторону первой половины рельса 1 и (0±0,053) W соответственно для четвертого дополнительного ультразвукового преобразователя 13. Выход за пределы указанных значений приводит к искажению диаграммы направленности от заданной в соответствующей области шейки 5 и снижению достоверности контроля или невозможности определения наличия дефектов 8 в этих областях. Прием отраженного от возможного дефекта 8 луча 4 поперечных ультразвуковых волн осуществляют тем же ультразвуковым преобразователем 3, 10, 11, 12 или 13, из которого происходило его излучение, т.е. все они работают в совмещенном режиме излучения-приема. По результатам измерений параметров принятых сигналов определяют наличие и локализацию дефекта 8 в подошве 5 рельса 1.
Для реализации способа сплошного ультразвукового контроля подошвы 5 рельсов 1 к многоканальному дефектоскопу подключают ультразвуковые преобразователи 3, 10-13 на частоту, например, от 1,0 до 4,0 МГц с диаграммами направленности, выбранными из вышеуказанных условий. Объединенные в искательную систему ультразвуковые преобразователи 3, 10-13 устанавливают на поверхность 2 катания рельса 1. При этом искательная система включает два двухместных блока с ультразвуковыми преобразователями 12, 13 и с ультразвуковыми преобразователями 3, 10 и одноместный блок с ультразвуковым преобразователем 11, как показано на фиг.6 (стрелками условно показаны направления излучения). В каждом из блоков предусмотрен подвод контактной жидкости, что необходимо для обеспечения в процессе контроля надежного контакта ультразвуковых преобразователей 3, 10-13 с поверхностью 2 катания. Указанная блочная конструкция облегчает выполнение этого условия. Перемещая искательную систему вдоль рельса 1, осуществляют сплошной ультразвуковой контроль его подошвы 5. При этом в целях повышения производительности контроля для возможности обнаружения дефектов одновременно в подошве 5 обоих половин рельса 1 может использоваться размещаемая на поверхности 2 катания рельса 1 вторая искательная система, аналогичная первой.
Способ сплошного ультразвукового контроля подошвы 5 рельсов 1 в соответствии с изобретением обеспечивает более высокую достоверность контроля по сравнению с известными аналогичными способами. Он позволяет при сплошном контроле рельса с высокой достоверностью определять дефекты 8, в том числе коррозионно-усталостного характера, в любой зоне подошвы 5 рельса 1. При этом отношение сигнал/шум для дефектов 8, имеющих глубину развития до 5 мм составляет 16-20 дБ, а их условная протяженность составляет 40-120 мм, что значительно превышает соответствующие показатели известных аналогичных способов.