СПОСОБ УЛЬТРАЗВУКОВОГО ОБНАРУЖЕНИЯ МИКРОТРЕЩИН НА РАБОЧЕЙ ВЫКРУЖКЕ ГОЛОВКИ РЕЛЬСА
METHOD FOR ULTRASOUND DETECTION OF MICROCRACKS ON OPERATING RAILHEAD FILLET

Изобретение относится к области ультразвукового (УЗ) неразрушающего контроля железнодорожных рельсов и может быть использовано для обнаружения и оценки микротрещин на рабочей выкружке головки рельса.
Проблема поверхностных микротрещин на головке рельса рассмотрена в [1]. Причиной возникновения микротрещин на поверхности головки рельса являются усталостные напряжения из-за чрезмерного давления колеса на нее. Очевидно, что такие повреждения возникают на поверхности катания и на рабочей выкружке головки рельса. Дефект начинает развиваться с микротрещин, которые могут быть устранены шлифовкой. Под воздействием нагрузок, влаги, температур и других причин глубина микротрещин возрастает. На ранних стадиях развития микротрещины могут быть ликвидированы путем шлифовки рельса, предотвращая серьезные последствия. Развитие микротрещин в конечном итоге приводит к возникновению обширной поперечной трещины головки. Таким образом, раннее обнаружение микротрещин на рабочей выкружке головки рельса является актуальной задачей.
В [1] перечислены возможные способы поиска микротрещин в головке рельса, при этом считают, что вихретоковый метод считается более пригодным для поверхностных микротрещин, а УЗ - для более глубоко распространяющихся микротрещин.
Авторы данного изобретения предлагают вариант решения задачи поиска микротрещин на любой стадии развития УЗ методом.
Известен способ УЗ обнаружения микротрещин на головке рельса [2], заключающийся в вихретоковом зондировании головки рельса с целью обнаружения поверхностных микротрещин на ней. Такие способы и приборы могут обнаруживать дефекты путем возбуждения вихревых токов в контролируемом изделии. Величина этих токов зависит от частоты возбуждающего тока, электропроводности и магнитной проницаемости материала изделия, относительного расположения катушки и детали, а также от наличия на поверхности дефектов типа нарушения сплошности.
Недостатком данного способа является низкая достоверность обнаружения дефектов и высокая стоимость аппаратуры. Низкая достоверность связана с тем, что вихретоковыми методами трудно определить степень дефектности изделия, поскольку множество мелких дефектов и один большой могут обладать схожими свойствами, кроме того, эти методы имеют проблемы с выдерживанием требуемых зазоров между зондом и рельсом. Стоимость вихретоковых приборов дефектоскопов оказывается на порядок выше УЗ, что также затрудняет широкое их применение для решения поставленной задачи.
Известны способы обнаружения дефектов в головке рельса [3-7], заключающиеся в том, что на поверхности катания рельса устанавливают электроакустические преобразователи (ЭАП), направленные на противоположные внутренние поверхности головки рельса, зондируют головку рельса, для чего перемещая ЭАП вдоль рельса, излучают зондирующие и принимают отраженные ультразвуковые сигналы, которые анализируют в выбранном временном окне и делают заключение о наличии и степени развития внутренних дефектов.
Принцип действия данных способов заключается в том, что УЗ зондирующие сигналы, излученные с поверхности катания рельса, отражаясь от внутренних поверхностей головки рельса, вновь пересекают головку, образуя линии (схему) зондирования. При наличии дефекта не параллельного линии зондирования УЗ сигнал в той или иной степени отражается от него и возвращается к излучающим-приемным ЭАП. Принятый сигнал анализируется, и делается вывод о наличии дефекта. Такая схема позволяет обнаруживать дефекты разной ориентации, а перемещение ЭАП вдоль рельса - по всей его длине.
Недостатком этих способов является их плохая пригодность для решения задачи обнаружения микротрещин на рабочей выкружке головки рельса. Этот недостаток связан с тем, что в указанных способах заявленные углы ввода УЗ зондирующих сигналов не гарантируют их попадание в выкружки головки рельса. Кроме того, размеры микротрещины на рабочей выкружке головки рельса и амплитуды сигналов, отраженных от них, малы, что не позволяет обнаруживать их в обычных режимах зондирования, ориентированных в основном на обнаружение внутренних локальных (одиночных) дефектов головки рельсов (дефекты кодов 20.1-2, 21.1-2, 26.3, 30 и 31 по российской НТД).
1
2
Известен способ УЗ обнаружения дефектов в головке рельса [8], заключающийся в том, что на поверхности катания рельса устанавливают два электроакустических преобразователя (ЭАП), направленные на противоположные внутренние поверхности головки рельса, зондируют головку рельса, для чего, перемещая ЭАП вдоль рельса, излучают зондирующие и принимают отраженные ультразвуковые сигналы, которые анализируют в выбранном временном окне и делают заключение о наличии и степени развития «oval flaws» - овальных дефектов, т.е. поперечных трещин в головке рельса, классифицируемых в России, как дефекты кода 20.1-2, 21.1-2, 27.1-2 и 26.3 [9]. Направления излучения УЗ колебаний в способе [8] выбирают под углами α=10°-25° от продольной оси рельса по горизонтали и α=60°-80° вглубь рельса от вертикали.
Недостатком этого способа также является плохая пригодность для решения задачи обнаружения микротрещин на рабочей выкружке головки рельса. Этот недостаток связан с тем, что данный способ зондирования обеспечивает попадание линий зондирования в рабочую выкружку головки рельса лишь в частном случае [8, Фиг. 7]. Кроме того, микротрещины на рабочей выкружке головки рельса малы, поэтому амплитуды сигналов, отраженных от них, на порядки меньше амплитуд сигналов от поперечных (овальных) дефектов в головке рельса.
Наиболее близким к заявляемому является способ ультразвукового обнаружения микротрещин на рабочей выкружке головки рельса [10], заключающийся в том, что на поверхности катания рельса устанавливают два ЭАП так, чтобы УЗ зондирующий сигнал каждого из них после отражения от нижней выкружки попадал на верхнюю выкружку головки рельса, зондируют головку рельса, для чего, перемещая ЭАП вдоль рельса, излучают каждым из них зондирующие и принимают отраженные от верхней выкружки головки рельса ультразвуковые сигналы в соответствующем временном окне при повышенной чувствительности приема, заключение о наличии и степени развития микротрещин на верхней выкружке головки рельса производят на основе совместного анализа сигналов, полученных ЭАП. При этом один ЭАП направлен на рабочую, а второй - на нерабочую выкружки головки рельса. Сигнал от последнего используется в качестве опорного.
1
2
Недостатком способа [10] является низкая достоверность обнаружения микротрещин. Практика показывает, что микротрещины, как правило, имеют угол ориентации относительно поверхности катания рельса около 25°, Фиг. 1, а их направление 2 или 2 зависит от преимущественного направления движения подвижного состава. Таким образом, в способе [10], микротрещины будут обнаружены, если их ориентация и направление УЗ зондирования близки к ортогональным. При противоположном направлении микротрещин они окажутся параллельными линиям УЗ зондирования и не будут найдены. Установка чувствительности ЭАП до уровня начала приема структурных шумов металла рельса [10] для поиска микротрещин, как показали экспериментальные исследования, оказалась с одной стороны необоснованно завышенной, с другой - сильно зависимой от производителя рельсов, уложенных в путь. Например, железнодорожные рельсы японских производителей (уложены на участке Санкт-Петербург - Москва) имеют весьма мелкую структуру металла, российских металлургических комбинатов - более крупную структуру. Кроме того, структура металла рельса в зависимости от технологии закалки рельса (объемно-заклеенные, закалкой поверхностного слоя головки, сырые и т.п.) имеет заметную неравномерность по высоте головки рельса. Все это влияет на уровень структурных шумов при ультразвуковом контроле и затрудняет использование этого уровня в качестве опорной чувствительности при выявлении микротрещин на рабочей выкружке головки рельсов. Таким образом, способ [10], принятый за прототип, обладает узкой областью применения, недостаточной достоверностью и низкой вероятностью обнаружения микротрещин.
Задачей, решаемой заявляемым способом, является повышение вероятности обнаружения микротрещин на рабочей выкружке головки рельса.
Для решения поставленной задачи в способе ультразвукового обнаружения микротрещин на рабочей выкружке головки рельса, заключающемся в том, что на поверхности катания рельса устанавливают два ЭАП так, чтобы ультразвуковой зондирующий сигнал каждого из них после отражения от нижней выкружки попадал на верхнюю выкружку головки рельса, зондируют головку рельса, для чего, перемещая ЭАП вдоль рельса, излучают каждым из них зондирующие и принимают отраженные от верхней выкружки головки рельса УЗ сигналы в соответствующем временном окне при повышенной чувствительности приема, заключение о наличии и степени развития микротрещин на верхней выкружке головки рельса производят на основе совместного анализа сигналов полученных ЭАП, ЭАП направляют зеркально относительно плоскости поперечного сечения рельса на рабочую выкружку головки рельса, дополнительно принимают УЗ сигналы, отраженные от нижней выкружки головки рельса в соответствующих временных окнах приема, чувствительность приема каждого ЭАП во всех временных окнах приема постоянно выбирают так, чтобы получать сигналы от металлургических неровностей на нижней выкружке головки рельса, при совместном анализе сигналов, полученных от рабочей выкружки головки рельса, определяют ориентацию микротрещин.
Существенными отличиями заявляемого способа от прототипа являются:
ЭАП направляют зеркально относительно плоскости поперечного сечения рельса на рабочую выкружку головки рельса, что позволяет обнаруживать микротрещины разной ориентации, направленные как по ходу движения дефектоскопа, так и в противоположном направлении.
В прототипе оба ЭАП имеют общее направление, при этом один ЭАП направлен на рабочую, а второй - на нерабочую выкружку, что позволяет обнаруживать микротрещины только одной ориентации. Последний ЭАП используется в качестве опорного и предназначен для выбора чувствительности ЭАП, направленного на рабочую выкружку головки рельса.
Дополнительный прием УЗ сигналов, отраженных от нижней выкружки головки рельса, в соответствующих окнах приема позволяет оценить металлургические неровности на ней. Указанные неровности (шероховатости) возникают в ходе изготовления (прокатки) рельсов, имеют случайный характер и мало меняются в процессе эксплуатации рельсов, из-за отсутствия нагрузок. Эти неровности вызывают разнонаправленные отражения УЗ зондирующих сигналов, в том числе и в сторону излучающего ЭАП, которые могут быть приняты и измерены. Анализ УЗ сигналов, отраженных от этих неровностей, показал, что их амплитуда невелика, но достаточно постоянна и близка к значимой амплитуде сигналов, отраженных от микротрещин на рабочей выкружке головки рельса. Эти обстоятельства позволяют использовать УЗ сигналы от нижней выкружки головки рельса в качестве опорного для выбора чувствительности ЭАП.
В прототипе в качестве опорного используется УЗ сигнал, полученный от нерабочей выкружки, а чувствительность увеличивается до уровня начала приема структурных шумов металла рельсов. Такая чувствительность чрезмерна для многих типов рельсов, что было установлено при эксплуатации однониточного дефектоскопа USK-004R [11], способного обнаруживать микротрещины по способу [10], т.к. УЗ дефектограммы оказались сильно зашумлены структурными, что затруднило их анализ.
При совместном анализе сигналов, полученных от рабочей выкружки головки рельса, определяют ориентацию микротрещин, что позволяет выбрать режимы шлифовки микротрещин, например направления вращения шлифовальных кругов. Шлифовка микротрещин навстречу их направлению может привести к задирам.
В прототипе направление микротрещин не определяется.
Чувствительность приема ЭАП в окнах приема предлагается выбирать (изменять) постоянно, реализуя автоматическую регулировку усиления, что позволяет скомпенсировать изменения чувствительности, связанные с качеством контакта ЭАП поверхностью рельса, температурой, рельсами от разных производителей и другими обстоятельствами. В частности, появляется возможность выявить потерю контакта, связанную с отсутствием контактирующей жидкости.
В прототипе имеется такая же возможность, но она не отмечена в материалах патента.
Техническим результатом использования заявляемой полезной модели является повышение вероятности обнаружения микротрещин любой ориентации на рабочей выкружке головки рельса.
Заявляемый способ иллюстрируют следующие графические материалы, на которых стрелками обозначены направления осей излучения (приема) УЗ колебаний ЭАП:
Фиг. 1 - схемы прозвучивания, где:
1. головка рельса;
2. микротрещины;
3. верхняя выкружка головки рельса;
4. нижняя выкружка головки рельса;
5. первый ЭАП;
6. второй ЭАП;
Фиг. 2 - временные диаграммы (развертка А) принятых УЗ сигналов в окнах приема 1 и 2:
a) для ЭАП 5;
b) для ЭАП 6.
Фиг. 3 - Устройство, реализующее заявляемый способ, где:
7. первый коммутатор;
8. второй коммутатор;
9. генератор УЗ зондирующих сигналов;
10. приемник-усилитель отраженного сигнала;
11. аналого-цифровой преобразователь;
12. компьютер;
13. дисплей.
Рассмотрим возможность реализации заявляемого способа.
На поверхности катания рельс 1 устанавливают ЭАП 5 и 6, Фиг. 1. Положение и направление излучения ЭАП 5 и 6 выбирают так, чтобы их УЗ зондирующие сигналы были зеркальны относительно плоскости поперечного сечения рельса 1, а после отражения от нижней выкружки 4 головки рельса 1 были направлены на рабочую выкружку 3 головки рельса. Такой выбор положения ЭАП и схемы прозвучивания позволяет достаточно просто производить установку и калибровку ЭАП.
При первоначальной настройке положения искательной системы временная установка на рабочую выкружку 3 дополнительного приемного ЭАП (не показан) позволяет принять им УЗ зондирующий сигнал от ЭАП 5 (6) и скорректировать их первоначальное положение и ориентацию. Это особенно важно, поскольку в разных сортаментах рельсов и странах производителях рельсов верхняя и нижняя выкружки головок рельса имеют разную форму. Изменения форм выкружек рельса могут являться и следствием их износа. При неравномерном износе головки рельса по длине требуемое направление излучения ЭАП можно сохранить за счет ширины их диаграммы направленности. Указанному способу задания направлений ввода УЗ колебаний в рельс соответствуют углы излучения ЭАП 10°-90° от продольной оси рельса по горизонтали, а углы вглубь рельса от вертикали выбираются в зависимости от формы головки рельса.
Дополнительный ЭАП позволяет также измерить интервалы времени Т от момента излучения УЗ сигналов ЭАП 5 (6) и их приема на соответствующих выкружках 3 (4) головки рельса 1 с учетом направлений излучения и свойств металла рельса 1. Для каждой пары ЭАП 5 (6) - выкружка 3 (4) выбирают временное окно приема отраженных УЗ зондирующих сигналов t=(2Т±τ), где τ - возможный разброс указанного времени с учетом различных случайных параметров (смещения ЭАП от выбранного положения и ширины диаграммы их направленности, изменения температуры и т.п.).
Выбирают частоту УЗ зондирования рельса 1, исходя из требований по требуемой разрешающей способности и текущей скорости перемещения ЭАП 5 и 6 на ручной тележке, автомотрисе или вагоне-дефектоскопе.
Производят УЗ зондирование рельса 1, для чего перемещают вдоль него ЭАП 5 и 6, постоянно излучают ими в головку рельса 1 УЗ зондирующие сигналы и принимают отраженные сигналы от выкружек 3 и 4 в выбранных временных окнах.
В указанных временных окнах увеличивают чувствительность приема ЭАП 5 и 6 (коэффициент усиления приемников-усилителей 10) так, чтобы получать сигналы от металлургических неровностей на нижней выкружке 4 головки рельса в окне приема 1, Фиг. 2 а), b). Отметим, в остальной временной зоне коэффициент усиления приемников-усилителей 10 может быть обычным, пригодным для обнаружения дефектов.
1
2
В окнах 2 принимают УЗ сигналы, отраженные от верхней - рабочей выкружки головки рельса. При отсутствии микротрещин рабочая выкружка, прикатанная колесами, гладкая, и отраженные сигналы отсутствуют. При наличии микротрещин с ориентацией 2, Фиг. 1, сигнал, полученный ЭАП 5, окажется большим по амплитуде, чем сигнал от микротрещин 2, полученный ЭАП 6. Различие в амплитудах позволяет оценить ориентацию микротрещин.
Если сигналы в окне приема 1 любого ЭАП становится ниже заданного уровня, увеличивают чувствительность приема по этому каналу.
Таким образом, по появлению сигналов в окнах приема 2 (Фиг. 2) судят о наличии микротрещин на рабочей выкружке головки рельсов, а по соотношению среднего уровня амплитуд сигналов, принятых ЭАП 5 и ЭАП 6 (сигналы в окнах приема 2 на Фиг. 2 а) и b)) определяют преимущественную ориентацию микротрещин вдоль рельса.
Устройство, реализующее заявляемый способ, изображенное на Фиг.3 является многоканальным УЗ дефектоскопом.
ЭАП 5, 6 - предназначены для излучения и приема УЗ колебаний;
Коммутатор 7 - предназначен для подключения генератора УЗ зондирующих УЗ сигналов 9 к требуемому ЭАП (5 или 6).
Коммутатор 8 - предназначен для подключения ЭАП (5 или 6) к приемнику-усилителю отраженных зондирующих сигналов 8. Коммутаторы 7 и 8 управляются компьютером 12. Коэффициент усиления приемника-усилителя 10 изменяется под управлением компьютера 12. Аналого-цифровые преобразователи 11 обеспечивают преобразование принятых сигналов в цифровой код.
Компьютер 12 синхронизирует работу всех устройств, принимает оцифрованные сигналы от ЭАП, обрабатывает их и отображает результаты на дисплее 13.
Работа устройства, реализующего заявляемый способ, Фиг.3, заключается в том, что по команде от компьютера 12 генератор 9 формирует УЗ зондирующие сигналы, которые поочередно через управляемый компьютером 12 коммутатор 7 подаются на ЭАП 5 или 6. УЗ зондирующие сигналы после отражения от соответствующих элементов головки рельса 1 вновь поступают на ЭАП 5 или 6 и через коммутатор 8, управляемый компьютером 12, - на приемник-усилитель 10. Коэффициент усиления последнего изменяется компьютером 12 в зависимости от времени и амплитуды принятых сигналов. Во временных окнах приема 1 коэффициент усиления приемника усилителя 10 увеличивается до появления определенного уровня сигналов от металлургических неровностей на нижней выкружке головки рельса для каждого ЭАП по отдельности. В дальнейшем указанный уровень сигналов отслеживается, и, соответственно, изменяется коэффициент усиления и во временных окнах 2. Сигналы с усилителя преобразуются в цифровую форму аналого-цифровым преобразователем 10 и поступают в компьютер 12, где результаты измерений отображаются на дисплее 13 и обрабатываются в соответствии с приведенным выше описанием.
Таким образом, заявляемый способ позволяет:
- обнаруживать участки рельсов с микротерщинами на рабочей выкружке головки рельса;
- определять ориентацию микротрещин;
- контролировать акустический контакт наклонного ЭАП;
- определять локальные дефекты внутри головки рельса.
Способ может быть реализован, позволяет повышать вероятность обнаружения и определения ориентации микротрещин на рабочей выкружке головки рельса. Обнаружение таких дефектов на ранних стадиях позволяет своевременно обнаружить микротрещины, принять меры к их устранению (шлифовке) и предотвратить катастрофические последствия на железнодорожном транспорте.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. Бели Я., Немеет И. Контактно-усталостные микротрещины головки рельса. Журнал "Путь и путевое хозяйство", №5, 2011 г.
2. Патент RU 2184960.
3. Патент RU 2308027.
4. Патент RU 23987.
5. Патент RU 2184374.
6. Патент RU 89235.
7. Патент RU 22330.
8. Патент US 4700574.
9. Марков А.А., Шпагин Д.А. Ультразвуковая дефектоскопия рельсов. СПб.: Образование-Культура, 2008, 283 с.
10. Патент RU 2545493.
11. http://www.radioavionica.ru/activities/sistemy-nerazrushayushchego-kontrolya/semnye-sredstva-kontrolya/169/.