Способ ультразвукового контроля головки рельса
METHOD FOR ULTRASONIC TESTING OF THE RAIL HEAD

Изобретение относится к области неразрушающего контроля на железнодорожном транспорте и может быть использовано при ультразвуковой дефектоскопии головки рельса, измерении величины смещения относительно продольной оси симметрии рельса, а также в частности для измерений геометрических размеров бокового и вертикального износа.
Известен способ ультразвукового контроля головки рельса, заключающийся в том, что на поверхности катания головки рельса симметрично его продольной оси устанавливают пару наклонных пьезоэлектрических преобразователей (ПЭП), развернутых под одинаковыми острыми углами относительно продольной оси рельса к боковым граням головки рельса, перемещают преобразователи вдоль продольной оси, излучают и принимают ультразвуковые колебания в заданных временных зонах и по параметрам принятых колебаний судят о наличии дефекта (RU №2184960, G01N 29/04, В61К 9/10, 10.07.2002).
Недостатком данного способа является низкая достоверность ультразвукового контроля головки рельса за счет смещения ПЭП относительно продольной оси головки рельса в процессе осуществления контроля данным способом.
Наиболее близким техническим решением к заявляемому изобретению является способ ультразвукового контроля головки рельса (RU №2308027, G01N 29/04, 10.07.2007), заключающийся в том, что на поверхность катания рельса устанавливают две идентичные пары наклонных ПЭП, направленные под определенным углом, навстречу друг к другу и на противоположные радиусные переходы боковой и нижней граней головки рельса, объединенные в единый измерительный блок и расположенные зеркально относительно продольной оси симметрии рельса, излучают зондирующие и принимают отраженные ультразвуковые сигналы всеми ПЭП, перемещают измерительный блок вдоль продольной оси рельса, о наличии дефекта судят по совместному анализу сигналов, принятых ПЭП, причем расположение и направленность ПЭП в каждой паре выбирают так, чтобы ультразвуковой сигнал излученный одним из них, отразившись от границы головки рельса, был вторым и наоборот при приеме его оценивают и используют для контроля акустического контакта ПЭП с поверхностью рельса, оценивают разность времени распространения времени распространения этих ультразвуковых сигналов в первой и второй паре ПЭП, по которым оценивают симметричность положения измерительного блока относительно продольной оси симметрии рельса.
Недостатком данного способа является низкая достоверность, сложный подбор акустических параметров для блока, состоящего из двух идентичных наклонных пар ПЭП, при проведении ультразвукового контроля головки рельса и центровки относительно симметрии рельса не измеряются геометрические размеры горизонтального и вертикального износа головки рельса.
Задача изобретения - повышение достоверности ультразвуковой дефектоскопии головки рельса за счет измерения величины смещения ПЭП относительно продольной оси рельса, а также измерений геометрических размеров бокового и вертикального износа головки рельса.
Технический результат достигается тем, что в способе ультразвукового контроля головки рельса, заключающемся в том, что на поверхность катания головки рельса симметрично его продольной оси устанавливают блок пьезоэлектрических преобразователей и перемещают вдоль продольной оси рельса, используют одну пару наклонных пьезоэлектрических преобразователей, развернутых перпендикулярно к продольной оси рельса, направленных в сторону боковых, соответственно, рабочей и нерабочей граней головки рельса, излучают и принимают ультразвуковые колебания в заданных временных зонах: зонах радиусного перехода боковой и нижней, соответственно, с рабочей и нерабочей граней головки рельса, а также переотраженных сигналов от радиусного перехода боковой и верхней, соответственно с рабочей и нерабочей граней головки рельса; для определения наличия дефекта, блоком пьезоэлектрических преобразователей принимают многократно переотраженные сигналы, находящиеся во временной зоне между радиусными переходами боковой и нижней, соответственно, с рабочей и нерабочей граней головки рельса и радиусными переходами боковой и верхней, соответственно, с рабочей и нерабочей граней головки рельса; для измерения величины смещения акустического блока пьезоэлектрических преобразователей относительно продольной оси симметрии рельса определяют разницу времени сигналов, принятых каждым из наклонных пьезоэлектрических преобразователей в отдельности, направленных в сторону рабочей и нерабочей граней головки рельса от зон радиусных переходов боковой и нижней, также боковой и верхней, соответственно с рабочей и нерабочей граней головки рельса; для измерения бокового износа рельса, определяют время принятых сигналов наклонными пьезоэлектрическими преобразователями от зон радиусного перехода боковой и верхней, соответственно, с рабочей и нерабочей граней головки рельса и сравнениют со временем от зон радиусного перехода боковой и верхней граней головки в новом рельсе; для измерения вертикального износа рельса определяют время принятых сигналов от зон радиусного перехода боковой и нижней, соответственно, с рабочей и нерабочей граней головки рельса и сравнивают со временем от зон радиусного перехода боковой и верхней граней головки в новом рельсе.
Способ ультразвукового контроля головки рельса поясняется чертежами, где:
На фиг. 1 изображено расположение блока пьезоэлектрических преобразователей на головке рельсе, а также схема распространения излучаемых и принимаемых сигналов каждым из наклонных пьезоэлектрических преобразователей.
На фиг. 2 изображен график электрических сигналов, принимаемых наклонным ПЭП-1, отраженных от зон радиусных переходов головки рельса.
На фиг. 3 изображен график электрических сигналов, принимаемых наклонным ПЭП-2, отраженных от зон радиусных переходов головки рельса.
На фиг. 4 изображено расположение блока пьезоэлектрических преобразователей на головке рельсе, а также схема распространения излучаемых и принимаемых сигналов каждым из наклонных пьезоэлектрических преобразователей при отсутствии акустического контакта.
На фиг. 5 изображено расположение блока пьезоэлектрических преобразователей на головке рельсе, а также схема распространения излучаемых и принимаемых сигналов каждым наклонным пьезоэлектрическим преобразователем при определении горизонтального дефекта.
На фиг. 6 изображен график электрических сигналов, принимаемых наклонным ПЭП-1, отраженных от зон радиусных переходов головки рельса при определении горизонтального дефекта.
На фиг. 7 изображен график электрических сигналов, принимаемых наклонным ПЭП-2, отраженных от зон радиусных переходов головки рельса при определении горизонтального дефекта.
На фиг. 8 изображено расположение блока пьезоэлектрических преобразователей на головке рельсе, а также схема распространения излучаемых и принимаемых сигналов каждым наклонным пьезоэлектрическим преобразователем при определении вертикального дефекта.
На фиг. 9 изображен график электрических сигналов, принимаемых наклонным ПЭП-1, отраженных от зон радиусных переходов головки рельса при определении вертикального дефекта.
На фиг. 10 изображен график электрических сигналов, принимаемых наклонным ПЭП-2, отраженных от зон радиусных переходов головки рельса при определении вертикального дефекта.
На фиг. 11 изображено расположение блока пьезоэлектрических преобразователей на головке рельсе, а также схема распространения излучаемых и принимаемых сигналов каждым наклонным пьезоэлектрическим преобразователем при определении смещения блока ПЭП относительно продольной оси рельса.
На фиг. 12 изображен график электрических сигналов, принимаемых наклонным ПЭП-1, отраженных от зон радиусных переходов головки рельса при определении смещения блока ПЭП относительно продольной оси рельса.
На фиг. 13 изображен график электрических сигналов, принимаемых наклонным ПЭП-2, отраженных от зон радиусных переходов головки рельса при определении смещения блока ПЭП относительно продольной оси рельса.
На фиг. 14 изображена номограмма зависимости изменения метрической величины от изменения времени распространения сигналов от радиусных переходов в головке рельса.
На фиг. 15 изображено расположение блока пьезоэлектрических преобразователей на головке рельсе, а также схема распространения излучаемых и принимаемых сигналов каждым из наклонных пьезоэлектрических преобразователей при определении бокового износа головки рельса.
На фиг. 16 изображен график электрических сигналов, принимаемых наклонным ПЭП-1 при определении бокового износа головки рельса.
На фиг. 17 изображен график электрических сигналов, принимаемых наклонным ПЭП-2 при определении бокового износа головки рельса.
На фиг. 18 изображено расположение блока пьезоэлектрических преобразователей на головке рельсе, а также схема распространения излучаемых и принимаемых сигналов каждым из наклонных пьезоэлектрических преобразователей при определении вертикального износа головки рельса.
На фиг. 19 изображен график электрических сигналов, принимаемых наклонным ПЭП-1 при определении вертикального износа головки рельса.
На фиг. 20 изображен график электрических сигналов, принимаемых наклонным ПЭП-2 при определении вертикального износа головки рельса.
Способ ультразвукового контроля головки рельса осуществляют следующим способом.
На поверхности катания головки рельса симметрично его продольной оси устанавливают блок наклонных пьезоэлектрических преобразователей (ПЭП), состоящий из одной пары наклонных пьезоэлектрических преобразователей ПЭП-1 и ПЭП-2 и работающих в импульсном режиме излучение - прием, которые направленны в сторону зоны радиусного перехода боковой и нижней, соответственно, в рабочую и нерабочую грань головки рельса, затем блок наклонных ПЭП перемещают вдоль продольной оси симметрии рельса (фиг. 1).
Излучаемые ультразвуковые сигналы каждым из наклонных ПЭП-1 и ПЭП-2 в сторону зон радиусного перехода боковой и нижней, соответственно, с рабочей 1 и нерабочей 2 граней головки рельса отражаются и принимаются обратно в сторону ПЭП, при этом излученные сигналы также переотражаются в сторону радиусного перехода боковой и верхней, соответственно с рабочей 3 и нерабочей 4 граней головки рельса отражаются обратно в сторону ПЭП (фиг. 1), которые преобразуются ПЭП-1 (фиг. 2) и ПЭП-2 (фиг. 3) в характерные электрические сигналы.
Оценку результатов контроля проводят по совместному анализу сигналов, принятых всеми ПЭП, при этом возможны следующие варианты:
1. При отсутствии акустического контакта между блоком ПЭП и головкой рельса, сигналы от ПЭП-1 и ПЭП-2 не распространяются в объект контроля (фиг. 4).
2. При обнаружении горизонтального дефекта в головке рельса (фиг. 5) появляются многократно переотраженные сигналы, находящиеся до сигналов от временной зоны радиусного перехода боковой и нижней, соответственно, с рабочей 1 и нерабочей 2 граней головки рельса, на одном или двух наклонных ПЭП (фиг. 5), которые преобразуются ПЭП-1 (фиг. 6) и ПЭП-2 (фиг. 7) в характерные электрические сигналы, при этом возможно уменьшение сигнала по амплитуде А (дБ) или полное пропадание.
3. При обнаружении вертикального дефекта в головке рельса (фиг. 8) появляются многократно переотраженные сигналы, находящиеся во временной зоне между сигналами от радиусного перехода боковой и нижней, соответственно, с рабочей 1 и нерабочей 2 граней головки рельса и радиусным переходом от боковой и верхней, соответственно, с рабочей 3 и нерабочей 4 граней головки рельса, на одном или двух наклонных ПЭП (фиг. 8), которые преобразуются ПЭП-1 (фиг. 9) и ПЭП-2 (фиг. 10) в характерные электрические сигналы, при этом возможно уменьшение сигнала по амплитуде А (дБ) или полное пропадание.
4. При смещении блока ПЭП на величину ΔL относительно продольной оси симметрии рельса изменяется путь (фиг. 11), соответственно и время распространения Т1 и Т2 сигналов от радиусного перехода боковой и нижней на ΔT для соответствующего ПЭП с рабочей и нерабочей граней головки рельса, при этом время распространения сигналов Т3 и Т4 от радиусного перехода боковой и верхней грани не изменяется (фиг. 11), которые преобразуются ПЭП-1 (фиг. 12) и ПЭП-2 (фиг. 13) в характерные электрические сигналы. Определение зависимости изменения метрической величины ΔL смещения от времени распространения сигналов ΔT от радиусных переходов в головке рельса происходит по специальной номограмме (фиг. 14).
Например: смещение блока ПЭП на величину ΔL относительно продольной оси симметрии рельса, изменяется путь и время T1, Т2 сигналов по сравнению с сигналами Т1Ц, Т2Ц без смещения (фиг. 11), преобразованные ПЭП-1 (фиг. 12) и ПЭП-2 (фиг. 13) электрические сигналы сравнивают между собой для определения разницы сигналов ΔТ (фиг. 12, 13), с последующим переводом ΔТ в метрическую величину ΔL через номограмму (фиг. 14), при этом путь и время распространения сигналов Т3, Т4 от радиусных переходов боковой нижней и верхней граней не изменяются (фиг. 11-13).
5. При наличии бокового износа головки рельса на величину ΔL изменяется путь и время распространения сигнала Т3 и (или) Т4 от радиусного перехода боковой и верхней, соответственно, с рабочей 3 и (или) нерабочей 4 граней головки рельса в каждом из наклонных ПЭП, (фиг. 15), которые преобразуются ПЭП-1 (фиг. 16) и ПЭП-2 (фиг. 17) в характерные электрические сигналы, для определения бокового износа проводят сравнение измеренного времени распространения сигнала со временем в новом рельсе Т3Н и (или) Т4Н, с последующим переводом в метрическую величину через номограмму (фиг. 14), при этом время распространения сигналов Т1 и Т2 от радиусного перехода боковой и нижней грани не изменяется (фиг. 15).
Например: при появлении бокового износа с нерабочей грани 3 головки рельса изменяется путь и время Т3 сигнала по сравнению с сигналом Т3Н от с нерабочей грани 3Н головки в новом рельсе на величину ΔL (фиг. 15), преобразованные ПЭП-1 (фиг. 16), электрические сигналы сравнивают между собой с последующим определением разницы сигналов ΔT (фиг. 16) с последующим переводом ΔТ в метрическую величину ΔL через номограмму (фиг. 14), при этом время распространения сигналов Т1 и Т2 от радиусного перехода боковой и нижней грани не изменяется (фиг. 15).
6. При наличии вертикального износа головки рельса смещаются радиусные переходы боковой и верхней грани на величину ΔL соответственно, с рабочей 3 и нерабочей 4 граней головки рельса, при этом изменяется путь сигнала от радиусного перехода боковой и нижней T1, Т2, а также от радиусного перехода боковой и верхней Т3, Т4, соответственно, с рабочей 1, 3 и нерабочей 2, 4 граней головки рельса на каждом ПЭП (фиг. 18), которые преобразуются ПЭП-1 (фиг. 19) и ПЭП-2 (фиг. 20) в характерные электрические сигналы, для определения вертикального износа проводят сравнение времени T1, Т2, Т3, Т4 со временем в новом рельсе Т1Н, Т2Н и Т3Н, Т4Н (фиг. 18-20), с последующим переводом в метрическую величину через номограмму (фиг. 14), при этом время распространения сигналов T1, Т2 и Т3, Т4 от радиусных переходов боковой нижней и верхней граней изменяется в равных временных интервалах. Например: при появлении вертикального износа, изменяется путь и время Т1, Т2, Т3, Т4 сигналов по сравнению с сигналами Т1Н, Т2Н, Т3Н, Т4Н в новом рельсе на величину ΔL (фиг. 18), преобразованные ПЭП-1 (фиг. 19) и ПЭП-2 (фиг. 20) электрические сигналы сравнивают между собой для определения разницы сигналов ΔТ (фиг. 19, 20), с последующим переводом ΔТ в метрическую величину ΔL через номограмму (фиг. 14), при этом путь и время распространения сигналов T1, Т2 и Т3, Т4 от радиусных переходов боковой нижней и верхней граней изменяется на величину ΔL соответственно, с рабочей 3 и нерабочей 4 граней головки рельса в равных интервалах (фиг. 18-20).
Данный способ реализуется путем подключения к железнодорожным съемным и (или) мобильным средствам ультразвуковой дефектоскопии следующим образом:
каждый из наклонных ПЭП по отдельному кабелю подключается, соответственно, к генератору и своему приемнику. Через электронный ключ поочередно электрические сигналы поступают на каждый из наклонных ПЭП, где преобразуются в механические колебания, затем отразившись от радиусных переходов боковой нижней и верхней граней головки рельса и (или) дефекта принимаются каждым из ПЭП приемником, и преобразуются обратно в электрические сигналы, которые после обработки, в цифрой форме поступают на процессор устройства, который обрабатывает и выводит полученную информацию на экран (Кретов Е.Ф. «Ультразвуковая дефектоскопия в энергомашиностроении». СПб.: Свен, 2007. Стр. 146-158).
По сравнению с прототипом данный способ позволяет повысить достоверность ультразвуковой дефектоскопии головки рельса минимум в два раза за счет того, что используют одну пару наклонных ПЭП, развернутых перпендикулярно к продольной оси рельса, направленных в сторону боковых, соответственно, рабочей и нерабочей граней головки рельса, излучают и принимают ультразвуковые колебания в заданных временных зонах: зонах радиусного перехода боковой и нижней, соответственно, с рабочей и нерабочей граней головки рельса, а также переотраженных сигналов от радиусного перехода боковой и верхней, соответственно с рабочей и нерабочей граней головки рельса, а также за счет измерения величины смещения ПЭП относительно продольной оси рельса, а также измерений геометрических размеров бокового и вертикального износа головки рельса.