УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЭКСПЛУАТАЦИОННОГО УЛЬТРАЗВУКОВОГО КОНТРОЛЯ ГОЛОВКИ РЕЛЬСА

Устройство для эксплуатационного ультразвукового контроля головки рельса
Полезная модель относится к средствам для ультразвукового контроля (УЗК) протяженных рельсовых путей в процессе их эксплуатации, в частности, железнодорожных рельсов, а также рельсов, предназначенных для движения городского подвижного состава. Кроме того, настоящее техническое решение может найти применение при контроле иных металлических объектов, в частности, различных изделий листового, сортового и фасонного проката в случаях, когда требуется высокая достоверность УЗК при сложных условиях контроля.
Качество рельсовых путей должно быть подтверждено в процессе их эксплуатации, поэтому эксплуатационный контроль рельсовых путей предполагает проведение исследования по всей длине уже уложенных рельсов. Однако проведение контроля при этом оказывается затруднено как из-за произошедших при эксплуатации рельсов изменений, так и из-за конструктивных особенностей рельсового пути (стрелки, переезды и пр.), затрудняющих доступ к объекту контроля.
Большое значение имеет контроль головки рельса, так как именно данная часть рельса является наиболее нагруженной, подвергается интенсивному износу и склонна к разрушению. К категории самых опасных и трудновыявляемых внутренних дефектов относят поперечные и продольно-наклонные трещины, способные привести к хрупкому излому рельса под проходящим поездом.
Известен ряд различных устройств, предназначенных для УЗК головки рельса.
Устройство по патентному документу US 7849748 В2 содержит блок электроакустических преобразователей и техническое средство для его позиционирования со стороны поверхности катания. Однако поверхностные дефекты в данной области головки рельса и подповерхностные горизонтальные расслоения становятся непреодолимой преградой при попытках контроля внутренних дефектов известным устройством.
УЗК головки рельса на наличие поперечных трещин, замаскированных поверхностными дефектами и подповерхностными расслоениями, способно проводить устройство по патентному документу JP 2000-009698 А. Известное устройство содержит электроакустические преобразователи, размещаемые с обеих боковых сторон головки рельса. Однако у реального железнодорожного полотна на всем протяжении нити рельсов доступна только внутренняя, называемая рабочей, часть боковой поверхности головки рельса, так как именно с данной стороны проходят реборды колес. Перемещение элементов устройства для контроля со стороны наружной части оказывается практически невозможным, в частности, при пересечении стрелок и переездов. По этой причине не возможно эффективное применение известного устройства для эксплуатационного УЗК реального рельсового пути. На практике область использования известного устройства ограничена контролем новых или демонтированных после вывода из эксплуатации рельсов.
Наиболее близким аналогом заявленного устройства для УЗК головки рельса является устройство, известное из патентного документа RU 23987 U1. Устройство содержит блок электроакустических преобразователей и техническое средство для позиционирования данных преобразователей. При этом указанный блок включает в себя два преобразователя, первый из которых является излучающим или излучающим/приемным, а второй приемным. Однако в известном устройстве измерительные преобразователи размещают со стороны катания головки рельса, что не позволяет достичь необходимой достоверности УЗК в реальных условиях из-за влияния на результаты УЗК качества поверхности катания рельсов и подповерхностных отслоений металла.
Задачей является повышение достоверности эксплуатационного УЗК рельсов.
Обеспечиваемый настоящей полезной моделью технический результат заключается в исключении влияния на результаты эксплуатационного УЗК рельсового пути, имеющего ограниченный доступ к нерабочей части боковой поверхности головки рельса, качества поверхности катания рельсов и подповерхностных отслоений металла.
Указанный технический результат достигается благодаря тому, что в устройстве для УЗК головки рельса, содержащем блок электроакустических преобразователей и техническое средство для пространственного позиционирования данных преобразователей, в котором указанный блок содержит два преобразователя, выполненных с возможностью наклонного ввода/приема ультразвука, первый из которых является излучающим или излучающим/приемным, а второй приемным, средство для позиционирования выполнено с возможностью размещения преобразователей со стороны боковой рабочей грани головки рельса так, чтобы сгенерированная излучающим преобразователем УЗ волна отразилась от дефекта, затем от противоположной нерабочей грани рельса и была принята приемным преобразователем.
В частном случае угол ввода ультразвука составляет 1÷50° по отношению к нормали, а угол приема лежит в диапазоне 20÷50°.
В другом частном случае преобразователи выполнены и размещены с возможностью акустической связи по схеме тандем.
В еще одном частном случае устройство содержит до пяти приемных преобразователей. Причем расстояние между излучающим или излучающим/приемным преобразователем и приемными преобразователями составляет 3÷150 мм.
Также в частном случае устройство характеризуется габаритными размерами для свободного прохождения конструктивных элементов рельсового пути, включая стрелки.
Полезная модель поясняется следующими графическими материалами.
Фиг. 1: схема размещения блока электроакустических преобразователей на контролируемом рельсе, вид на рельс в поперечном разрезе.
Фиг. 2: фрагмент рельса и схема размещения электроакустических преобразователей, вид сверху (внутренний дефект вблизи блока преобразователей).
Фиг. 3: фрагмент рельса и схема размещения электроакустических преобразователей, вид сверху (внутренний дефект в центре головки рельса).
Фиг. 4: фрагмент рельса и схема размещения электроакустических преобразователей, вид сверху (дефект находится в наиболее удаленной части головки рельса, а поверхность дефекта повернута под небольшим углом к поперечной плоскости).
Фиг. 5: фрагмент рельса и блок электроакустических преобразователей, вид со стороны боковой поверхности рельса.
Головка 1 рельса имеет две рабочие поверхности: верхнюю поверхность катания и боковую поверхность (грань) со стороны прохождения реборд колес, обычно внутреннюю, обращенную к противоположному рельсу; противоположная грань головки рельса является нерабочей (Грицык В.И. Дефекты рельсов железнодорожного пути. М., 2005, с. 6). Доступ к рабочим поверхностям обеспечен на всем протяжении полотна, что важно для эксплуатационного контроля, так как в противном случае колеса подвижного состава не смогут свободно перемещаться. Поверхность катания воспринимает основные нагрузки от колес проходящих составов. В результате возникают дефекты в виде микротрещин, выкрашивания, следов от пробуксовки колес, а также локальных горизонтальных расслоений 2, частично или полностью препятствующих вводу УЗ колебаний вглубь головки 1 и маскирующих таким образом сигналы от критичных внутренних дефектов в головке 1 рельса, что затрудняет их обнаружение, вплоть до полной невозможности контроля. Однако именно внутри головки 1 зарождаются опасные поперечные трещины 3, способные привести к хрупкому излому рельса. Таким образом, без выявления внутренних поперечных трещин 3 УЗК рельсов не может считаться достоверным.
Осуществление полезной модели показано на следующем примере предпочтительной реализации.
Устройство для УЗК головки 1 рельса содержит блок 4, под которым понимается совокупность функционально объединенных электромагнитно-акустических преобразователей (ЭМАП) 5-8. Число ЭМАП определяется числом их активных элементов-индукторов (в том числе, составных). ЭМАП 5-8 расположены один за другим в ряд таким образом, чтобы УЗ волна, сгенерированная излучающим ЭМАП 5, отразилась от дефекта 3, затем от противоположной нерабочей грани рельса и была принята одним из приемников (ЭМАП 6-8). При этом ЭМАП 5-8 образуют так называемую схему тандем, являющуюся частным случаем зеркального эхо-метода (Алешин Н.П., Белый В.Е., Вопилкин Α.X. и др. Методы акустического контроля металлов. - М.: Машиностроение, 1989. - С.95, 155). Так как приемных ЭМАП 6-8 при этом больше одного, то данная схема может быть названа мультитандемной. Расстояние между излучающим или излучающим/приемным ЭМАП 5 и приемным ЭМАП 6 составляет 150 мм, а расстояние между ЭМАП 5 и приемным ЭМАП 8 равно 3 мм. Для реализации схемы тандем ЭМАП 5-8 выполнены с возможностью наклонного ввода/приема УЗ. Угол излучения (ввода) УЗ составляет 1÷50° по отношению к нормали, а угол приема лежит в диапазоне 20÷50°.
Также устройство содержит техническое средство для пространственного позиционирования ЭМАП 5-8 блока 4 и образования указанной мультитандемной схемы прозвучивания со стороны боковой рабочей грани головки 1 рельса. Техническое средство для позиционирования включает в себя датчики, направляющие, приводы и каретки для перемещения установленных на подвижных кронштейнах ЭМАП 5-8 в горизонтальной и вертикальной плоскостях, а также для изменения при необходимости углов между данными ЭМАП и поверхностью или продольной осью рельса, величины воздушного зазора d между ними, благодаря чему обеспечивается возможность размещения указанных ЭМАП 5-8 со стороны боковой рабочей грани головки 1 рельса и поддержания величины зазора d между преобразователями и гранью головки 1 рельса при перемещении блока 4 вдоль нити рельсов.
Блок 4 и техническое средство для позиционирования ЭМАП связаны с общим устройством управления и обработки данных.
Возможны конфигурации устройства с двумя и более излучающими преобразователями 5 или с двумя и более блоками 4, расположенными с той же боковой стороны головки 1 рельса, что и в базовом варианте. Также целесообразно дополнение устройства измерительным каналом для прозвучивания головки 1 рельса со стороны катания. При этом преобразователи блоков 4 установлены в пересекающихся перпендикулярных плоскостях. Конструкция технического средства для позиционирования ЭМАП 5-8 верхнего блока 4 имеет необходимое число элементов, обеспечивающих возможность размещения ЭМАП 5-8 верхнего блока 4 со стороны поверхности катания головки 1 рельса и поддержания требуемой величины воздушного зазора между ними при осуществлении контроля на скорости. Все блоки 4 и техническое средство для позиционирования ЭМАП связаны с общим устройством управления и обработки данных, обеспечивающим как независимое, так и совместное функционирование блоков 4.
В общем случае конструкция технического средства для пространственного позиционирования ЭМАП предусматривает возможность для установки нескольких уровней датчиков для послойного сканирования и определения расположения дефекта, размеров и глубины залегания, а также для несения иного оборудования, в частности, для контроля шейки и подошвы рельса.
Для одновременного контроля обеих нитей рельсов пару устройств размещают, например, в вагоне-дефектоскопе, в котором находится остальное необходимое оборудование. При этом габаритные размеры устройства достаточны для свободного прохождения сложных конструктивных элементов рельсового пути, включая стрелки, по всей длине участка контроля.
Устройство работает следующим образом.
ЭМАП 5-8 подводят к боковой рабочей грани головки 1 рельса и устанавливают необходимую величину воздушного зазора d, которую затем поддерживают в приемлемом диапазоне. Вагон-дефектоскоп приводят в движение, перемещая таким образом устройств вдоль нити рельсов, и осуществляют контроль. При этом ЭМАП 5 возбуждает в головке 1 рельса УЗ колебания в виде распространяющихся упругих волн. Если устройство приближается ко внутреннему дефекту в виде поперечной трещины 3, то УЗ волна сначала отражается от трещины 3, а затем от противоположной стенки головки 1 рельса, после чего попадает на соответствующий приемный ЭМАП, измерительный сигнал с которого передают в устройство для обработки данных.
Исключение влияния на результаты эксплуатационного УЗК рельсового пути, имеющего ограниченный доступ к нерабочей части боковой поверхности головки рельса, качества поверхности катания рельсов и подповерхностных отслоений металла возможно при одновременном выполнении двух условий: а) прозвучивание проводят со стороны боковой грани головки 1 рельса зеркальным эхо-методом, б) указанная грань является рабочей. Оба условия удовлетворяются при выполнении средства для позиционирования с возможностью размещения ЭМАП 5-8 со стороны боковой рабочей грани головки 1 рельса так, чтобы сгенерированная ЭМАП 5 УЗ волна отразилась от дефекта, затем от противоположной нерабочей грани рельса и была принята ЭМАП 6-8. При этом со стороны нерабочей грани головки 1 рельса преобразователи полностью отсутствуют.
Так как все ЭМАП являются преобразователями бесконтактного типа, отсутствует необходимость в каком-либо улучшении области акустического контакта, в частности, не требуется применение контактных жидкостей и очистка поверхности рельсов даже от небольших загрязнений, как в случае пьезоэлектрических преобразователей, что делает возможным работу устройства в условиях низких температур. Рабочая поверхность преобразователя не истирается от контакта с рельсом, что положительно сказывается на достоверности УЗК.
Измерения посредством ЭМАП характеризуются малой величиной погрешности и стабильностью сигнала на скорости в силу того, что отсутствует прохождение сигнала через большое число промежуточных сред (в случае контактного пьезоэлектрического преобразователя УЗ волна возбуждается в пьезопластине, затем проходит через призму с определенным углом, затем через протектор, затем через контактную среду и только потом входит в объект контроля). Так как прозвучивание осуществляют со стороны боковой рабочей грани, то внутренние дефекты не маскируются дефектами поверхности катания (фиг. 1).
Благодаря ряду приемных ЭМАП 6-8 устройство является широкозахватным. При помощи ЭМАП 8 выявляют дефекты вблизи от поверхности рабочей грани, а при помощи ЭМАП 6 - наиболее удаленные, около противоположной грани головки 1 рельса. Расстояние между преобразователями от 3 до 150 мм оптимально для контроля головки 1 рельса по всей ее толщине. Область захвата еще больше увеличивается при выполнении ЭМАП 5 не только излучающим, но и приемным. В отличие от известной схемы тандем с единственным приемником возможно выявление внутренних дефектов на всей глубине головки 1 рельса (фиг. 2-4), что также повышает достоверность УЗК.
В случаях, если трещина 3 строго перпендикулярна продольной оси рельса, то угол ввода УЗ излучения равен углу приема (фиг. 2-3). Если трещина 3 ориентирована иначе, то указанные углы не равны между собой (фиг.4), что позволяет определять ориентацию дефекта и повышать достоверность УЗК.
Кроме того, если дефект выходит на поверхность объекта контроля, образуя таким образом уголковый отражатель, возможна работа по эхо-методу, когда излучающий преобразователь 5 непосредственно принимает сигнал от данного дефекта.
Использование нескольких излучающих ЭМАП 5 и/или блоков 4, в том числе с разной направленностью (например приемник, расположенный со стороны поверхности катания принимает акустический сигнал, сгенерированный излучателем со стороны боковой рабочей грани, или наоборот), нескольких уровней датчиков для послойного сканирования и определения расположения дефекта, размеров и глубины залегания, а также иного оборудования, в частности, для контроля шейки и подошвы рельса, позволяет получить дополнительный объем измерительной информации для повышения достоверности УЗК. Кроме того, повышается надежность и производительность контроля.