УСТРОЙСТВО ДЛЯ УЛЬТРАЗВУКОВОГО КОНТРОЛЯ РЕЛЬСА

Полезная модель относится к неразрушающему контролю материалов и может быть использована при ультразвуковой дефектоскопии железнодорожных рельсов.
Известно устройство ультразвукового обнаружения дефектов в головке рельса, содержащее систему из двух наклонных пьезоакустических преобразователей, развернутых под одинаковыми углами относительно продольной оси рельса к противоположным боковым граням его головки. При этом углы ввода ультразвуковых колебаний в металл рельса и углы разворота преобразователей относительно продольной оси рельса выбирают таким образом, чтобы оси ультразвуковых лучей, падая под наклонным углом к зонам радиусного перехода боковой и нижней граней головки рельса, переотразившись от них, пересекались на продольной оси поверхности катания головки рельса. При этом проекция траектории лучей внутри металла на поверхность катания образует геометрическую фигуру ромб. По мере перемещения пары преобразователей вдоль продольной оси рельса они излучают ультразвуковые колебания и принимают отраженные от возможных дефектов в головке рельсов эхо-сигналы. По временному положению эхо-сигналов относительно зондирующих (излученных) колебаний и по их амплитудам судят о наличии дефекта и об его ориентации внутри головки рельса. Причем, при анализе принимают во внимание все сигналы, поступившие на преобразователи.
Для упрощения анализа эхо-сигналов, последующей автоматизации процесса расшифровки содержащейся в них информации и процедуры контроля осуществляют временную селекцию эхо-сигналов в трех временных зонах, две из которых предназначены для селекции сигналов от трещин в боковых частях головки рельса, а третья, дополнительная - для селекции сигналов от поперечных трещин в центральной части головки под поверхностью катания. Причем, сигналы от этих дефектов образуются за счет переотражения ультразвуковых колебаний от уголкового отражателя, сформированного плоскостью трещины и поверхностью катания (или плоскостью подповерхностной горизонтальной трещины). При
обнаружении этих дефектов, в отличие от выявления трещин в боковых частях головки, ультразвуковые колебания излучаются одним преобразователем и принимаются другим по траектории луча внутри головки рельса, проекция которой на поверхность катания образует геометрическую фигуру ромб. Все мешающие сигналы, в частности от неровностей нижних углов (зон радиусного перехода), не попадают в зоны временной селекции и не участвуют в дальнейшем анализе (см. RU 2184960, G 01 N 29/04, 10.07.02). Известное устройство обладает относительно высокой надежностью, достоверностью и производительностью ультразвукового контроля головки рельсов за счет эффективного обнаружения поперечных трещин в центральной части головки рельса, в том числе залегающих под отслоениями металла и горизонтальными трещинами на небольшой глубине от поверхности катания при одновременном выявлении дефектов в боковых частях головки рельса.
Недостатком известного устройства является возможность пропуска вертикальных трещин в различных частях головки рельса, обусловленная жесткой привязкой геометрии излучаемых и принимаемых лучей к продольной оси поверхности катания головки рельса, а также невозможность уверенного поиска дефектов с его помощью путем применения ЭМА-преобразователей, у которых ограничено число углов надежного ввода и приема ультразвука. Эти обстоятельства ограничивают тип дефектов, обнаруживаемых указанным устройством, и понижает достоверность неразрушающего контроля головки рельсов.
Известное устройство для ультразвукового контроля головки рельса, принятое в качестве прототипа, содержит установленные на поверхности катания головки рельса вдоль его продольной оси два наклонных пьезоакустических преобразователя, предназначенные для излучения и приема ультразвуковых колебаний, по параметрам которых судят о наличии дефекта, акустические оси преобразователей направлены под одинаковыми углами к боковой грани головки рельса, определяемыми расстоянием между преобразователями, из условия приема сигнала от дефекта в виде поперечной трещины в центральной части и в боковой грани головки рельса. В известном устройстве о наличии и степени развития дефектов судят по совместному анализу параметров эхо и зеркально отраженных
сигналов, принимаемых электроакустическими преобразователями (см. RU 2060493, G 01 N 29/04, 20.05.96).
Недостатком известного устройства является возможность пропуска вертикальных трещин в различных частях головки рельса, обусловленная жесткой привязкой геометрии излучаемых и принимаемых лучей к продольной оси поверхности катания головки рельса, а также невозможность уверенного поиска дефектов с его помощью путем применения ЭМА-преобразователей, у которых ограничено число углов надежного ввода ультразвука. Эти обстоятельства ограничивают тип дефектов, обнаруживаемых указанным устройством, и понижает достоверность неразрушающего контроля головки рельсов.
Технический результат полезной модели заключается в повышении достоверности и эффективности контроля головки рельса и в повышении надежности обнаружения дефектов различной ориентации и расположения в условиях низких температур и высоких скоростях контроля
Указанный технический результат достигается тем, что в устройстве для ультразвукового контроля рельса содержащем, два электромагнитно-акустических преобразователя, каждый из которых выполнен с возможностью излучения и приема ультразвуковых колебаний и размещения на поверхности катания головки рельса вдоль ее продольной оси, первый электромагнитно-акустический преобразователь выполнен с углом ввода ультразвуковых колебаний, равным 35°, а второй электромагнитно-акустический преобразователь выполнен с углом ввода ультразвуковых колебаний, равным 60°, при этом электромагнитно-акустические преобразователи расположены на разных расстояниях относительно выбранной продольной оси, с разными углами их поворота относительно этой оси.
1,2
1,2
Для обеспечения максимальной достоверности и эффективности контроля взаимосвязь расстояний от центров преобразователей до оси рельса β и углов их поворота относительно этой оси b определяется следующим выражением:
1,2
0
1,2
1,2
0
1,2
1,2
b=у(1+tgγtgθsinβ)-ztgθsinβ,
1,2
0
где: θ - падения лучей; у - угол наклона нижней кромки головки рельса, у - расстояние от центральной плоскости рельса до точки касания лучей,
0
расположенной на нижней кромке его головки, z - расстояние от линии пересечения плоскостей, в которых лежат подголовные грани рельса, до поверхности катания головки рельса.
Отраженные плоскими дефектами, перпендикулярными оси рельса, лучи от первого преобразователя распространяется по пути второго, а от второго - по пути первого, в результате чего отраженные от дефекта сигналы приходят к каждому из преобразователей одновременно и это позволяет повысить чувствительность контроля и исключает излишнюю отбраковку рельсов.
На чертежах представлена схема излучения сигналов от двух источников, расположенных на верхней части головки рельса. На фиг.1 показан вид со стороны торцевой части рельса. На фиг.2 приведен вид сбоку. На фиг.3 показан вид со стороны поверхности катания головки рельса. На фиг.4 приведен график зависимости расстояния от центра преобразователя и угла поворота для рельса Р65.
1
2
1
2
1
2
j
j
1,2
0
1,2
1,2
0
1,2
1.2
0
0
1,2
1,2
Рассмотрим схему (см. фиг.1-3) излучения сигналов от двух источников, расположенных на верхней части головки рельса с координатами b и -b повернутых под углами относительно оси рельса х, равными β и -β и излучающих ультразвуковые колебания под углами относительно поверхности θ и θ. Координаты источников b и углы β связаны между собой в соответствии со следующим уравнением: b=у(1+tgγtgθsinβ)-ztgθsinβ. Эта взаимосвязь иллюстрируется фиг.4. Здесь у представляет собой расстояние от центральной плоскости рельса до точки касания лучей, расположенной на нижней кромке его головки, величина z показана на рисунке и характеризует расстояние от линии пересечения плоскостей, в которых лежат подголовные грани рельса, до поверхности катания головки рельса. Использование этого уравнения позволяет вычислять искомые параметры b и углы поворота преобразователей β, требуемые для совмещения сигналов от обоих преобразователей в выбранной точке головки рельса.
Тогда координаты точки наблюдения сигналов 1-го и 2-го источников связаны друг с другом следующим образом:
где .
1,2
1,2
При этом угол падения луча на поверхность дефекта определяется из формулы  Принимая во внимание, что углы θ имеют значительную ширину относительно величины максимального значения амплитуд излучаемых сигналов, углы Ψ также имеют значительный диапазон, в котором могут располагаться плоскости контролируемых дефектов. По той же причине и сами дефекты могут располагаться не только в определенной зоне головки рельса, но практически по всей площади ее сечения.
Расчеты показали, что сигналы от обоих преобразователей в рельсе Р65 встречаются (т.е. будет наблюдаться наивысшая чувствительность контроля) на расстоянии 70 мм от преобразователя практически в центре головки рельсов, если угол поворота первого из них равен 0°, а второго - 30°. Причем, на других расстояниях сигналы расходятся, охватывая практически всю головку. При этом центр первого преобразователя (35°) должен располагаться относительно оси рельса на расстоянии 27 мм, а второго преобразователя (60°) - на расстоянии 10 мм на той же стороне рельса. С помощью полученных решений можно просмотреть и другие ситуации, представляющие практический интерес.