УСТРОЙСТВО УЛЬТРАЗВУКОВОГО КОНТРОЛЯ ГОЛОВКИ И ШЕЙКИ РЕЛЬСОВ

Полезная модель относится к области неразрушающего контроля материалов и может быть использована при ультразвуковой (УЗ) дефектоскопии железнодорожных рельсов и других длинномерных изделий.
Вследствие динамического воздействия колес подвижного состава на железнодорожные рельсы, головка и шейка рельса испытывают большие нагрузки. В результате в головке и шейке рельсов образуется и развивается большое количество опасных дефектов (дефекты вида 11.1-2, 20.1-2, 21.1-2, 24, 25, 26.3, 27.1-2, 30В.1-2, 30Г.1-2, 38.1, 50.1-2, 52.1-2, 53.1-2, 55, 56.3 по [1]). Для повышения достоверности контроля скорость контроля, начиная с 2004 г., была снижена с 60 км/ч до 40 км/ч по перегону и до 25 км/ч на стрелочном переводе, так как существующие схемы прозвучивания не позволяют выявлять острые дефекты рельсов (ОДР) при высоких скоростях контроля. При этом все равно ежегодно происходят изломы рельсов под поездами из-за пропущенных дефектов, эхо-сигналы от которых не регистрируются, а фиксируемые дефекты принимаются при расшифровке за помехи из-за недостаточного количества получаемой информации. По данным Департамента пути и сооружений МПС России, в период с 2007 по 2011 гг. включительно, было зафиксировано 289 случаев не выявления дефектов мобильными средствами контроля и 75 случаев плохой записи дефектов, сравнительной с шумами, что повлекло за собой во всех случаях изломы рельсов. Из этого количества 74% изломов произошли из-за дефектов головки и шейки рельсов.
Для обнаружения вышеперечисленных дефектов, согласно ГОСТ 18576-85 [2], предусмотрено использование эхо-, эхо-зеркального, зеркально-теневого и теневого методов УЗ контроля. Контроль должен проводиться контактным способом (7). Из множества устройств, для реализации сплошного контроля можно использовать лишь те, которые позволяют обеспечить ввод УЗ лучей с поверхности катания рельса и обеспечить качественный акустический контакт. В связи с этим, в серийно выпускаемых дефектоскопах для контроля головки рельсов используются варианты схем прозвучивания с применением следующих электроакустических преобразователей (ЭАП):
- с углом ввода УЗ колебаний α=58° и углом разворота акустической оси относительно продольной оси рельса γ≈32-35°;
- сдвоенные преобразователи, работающие по совмещенной схеме от одного генератора-усилителя (ГУ), с углом ввода УЗ колебаний α=58°/58° и с углом разворота акустической оси каждого из них относительно продольной оси рельса γ≈32-35°;
- с углом ввода УЗ колебаний α=70° и углом разворота акустической оси относительно продольной оси рельса γ=0°.
Для контроля шейки рельсов используют преобразователи:
- с углом ввода УЗ колебаний α=38°, 40°, 42°, 45°, 49° и углом разворота акустической оси относительно продольной оси рельса γ=0°, работающие в совмещенном режиме;
- сдвоенные преобразователи с углом ввода УЗ колебаний α=38°/45°, 41°/49° и углом разворота акустической оси относительно продольной оси рельса γ=0°, работающие в совмещенном режиме;
- прямые (α=0°), также с углом разворота акустической оси относительно продольной оси рельса γ=0°, работающие в раздельно-совмещенном режиме от одного ГУ.
На практике, при выявлении дефектов в боковой части головки рельса схемами прозвучивания с указанными параметрами ЭАП между амплитудой эхо-сигнала, отраженного от дефекта, и его размерами не существует конкретной зависимости: в ряде случаев амплитуда эхо-сигнала от поперечной трещины на ранней стадии развития намного превышает амплитуду эхо-сигнала от более развитого дефекта [3, 4].
Это объясняется следующим: основной поток акустических колебаний, падая на плоскостной дефект, отражается согласно закону зеркального отражения и к излучающему преобразователю не возвращается. На ранней же стадии развития дефект имеет объемную форму, то есть имеются условия для возвращения колебаний к их источнику (фиг.1). В результате, при сплошном контроле рельсов надежность выявления сильно развитых поперечных трещин с зеркальной поверхностью в боковой части головки рельса весьма низкая и, как следствие, возможен их пропуск [5].
Из известных устройств для УЗ контроля головки рельса наиболее близким к предлагаемому является «Устройство для ультразвукового контроля головки рельсов», патент 22330 [6], который выбран в качестве прототипа. Известное устройство предусматривает установку на поверхность катания головки рельса двух пар наклонных ЭАП, развернутых под углом γ=34° относительно продольной оси рельса к противоположным боковым граням головки рельса и имеющих угол ввода УЗ колебаний в металл α=58° каждый.
Недостатками известного устройства, принятого за прототип, являются низкая надежность и достоверность контроля, обусловленная тем, что предложенная схема контроля не позволяет выявлять с необходимой долей вероятности сильно развитые плоскостные дефекты головки рельсов, которые имеют зеркальную поверхность.
Технической задачей, решаемой заявленной полезной моделью, является создание устройства для достоверного способа УЗ контроля головки и шейки рельсов за счет конкретизации углов ввода УЗ волн в исследуемый объект и углов разворота акустической оси ЭАП относительно продольной оси рельса, настройки строб импульса (временные зоны фиксации эхо-сигналов, отраженных от дефектов), а также за счет применения достаточного количества ЭАП в схемах прозвучивания.
Техническим результатом поставленной задачи является повышение надежности, достоверности и производительности УЗ контроля головки и шейки рельсов.
Поставленная задача решается двумя вариантами.
В варианте первом устройство содержит ЭАП, установленные, например, в искательную лыжу, закрепленную на подвагонной тележке УЗ дефектоскопа, излучающие и принимающие УЗ волны в заданных временных зонах. Причем, устройство выполнено в виде искательной системы (ИС) из последовательно расположенных друг за другом трех блоков ЭАП, каждый из которых содержит по три ЭАП. В первый блок установлены 1-й, 2-й и 3-й ЭАП для сплошного контроля головки рельса, излучающие УЗ в направлении движения ИС, из которых 2-й и 3-й-сдвоенные и смонтированные на расстоянии друг от друга в пределах 25-30 мм. Во второй блок установлены три ЭАП для сплошного контроля шейки рельса, из которых 4-й, излучающий УЗ в направлении движения ИС, 5-й, сдвоенный, излучающий УЗ в вертикальной плоскости, 6-й, излучающий УЗ против направления движения ИС. В третий блок установлены сдвоенные 7-й, 8-й и 9-й ЭАП для сплошного контроля головки рельса, излучающие УЗ волны против направления движения ИС, из которых 7-й и 8-й смонтированы на расстоянии друг от друга в пределах 25-30 мм.
В варианте втором в первый блок установлены сдвоенные 2-й и 3-й ЭАП, излучающие УЗ в направлении движения ИС, и смонтированные на расстоянии друг от друга в пределах 25-30 мм, и 4-й, излучающий УЗ волны против направления движения ИС. Во второй блок установлены три ЭАП, из которых 1-й, излучающий УЗ волны в направлении движения ИС, 5-й, сдвоенный, излучающий УЗ волны в направлении движения ИС и 9-й сдвоенные, излучающий УЗ волны в направлении против движения ИС. В третий блок установлены 6-й, излучающий УЗ волны в направлении движения ИС и сдвоенные 7-й, 8-й, излучающие УЗ волны против направления движения ИС, смонтированные на расстоянии друг от друга в пределах 25-30 мм. При этом 4-й и 6-й установлены на расстоянии друг от друга в пределах 260-280 мм.
На фиг.1 изображена схема отражения УЗ волны от дефекта на ранней стадии зарождения и от развитого (зеркального) дефекта.
На фиг.2 показано расположение ЭАП по варианту 1 заявленного устройства и его схемы прозвучивания.
На фиг.3 показано расположение ЭАП по варианту 2 заявленного устройства и его схемы прозвучивания.
На фиг.4 изображена схема прохождения УЗ волн по трем временным зонам.
Сущность устройства ультразвукового контроля головки и шейки рельса заключается в том, что на поверхность катания головки рельса заключается в том, что на поверхность катания головки рельса устанавливают ЭАП, например в искательную лыжу, закрепленную на подвагонной тележке УЗ дефектоскопа, сгруппированные в три блока, по три штуки в каждом, которые перемещают вдоль продольной оси рельса, излучают и принимают УЗ волны в заданных временных зонах и по параметрам принятых колебаний судят о наличии дефекта.
Конкретизация углов ввода УЗ волн и углов разворота акустической оси ЭАП относительно продольной оси рельса характеризуется следующими параметрами (фиг.2, 3).
-5°
- 1, 9 - наклонный ЭАП с углом ввода УЗ колебаний α=70° и с углом разворота акустической оси относительно продольной оси рельса γ≈0°±2°, из которых ЭАП 7 - сдвоенный;
-2
+1°
- 2, 3, 7 - наклонный сдвоенный ЭАП с углом ввода УЗ колебаний α=62°/62° и с углом разворота акустической оси каждого ЭАП относительно продольной оси рельса γ≈25°;
-2°
- 4, 6 - наклонный ЭАП с углом ввода УЗ колебаний α=42° и с углом разворота акустической оси относительно продольной оси рельса γ≈0°±2°;
- 5 - наклонный сдвоенный ЭАП с углом ввода УЗ колебаний α=12°/12°±1° и с углом разворота акустической оси каждого ЭАП относительно продольной оси рельса γ≈0°±2°;
- 8 - наклонный сдвоенный ЭАП с углом ввода УЗ колебаний α=58°/58° и с углом разворота акустической оси каждого ЭАП относительно продольной оси рельса γ=34°.
Для повышения надежности, достоверности и производительности контроля, по варианту 1 схемы прозвучивания (фиг.1), на поверхность катания головки рельса, вдоль его оси устанавливают ИС из последовательно расположенных друг за другом трех блоков ЭАП I, II и III соответственно, по три преобразователя в каждый блок, которые в свою очередь устанавливаются на искательную лыжу IV, закрепленную на подвагонной тележке. В первый блок установлены ЭАП 1-й, далее за ним установлены пара сдвоенных ЭАП 2-й и 3-й на расстоянии друг от друга в пределах 25-30 мм. Эти три ЭАП позволяют осуществить сплошной контроль головки рельсов, излучая УЗ волны в направлении движения ИС. Во второй блок устанавливаются ЭАП 4-й, излучающий УЗ волны в направлении движения, ИС, 5-й, излучающий УЗ волны в вертикальной плоскости, 6-й, излучающий УЗ волны против направления движения ИС. Эти три ЭАП позволяют осуществить сплошной контроль шейки рельсов. В третий блок устанавлены пара сдвоенных ЭАП 7-й, 8-й на расстоянии друг от друга в пределах 25-30 мм и ЭАП 9-й, которые излучают УЗ волны в направлении противоположном движению ИС. Эти три ЭАП так же позволяют осуществить сплошной контроль головки рельсов.
По варианту 2 схемы прозвучивания (фиг.3) в первый блок устанавлены пара сдвоенных ЭАП 2-й и 3-й на расстоянии друг от друга в, пределах 25-30 мм, которые излучают поле УЗ волны в направлении движения ИС. За ними устанавливается ЭАП 4-й, излучающий УЗ волны против направления движения ИС. Во второй блок устанавливается ЭАП 1-й, излучающий УЗ волны в направлении движения ИС, за ним устанавливается сдвоенный ЭАП 5-й, излучающий УЗ волны в вертикальной плоскости, и за ним 9-й ЭАП излучающий УЗ волны в направлении против движения ИС. В третий блок установлены ЭАП 6-й, излучающий УЗ волны в направлении движения ИС, за ним устанавливается пара сдвоенных ЭАП 7-й, 8-й на расстоянии друг от друга в пределах 25-30 мм, которые излучают УЗ волны в против направления движения ИС. Причем ЭАП 4-й и 6-й, устанавлены друг от друга на расстоянии в пределах 260-280 мм, что обеспечивает получение качественного донного сигнала.
Сдвоенные ЭАП 2, 3 и 7, 8 расположены в непосредственной близости друг от друга, что увеличивает, на скорости, надежность выявления ОДР, а ЭАП 1 и 9 дополнительно подтверждают регистрацию ОДР.
Принцип действия ИС следующий.
Все девять ЭАП работают от четырнадцати ГУ. Каждый ЭАП работает в совмещенном режиме (источник/приемник).
-2
+1°
ЭАП 2, 3, 7 (с углом ввода УЗ колебаний α=62°/62° и с углом разворота акустической оси каждого ЭАП относительно продольной оси рельса γ≈25°) позволяют направить импульс ультразвуковой волны в рабочую и нерабочую грань от своего ГУ на центр подголовочной грани, поэтому нет потерь в радиусном сопряжении между боковыми гранями головки рельса и подголовочной частью, в отличие от ЭАП с углом ввода УЗ колебаний α=58°/58° и с углом разворота акустической оси каждого ЭАП относительно продольной оси рельса γ≈34°.
Прием и обработка принятых сигналов, осуществляется в трех временных зонах (фиг.4):
- ближняя зона от 10 мкс до 90 мкс;
- средняя зона от 90 мкс до 130 мкс;
- дальняя зона от 130 мкс до 230 мкс.
Путь прямого луча УЗ волны от ЭАП 2, 3 и 7 по сравнению с ЭАП 8, на 18 мкс больше и возвращенные эхо-сигналы сильнее даже с дальней зоны, что позволяет принимать сигнал от дефекта, расположенного на расстоянии до 600 мм вдоль продольной оси рельса от точки ввода УЗ волны.
2
В свою очередь, это дает возможность четко фиксировать кольца развития зеркальных ОДР и вертикальных трещин в головке рельсов. Фиксируются дефекты площадью от 100 мм до полностью пораженной поверхности (ранее известные устройства не позволяли фиксировать сильноразвитые дефекты с зеркальной поверхностью) и обеспечивать качественную фиксацию дефектов в головке и шейке рельсов при скорости контроля до 80 км/ч.
Использование заявленного устройства позволит обеспечить выявление сильноразвитых плоскостных дефектов и, как следствие, плановую замену ОДР.
Повышение надежности, достоверности и производительности неразрушающего УЗ контроля рельсов способствует дальнейшему улучшению безопасности движения поездов на железных дорогах.
Источники информации
1. Классификация дефектов рельсов. НТД/ЦП-1-93. М.: Транспорт, 1993.
2. ГОСТ 18576-85. Контроль неразрушающий. /Рельсы железнодорожные. Методы ультразвуковые. М.: Изд-во стандартов, 1985.
3. Кузьмина Л.И. Выявление дефектов второй группы эхо-импульсным методом. //Ультразвуковая дефектоскопия рельсов. Серия "Путь и путевое хозяйство". М.: ЦНИИТЭИ МПС, Выпуск 66, 1971, с.12-21.
4. Колотушкин С.А., Капорцев В.Н. Исследование интенсивности развития и выявляемости в рельсах дефекта 21.1-2. - Вестник ВНИИЖТ, 1978, 5, - с.38-40.
5. Марков А.А., Шпагин Д.А. Ультразвуковая дефектоскопия рельсов., - СПб.: «Образование - Культура», 1999,- с.133-134.
6. Марков А.А., Бершадская Т.Н., Белоусов Н.А., Мосягин В.В., Маркова А.А. Устройство для ультразвукового контроля головки рельсов. Патент РФ 22330, приоритет от 06.11.01 г., Бюлл. изобр. 2002.
7. ГОСТ 23829-85. Контроль неразрушающий акустический. Термины и определения.