ДЕФЕКТОСКОП ДЛЯ КОНТРОЛЯ РЕЛЬСОВ

Полезная модель относится к области дефектоскопии и может использоваться для обнаружения дефектов в рельсах железнодорожного транспорта и метрополитена.
Контроль состояния рельсового пути имеет большое значение для обеспечения безопасности на железнодорожных магистралях и метрополитене. При этом определяющим фактором безопасности является отсутствие дефектов в рельсах. Для выявления дефектов в рельсах используются дефектоскопы, представляющие собой реализующие ультразвуковой и магнитный методы неразрушающего контроля радиоэлектронные устройства, устанавливаемые преимущественно на скоростных мобильных средствах. Такие дефектоскопы должны обладать высокой надежностью выявления дефектов любых возможных видов с высокой точностью, чтобы своевременно принимать меры к обоснованному экстренному ремонту рельсового пути, а так же объективно устанавливать и корректировать периодичность его соответствующих проверок.
Работа традиционных многоканальных ультразвуковых дефектоскопов основана на возбуждении зондирующих импульсов и регистрации и анализе принимаемых эхо-сигналов, поступающих одновременно от нескольких ультразвуковых преобразователей в реальном времени. Такие дефектоскопы позволяют получить картину расположения отражателей в контролируемом участке рельса, используемую для идентификации дефектов в рельсе (например, US 5777891 А, 1998).
Известен, например, ультразвуковой дефектоскоп, включающий несколько ультразвуковых каналов, выполненных на основе генераторов зондирующих импульсов, усилителей принимаемых эхо-сигналов, пороговых элементов и блоков предварительной обработки (фильтрации сигналов), при этом к ультразвуковым каналам подключен синхронизатор, их выходы через соответствующие интерфейсы и блок памяти связаны с компьютером, а для привязки к параметрам пути в дефектоскоп введен блок определения путейской координаты и скорости, соединенный с датчиком пути (RU 5033 U1, 1997). Выделение эхо-сигналов на фоне помех и идентификация видов дефектов осуществляется на основе изменения временной задержки эхо-сигналов относительно зондирующих импульсов в последовательных циклах излучения-приема ультразвуковых сигналов, при этом обработка получаемых сигналов включает фильтрацию эхо-сигналов с амплитудой менее заданного порога и эхо-сигналов достаточной амплитуды, что позволяет несколько повысить точность контроля. Однако в этом дефектоскопе осуществляется только начальная фильтрация в виде «отсечки снизу». Отсутствие дальнейшей фильтрации приводит к существенной перебраковке ввиду большого количества сигналов, прошедших начальный этап, что не позволяет обеспечить достаточную надежность ультразвукового контроля. Управление аппаратными параметрами (усилителями и генераторами зондирующих импульсов) не может осуществляться непосредственно в процессе контроля. Кроме того, отсутствие в составе дефектоскопа магнитных каналов не позволяет обнаруживать некоторые дефекты в рельсах, которые могут эффективно выявляться магнитным методом. Поэтому такой дефектоскоп недостаточно эффективен в эксплуатации, не обеспечивая в необходимой мере объективность и достоверность контроля.
Известны также дефектоскопы магнитного типа для обнаружения дефектов в рельсах. Известен, например, дефектоскоп, содержащий средство намагничивания, индуктивный, магниторезистивный и феррозондовый преобразователи, связанные через управляемый коммутатор с блоком обработки сигналов, к которому подключены блоки регистрации и индикации, содержит также датчик скорости, связанный через блок формирования сигналов управления с управляемым коммутатором (RU 2310836 С1, 2007). Однако такие дефектоскопы малоинформативны, позволяя выявлять только ограниченный круг дефектов, обычно выходящих на поверхность или развивающихся с поверхности, а также расположенных на незначительной глубине.
Известен дефектоскоп для контроля рельсов, выполненный одноканальным и содержащий связанные между собой управляющий процессор и исполнительный блок и соединенный с ними блок питания, при этом управляющий процессор включает блок ввода и корректировки данных и связанные между собой блок формирования градиентного порога, блок управления параметрами ультразвукового контроля, блок формирования развертки по амплитуде, блок формирования развертки по пройденному пути, блок вывода данных и дисплей, а исполнительный блок включает ультразвуковой канал, состоящий из усилителя, выполненного с обеспечением возможности его подключения к выходу ультразвукового преобразователя, соединенного с ним аналого-цифрового преобразователя и генератора зондирующих импульсов, выполненного с обеспечением возможности его подключения ко входу ультразвукового преобразователя (RU 180038 U1, 2018). В этом дефектоскопе выполняется дополнительная оптимизированная фильтрация сигналов, обеспечиваемая блоком формирования градиентного порога. Однако дефектоскоп выполнен одноканальным и поэтому для возможности выявления дефектов различного вида по всему сечению рельсов приходится подключать отдельные ультразвуковые преобразователи и проводить их индивидуальную настройку, что неудобно и трудоемко при эксплуатации дефектоскопа. Это делает невозможным его применения при сплошном контроле рельсов, т.е. контроле рельсов по всему сечению за один проход. Отсутствует магнитный канал, что не позволяет эффективно выявить дефекты, выявление которых ультразвуковым методом затруднено. Кроме того, отсутствует возможность управления аппаратными параметрами в автоматизированном режиме в процессе контроля, необходимого для объективного выявления дефектов ультразвуковыми преобразователями различных видов. Отсутствует обратная связь управляющего процессора с исполнительным блоком. Все это в целом не позволяет обеспечить высокую достоверность и объективность результатов контроля и усложняет процесс контроля.
Из известных устройств наиболее близким к предложенному является дефектоскоп для контроля рельсов, выполненный в виде радиоэлектронного устройства, содержащего связанные между собой управляющий процессор и исполнительный блок и соединенный с ними блок питания, при этом управляющий процессор включает блок ввода и корректировки данных и связанные между собой блок формирования градиентного порога, блок управления параметрами ультразвукового контроля, блок формирования развертки по амплитуде, блок формирования развертки по пройденному пути, блок вывода данных и дисплей, а исполнительный блок включает ультразвуковые каналы, каждый из которых состоит из блока усиления, выполненного с обеспечением возможности его подключения к выходу ультразвукового преобразователя, соединенного с ним аналого-цифрового преобразователя и блока формирования зондирующих импульсов, выполненного с обеспечением возможности его подключения ко входу ультразвукового преобразователя, магнитные каналы, каждый из которых состоит из аналого-цифрового преобразователя и соединенного с ним усилителя, выполненного с обеспечением возможности подключения к нему магнитного датчика, и последовательно соединенные контроллер, связанный с блоком ввода и корректировки данных, блоком формирования градиентного порога и блоком управления параметрами ультразвукового контроля, блок сбора информации, входы которого подключены к выходу соответствующего аналого-цифрового преобразователя, и блок обработки команд управления, выходы которого подключены к управляющему входу соответствующего блока формирования зондирующих импульсов (RU 2686409 С1, 2019). В этом дефектоскопе зондирующие импульсы подаются на ультразвуковые преобразователи, а отраженные от несплошностей сигналы поступают на блоки усиления, при этом блоки формирования зондирующих импульсов могут быть выполнены по традиционной схеме, например, с использованием для формирования зондирующих импульсов трансформатора. Это создает помехи в процессе обработки эхо-сигналов и может привести к выходу из строя блоков усиления, что снижает надежность работы дефектоскопа. Блоки усиления выполнены с изменяемым усилением, что обеспечивается соответствующими командами блока обработки команд управления, при этом сигналы на выходе блоков усиления связаны линейно с входными сигналами. Это не позволяет достичь высокого динамического диапазона регистрируемых сигналов, который особенно важен для выявления дефектов на ранней стадии их развития.
Техническая проблема, решаемая изобретением, заключается в создании дефектоскопа для контроля рельсов, лишенного недостатков прототипа. Технический результат, обеспечиваемый изобретением, состоит в повышении эксплуатационной эффективности дефектоскопа для контроля рельсов за счет повышения надежности его работы с одновременным расширением динамического диапазона регистрируемых сигналов в ультразвуковых каналах.
Это достигается тем, что в дефектоскопе для контроля рельсов, выполненным в виде радиоэлектронного устройства, содержащего связанные между собой управляющий процессор и исполнительный блок и соединенный с ними блок питания, при этом управляющий процессор включает блок ввода и корректировки данных и связанные между собой блок формирования градиентного порога, блок управления параметрами ультразвукового контроля, блок формирования развертки по амплитуде, блок формирования развертки по пройденному пути, блок вывода данных и дисплей, а исполнительный блок включает ультразвуковые каналы, каждый из которых состоит из блока усиления, выполненного с обеспечением возможности его подключения к выходу ультразвукового преобразователя, соединенного с ним аналого-цифрового преобразователя и блока формирования зондирующих импульсов, выполненного с обеспечением возможности его подключения ко входу ультразвукового преобразователя, магнитные каналы, каждый из которых состоит из аналого-цифрового преобразователя и соединенного с ним усилителя, выполненного с обеспечением возможности подключения к нему магнитного датчика, и последовательно соединенные контроллер, связанный с блоком ввода и корректировки данных, блоком формирования градиентного порога и блоком управления параметрами ультразвукового контроля, блок сбора информации, входы которого подключены к выходу соответствующего аналого-цифрового преобразователя, и блок обработки команд управления, выходы которого подключены к управляющему входу соответствующего блока формирования зондирующих импульсов, в каждый из ультразвуковых каналов введен электронный коммутатор, выполненный с обеспечением возможности отключения соответствующего блока усиления при появлении зондирующих импульсов, каждый из блоков усиления выполнен виде логарифмического усилителя с фиксированным усилением, управляющий вход которого соединен с выходом электронного коммутатора, а каждый из блоков формирования зондирующих импульсов выполнен в виде бестрансформаторного генератора с ключевой схемой формирования запускающих импульсов, выход которого соединен со входом электронного коммутатора.
Указанный технический результат в рамках реализации назначения обеспечивается всей совокупностью существенных признаков заявленной полезной модели, каждый признак которой необходим, а вместе они достаточны для решения указанной технической проблемы и для достижения указанного технического результата. Дефектоскоп для контроля рельсов представляет собой радиоэлектронное устройство, содержащее взаимосвязанные электронные узлы, размещенные в одном корпусе. Его электронные узлы, характеризуемые соответствующими существенными признаками, находятся в конструктивно-функциональном единстве. Их совместное использование привело к созданию нового устройства с указанным техническим результатом. Для возможности эксплуатации устройства они объединены в единую конструкцию и при изготовлении устройства на предприятии-изготовителе соединяются между собой сборочными операциями.
На чертеже показана структурная блок-схема дефектоскопа для контроля рельсов (условно включающего один ультразвуковой и один магнитный каналы). Он выполнен в виде радиоэлектронного устройства и содержит связанные между собой управляющий процессор 1, исполнительный блок 2 и соединенный с ними блок 3 питания. Управляющий процессор 1 включает блок 4 ввода и корректировки данных и связанные между собой блок 5 формирования градиентного порога, блок 6 управления параметрами ультразвукового контроля, блок 7 формирования развертки по амплитуде, блок 8 формирования развертки по пройденному пути, блок 9 вывода данных и дисплей 10. Исполнительный блок 2 включает ультразвуковые каналы И, каждый из которых состоит из блока усиления, выполненного в виде логарифмического усилителя 12 с фиксированным усилением, соединенного с ним аналого-цифрового преобразователя 13, блока формирования зондирующих импульсов (ЗИ), выполненного в виде бестрансформаторного генератора 14 с ключевой схемой формирования ЗИ, и электронного коммутатора 15, включенного между выходом бестрансформаторного генератора 14 с ключевой схемой формирования ЗИ и управляющим входом логарифмического усилителя 12 с фиксированным усилением. Разрядность аналого-цифровых преобразователей 13 составляет преимущественно двенадцать. Логарифмические усилители 12 с фиксированным усилением выполнены с обеспечением возможности подключения своим соответствующим входом к выходу соответствующего ультразвукового преобразователя (УЗП) 16, а бестрансформаторные генераторы 14 с ключевой схемой формирования ЗИ выполнены с обеспечением возможности подключения своим выходом ко входу соответствующего УЗП 16. Ключевая схема формирования ЗИ включает электронные ключи в количестве преимущественно четырех. Количество ультразвуковых каналов 11 обусловлено условием обеспечения возможности полного ультразвукового контроля рельсов (выявлению всех основных видов дефектов в них, определяемых ультразвуковым методом) по всему их сечению и составляет преимущественно восемнадцать. В качестве УЗП 16 служат преимущественно пьезоэлектрические преобразователи, при этом все ультразвуковые каналы 11 «обслуживаются» разными УЗП 16, конкретные тип и настройка которых связаны с конкретными видом и местоположением выявляемого дефекта по всему сечению рельса. Количество УЗП 16 составляет преимущественно по девять на каждую нить рельсового пути. Исполнительный блок 2 включает магнитные каналы 17, количество которых составляет преимущественно два. Каждый из них состоит из аналого-цифрового преобразователя 18 и соединенного с ним усилителя 19. Разрядность аналого-цифровых преобразователей 18 составляет преимущественно двадцать четыре. Каждый усилитель 19 выполнен с обеспечением возможности подключения к его входу магнитного датчика (МД) 20. Количество МД 20 составляет два - по одному на каждую нить рельсового пути. В качестве МД 20 преимущественно служат магнитодинамические пассивные датчики, выполненные на основе катушек индуктивности. Также в исполнительный блок 2 введены последовательно соединенные между собой блок 21 сбора информации, блок 22 обработки команд управления и контроллер 23. Блок 21 сбора информации и блок 22 обработки команд управления связаны с ультразвуковыми каналами Пи с магнитными каналами 17. Контроллер 23 связан с блоком 4 ввода и корректировки данных, блоком 5 формирования градиентного порога и блоком 6 управления параметрами ультразвукового контроля. Выход каждого из аналого-цифровых преобразователей 13 в ультразвуковых каналах 11 и каждого из аналого-цифровых преобразователей 18 в магнитных каналах 17 подключен к соответствующему входу блока 21 сбора информации, а управляющий вход каждого из бестрансформаторных генераторов 14 с ключевой схемой формирования ЗИ подключен к соответствующему выходу блока 22 обработки команд управления. Блок 22 обработки команд управления выполнен в виде многофункционального многоканального электронного узла, который реализует, в том числе функцию синхронизации ультразвуковых каналов 11 и магнитных каналов 17, он может быть выполнен также с обеспечением возможности его подключения к внешнему блоку синхронизации (на чертеже не показан) в случае использования режима внешней синхронизации. Все электронные узлы дефектоскопа скомпонованы в одном, снабженным соответствующими разъемами, корпусе, условно отображенным на чертеже пунктирной линией 24.
Дефектоскоп работает в многоканальном режиме. При включении дефектоскопа в блоке 22 обработки команд управления начинают вырабатываться синхроимпульсы. Частота синхроимпульсов формируется как произведение двух значений - частоты импульсов с датчика угла поворота и цифрового значения, заданного управляющим процессором 1. При этом частота синхроимпульсов связана со скоростью проведения контроля. Чем выше эта скорость, тем, при условии сохранения неизменного шага контроля, выше требуется частота. Блок 22 обработки команд управления осуществляет передачу данных, прием и обработку команд управления с управляющего процессора 1 через контроллер 23 и обеспечивает синхронизацию работы ультразвуковых каналов 11 и магнитных каналов 17, прием от них данных и трансляцию им упорядоченных команд управления. В каждом из всех ультразвуковых каналах 11 при поступлении синхроимпульсов бестрансформаторный генератор 14 с ключевой схемой формирования ЗИ вырабатывает последовательность импульсов, возбуждающих УЗП 16. Эхо-сигналы, принимаемые УЗП 16, поступают на логарифмические усилители 12 с фиксированным усилением, с выхода которых сигналы поступают на вход аналого-цифровых преобразователей 13, где преобразуются в цифровую форму, и далее считываются блоком 21 сбора информации. Динамический диапазон регистрируемых сигналов составляет преимущественно не менее 75 дБ, что обеспечивается в том числе за счет логарифмической зависимости между выходным и входным сигналами. Коэффициент усиления логарифмических усилителей 12 с фиксированным усилением составляет, например, 96 дБ. При этом не требуется программно задавать необходимое усиление ультразвуковым каналам 11 и управлять временной регулировкой чувствительности. В силу того, что посредством электронного коммутатора 15 и ключевой схемы формирования ЗИ вход логарифмических усилителей 12 с фиксированным усилением в момент формирования ЗИ отключается от УЗП 16, обеспечивается надежная работа ультразвуковых каналов 11 и дефектоскопа в целом с обеспечением высокой помехозащищенности. При этом исключается возможность его выхода из строя в моменты возбуждения ЗИ. Кроме того, отсутствие трансформатора как такового в бестрансформаторном генераторе 14 с ключевой схемой формирования ЗИ, дополнительно повышает его надежность. Команды управления и настройки, принимаемые блоком 22 обработки команд управления из управляющего процессора 1 через контроллер 23, устанавливают в каждом ультразвуковом канале И необходимую частоту возбуждения УЗП 16. Контроллер 23 выполняет роль адаптера, обеспечивая согласование магистралей управляющего процессора 1 с блоком 22 обработки команд управления. Для обеспечения полного ультразвукового контроля рельсов с целью выявления всех выявляемых ультразвуковым методом возможных дефектов по всему сечению рельсов количество ультразвуковых каналов 11 должно составлять в расчете на каждую нить рельсового пути преимущественно девять. При этом за счет большого динамического диапазона регистрируемых сигналов обеспечивается выявление дефектов на ранней стадии их развития. Магнитные каналы 17 принимают и преобразуют сигналы от МД 20. МД 20 фиксируют возмущение магнитного поля по всей поверхности катания головки рельса при перемещении МД 20 вдоль его продольной оси. При этом обеспечивается контроль изломов и сильно развитых дефектов, развивающихся от поверхности рельса или имеющих выход на поверхность рельса в случае проведения контроля способом остаточной намагниченности, а также подповерхностных дефектов в случае проведения контроля способом приложенного поля. Сигналы с МД 20 поступают на вход усилителей 19, где усиливаются, и поступают на вход аналого-цифровых преобразователей 18, имеющих динамический диапазон регистрируемых сигналов преимущественно 144 дБ, соответствующий разрядности двадцать четыре, что позволяет проводить магнитный контроль как способом остаточной намагниченности (низкий уровень амплитуд регистрируемых сигналов), так и способом приложенного поля (высокий уровень амплитуд регистрируемых сигналов). Далее данные с аналого-цифровых преобразователей 18 поступают в блок сбора информации 21, где архивируются, и затем поступают в блок 22 обработки команд управления и через контроллер 23 передаются в управляющий процессор 1. В управляющем процессоре 1 сигналы, инициированные как УЗП 16, так и МД 20, проходят обработку в блоке 5 формирования градиентного порога, где фильтруются по скорости нарастания передних фронтов полученных сигналов, а также по превышению амплитудой эхо-сигналов уровня шумовых сигналов на заданное значение. С блока 5 формирования градиентного порога сигналы с поправками, получаемыми с блока 6 управления параметрами ультразвукового контроля, поступают на блок 7 формирования развертки по амплитуде и блок 8 формирования развертки по пройденному пути. Блок 6 управления параметрами ультразвукового контроля обеспечивает возможность более точной идентификации параметров выявленных дефектов, при этом фиксируются время задержки в УЗП 16 и угол ввода (для сигналов от МД 20 этого не требуется). После этого посредством блока 9 вывода данных, в котором формируется графическое отображение полученных сигналов, сигналы выводятся на дисплей 10. Посредством блока 4 ввода и корректировки данных могут устанавливаться и регулироваться в ручном режиме основные параметры дефектоскопа в ультразвуковых каналах 11. При этом связь блока 4 ввода и корректировки данных с логарифмическими усилителями 12 с фиксированным усилением и бестрансформаторными генераторами 14 с ключевой схемой формирования ЗИ не непосредственно, а через контроллер 23 и блок 22 обработки команд управления, позволяет не только обеспечить первичную установку параметров последовательностей ЗИ, а и изменять ее в автоматизированном режиме с учетом получаемой информации в процессе контроля. Управление ультразвуковыми каналами 11 посредством блока 22 обработки команд управления с контроллером 23 и блоком 21 сбора информации позволяет программно задавать необходимые параметры по каждому ультразвуковому каналу 11 и управлять ими соответствующими командами управляющего процессора 1 в процессе контроля. В свою очередь, передача в управляющий процессор 1 получаемой с УЗП 16 по ультразвуковым каналам 11 и с МД 20 по магнитным каналам 17 пакета информации обо всех основных дефектах рельсов, через блок 21 сбора информации, блок 22 обработки команд управления и контроллер 23 позволяет оптимизировать выработку соответствующих команд управления управляющего процессора 1. Все это в целом обеспечивает высокую эффективность дефектоскопа при выявлении дефектов в рельсах. Таким образом, выполнение дефектоскопа для контроля рельсов в соответствии с описанной выше структурой, повышает его эксплуатационную эффективность.
Пример реализации. АО «Фирма ТВЕМА» (г. Москва) разработан и испытан многоканальный дефектоскоп для контроля рельсов «ЭХО-КОМПЛЕКС-3», выполненный в соответствии с полезной моделью. Количество ультразвуковых каналов 11 составляет восемнадцать, количество магнитных каналов 17 - два. В качестве логарифмического усилителя 12 с фиксированным усилением использована микросхема AD8310 (Analog Devices Inc.). В качестве бестрансформаторного генератора 14 с ключевой схемой формирования ЗИ использована микросхема MD1810 (Supertex Inc.). В качестве электронного коммутатора 15 использована микросхема MD0100 (Microchip Technology Inc.). Динамический диапазон регистрации сигналов ультразвуковых каналов 11 составил 76 дБ. Расчетная средняя наработка на отказ составила не менее 20000 часов. Дефектоскоп выполнен в корпусе с габаритами 480×280×90 мм. Дефектоскоп в составе вагона-дефектоскопа «СПРИНТЕР» прошел апробацию на ряде железных дорогах Российской Федерации и показал свою высокую эксплуатационную эффективность. Во всех случая дефектоскоп показал высокую надежность в работе, выделяя в качестве полезных исключительно сигналы от дефектов в рельсах и конструктивных отражателей, позволяя регистрировать наличие дефектов всех основных видов, в том числе на ранних стадиях их развития, и определять их величину и распределение по всему объему нитей рельсового пути за один проезд. По результатам испытаний дефектоскоп «ЭХО-КОМПЛЕКС-3» допущен для обслуживания железнодорожной инфраструктуры и метрополитена в Российской Федерации. Дефектоскоп «ЭХО-КОМПЛЕКС-3» обладает более высокой эксплуатационной эффективностью по сравнению с дефектоскопом предыдущей модификации «ЭХО-КОМПЛЕКС-2», выполненным в соответствии прототипом (RU 2686409 С1, 2019).
Дефектоскоп для контроля рельсов, выполненный в соответствии с полезной моделью, обладает более высокой эксплуатационной эффективностью по сравнению с известными аналогичными за счет повышения надежности его работы с одновременным расширением динамического диапазона регистрируемых сигналов в ультразвуковых каналах. Он позволяет с высокой надежностью и с высокой точностью за один проезд выявлять в многоканальном режиме в обеих рельсовых нитях по всему их сечению широкую номенклатуру дефектов, в том числе на ранней стадии их развития, влияющих на безопасность эксплуатации подвижного состава железных дорог и метрополитена.