СПОСОБ УЛЬТРАЗВУКОВОГО ОБНАРУЖЕНИЯ ПРОДОЛЬНЫХ ТРЕЩИН В ГОЛОВКЕ РЕЛЬСА
METHOD OF ULTRASONIC DETECTION OF LONGITUDINAL CRACKS IN A RAIL HEAD

Изобретение относится к области ультразвукового (УЗ) неразрушающего контроля железнодорожных рельсов и может быть использовано для обнаружения и оценки продольных трещин в головке рельса.
61% от всех обнаруживаемых за последние годы дефектов в рельсах на сети дорог ОАО «РЖД» составляют горизонтальные продольные трещины. Возникая на рабочей выкружке головки рельса протяженные горизонтальные контактно усталостные трещины, распространяются в глубь головки рельса по мере своего развития. Если учесть, что около 70% дефектов образуются в головке рельсов, то среди них 80% составляют продольные трещины и только 20% - поперечные трещины в головке. Эти цифры подтверждаются как нашими исследованиями, так и публикациями ВНИИЖТа.
Действующей нормативной документацией [1] по степени опасности рассматриваются две группы протяженных трещин в головке рельсов: с глубиной расположения от 2,0 до 8,0 мм (дефекты кодов 10, 11 и 12); и с глубиной расположения 8,0 мм и более от поверхности катания (кода 30.1-2). Последние, вне зависимости от длины и зоны расположения дефекта по длине рельса, относят к опасным (остродефектный рельс - ОДР) и подлежат замене без промедления. А подповерхностные продольные трещины (до 8,0 мм) относят к опасным только в том случае, когда их протяженность в зоне продольной оси рельса превышает 70 мм. Причем чем шире (поперек рельса) распространяется трещина, тем опаснее дефект.
Таким образом, задача обнаружения и измерения параметров продольных горизонтальных трещин в головке рельсов является актуальной. При этом весьма важно иметь возможность разделять их по глубине залегания: до и более 8,0 мм.
Анализ дефектограмм с указанными дефектами показывает, что существующие схемы прозвучивания, реализованные в современных дефектоскопах, не обеспечивают формирования четких и однозначных сигналов от искомых дефектов. В результате, своевременное обнаружение их затруднено и требует немалого опыта от расшифровщиков. Из 11 -12 ультразвуковых (УЗ) каналов дефектоскопических систем, только один канал с электроакустическим преобразователем (ЭАП) с углом ввода 0° (прямой преобразователь) с использованием продольных УЗ волн, предназначен для обнаружения рассматриваемых трещин.
Однако прямой преобразователь может выявлять только трещины «заходящие» в проекцию шейки (т.е. достаточно развитые). Кроме того, глубина залегания трещин (5 -15 мм) как правило, находится в «мертвой» зоне преобразователя, что препятствует получению четкого эхо-сигнала от первого отражения. Действительно, при использовании прямого ЭАП излучаются продольные волны со скоростью 5,9 мм/мкс, что приводит к попаданию эхо-сигнала от трещины в так называемую «мертвую» зону (эхо-сигнал попадает в зону действия зондирующего импульса) и невозможности, в большинстве случаев, оценки глубины залегания продольной трещины. Например, при залегании поперечной трещины на глубине h = 12 мм от поверхности катания рельса, временное положение эхо-сигнала от плоскости трещины t = (2 х 12)/5,9 = 4,1 мкс. На типовой частоте УЗ колебаний 2,5 МГц, применяемой при рельсовой дефектоскопии, длительность зондирующего импульса составляет около 4,0-5,0 мкс (10-12 периодов на излучаемой частоте). Из-за переходных процессов в протекторе ЭАП и в контактирующем слое, реальная длительность больше. В результате эхо-сигнал от трещины сливается с зондирующим импульсом.
Возможные отражения от краев трещин при наклонном вводе УЗ колебаний за счет формирования дифрагированных волн, как правило, имеют незначительные амплитуды и на рабочих чувствительностях дефектоскопа, на фоне неизбежных при практическом контроле шумов (помех), фиксируются неуверенно.
В основном, обнаружение продольных горизонтальных расслоений осуществляется только благодаря многократным преотражениям УЗ колебаний от плоскости трещины и внутренней поверхности катания рельса. Однако, как показывают результаты принудительных доломов рельсов с рассматриваемыми трещинами, многие из них трудно назвать «горизонтальными», т.к. в процессе развития трещины от рабочей выкружки вглубь сечения головки они приобретают определенный наклон (10° - 20°) относительно горизонтали. В результате сигналы, отраженные от плоскости трещины, не возвращаются к излучающе-приемному ЭАП.
Анализ показывает, что в действующих схемах прозвучивания современных дефектоскопов и комплексов отсутствуют эффективные схемы и методы, позволяющие надежно и однозначно обнаруживать продольные трещины в головке рельсов, составляющие более половины из всех обнаруживаемых опасных дефектов на сети дорог ОАО «РЖД».
Большинство известных ультразвуковых (УЗ) способов обнаружения дефектов в головке рельсов, ориентированы на обнаружение поперечных трещин (в зарубежных патентах трещин «овальной формы») [2-5], (в российских - дефекты кодов 21,1-2; 20; 24 и 26.3 [1]) [6-7].
Таким образом, создалась парадоксальная ситуация. Все усилия разработчиков и изобретателей в последние годы, как в России, так и за рубежом, в основном были направлены на выявление поперечных трещин головки, которые в настоящее время составляют всего лишь 10-20% из всех обнаруживаемых дефектов в головке. В тоже время, наиболее массовые дефекты в виде продольных горизонтальных трещин известными способами обнаруживаются неуверенно, что приводит как к пропуску опасных дефектов, так и к перебраковке исправных рельсов.
Известны УЗ способы обнаружения поверхностных микротрещин [8-10], зарождающихся в зоне контакта колес подвижного состава с поверхностью катания головки рельса (со стороны рабочей грани) и, впоследствии распространяющихся по поверхности до середины головки и далее. Известные способы не позволяют надежно обнаруживать и однозначно определять степень развития продольных трещин, распространяющихся вглубь головки рельса.
Наиболее близким, принятым за прототип техническим решением, является способ УЗ обнаружения микротрещин на поверхности катания головки рельсов по патенту [11], заключающийся в том, что с поверхности катания зеркально относительно плоскости поперечного сечения рельса вводят УЗ колебания, направленные вдоль рельса под определенными углами, линейкой приемных ЭАП, расположенных в колесных преобразователях, принимают пере отраженные от нижней выкружки головки рельса УЗ колебания, с учетом сигналов, полученных приемными преобразователями в линейках и дополнительным ЭАП, осуществляющим ввод и прием УЗ колебаний поперек головки в направлении нижней выкружки рабочей грани головки рельса, судят о наличии и степени развития микротрещин на поверхности катания рельса. При реализации известного способа, в основном, используют теневой метод УЗ контроля, при котором ослабление прошедших через головку рельса по наклонной траектории вдоль рельса с переотражениями от нижней плоскости головки УЗ колебаний свидетельствует о наличии препятствий в виде микротрещин на пути их распространения. Дополнительный ввод и прием УЗ колебаний поперек головки рельса предназначен для контроля положения УЗ системы относительно продольной оси рельса и качества акустического контакта между поверхностью катания и ЭАП излучающей системы.
Недостатками известного способа являются:
- низкая достоверность контроля, вызванная невозможностью определения глубины залегания продольных трещин, так как в основу известного способа положен теневой принцип обнаружения микротрещин. Кроме того, при высоких скоростях контроля (больших оборотах вращения колес) в иммерсионной жидкости внутри колеса возникают пузырьки воздуха, создающие значительный уровень акустических помех и дополнительно снижающих достоверность контроля;
- низкая производительность контроля, вызванная ограниченной скоростью сканирования. В известной схеме используется наклонный ввод УЗ колебаний, направленных под некоторым углом вдоль головки рельса. При этом время пробега УЗ колебаний от излучателя до приемных преобразователей составляет более 100 мкс. В колесном ЭАП, к времени пробега УЗ колебаний в контролируемом рельсе добавляется время пробега в иммерсионной жидкости в колесе. При этом суммарное время распространения УЗ колебаний от излучателя (через сечение головки рельса) до приемников оказывается значительным, что не позволяет повысить частоту посылок УЗ колебаний и ограничивает скорость сканирования.
- трудности реализации, требующей применения сложной излучающе-приемной системы, состоящей из излучающих ЭАП скольжения и линеек приемных ЭАП, размещенных в двух колесах с упругой оболочкой, заполненных жидкостью, пропускающей УЗ колебания.
Задачами, решаемыми заявляемым способом, является повышение достоверности и производительности контроля головки рельсов при одновременном упрощении реализации способа.
Для решения поставленных задач, в способе ультразвукового обнаружения продольных трещин головки рельса, заключающемся в том, что на поверхность катания рельса устанавливают первый электроакустический преобразователь, ориентированный попрек головки рельса на нижнюю выкружку головки со стороны рабочей грани с возможностью приема от нее отраженных сигналов, перемещают преобразователь вдоль рельса с определенной скоростью, периодически излучают ультразвуковые колебания, принимают отраженные от нижней выкружки головки со стороны рабочей грани рельса эхо-сигналы, анализируют амплитуду принятых сигналов, дополнительно принимают отраженные от нижней и верхней плоскостей продольной трещины эхо-сигналы, зеркально первому устанавливают второй электроакустический преобразователь, направленный на нижнюю выкружку со стороны нерабочей грани головки рельса, и функционирующий аналогично первому, совместно с первым преобразователем второй преобразователь перемещают вдоль рельса, оценку глубины залегания и степени развития продольной трещины производят на основе анализа амплитуд и временного положения последовательно поступающих, по мере перемещения преобразователей, эхо-сигналов от трещины и уровней амплитуд эхо-сигналов от нижних выкружек головки рельса, кроме того, периоды излучения ультразвуковых колебаний преобразователями выбирают исходя из требуемой разрешающей способности оценки размеров продольных трещин и скорости их перемещения.
Основная идея заявляемого способа - одновременная реализация эхо- и зеркально-теневого методов УЗ контроля [12] для оценки параметров продольной трещины в головке рельсов. В процессе перемещения вдоль рельса двух зеркально ориентированных поперек головки рельса наклонных ЭАП, трещину последовательно озвучивают сверху и снизу его плоскости. По принятым эхо-сигналам от трещины (эхо-метод) и анализу амплитуд эхо-сигналов от нижних выкружек головки рельса (зеркально-теневой метод) судят о параметрах (глубине залегания, ширине трещины в плане и протяженности по длине рельса) искомой трещины.
Техническим результатом использования заявляемого способа является повышение достоверности и производительности контроля головки рельсов при одновременном упрощении реализации способа.
Существенными отличиями заявляемого способа по сравнению с прототипом являются следующие действия.
1. Двумя ЭАП, ориентированными в стороны нижних выкружек рабочей и нерабочей граней поперек головки рельса, принимают отраженные от нижней и верхней плоскостей продольной трещины эхо-сигналы. В прототипе прием эхо-сигналов от плоскостей продольной горизонтальной трещины не предусмотрен.
2. Устанавливают второй электроакустический преобразователь, излучающий ультразвуковые колебания поперек головки рельса в сторону нижней выкружки нерабочей грани головки рельса, принимают отраженные от нее эхо-сигналы. В прототипе используется только один ЭАП, ориентированный поперек рельса в сторону нижней выкружки головки рельса со стороны рабочей грани. Он в основном предназначен для оценки акустического контакта и положения системы относительной продольной оси рельса.
3. По временным положениям эхо-сигналов на каждом из ЭАП, принятыми со стороны нижней, и с верхней поверхностей трещины, оценивают глубину залегания трещины. В прототипе такой анализ не предусмотрен.
4. Заключение о глубине залегания и степени развития продольной трещины производят с учетом эхо-сигналов, отраженных от плоскостей продольной горизонтальной трещины и уровня амплитуд эхо-сигналов (амплитудных огибающих) от нижних выкружек головки рельса. Использование для анализа амплитудных огибающих с двух ЭАП, фиксация ослабления амплитуд сигналов от нижних выкружек головки продольной трещиной в разных сечениях, позволяет более полно отобразить размер и положение трещины в проекции головки и по длине рельса. Это позволяет однозначно оценить контур трещины.
Оценка глубины залегания трещины в прототипе не рассматривается, а контур трещины определяется только на основе теневого метода, практически до половины поверхности (со стороны рабочей грани) катания рельса. Это не удовлетворяет требования даже отечественной нормативной документации (менее строгой, чем европейской), предусматривающей определение параметров путем разделения как минимум на две градации («узкая» и «широкая» трещина).
5. Периоды излучения УЗ колебаний преобразователями выбирают, исходя из скорости их перемещения и требуемой разрешающей способности оценки размеров продольной трещины, что позволяет сократить количество измерений и объем сохраняемой информации при малых скоростях перемещения ЭАП без ухудшения качества работ. При больших скоростях, благодаря короткому пути пробега УЗ колебаний в поперечном сечении головки рельса, удается получить требуемую разрешающую способность оценки дефекта. Этот фактор особенно важен для диагностических комплексов, контролирующих рельсы в широком диапазоне скоростей сканирования (например, от 0 до 80 км/ч), где суммарный поток информации, получаемый от всех измерительных датчиков значителен.
В прототипе вопрос о периодичности измерений не рассматривается.
Между совокупностью существенных признаков заявляемого способа и достигаемым техническими результатами существует причинно-следственная связь, а именно:
- установка второго ЭАП, прием отраженных от нижней и верхней плоскостей трещины эхо-сигналов, оценка глубины залегания и степени развития продольной трещины на основе анализа амплитуд и временного положения последовательно поступающих по мере перемещения преобразователей эхо-сигналов от трещины и уровня амплитуд эхо-сигналов от нижних углов головки рельса повышает достоверность контроля головки рельсов;
- использование для обнаружения и оценки продольных горизонтальных трещин двух ЭАП, ориентированных поперек головки рельса позволяет заметно сократить время пробега УЗ колебаний в сечении головки рельса и реализовать более высокую частоту посылок зондирующих импульсов, а значит, повысить скорости перемещения ЭАП по поверхности головки рельса и, в конечном счете, повышает производительность контроля рельсов;
- повышение достоверности и производительности контроля головки рельса путем использования всего лишь двух наклонных ЭАП существенно упрощает реализацию способа, а выбор периодов излучения УЗ колебаний преобразователями исходя из скорости перемещения и требуемой разрешающей способности оценки продольных трещин позволяет сократить количество измерений и объем сохраняемой информации при малых скоростях перемещения ЭАП без ухудшения достоверности и также упрощает реализацию способа.
На Фиг. 1 приведен процесс последовательного озвучивания продольной трещины в трех проекциях:
где 1 - головка контролируемого рельса с рабочей (G - gauge corner) и нерабочей (F - field corner) гранями;
2- продольная трещина;
3- первый электроакустический преобразователь (ЭАП);
4- второй ЭАП;
I, II, III, IV и V - сечения головки рельса при развитии продольной трещины и разных положениях ЭАП по мере перемещения их по поверхности катания головки рельса.
На Фиг. 2 - показаны формирования сигналов на ЭАП 3 и 4 при разной степени развития продольной трещины в головке рельса, соответствующие сечениям I, II, III, IV и V на Фиг. 1, где:
5 и 6 - оси диаграммы направленности ЭАП 3 и 4, направленные на нижние углы рабочей (AG - angle gauge) и нерабочей (AF - angle field) граней головки рельсов соответственно;
7 и 8 - крайние лучи УЗ пучков ЭАП 3 и 4.
Фиг. 3 - эхо-сигналы на развертке типа А от разных точек головки рельса с продольной трещиной, где:
на Фиг. 3а - эхо-сигналы на ЭАП 3 со стороны рабочей грани:
- CG (crack, gauge corner) от нижней плоскости трещины, полученный путем переотражения УЗ лучей от нижней плоскости головки со стороны рабочей грани до нижней плоскости трещины и обратно через нижнюю плоскость головки до ЭАП;
AG - сигнал от нижней выкружки головки;
TCG - (top of crack, gauge corner) сигнал от верхней плоскости трещины и острого угла между трещиной и верхней выкружкой головки рельса;
ТС - (top of crack) возможный эхо-сигнал от плоскости трещины, непосредственно под ЭАП 3 (полученный прямым, без переотражений, УЗ лучом).
На Фиг. 3б сигналы на ЭАП 4 со стороны нерабочей грани головки рельса:
AF - эхо-сигнал от нижнего угла головки;
TCF - (top of crack, field corner) сигнал от верхней плоскости развитой продольной трещины, пересекающей всю ширину головки, и острого угла между трещиной и верхней выкружкой головки рельса со стороны нерабочей грани.
ТС - возможный эхо-сигнал от плоскости трещины непосредственно под ЭАП 4.
На Фиг. 3 а и б поз. 9 и 10 - пороговые уровни для фиксации уровня амплитудных огибающих сигналов от нижних выкружек головки на ЭАП 3 и 4 соответственно;
11 - зона временной селекции (стробирующий импульс).
На Фиг. 4 - показано поведение амплитудных огибающих эхо-сигналов от нижних выкружек головки рельса при сканировании продольной трещины 2, показанной на Фиг. 1, где:
12 и 13 - амплитудные огибающие сигналов от ЭАП 3 и 4 соответственно, формирующиеся по значения амплитуд сигналов от нижних выкружек головки рельса по мере перемещения ЭАП вдоль рельса;
4
ΔL3 и ΔL - протяженности участков снижения уровней огибающих сигналов от нижних выкружек головки ниже пороговых уровней 9 и 10 (см. Фиг. 3), в процессе перемещения ЭАП вдоль рельса на примере продольной трещины 2, изображенной на Фиг. 1.
На Фиг. 5 - приведены примеры реальных поперечных трещин разных степеней развития в головке рельса, обнаруженные предлагаемым способом:
а - трещина не пересекает продольную ось рельса; б - трещина пересекает продольную ось; с - трещина пересекает всю ширину головки рельса.
На Фиг. 6 - показаны: на Фиг 6а - сигналы на развертке типа В, полученные при сканировании головки рельса типа Р 65 с реальной продольной трещиной весьма сложной конфигурации; на Фиг 6б - эти же сигналы на развертке типа А (по аналогии Фиг. 3).
Рассмотрим возможность реализации заявляемого способа.
С поверхности катания рельса 1 с продольной трещиной 2 симметрично продольной оси рельса с помощью наклонных ЭАП 3 и 4 поперек головки рельса излучают УЗ колебания в стороны нижних выкружек головки рельса рабочей (AG - angle gauge) и нерабочей (AF - angle field) граней головки рельсов соответственно (Фиг. 1). Отраженные от нижних выкружек эхо-сигналы принимаются соответствующими ЭАП 3 и 4. При отсутствии продольной трещины 2, УЗ лучи, переотраженные от нижних углов AG и AF головки рельса 1, уверенно формируют эхо-сигналы примерно одинаковой амплитуды (см. Фиг. 3). При наличии трещины 2 в начальной стадии развития (в данном случае от 5 до 10 мм), часть лучей УЗ пучка ЭАП 3, переотражаясь от нижней плоскости головки со стороны рабочей грани попадают на плоскость трещины 2 снизу (Фиг. 2 - I). За счет отражений от нижней плоскости трещины 2 и, в основном, от уголкового отражателя, образованного плоскостью трещины и боковой поверхностью головки рельса, образуется уверенный эхо-сигнал CG (см. Фиг. 3а) на ЭАП 3. По временному положению этого эхо-сигнала CG относительно зондирующего импульса ЕР (emission pulse) возможно весьма точно определить глубину залегания места зарождения трещины относительно поверхности катания (Фиг. 3а).
По мере развития продольной трещины 2 плоскость трещины в большей степени перекрывает УЗ пучок от ЭАП 3 (Фиг. 2 - II). При этом сигнал от нижней плоскости трещины 2 еще поступает на ЭАП 3, но амплитуда эхо-сигнала AG уже становится ниже порогового уровня 9 (Фиг. 3а). Одновременно, за счет отражений от верхней плоскости трещины, появляются сигналы от уголкового отражателя, сформированного плоскостью трещины и верхней выкружкой головки рельса: сигнал TCG (см. Фиг. 2 - II). Благодаря преимущественной ориентации типичной продольной трещины (см. Фиг. 1, 2 и 6) с некоторым наклоном относительно горизонтали (см. Фиг 5), возможно также появление эхо-сигнала ТС (Фиг. 3а) от плоскости трещины, сформированного прямым (без многократных переотражений) лучом. Временное положение которого на развертке типа А позволяет определить глубину залегания плоскости трещины внутри головки рельса (Фиг. 2 - III).
При дальнейшем развитии трещины 2, УЗ пучок полностью перекрывается плоскостью трещины, и сигналы AG и CG от нижнего угла головки рельса и нижней плоскости трещины перестают приниматься ЭАП 3. На ЭАП 3 будет присутствовать только сигналы с верхней плоскости трещины TCG и ТС (Фиг. 3а).
По мере распространения трещины 2 в сторону нерабочей грани F, прерывается и эхо-сигнал AF от нижнего угла головки со стороны нерабочей грани (Фиг. 2 - IV). В дальнейшем, по мере пересечения трещиной всей ширины головки, на ЭАП 4 появляется сигнал TCF от верхней плоскости развитой продольной трещины и острого угла между трещиной и верхней выкружкой головки рельса со стороны нерабочей грани. Возможно также появление на ЭАП 4 эхо-сигнала ТС от плоскости трещины сформированного прямым лучом, по временному положению которого можно дополнительно уточнить глубину залегания трещины 2.
Как известно, угловые отражатели при любой локации (гидроакустической, радио- и акустической, для данного случая), являются наиболее эффективными отражателями, формирующими четкие эхо-сигналы. Поэтому эхо-сигналы от уголковых отражателей, образованных верхней плоскостью трещины и стенкой рабочей и нерабочей выкружек (эхо-сигналы CG и CF на Фиг. 2) будут четко и однозначно фиксироваться ЭАП 3 и 4.
Так как временные положения рассмотренных выше ожидаемых сигналов, с допуском на износ головки рельса и вероятного положения искомой трещины, предварительно могут быть рассчитаны, то для их приема можно сформировать заранее рассчитанные временные зоны 11 (зоны временной селекции) с учетом типа и геометрии рельсов (на Фиг. 3 показана только для сигнала CG, для остальных сигналов на ЭАП 3 и 4 - аналогично).
Рассмотренные варианты формирования сигналов при разных степенях развития продольной трещины можно свести в таблицу
Как видно из Фиг. 1 - 3 и таблицы, по совместному анализу сигналов от нижних выкружек головки рельсов и эхо-сигналов, сформированных от трещины 2, можно однозначно судить о степени развития искомой трещины по ширине головки рельса 1. В каждом из рассматриваемых случаев (сечения I, II, III, IV и V) дефект фиксируется тремя - четырьмя сигналами и их сочетания не повторяются, что свидетельствует о возможности распознавания трещин разной степени развития с высокой достоверностью. В данном описании рассматриваемые сечения I - V приведены для упрощения понимания сути способа. При практической реализации, этот анализ можно производить в каждом цикле излучения - приема УЗ сигналов.
AS
Дополнительно протяженности трещин по длине рельса можно определить по длительности ΔL3 и ΔL4 пропадания (амплитуды U эхо-сигналов AG и AF от нижних выкружек головки ниже пороговых уровней 9 и 10 на Фиг. 3) путем анализа амплитудных огибающих 12 и 13 на ЭАП 3 и 4 соответственно (Фиг. 4).
Очевидно, что по временным положениям эхо-сигналов с нижней поверхности (CG) и от верхней плоскости (TCG, ТС3 ТС4 и TCF) трещины 2, при известной скорости распространения УЗ колебаний в металле рельса 1, можно однозначно, по известным выражениям, определить глубину залегания трещины относительно поверхности катания. Причем, практически на любой стадии развития. Таким образом, анализируя сигналы, получаемые в процессе последовательного перемещения преобразователей вдоль рельса с определенной скоростью, можно получить полный образ продольной трещины в головке рельса.
Благодаря совокупности существенных признаков заявляемого способа (дополнительное излучение УЗ колебаний поперек головки в сторону нижнего угла нерабочей грани головки рельса, прием эхо-сигналов от нижней и верхней плоскостей трещины, совместный анализ эхо-сигналов от трещины и огибающей сигналов от нижних углов головки), удается не только получить образ продольной трещины, но и классифицировать их по степени опасности в соответствии с действующими нормативными документами европейских стран [13] и ОАО «РЖД» [1] (см. две нижние строки табл.).
В последних двух столбцах таблицы показано, что по наличию эхо-сигналов от нижних углов головки рельса можно контролировать и стабильность акустического контакта под системой из ЭАП 3 и 4 (контакт есть/контакта нет).
Следует обратить внимание, что при реализации предлагаемого способа используется наклонный (в зависимости от типа и конфигурации головки рельса, под углом от 30° до 70°) ввод и излучаются сдвиговые (поперечные) УЗ колебания со скоростью распространения в металле 3,26 мм/мкс. При этом временное положение эхо-сигнала от верхней плоскости трещины, при рассмотренных выше для прямого ЭАП условиях (h=12 мм), составляет уже более 9,0 мкс. Это обеспечивает четкое временное разделение эхо-сигнала от трещины и зондирующего импульса, предоставляя возможность измерения временного интервала между ними.
2
3
4
Пороговые уровни 9 и 10 (Фиг. 3) подбираются так, чтобы длительности пропадания эхо-сигналов от нижних углов при наезде на трещину (амплитуды сигналов AG и AF ниже порогов), при отображении сигналов контроля на развертке типа В [12] практически соответствовали протяженности продольной горизонтальной трещины L в сканируемых сечениях (см. Фиг. 6). При преимущественном развитии продольных трещин со стороны рабочей грани головки рельса, как правило, наблюдается большая длительность уменьшения сигнала от нижнего угла на ЭАП 3, чем на ЭАП 4. Практически всегда выполняется условие ΔL ≥ ΔL (Фиг. 4), что может быть дополнительным признаком продольной горизонтальной трещины.
На Фиг. 1 конфигурация трещины 2 приведена в качестве примера. На практике, распространение трещины от точки повреждения на рабочей выкружке может происходить не только в одну сторону, но и в другую, или же, одновременно в обе стороны вдоль рельса от начальной точки. Принцип обнаружения и оценки параметров трещины при этом не меняется и соответствует существенным признакам заявляемого способа.
2
Обработку сигналов как по обнаружению и оценке трещин, так и по соблюдению качества выполнения контроля по приведенной выше последовательности (алгоритму) можно проводить как визуально, так и в автоматизированном режиме. При скоростном контроле предпочтителен автоматизированный вариант на бортовом компьютере и представление сигналов на развертке типа В (Фиг. 6, для примера, приведено изображение сигналов только от одного ЭАП 3). Как видно, даже анализируя сигналы только от одного ЭАП можно получить наглядное отображение весьма сложной продольной трещины в головке рельса: протяженность L искомой трещины 2 (Фиг. 1) в сканируемом сечении ЭАП 3; временные положения эхо-сигналов от (см. Фиг. 6б) нижней плоскости трещины снизу CG и верхних плоскостей трещины TCG и ТС. По этим временным положениям можно проследить развитие трещины по глубине в каждом сечении (на Фиг. 6б - условные сечения 3, 4, 5 и 6). Анализ аналогичной развертки типа В на ЭАП 4 на развертке типа В (на Фиг. не показана), также синхронизированной со скоростью перемещения ЭАП, позволяет дополнить информацию о параметрах дефекта в части головки с нерабочей стороны головки рельса.
Как видно из Фиг. 3, и расчетов по известным выражениям, временные положения самых дальних сигналов от зондирующего импульса в рассматриваемом способе не превышают 50 мкс. При двойном коэффициенте запаса, период Т излучения зондирующих импульсов можно принят равным 100 мкс, что соответствует частоте F посылок зондирующих импульсов равной F=1/Т=10 кГц. При такой частоте посылок, даже недостигнутой в настоящее время скорости сканирования 120 км/ч, интервал озвучивания сечения рельса будет происходить через каждые 3,3 мм, что вполне достаточно для надежного обнаружения продольных трещин и оконтуривания их площади (формирования образа дефекта). Безусловно, это способствует значительному повышению производительности контроля рельсов. В тоже время, при меньших скоростях сканирования, без потери информации можно уменьшить частоту посылок зондирующих импульсов синхронно с изменением скорости сканирования. Это позволит уменьшать поток обрабатываемой информации при снижении скорости перемещения преобразователей.
При реализации способа возможно использование ЭАП как на основе пьезоэлектрических преобразователей, так и на основе электромагнитно-акустического (ЭМА) возбуждения УЗ колебаний.
Размещение ЭАП на поверхности катания относительно продольной оси головки рельса можно выполнить разными способами:
- в одном поперечном сечении головки, когда каждый наклонный ЭАП находится на той же стороне от продольной плоскости головки, что и озвучиваемый им нижняя выкружка головки рельса (как показано на Фиг. 1 и 2);
- в одном поперечном сечении головки, когда наклонный ЭАП находится на противоположной стороне от продольной плоскости головки, относительно озвучиваемый им нижнего угла головки рельса. Однако, при этом возможны акустические помехи, вызванные взаимным влиянием ЭАП друг на друга;
- в двух сечениях, смешенных относительно друг друга в продольном направлении рельса, реализуя первый или второй способ. При известном расстоянии между ЭАП 3 и ЭАП 4 вдоль рельса, и известной скорости их совместного перемещения, обработку сигналов (анализ сигналов по вышеприведенным алгоритмам) необходимо осуществить, приведя анализируемые сигналы к единому сечению контролируемого рельса.
Предложенный способ обнаружения продольных трещин, как отмечено выше, в основном направлен на обнаружение и оценке параметров трещин, имеющих преимущественно горизонтальную ориентацию (с некоторым наклоном относительно к горизонту). Автору на момент подготовки заявки не известны способы, решающую данную задачу. В тоже время предлагаемый способ позволяет обнаруживать и продольные трещины вертикальной ориентации (дефекты кода 31 по [1]), на обнаружение которых направлены известные технические решения (см., в частности, [14]), тем самым дополняя и расширяя их возможности. При расположении вертикальной трещины в боковой части головки рельса со стороны рабочей грани, уменьшается амплитуда эхо-сигнала AG от нижнего угла со стороны рабочей грани, но амплитуда сигнала AF со стороны нерабочей грани остается неизменной (близкой к максимуму). А при нахождении вертикальной трещины в боковой части головки со стороны нерабочей грани - наоборот.
Таким образом, заявляемый способ позволяет:
- обнаруживать участки рельсов с продольными внутренними трещинами;
- определять размеры трещин, как по ширине, так и вдоль головки рельса;
- определять глубины залегания продольных трещин горизонтальной ориентации;
- оценивать качество акустического контакта под преобразователями;
- повысить частоту посылок зондирующих импульсов, способствуя повышению скорости контроля.
Способ может быть реализован, позволяет повышать достоверность и производительность контроля с одновременным упрощением реализации технического решения на практике. Надежное обнаружение наиболее массовых продольных трещин в головке рельса с возможностью из классификации по размеру (в плане) и глубине залегания, позволяет своевременно принять меры по их устранению и предотвратить катастрофические последствия на железнодорожном транспорте.
Источники информации
1. Инструкция «Дефекты рельсов. Классификация, каталог и параметры дефектных и остродефектных рельсов» Утв. ОАО «РЖД» распоряжением №2499 р от 23.10.2014. - 140 с.
2. US 4700574.
3. US 6055862.
4. US 5777891.
5. WO 2009140446.
6. RU 2060493.
7. RU 2184374.
8. RU 2308027.
9. RU 2545493.
10. RU 2613574.
11. RU 2652511.
12. Марков A.A., Кузнецова E.A. Дефектоскопия рельсов. Формирование и анализ сигналов. Книга 1. Основы. - СПб.: КультИн-формПресс, 2010. 290 с.
13. S. L. Grassie. International Railway Journal, 2001, №1, p. 13-17.
14. US 20130152691.