УСТРОЙСТВО ДЛЯ ДЕФЕКТОСКОПИИ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНЫХ РЕЛЬСОВ

Полезная модель относится к неразрушающему контролю материалов и может быть использована для сплошного, выборочного и вторичного ультразвукового контроля всего сечения и подошвы одновременно двух нитей рельсов, уложенных в путь, в условиях умеренного климата, а также в условиях низких температур и высоких скоростей.
Известно устройство ультразвукового обнаружения дефектов в головке рельса, которое содержит дна наклонных ультразвуковых преобразователя, установленных симметрично относительно продольной оси на поверхности катания головки рельса и перемещаемых с постоянной скоростью вдоль рельса. Пара преобразователей осуществляет поочередное импульсное излучение ультразвуковых колебаний пол, углом 60°-80° к поверхности катания в стороны боковых граней головки рельса под углами 10°-25° относительно продольной оси рельса. При наличии в головке рельса "смещенных овальных поперечных трещин" указанными преобразователями осуществляют прием эхо-сигналов и по их временному положению оценивают местоположение (в левой или в правой боковой части головки) и примерную ориентацию трещины (см. US 4700754, G  01 N 29/04, 20.10.1987)
Недостатками известного устройства являются низкая надежность и достоверность контроля, вызванная тем. что оно не позволяет обеспечивать прозвучивание всего сечения головки рельса. Это вызвано тем, что формируемые преобразователями ультразвуковые лучи после переотражения от нижней поверхности (нижней "полки") головки рельса продолжают распространяться по боковым частям головки практически параллельно продольной оси (вдоль рельса) не пресекая ось симметрии рельса. По этой причине отсутствуют эхо-сигналы от поперечных трещин под поверхностью катания на продольной оси рельса. В тоже время указанные трещины являются весьма опасными, быстро развивающимися под динамическим воздействием колес проходящих поездов. Кроме того, в
известном устройстве пары наклонных преобразователей размещены с противоположных сторон "средней плоскости симметрии рельса", что обуславливает значительные габариты системы из двух преобразователей в поперечном рельсу направлении.
Анализ эхо-сигналов от искомых дефектов в известном устройстве осуществляется в двух временных зонах, соответствующих озвучиванию плоскости дефекта прямым ультразвуковым лучом (от преобразователя до нижней плоскости головки рельса) и однократно-отраженным лучом (при распространении луча от нижней плоскости до поверхности катания). Из-за особенностей выбранной схемы прозвучивания в известном устройстве эхо-сигналы от дефектов, залегающих под поверхностью катания на продольной оси рельса, не анализируются, что обуславливает пропуск дефектов определенной конфигурации и дополнительное снижение надежности и достоверности контроля.
Устройство ультразвукового обнаружения дефектов в головке рельса, принятое в качестве прототипа, содержит систему из двух наклонных электроакустических преобразователей, развернутых под острыми одинаковыми углами относительно продольной оси рельса к противоположным боковым граням головки рельса. 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 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 его ориентации внутри головки рельса. Причем при анализе сигналов принимают во внимание все сигналы, поступившие на преобразователи.
Для упрощения анализа эхо-сигналов, последующей автоматизации процесса расшифровки сигналов 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.
К недостаткам известного устройства следует отнести невозможность осуществления контроля всего объема рельса, поскольку используемая схема прозвучивания позволяет обеспечить надежный и достоверный ультразвуковой контроль только головки рельсов. Кроме того, устройство позволяет осуществлять контроль одной нити железнодорожного пути, либо одиночно лежащих рельсов или других длинномерных изделий.
Технический результат заключается в создании устройства для дефектоскопии двух нитей железнодорожного пути с обеспечением контроля всего сечения рельса, включая подошву рельса в условиях низких температур и высоких скоростей.
Технический результат достигается тем, что устройство для дефектоскопии железнодорожных рельсов содержащее первый акустический блок, генераторный
блок, состоящий из генераторов зондирующих импульсов с разными несущими частотами, блок синхронизации, первый многоканальный усилительный блок, первый блок обработки информации и блок индикации, причем вход синхронизации генераторного блока и вход синхронизации блока обработки информации соединены с выходами блока синхронизации, снабжено регистратором, вторым акустическим блоком, вторым многоканальным усилительным блоком и вторым блоком обработки информации, блок индикации выполнен многоканальным, а генераторный блок снабжен дополнительными генераторами зондирующих импульсов с разными несущими частотами, при этом каждый акустический блок состоит из комбинированных электромагнитно - акустических преобразователей, обеспечивающих формирование сдвиговых поляризованных ультразвуковых колебаний с вводом по нормали к поверхности рельса и под углом 36°-50°, 58°-75° и формирование низкочастотных SH ультразвуковых колебаний, выходы генераторов зондирующих импульсов генераторного блока подключены к излучающим катушкам комбинированных электромагнитно - акустических преобразователей первого и второго акустических блоков, а их приемные катушки подключены к входам каналов соответственно первого и второго многоканальных усилительных блоков, выходы которых соединены с информационными входами соответственно первого и второго блока обработки информации, к выходам которых подключены входы многоканального блока индикации и регистратора, входы синхронизации второго блока обработки информации и многоканального блока индикации соединены с соответствующими выходами блока синхронизации.
На рис.1 представлена функциональная схема устройства для дефектоскопии железнодорожных рельсов.
Устройство для дефектоскопии железнодорожных рельсов содержит первый акустический блок 1, состоящий из комбинированных электромагнитно - акустических преобразователей 2 и 3, обеспечивающих формирование сдвиговых поляризованных ультразвуковых колебаний с вводом по нормали к поверхности рельса и под углом 36°-50°, 58°-75° и электромагнитно - акустического преобразователя 4, обеспечивающего формирование низкочастотных SH ультразвуковых колебаний, второй акустический блок 5, состоящий из
комбинированных электромагнитно - акустических преобразователей 6 и 7, обеспечивающих формирование сдвиговых поляризованных ультразвуковых колебаний с вводом по нормали к поверхности рельса и под углом 36°-50°, 58°-75° и электромагнитно - акустического преобразователя 8, обеспечивающего формирование низкочастотных SH ультразвуковых колебаний, генераторный блок 9, состоящий из генераторов 10, 11, 12, 13, 14 и 15 зондирующих импульсов с разными несущими частотами, выходы генераторов 10, 11, 12, 13, 14 и 15 зондирующих импульсов генераторного блока 9 подключены к излучающим катушкам соответствующих комбинированных электромагнитно - акустических преобразователей 2, 3, 4 и 6, 7, 8, приемные катушки электромагнитно - акустических преобразователей 2, 3, 4 подключены к входам каналов первого многоканального усилительного блока 16, а приемные катушки электромагнитно - акустических преобразователей 6, 7, 8 подключены к входам каналов второго многоканального усилительного блока 17, выход первого многоканального усилительного блока 16 соединен с информационными входами первого блока 18 обработки информации, а выход второго многоканального усилительного блока 17 соединен с информационными входами второго блока 19 обработки информации, выходы первого блока 18 обработки информации и второго блока 19 обработки информации подключены к входам многоканального блока 20 индикации и регистратора 21, блок 22 синхронизации подключен к входам синхронизации генераторного блока 9, блоков 18, 19 обработки информации и многоканального блока 20 индикации.
Устройство для дефектоскопии железнодорожных рельсов работает следующим образом.
Контроль рельсов двух нитей железнодорожного пути осуществляется посредством двух акустических блоков 1 и 5. Генераторы 10, 11 и 12 вырабатывают для первого акустического блока 1, а генераторы 13, 14 и 15 вырабатывают для второго акустического блока 5 зондирующие импульсы заданной длительности и амплитуды с разными несущими частотами. В частности, несущие частоты для генераторов 10, 11 (13, 14) могут быть выбраны равными 1 Мгц и 2 Мгц, а в генераторе 12 (15) используются низкочастотные SH колебания.
Синхроимпульсы с блока 22 синхронизации поступают на вход синхронизации генераторного блока 9. Запуск блока 22 синхронизации может осуществляться импульсами от датчика пути и скорости (на чертеже не показано). Сформированные зондирующие импульсы с заданными параметрами поступают в излучающие катушки электромагнитно - акустических преобразователей 2, 3, 4 и 6, 7, 8 первого и второго акустических блоков 1 и 5, которые обеспечивают возбуждение ультразвуковых колебаний одновременно в рельсах двух нитей железнодорожного пути. Ввод сдвиговых поляризованных ультразвуковых колебаний осуществляется по нормали к поверхности рельса и под углом 36-50°. 58°-75°. Формирование ультразвуковых низкочастотных SH колебаний для контроля подошвы рельса осуществляется с помощью электромагнитно - акустических преобразователей 4 и 8. Излученные ультразвуковые колебания отражаются от неоднородностей металла или подошвы рельса и принимаются приемными катушками этих же электромагнитно - акустических преобразователей 2, 3, 4 и 6, 7, 8. Принятые отраженные импульсы с электромагнитно - акустических преобразователей 2, 3, 4 и 6, 7, 8 поступают на входы каналов соответственно первого многоканального усилительного блока 16 и второго многоканального усилительного блока 17, где они усиливаются до заданного значения и далее поступают соответственно в первый блок 18 и второй блок 19 обработки информации, в которых они подвергаются дальнейшему усилению, детектированию и преобразованию к виду, необходимому для их записи в регистраторе 21 и для отображения на индикаторе многоканального блока 20 индикации. Регистратор 21 может быть выполнен с регулировкой (установкой заданного значения) уровня порога регистрации результатов контроля и возможностью документирования результатов контроля. Сигналы синхронизации необходимые для осуществления преобразования принятых сигналов последующей их записью в регистраторе и отображением на индикаторе, из блока 22 поступают на входы синхронизации блоков 18 и 19 обработки информации и многоканального блока 20 индикации.
Положенный в основу работы устройства для дефектоскопии железнодорожных рельсов бесконтактный электромагнитно - акустический принцип контроля позволяет обходиться без применения контактной жидкости, что
особенно актуально в условиях низких температур и высоких скоростей. Расположение электромагнитно - акустических преобразователей со стороны поверхности катания и со стороны рабочей грани головки рельса с обеспечением ввода сдвиговых поляризованных ультразвуковых колебаний по нормали к поверхности рельса и под углом 36-50° и 58°-75°, позволяет осуществить хорошее прозвучивание рельса и контроль практически всего сечения рельса, а использование электромагнитно - акустических преобразователей 4, 8, обеспечивающих возбуждение низкочастотных SH колебаний, позволило осуществлять контроль подошвы рельса. Использование в устройстве двух акустических блоков и соответствующих средств обработки информации позволило реализовать ультразвуковой контроль одновременно двух нитей железнодорожного пути.
Эффективность выявления дефектов предлагаемым устройством для дефектоскопии железнодорожных рельсов обусловлена также и не критичностью искательных систем к загрязненности и шероховатости рельсов.