ИСКАТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО МОБИЛЬНОГО УЛЬТРАЗВУКОВОГО ДЕФЕКТОСКОПА

Полезная модель относится к области ультразвукового контроля рельсов и может использоваться в мобильных, в том числе высокоскоростных, ультразвуковых дефектоскопах.
Для поддержания рельсового пути в рабочем состоянии необходим сплошной контроль рельсов. Наиболее эффективно эта задача решается посредством мобильных ультразвуковых дефектоскопов, содержащих один или несколько блоков ультразвуковых преобразователей. Для удержания блоков ультразвуковых преобразователей в заданном положении на поверхности катания головки рельсов служат искательные устройства, включающие помимо самих блоков ультразвуковых преобразователей средства для размещения этих блоков и их прижатия. Конструкция этих средств во многом определяет эффективность ультразвуковых дефектоскопов и входящих в их состав искательных устройств, что связано в первую очередь с объективностью контроля и точностью измерений при ультразвуковой дефектоскопии. Одним из основных требований, предъявляемых к искательным устройствам, является сведение к минимуму влияния на работу блоков ультразвуковых преобразователей внешних факторов - особенностей строения рельсового пути (стрелочные переводы, кривые участки пути и др.), отклонения геометрических параметров рельсов от нормы, внешних динамических факторов, состояния окружающей среды.
Мобильный ультразвуковой дефектоскоп может представлять собой, например, снабженный искательным устройством, вагон (дефектоскоп-путеизмеритель) для контроля рельсового пути и выявления и измерения дефектов рельсов на высоких скоростях передвижения (RU 179329 U1, 2018). К таким искательным устройствам предъявляются повышенные требования,
Известно, например, искательное устройство, входящее в состав устройства для неразрушающего контроля рельсов мобильными средствами дефектоскопии, содержащее блоки сканирования, продольную балку, жестко зафиксированную в механизмах подъема-опускания центрирующей системы, кинетически связанных с элементами следящей системы, и механизм коррекции поперечного перемещения (RU 163267 U1, 2015).
Однако такое устройство сложно по конструкции. Оно неудобно в эксплуатации, поскольку требует точных сопряжений элементов и настроек при функционировании устройства. Например, при обнаружении смещения продольной оси искательного устройства от продольной оси рельса производят настройку соответствующих входящих в конструкцию устройства элементов - путем вращения вала-преобразователя для поперечного перемещения ведомой каретки.
Из известных устройств наиболее близким к предложенному является искательное устройство мобильного ультразвукового дефектоскопа, содержащее несущий узел и размещенный в его нижней части искательный узел, включающий блок ультразвуковых преобразователей, установленный с обеспечением возможности контактирования его рабочей поверхности с поверхностью катания головки рельса, механизм подпружинивания блока ультразвуковых преобразователей, содержащий два упругих элемента, и расположенный у каждого из торцов блока ультразвуковых преобразователей элемент подачи контактирующей жидкости (SU 1145284 А, 1985). В этом устройстве несущий узел выполнен в виде опорной скобы с установленными на ней посредством шарниров поводками, на которых посредством шарниров установлена рамка в форме лыжи. В механизме подпружинивания упругие элементы расположены между опорной скобой и блоком ультразвуковых преобразователей, а каждый из упругих элементов включает шток и размещенную на нем пружину растяжения. Каждый из элементов подачи контактирующей жидкости на рельсы выполнен в виде сопла, расположенного в теле блока ультразвуковых преобразователей.
Однако такая конструкция не обеспечивает необходимой прочности подвески блока ультразвуковых преобразователей, а также высокой точности центрирования искательного устройства на рельсе, особенно в поперечном направлении, из-за нежесткой связи опорной скобы и рамки. Использование пружин растяжения в механизме подпружинивания предполагает наличие штырьковых прижимов (штоков), что недостаточно надежно из-за их возможного «подклинивания» и выскакивания при прохождении искательным устройством с блоком ультразвуковых преобразователей значительных неровностей рельсового пути, например, стрелочных переводов. Наличие пружин растяжения в конструкции обуславливает ее значительный вертикальный габарит. Размещение сопел для подача контактирующей жидкости на рельс в теле блока ультразвуковых преобразователей оказывает нежелательное воздействие на его функционирование, поскольку для блока ультразвуковых преобразователей сопла являются чужеродным элементом. Это также вносит определенные неудобства при эксплуатации искательного устройства в случае необходимости смены блока ультразвуковых преобразователей. Объективность контроля и точность дефектоскопии при использовании такого искательного устройства недостаточно высоки. Поэтому такое искательное устройство обладает недостаточно высокой эксплуатационной эффективностью.
Технической проблемой, решаемой полезной моделью, является создание искательного устройства мобильного ультразвукового дефектоскопа, лишенного недостатков прототипа. Технический результат, обеспечиваемый полезной моделью, заключается в повышении эксплуатационной эффективности искательного устройства мобильного ультразвукового дефектоскопа, в том числе за счет повышения объективности и точности ультразвуковой дефектоскопии.
Это достигается тем, что в искательном устройстве мобильного ультразвукового дефектоскопа, содержащем несущий узел и размещенный в его нижней части искательный узел, включающий блок ультразвуковых преобразователей, установленный с обеспечением возможности контактирования его рабочей поверхности с поверхностью катания головки рельса, механизм подпружинивания блока ультразвуковых преобразователей, содержащий два упругих элемента, и расположенный у каждого из торцов блока ультразвуковых преобразователей элемент подачи контактирующей жидкости, несущий узел выполнен в виде жестко соединенных посредством кронштейнов верхней балки и основания, снабженного прорезью под блок ультразвуковых преобразователей, в искательном узле каждый из упругих элементов выполнен в виде размещенной между блоком ультразвуковых преобразователей и верхней балкой пружины сжатия, которая своей верхней частью установлена на верхнем улавливающем конусе направляющей, закрепленной посредством резьбовой втулки в выполненном в верхней балке отверстии, а нижним концом - на верхнем улавливающем конусе, закрепленном на блоке ультразвуковых преобразователей, при этом резьбовое отверстие в резьбовой втулке выполнено наклонным по отношению к ее продольной оси, а каждый из элементов подачи контактирующей жидкости выполнен в виде форсунки, установленной в основании у соответствующего торца блока ультразвуковых преобразователей. Искательный узел может включать дополнительные блоки ультразвуковых преобразователей, расположенные последовательно вдоль основания несущего узла, и соответствующие дополнительные механизмы их подпружинивания и дополнительные элементы подачи контактирующей жидкости.
Указанный технический результат обеспечивается в рамках реализации назначения всей совокупностью существенных признаков, представленной в формуле полезной модели, каждый признак которой необходим, а вместе они достаточны для решения указанной технической проблемы и для достижения указанного технического результата. Заявленное искательное устройство мобильного ультразвукового дефектоскопа представляет собой одно устройство, конструктивные элементы и узлы которого, характеризуемые соответствующими существенными признаками, находятся в конструктивном единстве и функционально взаимосвязаны (находятся в конструктивно-функциональном единстве). Эффекты, создаваемые конструктивными элементами и узлами, выполненными в соответствии с отличительными признаками, содержащимися в формуле заявленной полезной модели, взаимосвязаны и отсутствие хотя бы одного отличительного признака привело бы к потере технического результата. Все конструктивные элементы и узлы устройства объединены в единую конструкцию и при его изготовлении соединяются между собой сборочными операциями.
Фиг. 1 иллюстрирует конструкцию искательного устройства. Фиг. 2 иллюстрирует конструкцию механизма подпружинивания блока ультразвуковых преобразователей.
Искательное устройство содержит несущий узел и размещенный в его нижней части искательный узел. Несущий узел выполнен в виде жестко соединенных, например, на каждом из своих концов, посредством кронштейнов 1 верхней балки 2 и основания 3, снабженного прорезью под блок 4 ультразвуковых, преимущественно пьезоэлектрических, преобразователей. Соединение верхней балки 2 и основания 3 выполнено преимущественно посредством сварки. Основание 3 выполнено, например, в форме лыжи с перпендикулярной ей боковой гранью (вертикальной стенкой). Блок 4 ультразвуковых преобразователей, входящий в состав искательного узла, установлен с обеспечением возможности контактирования его рабочей поверхности с поверхностью катания головки рельса. Искательный узел включает также механизм подпружинивания блока 4 ультразвуковых преобразователей, содержащий два упругих элемента, и расположенный у каждого из торцов блока 4 ультразвуковых преобразователей элемент подачи контактирующей жидкости. Блок 4 ультразвуковых преобразователей содержит преимущественно два или три ультразвуковых преобразователя. Его установка на основании 3 выполнена преимущественно съемной, например, посредством двух, снабженных замком, уголков 5, при этом блок 4 ультразвуковых преобразователей снабжен с каждого из своих торцов штырьком, входящим в паз соответствующего уголка (на чертежах не показано). Каждый из упругих элементов выполнен в виде размещенной между блоком 4 ультразвуковых преобразователей и верхней балкой 2 пружины 6 сжатия. Пружина 6 сжатия своей верхней частью установлена на верхнем улавливающем конусе 7 направляющей 8, закрепленной посредством резьбовой втулки 9 в выполненном в верхней балке 2 отверстии, а нижним концом - на нижнем улавливающем конусе 10, закрепленном на блоке 4 ультразвуковых преобразователей. Резьбовая втулка 9 по своему контуру преимущественно приварена к верхней балке 2, а резьбовое отверстие в ней выполнено наклонным по отношению к ее продольной оси, преимущественно на угол три градуса, как это показано на фиг. 2. Направляющая 8 может быть выполнена сплошной или полой в виде втулки, при этом ее нижняя часть выполняет роль верхнего улавливающего конуса 7, как это показано на фиг. 2. Каждый из элементов подачи контактирующей жидкости в искательном узле выполнен в виде форсунки 11, установленной в основании 3 (в отверстии в нем) у соответствующего торца блока 4 ультразвуковых преобразователей. Искательный узел может включать дополнительные блоки 4 ультразвуковых преобразователей, расположенные последовательно вдоль основания 3 несущего узла, и соответствующие дополнительные механизмы их подпружинивания и дополнительные элементы подачи контактирующей жидкости. Общее количество блоков 4 ультразвуковых преобразователей может составлять до шести, в зависимости от выбранной схемы прозвучивания. На основании 3, например на его боковой грани по всей ее длине, может быть установлен электрический обогреватель, например, в виде нагревательных пластин (на чертежах не показан).
Искательное устройство мобильного ультразвукового дефектоскопа используется преимущественно в составе вагона-дефектоскопа. Перед началом работы устанавливают необходимый зазор между основанием 3 размещенного под вагоном искательного устройства и головкой рельса, например, величиной 5 мм. Это дает достаточный ход по вертикали блока 4 ультразвуковых преобразователей. Блок 4 ультразвуковых преобразователей в рабочем состоянии располагается на поверхности катания головки рельса, прижимается к ней посредством механизма подпружинивания и передвигается вдоль рельса при движении вагона. При этом на поверхность катания головки рельса подается контактирующая жидкость. Использование для подачи контактирующей жидкости форсунок 11, установленных непосредственно в основании 3, позволяет исключить нежелательное влияние системы подачи контактирующей жидкости на работу ультразвуковых преобразователей, а также упрощает операции при замене блока 4 ультразвуковых преобразователей при эксплуатации искательного устройства, по сравнению с конструкцией, когда подача контактирующей жидкости осуществляется через выполненные в теле блока 4 ультразвуковых преобразователей сопла. Выполнение несущего узла в виде жестко соединенных верхней балки 2 и основания 3 обеспечивает высокую точность центрирования искательного устройства на рельсе. Это также обеспечивает высокую прочность искательного устройства, что особенно важно при его эксплуатации на рельсовых путях со значительной степенью износа, на высоких скоростях передвижения и в неблагоприятных условиях внешней среды. Использование в механизме подпружинивания пружин сжатия 6 обеспечивает надежное и с постоянным усилием прижатие блока 4 ультразвуковых преобразователей к рельсу. Это также исключает возможность его «подклинивания» и выскакивания при прохождении мобильным дефектоскопом участков со значительными неровностями, например, стрелочных переводов. Кроме того, такая конструкция механизма подпружинивания позволяет значительно уменьшить вертикальный габарит искательного устройства, что повышает эксплуатационные возможности искательного устройства. В механизме подпружинивания учтена номинальная подуклонка рельсов за счет выполнения отверстия в резьбовой втулке 9 наклонным по отношению к ее продольной оси. Это позволяет более точно позиционировать блок 4 ультразвуковых преобразователей на рельсе, что особенно важно при эксплуатации мобильного дефектоскопа на криволинейных участках пути. Такое выполнение несущего и искательного узлов позволяет повысить объективность и точностные характеристики ультразвукового контроля дефектов в рельсах и обеспечить надежное функционирование искательного устройства при его эксплуатации в составе мобильного ультразвукового дефектоскопа вне зависимости от сложности участка пути и скорости движения, в том числе на высоких скоростях. При этом соответствующие элементы и узлы заявленного устройства функционально взаимосвязаны через проявляющиеся при движении мобильного ультразвукового дефектоскопа сопутствующие эффекты, работа каждого из них а той или иной степени влияет на работу других из них. Таким образом, все это во взаимодействии повышает эксплуатационную эффективность искательного устройства мобильного ультразвукового дефектоскопа.
Пример реализации. Искательное устройство установлено под вагоном-дефектоскопом «СПРИНТЕР» (АО «Фирма ТВЕМА) и испытано на скоростях движения до 140 км/час в различных эксплуатационных условиях. Включает пять блоков 4 ультразвуковых преобразователей, содержащих по два пьезоэлектрических преобразователя. Максимальная высота искательного устройства - 101,7 мм. Использованы пружины 6 сжатия из углеродистой стали А-1-1,2 с 17-ю витками, внутренний диаметр - 13,2 мм, длина - 75 мм. Угол выполнения резьбового отверстия в резьбовой втулке 9 составляет три градуса. У каждого из торцов блоков 4 ультразвуковых преобразователей в основании 3 установлена форсунка с диаметром отверстия 0,8 мм. Устройство снабжено четырьмя пластинчатыми электронагревательными элементами, закрепленными на наружной стороне боковой грани основания 3, с напряжением питания 24 В и мощностью 170 Вт. Испытания показали высокую эксплуатационную эффективность искательного устройства. Не зафиксировано пропусков дефектов рельсов. Выборочная идентификация обнаруженных дефектов показала совпадение результатов измерений, полученных в процессе проездов, с фактическими.
Искательное устройство, выполненное в соответствии с полезной моделью, обладает более высокой эксплуатационной эффективностью по сравнению с аналогичными известными, в том числе за счет повышения объективности и точности ультразвуковой дефектоскопии. Оно позволяет проводить дефектоскопические измерения при скоростях до 140 км/час с высокой точностью без потери качества фиксируемых данных, в том числе на сложных участках рельсового пути.