УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ДЕФЕКТОСКОП ДЛЯ КОНТРОЛЯ ГОЛОВКИ РЕЛЬСА

, Полезная модель относится к области неразрушающего контроля материалов и изделий, в частности к ультрозвуковой (УЗ) дефектоскопии для обнаружения локальных дефектов в твердых телах, и может быть использовано при УЗ дефектоскопии железнодорожных рельсов. Вследствие особенностей динамического воздействия колес подвижного состава на железнодорожные рельсы, головка рельса испытывает максимальные нагрузки. В связи с этим именно в этой части рельса чаще всего возникает большое количество разнообразных продольных и поперечных трещин (дефекты вида 20.1-2, 11.1-2, 21.1-2, 24, 26.3, 27, ЗОВ. 1-2, ЗОГ.1-2 и 38 по 1). Согласно статистическим данным Департамента пути и сооружений МПС России, в 2000 году более 73 % одиночной замены рельсов производился из-за указанных дефектов в головке рельса. При этом более 50 % замен приходится на наиболее опасные дефекты 20.1-2, 21.1-2, 24 и 26.3, которые представляют собой внутренние поперечные трещины (заводского происхождения, усталостные и дефекты сварки) в центральной и в боковых части головки рельса, приводящую к хрупкому разрушению рельса под поездом. В связи с этим для своевременного обнаружения указанных дефектов во всех серийно выпускаемых дефектоскопах для контроля рельсов реализуют методы эхо-контроля головки рельса 2 с помощью наклонного преобразователя с углом ввода УЗ колебаний в металл рельса .
перемещаемого по поверхпости катания головки вдоль продольной оси рельса и ориентированного под углом у « 32 - 36 к рабочей (с внутренней стороны железнодорожной колеи) грани. Причем внутренние поперечные трещины в головке обнаруживаются УЗ лучом, переотраженным от нижней поверхности головки (от подголовочной грани) 3.
Как показывают исследования и многолетний опыт эксплуатации рельсовых УЗ дефектоскопов, при выявлении дефектов в боковой части рельса указанной схемой прозвучивания, между амплитудой эхо-сигнала от дефекта и его размерами не существует определенной зависимости: в ряде случаев амплитуда эхо-сигнала от поперечной трепщны на ранней стадии развития намного превыщает амплитуду эхо-сигнала от более развитого дефекта 3, 4. Это объясняется тем, что сильно развитый дефект, по сравнению с дефектом на ранней стадии развития, имеет поверхность, практически зеркальную для УЗ волны. При наклонном падении УЗ  на поверхность такого дефекта, отражение упругих волн в обратном направлении практически не происходит. В результате при сплопшом контроле рельсов надежность выявления сильно развитых поперечных трепщн с зеркальной поверхностью в боковой части головки рельса весьма низкая, и даже возможен их пропуск. Кроме того, данная схема прозвучиваьшя позволяет обнаруживать дефекты только в одной из граней головки рельса. Для контроля другой грани (нерабочей) периодически (не реже одного раза за три месяца) УЗ преобразователь разворачивают под углом 32-35° в сторону нерабочей грани головки рельса и производят контроль по всей длине рельса.
В зарубежных системах сплошного контроля рельсов (в автомотрисах-дефектоскопах на комбинированном ходу и в УЗ вагонахдефектоскопах) для обнаружения трещин в головке рельсов используют пьезопреобразователи с зтлом ввода луча 70, ориентированные вдоль продольной оси рельса 5, 6. В последнее время, преобразователи с углом .ввода TO внедряются на отечествекшых дефектоскопных тележках типа РДМ-2 и АДС-02 и в автомотрисах дефектоскопных АМД-1, АМД-3, АДЭ-1 и АСД-1 и для обнаружения поперечных трепрш в головке над проекцией шейки рельса. Однако, эта схема не позволяет выявлять поперечные трещины с зеркальной поверхностью, залегаюпще в боковой части (как правило, в рабочей грани) головки рельса. Кроме того, как показывают исследования, выполненные в ОАО «Радиоавионика (Санкт-Петербург), преобразователи с углом ввода УЗ колебаний 70 не позволяют обнаруживать весьма опасные поперечные трепцшы небольших размеров (&-15 мм), развиваюпщеся под поверхностными горизонтальными расслоениями в центральной части головки рельса. Такие дефекты, быстро развиваясь под воздействием колес подвижного состава, уже привели к сходу грузовых поездов на Северной и Забайкальской железных дорогах. Таким образом, задача разработки эффективных устройств для УЗ контроля головки рельса с целью более надежного выявления поперечных трепщн в центральной и в боковых частях весьма актуальна. Известно устройство для УЗ контроля головки рельса, описанное в патенте РФ № 2060493 7. В указанном аналоге установлены два наклонных преобразователя, размещенных на определенном расстоянии друг от друга на поверхности катания рельса вдоль его продольной оси. Однако данное устройство позволяет обнаруживать дефекты только в одной из боковых частей головки рельса, в основном трещины, ориентированные нормально (перпендикулярно) к поверхностям катания и имеющим зеркальную плоскость отражения 8, 9 и, как следствие, обладает низкой достоверностью и производительностью контроля. Известно также устройство для УЗ контроля рельсов по патенту США №6055862 10, в котором предусмотрено десять УЗ преобразователей для тщательного озвучивания головки рельсов. Однако ни один из указанных
преобразователей не позволяет озвучивать поперечные трещины в центральной части головки рельса, развивающиеся непосредственно от поверхности катания или от подповерхностных горизонтальных трещин и отслоения металла поверхности рельса.
Наиболее близким аналогом к заявляемому техническому рещению является ультразвуковой дефектоскоп для контроля головки рельса по патенту США № 4700754, G 01 N29/04, от 20.10.1987г. И, которое принято за прототип полезной модели.
Указанный дефектоскоп содержит два ультразвуковых преобразователя, которые размещены симметрично относительно продольной оси головки рельса и развернуты под углом к боковым граням указанной головки, генератор синхроимпульсов, генераторы зондирующих импульсов, приемники эхо-сигналов, формирователи временных зон селекции, схемы совпадения и устройство индикации дефекта.
Недостатками прототипа являются низкая надежность и достоверность контроля, вызванная тем, что известный дефектоскоп не позволяет обнаруживать поперечные трещины, залегающие под поверхность катания в центральной части (на продольной оси головки рельса). Это вызвано тем, что формируемые преобразователями УЗ 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 (см., например, фиг.7 патента № 4700574 11 и фиг. 1В поз. 51,52 и 61,62 патента N 6055862 10). Естественно, при этом 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 и, как указано выше, уже привели к крущению грузовых поездов на Северной (1998) и Забайкальской (1999 г.)
железных дорогах. Кроме того, указанный дефектоскоп обладает низкой надежностью обнаружения поперечных трещин в боковых частях головки рельса, ориентированных перпендикулярно (нормально) к поверхности катания и имеющих зеркальную плоскость (код 21.1-2 и 20.1-2 по 1. Такие дефекты образуются в процессе развития контактно-усталостных трещин вблизи радиусного перехода поверхности катания и боковой поверхности. Первоначально они имеют щероховатую поверхность (так называемые «кольца роста), хорошо отражающие УЗ колебания. В процессе развития, из-за взаимных движений берегов трещины под воздействием проходящих поездов, кольца роста сглаживаются, поверхность трещины практически становится зеркальной и недоступной для обнаружения УЗ методами 3. Так как при наклонном падении УЗ колебания не возвращаются обратно к излучаемому преобразователю, а подчиняясь законам геометрической оптики отражаются в противоположную сторону под углом, равному углу падения УЗ луча. В то же время при достижении площади трещины более 30 площади головки рельса в любой момент при прохождении поездов может произойти хрупкий излом рельса с соответствующими неприятными последствиями 4.
Анализ эхо-сигналов от искомых дефектов в указанном дефектоскопе осуществляется в двух временных зонах, соответствующих озвучиванию плоскости дефекта прямым (т  0) УЗ лучом (от преобразователя до нижней плоскости головки рельса) и однократно-отраженным (ш  1) лучом (при распространении луча от нижней плоскости до поверхности катания) 12, 13. Кроме того, из-за особенностей выбранной схемы прозвучивания 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.
,/€7
Технической задачей, решаемой заявляемой полезной моделью, является повышение надежности и достоверности ультразвукового контроля головки рельсов за счет эффективного обнаружения поперечных треш,ин 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, включая поперечные трещины, ориентированные нормально к поверхности головки рельса и имеющие зеркальную поверхность. Повышение надежности и достоверности контроля достигается также за счет более полного совместного анализа сигналов, принимаемых преобразователями от дефектов.
Поставленная задача решается тем, что ультразвуковой дефектоскоп для контроля головки рельса содержит систему по крайней мере из двух пар наклонных электроакустических преобразователей, устанавливаемых на поверхность катания головки рельса на продольную ось рельса, имеющих одинаковые углы ввода УЗ лучей и развернутых под одинаковыми острыми углами относительно продольной оси рельса к противоположным боковым граням головки рельса и размещенных вдоль указанной оси. Для первой пары 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. Вторая пара установлена на расстоянии, обеспечивающим прием сигналов от поперечных трещин с зеркальными поверхностями в боковых гранях головки рельса. Систему из двух пар преобразователей перемещают вдоль продольной оси рельса.
излучают поперечные УЗ колебания и принимают отраженные от возможных дефектов эхо-сигналы в четырех временных зонах, а о наличии и степени развития дефектов судят по совместному анализу параметров эхо- и зеркально-отраженных сигналов, принимаемых всеми четырьмя преобразователями.
Сущность полезной модели поясняется чертежом, на фиг. 1 которого схематично показаны варианты реализации для четырех случаев обнаружения поперечной трещины в головке рельса (А - в центральной части; В - в боковой (на фиг.1 - в правой) части при озвучивании поперечной трещины прямым () УЗ лучом; С - в боковой (на фиг. 1 - в правой) части при озвучивании трещины однократно-отраженным () УЗ лучом; D - в боковой (на фиг.1 - в правой) части головки рельса при озвучивании поперечной трещины, перпендикулярной к поверхности головки и имеющей зеркальную поверхность), на фиг. 2 - представлена возможная функциональная схема дефектоскопа.
Примером конкретного выполнения заявляемой полезной модели является ультразвуковой дефектоскоп для контроля головки рельса, содержащее два наклонных электроакустических (ультразвуковых) преобразователя 1 и 2, например пьезоэлектрических преобразователя УЗ колебаний из пьезопластины ЦТС-19 (для отечественных железных дорог диаметром 12 мм, для зарубежных железных дорог - 18 мм) или, в общем случае, в качестве преобразователей возможно применение и других известных типов, например, основанные на электро-магнитно-акустическом преобразовании - ЭМАП 14, 15, которые (1, 2) образуют первую пару и установлены на поверхность катания 3 головки 4 рельса, в которой имеется поперечная трещина (дефект) 5. УЗ преобразователи 1 и 2 размещены симметрично продольной оси 6 головки 4, лежащей на поверхности катания 3. УЗ преобразователи 1 и 2 излучают и/или принимают ультразвуковые лучи 7 и 8 соответственно. Головка 4 рельса ч имеет боковые части (правую и левую) 9, к которым развернуты преобразователи 1 и 2 относительно указанной оси 6. 10 и 11 зондирующие импульсы, излучаемые в головку 4 рельса, а 12, 13, 14 - эхо-сигналы от трещин 5 в головке 4 рельса. На расстоянии L (см. фигЛ) установлены УЗ преобразователи 15 и 16 второй пары, предназначенные для приема эхосигналов 17 (зеркально отраженных) от трещин 5. УЗ преобразователи 1, 2 и 15, 16 для удобства монтажа попарно могут быть размещены в едином корпусе 18 (см. фиг. 1C), которые (18) могут быть объединены в единый блок («лыжу) 19. Для упрощения процедуры анализа и последующей автоматизации процесса УЗ контроля рельсов вся возможная зона прихода эхо-сигналов от трещин 5 разделена на четыре временные зоны селекции (стробируюпще импульсы) 20, 21, 22 и 23 для временной селекции эхо- и зеркальных сигналов 12, 13, 14 и 17 соответственно. Такое разделение общей временной зоны на четыре отдельные зоны позволяет избежать приема нежелательных эхо-сигналов (помех) от неровностей на поверхности боковых и нижней граней и зоны их радиусного перехода, а также от поверхности катания головки 4 рельса. В устройстве предусмотрен генератор синхроимпульсов 24 и последовательно соединенные с ним (24) формирователи временных зон селекции (стробируюпщх импульсов) 25, 26, 27 и 28 для зон 20, 21, 22, и 23. К генератору 24 подключены генераторы зондирующих импульсов 29i и 292, подключенные также к УЗ преобразователям 1 и 2 (индексы показывают блоки дефектоскопического тракта, подключенные к соответствующему преобразователю 1 или 2). Для приема эхо-сигналов предусмотрены приемники 30i и 302, подключенные к преобразователям 1 и 2, а также приемники 31i и 312, подключенные к преобразователям 15 и 16 соответственно. Указанные приемники соединенны со схемами совпадения (логическая схема «И) 32i и 322 для временной зоны 21, формируемой блоком 25, 331 и 332 - для зоны 23, формируемой блоком 26, 34i и 342- для зоны 22, формируемой блоком 27,
35 и 352- для зоны 20, формируемой блоком 28. Кроме того, для лучшего понимания принципа работы заявляемого устройства на чертеже приведены дополнительно следующие обозначения:
Л, П и Ц - левая, правая и центральная части головки 4 рельса (условно, для фиг. 1 и 2);
а - угол ввода УЗ колебаний в металл рельса преобразователями 1 и 2, отсчитывается от нормали к поверхности ввода УЗ колебаний;
Y - угол разворота преобразователей 1, 15 и 2, 16 относительно продольной оси 6 рельсов в стороны П и Л рабочих граней соответственно;
Ui и U2 - амплитуды сигналов (зондирующих и эхо) на преобразователях 1 и 2 соответственно;
и 12 и 1ц - амплитуда эхо-сигнала и время распространения УЗ колебаний до дефекта 5 в центральной части головки 4 рельса;
Ui3 и to- амплитуда эхо-сигнала от дефекта 5 в боковой части головки 4 рельса и время распространения УЗ колебаний при озвучивании его прямым () лучом;
Ui4 и ti - амплитуда эхо-сигнала от дефекта 5 в боковой части головки 4 рельса и время распространения УЗ колебаний при озвучивании его однократно-отраженным () лучом;
Ui5 и ts и Ui6 и ts - амплитуды эхо-сигналов, их временное положение относительно зондирующих импульсов при приеме преобразователями 15 и 16 зеркально-отраженных от поперечных трещин в боковых частях головки 4 рельса сигналов.
Ультразвуковой дефектоскоп для контроля головки рельса работает следующим образом.
Наклонные УЗ преобразователи 1 и 2 устанавливают на поверхность катания 3 головки рельса 4 с потенциально возможным дефектом 5. Запускают генератор синхроимпульсов 24, который одновременно запускает генераторы зондирующих импульсов 291 и 292  соединенных с
УЗ преобразователями 1 и 2 соответственно. Затем перемещают систему из друк преобразователей 1 и 2 вдоль продольной оси 6 рельса обеспечивая акустический контакт между преобразователями и поверхностью 3 рельса путем подачи контактирующей жидкости, например воды (на черт, не показано). С помощью одного из преобразователей (на фиг. 1А преобразователя 1) излучают в головку рельса поперечные УЗ колебания в виде  7. Вторым преобразователем (на фиг. 1 - преобразователем 2) по лучу 8 принимают переотраженные от внутренних поверхностей зон 9 правой и левой боковых частей головки и отраженные от поперечной трепршы 5 в центральной части головки рельса УЗ колебания. Прием этих колебаний становится возможным благодаря соответствующему выбору параметров системы из двух преобразователей: углов а ввода и приема УЗ колебаний; углов у разворота излучающего и приемного преобразователей 1 и 2 в стороны боковых граней 9 головки 4 рельса таким образом, чтобы акустические оси 7 и 8 УЗ лучей, изл)аемых каждым из преобразователей, после переотражения внутри головки 4 рельса от зоны радиусного перехода 9 боковой и нижней граней головки пересекались на продольной оси 6 поверхности катания 3. При наличии поперечной трещины 5, развивающейся непосредственно от поверхности катания 3 или от подповерхностной горизонтальной трещины (фиг.1А) УЗ луч, излучаемый преобразователем 1, претерпевает переотражение от зоны 9 радиусного перехода боковой и нижней граней правой части головки 4 рельса, отражается от уголкового отражателя, образуемого поверхностью катания 3 и трепршой 5, и претерпев следующее переотражение от зоны 9 радиусного перехода левой части головки , принимается преобразователем 2. В результате зондирующий импульс 10, излученный преобразователем 1, распространяясь внутри головки 4 рельса по траектории, проекция которой на поверхность катания образует геометричес1опю фигуру ромб, принимается преобразователем 2 в виде эхо-сигнала 12. Па фиг.1А в
г.
координатах амплитуда U - время t приема эхо-сигиалов показаны моменты излучения зондирующего импульса 10 преобразователем 1 (координатная плоскость Ui - t) и момент приема преобразователем 2 эхо-сигнала 12 с амплитудой Ui2 и с временной задержкой 1ц, отраженного от трещины 5 (координатная плоскость Пг - t). Видно, что эхо-сигнал 12 задержан относительно момента излучения зондирующего импульса на время 1ц, где время 1ц при известных скорости С распространения УЗ колебаний в материале изделия, геометрических размерах головки 4 рельса (в частности, высоты Н головки и ширины головки В в нижней части) и значений угла ввода а УЗ колебаний и угла у разворота преобразователей может быть рассчитано из геометрических соображений.
При одновременном излучении УЗ колебаний преобразователями 1 и 2 УЗ луч, излученный преобразователем 2, по аналогичной траектории внутри головки рельса, отражаясь от трещин 5, поступает на преобразователь 1 (на фиг. 1 не показано). По временному положению данный эхо-сигнал полностью совпадает с эхо-сигналом 12 от преобразователя 1. Однако, в зависимости от ориентации трещины 5, возможны некоторые отличия амплитуд Ui2 эхо-сигналов на преобразователях 1 и 2, что при соответствующем анализе может дать дополнительную информащпо об ориентации поперечной трепщны.
Кроме обнаружения поперечных трещин, развивающихся в центральной части головки рельсов, предлагаемое устройство позволяет обнаруживать и поперечные трещины, развивающиеся в боковых частях головки 4 рельса. В частности, на фиг. 1В показан момент обнаружения поперечной трепшны правой части головки 4 рельса прямым ЛУЧОМ 7.
при наклонном вводе ультразвзлковых колебаний ультразвуковые лучи, распространяющиеся от точки ввода до противоположной поверхности изделия, принято называть прямым (т  0) лучом, переотраженные от противоположной поверхности однократно-отраженным (ш  1) ультразвуковым лучом 12, 13.
2 //J 7//i7
излеченным и принятым преобразователем 1. Здесь же на координатной плоскости Ui - t показано временное положение to эхо-сигнала 13 с амплитудой Ui3 от данной трещины. Видно, что to существенно меньше, чем tq.
На фиг. 1C показано обнаружение преобразователем 1 трещины 5 в правой части головки 4 рельса однократно-отраженным (ш  1) УЗ лучом 7. Временное положение ti эхо-сигнала 14 с амплитудой UM на координатной плоскости Ui - t находится в промежуточном положении между io и to.  При диффузной поверхности трепхины 5 возможен прием отраженных сигналов 17 и преобразователями 15 и 16. При этом очевидно, что временная задержка tsMHx сигналов меньше, чем эхо-сигналов 14 (см. координатные плоскости Uis -1 и Ui6 -1).
Аналогично, преобразователем 2 могут быть обн ужены различно ориентированные поперечные трещины в левой части головки рельса (на фиг. 1 не показаны). Заметим, что в боковых частях головки рельса трещины обнаруживаются с помопц.ю соответствующих преобразователей 1 или 2, работающих в совмещенном режиме одновременного  и приема УЗ колебаний.
Поперечные трещины в центральной части головки 4 рельса выявляются только двумя преобразователями, один из которых (например, преобразователь 1)  УЗ колебания, а второй (преобразователь 2) принимает отраженные от дефекта 5 эхо-сигналы. При излучении УЗ колебаний преобразователем 2 эхо-сигналы от трепцшы 5 принимаются преобразователем 1.
При наличии в боковой части рельса поперечной трещины, перпендикулярной к поверхности головки рельса и имеющей поверхность, зеркальную для акустических волн УЗ частоты, на преобразователях 1 и 2 не будут приняты эхо-сигналы, т.к. УЗ лучи, падая на поверхность трепцшы под определенным углом, будут переотражаться от нее по ч зеркальному закону. Для обнаружения таких трещин в заявляемом дефектоскопе осуществляют прием зеркально-отраженных от поверхности трещин сигналов с помощью дополнительной пары наклонных электроакустических преобразователей 15 и 16, смещенной по продольной оси 6 рельса от первой пары преобразователей на величину L. Причем прием этих колебаний становится возможным благодаря соответствующему выбору параметров системы из двух пар преобразователей: расстояния L между ними; углов а ввода и приема УЗ колебаний; углов у разворота преобразователей 1,2и15, 16в стороны боковых граней головки рельса таким образом, чтобы их акустические оси пересекались в зоне наиболее вероятного образования трещин 5. Для примера на фиг, 1 D показано обнаружение поперечной трещины 5 с зеркальной поверхностью в правой боковой части головки рельса. Излученные преобразователем 1 УЗ колебания, переотражаясь от зоны радиусного перехода правой боковой и нижней поверхностей головки рельса, попадают на поверхность трещины 5 и, переотражаясь от нее по зеркальному закону, попадают на преобразователь 15, формируя зеркально-отраженный сигнал 17 на координатной плоскости Ui5 -1 (см. фиг. 1 D). Аналогично, поперечная трещина с зеркальной поверхностью в левой боковой части головки рельса может быть обнаружена с помощью излучающего преобразователя 2 и приемного преобразователя 16 (на фиг. не показано). Как уже указывалось ранее для упрощения процедуры анализа и последующей автоматизации процесса УЗ контроля рельсов целесообразно всю возможную зону прихода эхо-сигналов от всех рассмотренных выще дефектов разделить на четыре временные зоны селекции (стробирующие импульсы):
зону 20 - предназначенную для выявления зеркально-отраженного сигнала от углового отражателя, образованного плоскостью катания (или подповерхностной горизонтальной трещиной);
стробирующие импульсы 21 и 22 - предн наченные соответственно для выявления эхо-сигналов, обнаруженных прямым () и одно1фатно отраженным () лучами в боковых частях головки рельса;
зону 23 - для выделения зеркально-отраженных сигналов от поперечных трещин в боковых частях головки рельса, имеющих перпендикулярную ориентацию поверхностям головки рельса и зеркально отражающие плоскости.
Такое разделение общей временной зоны на четыре отдельные зоны позволяет избежать приема нежелательных эхо-сигналов (помех) от неровностей на поверхности боковых и нижней граней и зоны их радиусного перехода, а также от поверхности катания головки рельса.
Отметим, что при регистращ1и сигналов сплошного контроля головки рельса на развертке типа В 16, 17 разделение общей зоны на четыре отдельных стробирующих импульса не является обязательным, т.к. указанные сигналы будут регистрироваться на определенных, заранее известных временных интервалах (расстояниях) от линии зондирующего импульса.
Таким образом, при наличии в головке 4 рельса поперечной трепщны 5 УЗ колебания отражаются от поверхности трещины, поступают на преобразователи 1 и 2 и на соединенные в ним приемники 30 и ЗОа. Зеркально-отраженные от поперечных трещин в боковых частях головки  сигналы могзлг поступать на преобразователи 15 и 16, соединенные с приемниками 311 и ЗЬ соответственно. С выходов приемников ЗОь 302, 311 и ЗЬ эхо- и зеркально-отраженные сигналы поступают на соответствующие схемы совпадения (логические схемы «И) 32i, 33i, 34i, 35i и 322, 332, 332, 342 и 352 (см. фиг.2). На вторые входы этих схем поступают
соответствующие стробирующие импульсы с формирователей 25, 26, 27 и 28. При временном совпадении эхо- и зеркально-отраженных сигналов, принятых преобразователями 1, 2, 15и16и стробируюшдх импульсов, генерируемых формирователями 25, 26, 27 и 28 на выходах соответствующих схем совпадения 32, 33, 34 и 35 появляются сигналы, свидетельствующие о наличии дефектов в контролируемой головке 4 рельса (см. фиг. 2). На выходах схем совпадения 32i и 34i появляются эхо-сигналы от поперечных наклонных трещин, а на выходе схемы 331 - от поперечной трещины, ориентированной нормально (перпендикулярно) поверхностям головки рельса и имеющей зеркальную поверхность, расположенные в правой (П на фиг.1 и фиг.2) боковой части головки рельса. Выводы групп П, Ц и Л указанных схем совпадения могут быть подсоединены к известным решающим устройствам, определяющим по заданным алгоритмам место залегания и конфигурацию дефекта, или же к многоканальному регистратору, позволяющему производить визуальный анализ сигналов. Аналогично на выходах схем «И 322, 332 и 342 возможно появление эхо- и зеркальных сигналов (Л на фиг.1 и фиг.2) от поперечных трещин, залегающих в левой боковой части головки рельса. Если же сигналы появляются на выходах схем совпадений 351 и 352, то это свидетельствует о наличии поперечной трещины в центральной части
- головки рельса.
Таким образом, излучая преобразователями 1 и 2 УЗ колебания, принимая всеми преобразователями (1, 2, 15 и 16) эхо- и зеркальноотраженные от искомых дефектов сигналы и совместно анализируя их параметры, принимают решение о наличии, степени развития и конфигурации дефектов по всему сечению головки рельсов.
Следует отметить, что различные элементы и электронные компоненты, используемые при реализации дефектоскопа, являются известными (см., например, 13). Ор1П1инальность заключается в
15
конкретном расположении преобразователей 1, 2 и 15, 16 и ориентации УЗ лучей, излучаемых ими, последовательности анализа эхо-сигналов и соединения электрических узлов (блоков). При реализации дефектоскопа в цифровом виде (со встроенным микропроцессором) формирователи зон селекции 25 - 28, а также схемы совпадения 32-35 (с соответствующими индексами) в виде отдельных блоков могут отсутствовать, т.к. селекцию эхо-сигналов в заданных временных интервалах по заложенному алгоритму будет осуществлять микропроцессор.
Из описания работы ультразвукового дефектоскопа для контроля головки рельса видно, что возможны несколько вариантов подключения УЗ преобразователей 1, 2 и 15, 16 к дефектоскопу:
1.Один из преобразователей первой пары (например, преобразователь 1) излучает УЗ колебания, остальные - работают в режиме приема. В следующем цикле преобразователь 2 излучает УЗ колебания, а остальные принимают.
2.Все преобразователи работают в совмещенном режиме (излучения и приема).
3.Оба преобразователя первой пары (1 и 2) работают в совмещенном режиме, а преобразователи второй пары - только в режиме приема.
Третий вариант, как наиболее производительный, может быть применен при автоматизированном контроле с помощью автомотрис и вагонов-дефектоскопов.
Наиболее существенным в заявляемом дефектоскопе является правильный выбор углов ввода ai  и а2 УЗ лучей и углов разворота у| и у2 относительно продольной оси преобразователей 1 и 2 таким образом, чтобы
В ультразвуковой дефектоскопии углы ввода а УЗ колебаний в контролируемое изделие принят отсчитывать от нормали к поверхности ввода ультразвука в плоскости падения луча (см, например, 2,12,13,15). ч обеспечивать пересечение переотраженных от зон радиусного перехода 9 осей УЗ лучей 7 и 8 на продольной оси 6 поверхности катания 3. При выборе этих углов необходимо также исходить из получения эхо-сигналов с максимальной амплитудой от поперечных трещин в боковых частях 9 головки 4 рельса. Кроме того, необходимо для второй пары преобразователей 15 и 16 выбрать расстояние L (смещение вдоль продольной оси 6 относительно первой пары) и соответствующие углы ввода ai5 и ai6 и разворота yis и yi6 из условия получения сигналов максимальной амплитуды зеркально-отраженных от плоскостей дефектов 5, залегающих в боковых частях (П или Л) головки 4 рельсов (фиг. 1А). Причем для дефектов с зеркальной поверхностью в правой части головки рельса (по фиг. 1 и фиг.2) УЗ лучи, излученные преобразователем 1, переотражаясь от зоны радиусного перехода 9 и плоскости дефекта 5 должны попадать на преобразователь 15, а для дефектов 5, залегающих в левой (Л) части головки рельса - УЗ лучи, излученные преобразователем 2 по аналогичной траектории должны приниматься преобразователем 16 (см. фиг. ID). Одновременно, необходимо стремиться к тому, чтобы точки ввода УЗ колебаний преобразователей 1 и 2 отстояли на максимальном расстоянии от указанной выше точки пересечения осей лучей 7 и 8. Выполнение последнего условия необходимо для того, чтобы обеспечивать возможность обнаружения поперечных трещин, развивающихся от поверхностных отслоений металла и подповерхностных горизонтальных трещин значительной протяженности (100-200 мм). В соответствии с 12 и 13 углы ввода а можно выбирать в диапазоне углов а  38-72° . Как показано в 7 и 12, оптимальны углом а для обнаружения в боковых частях головки рельса является угол, близкий к 60° (типовые углы для контроля рельсов на отечественных железных дорогах 58°, 60° и 65°, на зарубежных железных дорогах - 70°). Если задаться типовым углом а, то угол разворота у можно определить как Ч где В - ширина головки рельса в зоне радиусного перехода боковой и нижней граней; Н - высота головки рельса (расстояние от поверхности катания до зоны радиусного перехода). Расчет по выражению (1) для рельса типа Р65 (Н  39 мм, В  75 мм) при типовом угле а  58 дает значение угла у  36°, при типовом угле а  65° значение угла у  26°. Учитывая то, что чем больше угол ввода УЗ колебаний, тем ниже возможно реализуемый уровень чувствительности контроля, в новых рельсовых дефектоскопах угол ввода УЗ колебаний для контроля головки рельса принимают равным а  , 18. Таким образом, для практической реализации целесообразно выбрать углы ввода УЗ  для преобразователей 1 и 2 а i  а2 а  58°, углы их разворота yi  У2  У  36° относительно продольной оси 6 рельса к правой и левой боковым граням соответственно. Очевидно, что для получения сигналов, зеркально отраженных от дефектов в боковых частях головки рельсов, целесообразно углы ввода и углы разворота преобразователей 15 и 16 выбрать равными соответствующим углам 1 и 2. В результате ai  а2  ais  ai6  а  58° и yi /2 У15 У16 Т 36°. Уточнение параметров системы преобразователей 1, 2 и 15, 16, а также выбор параметров L осуществляется с учетом конфигурации и геометрических размеров головки рельса, зоны зарождения усталостных трещин в боковой части головки и параметров типовых электроакустических преобразователей. По результатам исследований ВНИИЖТа, полученных путем вскрытия большого количества поперечных трещин в головке рельсов, снятых с различных участков пути, верхний край характерных дефектов находится на глубине 6-8 мм от поверхности 2f f f  f€ sin Y  B/(2H tg a),(1)
катания, а от боковой поверхности эти расстояния составляют 1,7- 6 мм в зависимости от площади (степени развития) трещины 4, 7.
Выполненные авторами результаты графоаналитического расчета хода лучей в контролируемом объеме проверены экспериментальными исследованиями на моделях и реальных дефектах в головке рельсов. В результате выполненного комплекса исследований, с учетом удобства реализации заявляемого устройства контроля в схемах прозв)Д1ивания съемных ультразвуковых дефектоскопов и вагонов-дефектоскопов с помощью преобразователей с типовыми характеристиками (частота УЗ колебаний 2,5 Мгц, угол раскрытия УЗ луча в металле рельса 8 - 12°), приняты следующие параметры системы:
-расстояние между преобразователями L  50 ± 2 мм;
-углы ввода УЗ колебаний а 58°±1,5° (углы призм преобразователей Р  45° при выполнении призм из органического стекла);
-углы разворота преобразователей относительно продольной оси рельса у « 36° ± 2°.
Полученные результаты подтверждены при контроле рельсов с помощью автоматизированных средств: на Октябрьской железной дороге совмещенным вагоном-дефектоскопом ПС-480 с дефектоскопическим комплексом «Авикон-03 ; на Северной железной дороге - автомотрисой дефектоскопной АДЭ-01.
Предлагаемая схема прозвучивания оказалась особенно эффективной при выявлении поперечных трещин, развивающихся в районе повреждений поверхности катания, вызванных пробуксовкой колес локомотивов (код дефекта 24 по 1). Такие дефекты известными устройствами не могут быть обнаружены. Кроме того, предлагаемым устройством уверенно выявляются одновременно в обеих частях (П и Л) головки рельса поперечные трещины с зеркальными поверхностями и имеющие перпендикулярную ориентацию к поверхностям. Ранее известными устройствами такие трещины можно ч было обнаружить только в одной из боковых частей головки рельса (стр.133-140 12). Необходимо отметить, что на фиг. 1 показано только направление осей УЗ лучей, излучаемых преобразователями 1 и 2. На практике УЗ преобразователи имеют определенную диаграмму направленности, при которой излучаются расходящиеся УЗ лучи (для пьезоэлектрических пластин диаметром 12 мм углы раскрытия в плоскости падения луча и в перпендикулярной плоскости составляют 8°-12° (см., например, 12, 13). В связи с этим указанная система из двух преобразователей озвучивает практически весь объем головки рельса, обеспечивая обнаружение дефектов по всему сечению головки рельса. Время распространения УЗ колебаний до зоны радиусного перехода боковой и нижней граней головки рельса и обратно при заданном типовым угле а, может быть вычислен по выражению tp.n.  2tn + 2H/Ct cosa ,(2) где tn - время распространения УЗ колебаний в клиновидной призме наклонного преобразователя 1 или 2; Н - высота головки рельса (расстояние от поверхности катания до зоны радиусного перехода); Ct - скорость поперечных УЗ колебаний в материале головки рельса (для стали Ct 3260 м/с). Определив по (2) значение tp.n., можно по обе стороны на временной оси от данного значения выбрать параметры временных зон для селекции эхо-сигналов. Для рассматриваемого выше примера контроля головки рельса типа Р65 (ct 3260 м/с; Н  39мм; а  58° и для преобразователей, использующих в практике контроля рельсов 2tn  7мкс) временные зоны селекции имеют следующие параметры (см. фиг. 1):
-зона 21 - 10...46 МКС для селекции эхо-сигналов от дефектов в боковой части головки рельса, принятых при озвучивании их прямым УЗ лучом (т  0);
-зона 22 - 52...83 мкс для селекции эхо-сигналов от дефектов в боковой части головки рельса при озвучивании их однократноотраженным лучом (т  1).
Зона селекции 23 для выделения сигналов 17 (см. фиг. 1), зеркально отраженных от залегающих в боковых частях головки рельса поперечных трещин, выбирается с центром, равным tp.n (рассчитанным по (2) и длительностью, учитывающей прием сигналов и боковыми лучами УЗ луча. Для указанных выше начальных условий числовые значения зоны 23 составляет 23 ... 69 мкс (по 20 мкс от центра рассчитанного по (2) и составляющего 49 мкс). Центр временной зоны селекции 20 для выделения сигналов 12 (см. фиг. 1А), отраженных от уголкового отражателя, сформированного поперечной трещиной 5 в центральной части головки рельса и поверхностью катания 3, определяется как двойное значение tn.p, вычисленное по выражению (2) и составляет 98 мкс. С учетом углов раскрытия диаграмм направленностей преобразователей 1 и 2 зона 20 занимает на оси времени t участок от 84 до 114 мкс.
При выборе указанных зон принимались во внимание допустимый
износ головки рельса, величина мертвой зоны для типовых наклонных
преобразователей и раскрытие диаграммы направленности преобразователей в плоскости падения УЗ луча. Как видно из полученных значений, зоны временной селекции могут взаимно перекрываться на временной оси. Это вполне допустимо, т.к. взаимно перекрывающиеся зоны относятся к разным преобразователям и дефектоскопическим каналам. Зоны 21 и 22 относятся к преобразователям 1 и 21, зона 23 - к преобразователям 15 и 16.
Основными измеряемыми параметрами сигналов, принимаемых при озвз ивании дефектов предлагаемым устройством, являются значения амплитуд и временных положений эхо- и зеркально отраженных сигналов.
Из приведенного выше выражения (2), а также из фиг.1 следует, что временные положения (задержки) i зеркально отраженных сигналов 17 трещины 5 в боковых участках головки рельса занимают промежуточные значения между временными положениями to и ti эхо-сигналов 13 и 14 от дефектов в этих зонах головки рельса (to  tg  ti). В то же время сигналы от дефектов в центральной части головки рельса имеют максимальную временную задержку t4 (ty ti t3 to).
Анализ соотношений амплитуд эхо- и зеркально отраженных сигналов может дать дополнительную информацию о месте залегания, конфигурации и размерах дефектов. Например, на фиг. 1C показано озвучивание наклонно ориентированной поперечной трещины 5. Кроме эхо-сигнала 14 с амплитудой UH и временной задержкой ti, принимаемой преобразователем 1, вследствие рассеяния и диффузного отражения УЗ колебаний, излучаемых преобразователем 1, на неровностях поверхности треш;ины 5 (например, на так называемых кольцах роста трепдины) возможен прием сигналов 17 и преобразователями 15 и 16. Естественно, при этом амплитуды этих сигналов (сигналов 17) будут существенно меньше, чем амплитуда эхо-сигнала Uu.
Кроме анализа временных положений и принимаемых сигналов в одном периоде излучения-приема (фиг. 1), возможен и целесообразен совместный анализ пачек эхо- и зеркально-отраженных сигналов, получаемых в процессе перемещения системы из двух пар преобразователей над дефектным з астком головки рельса (в пределах зоны локации дефекта в течение нескольких десятков и сотен - в зависимости от скорости перемещения) циклов излучения-приема УЗ колебаний). В основном появление пачек импульсов на обоих
преобразователях будет совпадать по времени, по ввиду разной физики образования этих сигналов возможно их временное смещение относительно друг друга. Как показывают экспериментальные исследования, эхо-сигнал (на преобразователи 1 и 2) от поперечной трещины в боковой части головки 4 рельса преимущественно появляется при озвучивании краев дефектов (диффузное отражение УЗ колебаний), зеркальный сигнал (на отражателях 15 и 16) - при озвучивании плоской поверхности трещины. При этом, как правило, амплитуда Из.м. зеркально отраженных сигналов (12, 17) заметно превышает амплитуду UH - эхо-сигналов Ui2,Ui3, Ui4 сигналов 12, 13 и 14). Указанное справедливо для сильно развитых трещин в головке 4 рельсов, имеющих размеры, превышающие размер сечения УЗ луча (точнее общей зоны пересечения диаграмм направленностей обеих пар преобразователей) и зеркально отражающую поверхность. Для трещин на начальной стадии развития соотношение амплитуд сигналов обратное UH  US.M.- Это обстоятельство позволяет по соотношению амплитуд эхо- и зеркально отраженных сигналов судить о степени развития поперечных трещин в головке 4 рельсов, что дополнительно повышает надежность и достоверность контроля.
Таким образом, предложенная совокупность существенных признаков заявляемого устройства, позволяет получить новые технические результаты:
- повышение надежности и достоверности контроля за счет эффективного обнаружения поперечных трещин практически по всему объему головки рельса, включая поперечные трещины, развивающиеся под поверхностными отслоениями металла и горизонтальными трещинами в центральной части и трещин с зеркальными новерхностями в боковых частях головки рельса;
,// 23
-повышение производительности и надежности контроля за счет автоматической дифференциации эхо-сигналов, принятых из различных зон головки рельса;
-дополнительное повышение достоверности контроля за счет совместного анализа эхо-сигналов, принятых двумя парами преобразователей во всех временных зонах.
Таким образом, техническая задача, поставленная при разработке ультразвукового дефектоскопа для контроля головки рельса, полностью решена. Заявленный дефектоскоп обеспечивает повышение надежности и достоверности неразрушающего контроля рельсов, способствуя 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 эхоимпульсным методом //Ультразвуковая дефектоскопия рельсов. Серия Путь и путевое хозяйство. М.: ЦДИИТЭИМПС, 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.Крауткремер И., Крауткремер Г. Ультразвуковой контроль материалов. М.: Металлургия, 1991.
6.Американские компании - поставщики путевой техники. Supply Industry Profils //Railway Track and Structures - Ns. 2, c. 30-35, англ.
7.Марков A.A., Гурвич A.K., Молотков С.Л., Миронов Ф.С. Способ ультразвукового контроля головки рельсов. Патент РФ № 2060493, Приоритет от 01.03.93 г., Бюлл. изобр. 1996, JV 11.
8.Шестаков Ю.И. Дефектоскопным средствам - особое внимание. Путь и путевое хозяйство, № 3, 1996 г., с. 10.
9.Марков А.А., Молотков С.Л., Виноградов В.И. Ультразвуковой контроль шумящих рельсов. Путь и путевое хозяйство, № 11, 1995 г., с 8-9.
24
Ш.Иатент США № 6055862 от 02.05.2000г. МКИ Ci 01 N 29/00. U.D. Marines. Способ и устройство обн ужшша, идзпификащш и регистрщцш местоположения дефектов в железнодорожных pejn.cax.
11.Патент США № 4700574. МКИ G 01N 29/04. Способ и усгройстао дефектоскопии внутренних дефектов в головке рельсов.
12.Марков АА., Шпагин Д.А Ультразвуковая дефектоскопия рельсов. Санкт-Петербург, Образование-Культура, 1У99, 236 с.
13.Гурвич А.К., Довнар Б.П. и др. Неразрушаюпщй контроль рельсов при их эксплуатации и ремонте. М.: транспорт, 1983 г.
14.Методы акустического контроля металлов. Под редакцией П.П. Алешина. М.: Машиностроение, 1989, 454 с.
15.Марков А.А., Прокофьев А.Б., Миронов Ф.С. Ультразвуковой дефектоскоп с непрерывным излучением упругих колебаний. Патент РФ на изобретение № 2052807. Приоритет от 02.06.92 г. Опубл. Бюл. изобр. N 2, 1996 г.
16.Марков А.А. Альтернативное представление дефектоскопической информации в переносных ультразвуковых дефектоскопах. - В мире неразрушающего контроля. № 1,2000 г., с.42-44.
17.Ьашкатова J1.B., Гурвич А.К., Лохач А.В., Марков А.А. Компьютеризированные средства неразрушающего контроля и диагностики железнодорожного пути. Санкт-Петербург, Радиоавионика, 1997, 118 стр. (см. с. 45-70).
18.Гурвич А.К., Марков А.А. Эффект Доплера в ультразвуковой дефектоскопии. //Дефектоскопия, N 7,1983г, с.24-35.
Генеральный директор - Генеральный К9рс;рруктор ОАО «Радиоавионика
f(CO
25
Е.Э. Чернышов