Ультразвуковой модуль измерителя продольных трещин в головке рельсов

Полезная модель относится к акустическому виду неразрушающего контроля и может использоваться при контроле локальных участков железнодорожных рельсов с оценкой параметров продольно ориентированных (горизонтальных) трещин в головке рельсов.
В процессе эксплуатации в рельсах накапливаются различные повреждения, деформации, усталостные дефекты, вследствие чего снижается надежность рельсов, чаще происходят их отказы, вызывающие необходимость уменьшения скоростей и прекращение движения поездов.
Наиболее частыми (до 70% от всех обнаруживаемых) видами повреждений и дефектов рельсов являются: трещины, отслоения, выкрашивания, смятия, повреждения в виде пробоксовин, внутренние усталостные дефекты в головке рельсов. Участки зарождения и развития наиболее частых продольных трещин в головке рельсов, как правило, характеризуются повреждениями поверхности катания (локальные неровности, смятия и отслоения металла). В этих условиях сканирование сечения головки рельса путем непрерывного перемещения электроакустических преобразователей (ЭАП) (например, ультразвуковых), размещенных в системы скольжения (акустические лыжи) или качения (ультразвуковые колеса), является затруднительным и не обеспечивает стабильный акустический контакт.
Действующей нормативной документацией [1, 2] по степени опасности рассматриваются две группы продольных трещин в головке рельсов: с глубиной расположения от 2,0 до 8,0 мм (дефекты кодов 10, 11, 12), и с глубиной расположения более 8,0 мм 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 [2]) и подлежат замене без промедления. По требованиям FRA (США) также требуется определять длину любого горизонтального расслоения в любом месте головки. Это вызвано тем, что горизонтальная продольная трещина (HSH) является предшественником опасных поперечных трещин в головке рельса. Таким образом, задача обнаружения и измерения параметров продольно ориентированных наклонных и горизонтальных трещин в головке рельсов является актуальной. При этом весьма важно иметь возможность разделять их по глубине залегания: до и более 8,0 мм.
Известны устройства размещения датчиков на поверхностях рельсов для целей измерения параметров головки рельсов [3 - 6], недостатками которых является невозможность измерения параметров внутренних дефектов головки рельса.
Недостатками технических решений, основанных на использовании ультразвуковых (УЗ) колебаний [7 - 12], является низкая точность и сложность проведения процедуры измерений. В основном это вызвано использованием в качестве плоскости ввода УЗ колебаний поверхности катания или боковых поверхностей головки рельса. При этом эхо-сигналы от продольных трещин, залегающих вблизи поверхности катания головки, попадают в зону нечувствительности («мертвую зону») УЗ контроля.
Возможными поверхностями ввода УЗ колебаний могли бы являться подголовочные поверхности (нижние грани) головки рельса, которые не подвергаются воздействию колес подвижного состава и сохраняют свой первоначальный профиль на все время эксплуатации рельсов [13]. Однако шероховатость (негладкость) этих поверхностей (поверхность проката) препятствует обеспечению стабильного ввода УЗ колебаний при сканировании (перемещении) преобразователей. Известное техническое решение обладает сложностью реализации и низкой достоверностью контроля.
Наиболее близким техническим решением, принятым за прототип, является УЗ модуль для реализации способа оценки дефекта в головке рельсов по патенту [14], содержащий размещаемые на поверхности катания и подголовочной грани головки рельса парные ЭАП, предназначенные для сквозного УЗ прозвучивания головки рельса, причем ЭАП, размещенный на подголовочной грани головки рельсов, является и излучающим, и осуществляющим прием эхо-сигналов, отраженных от поверхности искомых продольных трещин в головке рельсов.
Недостатком известного технического решения является сложность реализации, низкая производительность и достоверность УЗ контроля головки рельса, вызванные необходимостью сплошного сканирования головки рельса путем непрерывного перемещения УЗ модуля вдоль поверхностей головки рельса. Предусмотренные в [14] дополнительные пары преобразователей, осуществляющие ввод/прием УЗ колебаний с боковых поверхностей головки рельса, во многих случаях оказываются не эффективными из-за возможного значительного (до 15 мм и более) износа боковой поверхности головки со стороны рабочей грани. В то же время, попытка охватить головку рельса с помощью многих пар ЭАП (двух и более) с четырех сторон существенно усложняет конструкцию, снижает производительность контроля за счет траты времени на установку и снятие с головки рельса конструктивно сложного УЗ модуля.
Задачей, решаемой заявляемым техническим решением, является выявление и измерение параметров продольных трещин в головке рельса на локальных участках рельсового пути с помощью конструктивно простого УЗ модуля, обеспечивающего получение надежного и точного результата с высокой производительностью.
Поставленная задача достигается тем, что в ультразвуковом модуле измерителя продольных трещин в головке рельсов, содержащем корпус с верхним электроакустическим преобразователем, устанавливаемым на поверхность катания рельса; корпус шарнирно соединен с подвесом с нижним электроакустическим преобразователем, предназначенным для установки на нижнюю грань головки рельса, в рабочем положении нижний и верхний преобразователи сонаправлены друг с другом для сквозного прозвучивания головки рельса, причем электроакустические преобразователи выполнены в виде поперечных относительно головки рельса линеек преобразователей с N единичными преобразователями, рабочие поверхности линеек преобразователей, контактирующие с поверхностями головки рельса, оснащены упругими протекторами, для перевода подвеса с нижней линейкой преобразователей в рабочее положение и его фиксации предусмотрены пластина в верхней части подвеса и защелка с рычагом, для отвода подвеса в нерабочее положение предусмотрены пружины, соединенные с корпусом и, соответственно, с подвесом и защелкой, причем корпус оснащен узлом регулировки верхней линейки преобразователей в вертикальном направлении и корректором, позволяющим сохранить положения линеек преобразователей относительно продольной оси рельса при контроле рельсов с разной шириной головки.
Основными отличиями предлагаемого устройства от прототипа являются:
Выполнение ЭАП в виде линеек с несколькими (N) преобразователями, размещаемыми поперечно относительно головки рельса. Это обеспечивает минимальные площади контакта рабочих поверхностей линейки ЭАП с поверхностями головки контролируемого рельса и позволяет выполнять измерения на участках, где типовые акустические блоки, основанные на скольжении, полностью теряют акустический контакт из-за наличия повреждений поверхности катания рельса. В прототипе из-за необходимости сплошного сканирования по поверхностям головки рельса обеспечить стабильный акустический контакт на всем пути сканирования не удается.
Количество N преобразователей в линейках выбирается исходя из требуемой разрешающей способности контроля и ширины подголовочной поверхности головки рельса. Вопросы выбора количества преобразователей в формуле прототипа не отражены.
Рабочие поверхности линеек преобразователей, контактирующие с поверхностями головки рельса, оснащены упругими протекторами. Наличие упругих протекторов на контактных поверхностях линеек ЭАП обеспечивает стабильный акустический контакт даже на поврежденных поверхностях катания головки рельса. Вопросы функционирования известного устройства на участках рельсов с поверхностными повреждениями в прототипе не рассматриваются.
Фиксация линеек ЭАП в процессе измерений (в рабочем положении) с помощью специальных узлов (защелки и пружин) позволяет получить более точные результаты. Исключение процедуры сплошного сканирования контролируемого участка с неизбежной флуктуацией амплитуд УЗ сигналов и возможность дискретной установки устройства на локальные участки головки рельса повышает достоверность контроля.
Наличие узла (регулировки высоты), позволяющего корректировать величину раскрыва двух линеек ЭАП с учетом износа высоты головки рельса, обеспечивает более стабильный акустический контакт и расширяет область применения устройства. Вопросы контроля разновысотных рельсов (новых и изношенных) в прототипе не рассматриваются.
Наличие корректора, позволяющего сохранять заданное положение линеек ЭАП относительно продольной оси рельса с учетом типа (ширины головки) рельса, расширяет область применения устройства и позволяет одним устройством контролировать рельсы разных типов (российские рельсы типа Р50, Р 65, Р 75 и европейские, типа UIC 60 и др.). В прототипе вопросы контроля рельсов разных типов не рассматриваются.
Рассмотренные выше отличительные признаки заявляемого устройства позволяют получить технический результат - повышение надежности и точности измерения параметров продольных трещин в головке рельсов с помощью конструктивно простого УЗ модуля.
Заявляемое устройство иллюстрируют следующие графические материалы:
Фиг. 1 - рабочее положение УЗ модуля измерителя продольных трещин на головке рельса.
Фиг. 2 - нерабочее положение УЗ модуля (нижняя линейка ЭАП отведена от головки рельса).
Фиг. 3 - положение УЗ модуля на головке рельса - вид сверху,
где:
1. Головка рельса.
2. Корпус.
3. Ручка.
4. Верхняя УЗ линейка ЭАП.
5. Подвес.
6. Нижняя УЗ линейка ЭАП.
7. Ось подвеса.
8. Пружина отжимная.
9. Пластина подвеса.
10. Рычаг защелки.
11. Защелка.
12. Упругий протектор.
13. Продольная трещина.
14. Узел регулировки положения верхней линейки ЭАП.
15. Винт регулировки положения верхней линейки ЭАП.
16. Корректор ширины головки рельса.
17. Эксцентрик.
18. Пружина защелки.
Устройство функционирует следующим образом.
На аномальном участке головки рельса 1 (фиг. 1 - 3) устанавливают УЗ модуль. Корпус 2 с ручкой 3 и с верхней УЗ линейкой ЭАП 4 размещаются на поверхности катания рельса. При этом подвес 5 с нижней линейкой ЭАП 6, шарнирно соединенный с корпусом 2 с помощью оси 7, благодаря действию отжимной пружины 8, находится в отжатом (нерабочем) положении (см. фиг. 2) и не препятствует установке устройства на головку 1 рельса.
Путем нажатия на пластину 9 подвеса 5 в направлении, указанном на фиг. 1 стрелкой b (от рельса), нижняя линейка 6 устанавливается на нижнюю грань головки рельса (в рабочее положение). Защелкой 11 линейки ЭАП фиксируются в рабочем положении (фиг. 1). Стабильный контакт с зондируемым сечением головки рельса 1 осуществляется за счет наличия упругих протекторов 12 на рабочих (контактных) поверхностях линеек ЭАП 4 и 6, например, на основе гидрогеля [6] или силикона.
С помощью многоканального (количество каналов равно количеству сонаправленных пар ЭАП в линейках) УЗ дефектоскопа (на фиг. не показан) производится последовательное сквозное прозвучивание головки рельса соответствующими парами ЭАП. При этом контактные поверхности линеек ЭАП (при использовании в качестве ЭАП пьезопреобразователей) предварительно должны быть смазаны контактирующей смазкой для обеспечения акустического контакта с поверхностями головки рельса 1.
При наличии продольной трещины 13 в головке рельса 1 по количеству каналов, принимающих эхо-сигналы, и временам пробега УЗ колебаний до плоскости трещины и обратно производится вычисление параметров (глубины залегания и размера по ширине головки) на траекториях распространения УЗ колебаний) трещины (фиг. 1). А по времени сквозного пробега УЗ колебаний от ЭАП 6 к линейке ЭАП 4 можно определить высоту головки рельса как на ровных, так и на поврежденных (например, из-за дефекта кода 46.3 - в виде смятия в зоне сварного стыка [2]) участках рельса.
При этом возможны ситуации, когда на близких к продольной оси рельса единичных ЭАП линейки 4 сквозной сигнал присутствует, а на других - отсутствует. Одновременно на нижних ЭАП 6, сонаправленных с единичными ЭАП с отсутствующими сквозными сигналами, появляются эхо-сигналы от плоскости трещины 13 (фиг. 1). Как показано на фиг. 1, это возможно при обнаружении сечения рельса с односторонней продольной трещиной 13 на начальной стадии развития. Обнаружение зарождающихся продольных трещин (на начальной стадии развития) весьма важно, так как именно они в последующем могут являться источниками развития поперечных трещин и внезапных изломов рельсов под поездами. Отметим, из уровня техники не известны технические решения, позволяющие надежно обнаруживать и оценивать степень развития таких трещин.
После завершения измерений в данном сечении рельса, путем нажатия рычага 10 защелки 11 в направлении а (фиг. 2), за счет действия пружин 18 и 8 производится отвод нижней линейки ЭАП в нерабочее положение. С целью оценки протяженности продольной трещины по длине рельса устройство может перестанавливаться на соседний участок головки рельса, и вышеизложенная последовательность измерений повторяется.
Прием эхо-сигналов на всех ЭАП нижней линейки, как правило, свидетельствует об обнаружении развитой вглубь головки рельса трещины 13. В связи с тем, что продольные трещины в основном развиваются от рабочей (верхней) выкружки головки рельса, расстояние от нижней грани (плоскости ввода УЗ колебаний) до плоскости трещины и обратно составляет значительную величину. Временное положение эхо-сигнала от дефекта относительно зондирующего импульса находится за пределами мертвой зоны дефектоскопа и может быть измерено с требуемой точностью.
Для уточнения полного размера развитой трещины возможна переустановка устройства на противоположную сторону (нерабочую грань) головки рельса. Для этого УЗ модуль разворачивается вокруг вертикальной оси на 180°, и рассмотренная выше последовательность повторяется со стороны нерабочей (полевой) стороны головки рельса.
Количество N единичных преобразователей в каждой линейке выбирается с учетом ширины подголовочной грани головки рельса 1. В реализованном устройстве (фиг. 1-2) значение N выбрано равным 5 из соображений использования серийно выпускаемых пьезопластин диаметром 4 мм и достаточной для решаемых задач пространственного разрешения искомой трещины по ширине головки рельса.
В общем случае линейка ЭАП 4 может иметь размер, охватывающий всю ширину головки рельса с соответствующей ориентацией пьезопластин на подголовочные грани со стороны рабочей и нерабочей граней головки. На другую подголовочную грань можно установить еще одну линейку, зеркальную конструкции нижней линейки 6 (фиг. 1). При этом можно прозондировать практически все сечение головки рельса за одну установку модуля. Учитывая, что в большинстве случаев необходимо обнаруживать продольные трещины 13 на ранней стадии их развития, когда они еще не пересекают продольную ось рельса, усложнение конструкции, охватывающее все сечение головки рельса, не всегда оправдано.
В соответствии с действующими НТД, допустимый износ высоты головки рельса составляет 10 мм (для рельсов типа Р75 - даже до 12 мм). С целью обеспечения корректной работы устройства при таких изменениях в устройстве предусмотрен узел 14 регулировки положения верхней линейки ЭАП 6 в вертикальном положении. Необходимая корректировка производится с помощью винта 15 (фиг. 1 и 2).
Несмотря на то, что на железнодорожные линии в основном укладывают однотипные рельсы (на ОАО «РЖД» - рельсы типа Р65, на европейских - UIC 60), на отдельных участках пути возможна укладка рельсов и другого типа с незначительными изменениями размеров головки рельса (например, Р50). С целью сохранения положения линеек ЭАП относительно продольной оси рельса в этом случае, в заявляемом устройстве предусмотрен корректор 16 ширины головки рельса. Корректор 16 (фиг. 1 - 3), который может быть выполнен любым известным способом, на корпусе 2 устройства размещается в нижней области головки 1, наименее подверженной износу в процессе эксплуатации рельса. На фиг. 1 и 2 корректор выполнен в виде фиксируемого эксцентрика 17.
В качестве гибких протекторов можно использовать определенные марки полиуретана, особые полимеры, применяемые при изготовлении УЗ преобразователей для контроля грубых поверхностей, силикон или материал на основе гидрогеля [6].
Максимальное время пробега УЗ продольных волн (со скоростью с=5900 м/с) через толщу головки 1 рельса не превышает 10 мкс, а время распространения до возможной продольной трещины и обратно к ЭАП - 20 мкс. В связи с этим, даже последовательная работа всех N каналов на практике не превышает 100 мкс (с большим запасом 300 мкс), что для оператора воспринимается как мгновенное (одновременное) озвучивание всех наклонно-продольных сечений головки рельса. В результате оценка всех искомых параметров дефекта может производиться менее чем за 1 с. Время для подготовительных работ, таких как очистка (при необходимости) поверхностей ввода УЗ колебаний, нанесение контактной смазки (например, солидола или специального геля для УЗ контроля), установка и снятие УЗ модуля с линейками преобразователей с головки рельса, также, занимает минимальное время, так как для одной установки необходимо всего лишь подготовить площадки размерами 30 × 10 мм на подголовочной поверхности и на поверхности катания рельса. При использовании в качестве гибкого протектора гидрогеля, возможно исключить операцию нанесения контактной смазки, что дополнительно повышает производительность контроля.
Таким образом, заявляемый УЗ модуль реализуем, позволяет осуществлять выявление и измерение параметров продольных трещин в головке рельса на локальных участках рельсового пути, обеспечивает получение надежного и точного результата с высокой производительностью.
Источники информации
1. ГОСТ Р 51685-2013. Рельсы железнодорожные. Общие технические условия.
2. Инструкция "Дефекты рельсов. Классификация, каталог и параметры дефектных и остродефектных рельсов". ОАО "РЖД" №2499р от 23.10.2014.
3. RU 9527.
4. RU 67589.
5. RU 286244.
6. RU 2204803.
7. RU 169883.
8. RU 2613574.
9. RU 2652511.
10. WO 2009282923.
11. JP 11337529.
12. 2340495.
13. JP 6121513.
14. RU 2466386.