УСТРОЙСТВО ДЛЯ УЛЬТРАЗВУКОВОГО КОНТРОЛЯ ПОДОШВЫ РЕЛЬСОВ

Полезная модель относится к области рельсового транспорта и может использоваться в устройствах для обнаружения дефектов в подошве рельсов преимущественно железнодорожного транспорта и метрополитена.
Известно устройство для ультразвукового контроля рельсов, в котором на раме вагона закреплена дефектоскопическая тележка с системой ультразвукового контроля, снабженной пневматическим механизмом ее прижима к рельсу, и направляющей колесной системой, обеспечивающей фиксированное положение ультразвуковых преобразователей вдоль оси рельса (US 4468966 А, 1984).
Однако это устройство обеспечивает недостаточно высокую достоверность контроля рельсов, обладает низкой динамической устойчивостью при движении по рельсовому пути и имеет значительные габариты.
Известен также целый ряд аналогичных устройств различного конструктивного выполнения, содержащих установленную на дефектоскопической тележке систему ультразвукового контроля, в которой один или несколько однотипных ультразвуковых преобразователей, размещенных вдоль продольной оси рельса, прижимаются к поверхности катания головки рельса (например, SU 1052995 А1, 1983; RU 28154 U1, 2009; RU 2331066 С1, 2008; US 4044594 А, 1977; GB 1086922 А, 1067; ЕР 0285910 А1, 1988; JP 4171130 В2, 2008).
Однако все они не обеспечивают высокую достоверность контроля рельсов, что связано с трудностью или невозможностью выявления дефектов на всем протяжении подошвы рельса, например, дефектов коррозионно-усталостного характера, развивающихся с нижней поверхности подошвы.
Из известных устройств наиболее близким к заявленному является устройство для ультразвукового контроля подошвы рельсов, состоящее из электронного модуля и связанного с ним механического модуля, содержащего закрепленные на продольной раме дефектоскопической тележки с возможностью опускания-подъема посредством пневматического механизма систему ультразвукового контроля, содержащую блок ультразвуковых преобразователей с механизмом его прижатия к поверхности катания головки рельса, и механизм поперечной стабилизации (RU 2266225 С1, 2005). При этом помимо ультразвуковых преобразователей в этом устройстве имеются датчики магнитного контроля, что повышает вероятность выявления дефектов.
Однако это устройство также не позволяет с высокой степенью достоверности обнаруживать дефекты в любых областях подошвы рельса, в том числе трещин коррозионно-усталостного характера, развивающихся от нижней поверхности подошвы, что связано с отсутствием в этом устройстве соответствующих конструктивных особенностей блока ультразвуковых преобразователей. В этом устройстве не предусмотрены также конструктивные приемы, направленные на повышение равномерного прижатия ультразвуковых преобразователей к поверхности катания головки рельса и высокой устойчивости работы устройства, особенно при прохождении рельсовых стыков и стрелочных переводов. Отсутствуют также конструктивные элементы для обеспечения высокой надежности акустического контакта ультразвуковых преобразователей с поверхностью катания. Все это в целом не позволяет достичь высокой эксплуатационной эффективности устройства.
Задача, решаемая полезной моделью, заключается в создании устройства для ультразвукового контроля подошвы рельсов, лишенного недостатков прототипа. Технический результат, обеспечиваемый полезной моделью, состоит в повышении эксплуатационной эффективности устройства для ультразвукового контроля рельсов за счет возможности обнаружения дефектов в любых областях подошвы рельса и одновременно повышения чувствительности и достоверности контроля.
Это достигается тем, что в устройстве для ультразвукового контроля подошвы рельсов, состоящем из электронного модуля и связанного с ним механического модуля, содержащего закрепленные на продольной раме дефектоскопической тележки с возможностью опускания-подъема посредством пневматического механизма систему ультразвукового контроля, содержащую блок ультразвуковых преобразователей с механизмом его прижатия к поверхности катания головки рельса, и механизм поперечной стабилизации, система ультразвукового контроля выполнена в виде искательной системы, блок ультразвуковых преобразователей которой состоит из выполненных раздельными и расположенных последовательно двух двухместных и одного одноместного акустических блоков, размещенных с возможностью поворота в плоскости, перпендикулярной продольной оси рельса, в отверстиях, выполненных в продольном основании, закрепленном на связанной с механизмом поперечной стабилизации штанге, при этом отверстия под двухместные акустические блоки выполнены вдоль продольной осевой линии продольного основания, а отверстие под одноместный акустический блок выполнено со смещением относительно продольной осевой линии продольного основания, каждый из ультразвуковых преобразователей выполнен с величиной угла ввода луча ультразвуковых волн в головку рельса и установлен с величиной угла разворота относительно продольной оси продольного основания, сочетание которых обеспечивает возможность обнаружения дефектов в различных соответствующих участках подошвы рельса, электронный модуль содержит блок управления и регистрации дефектоскопа и соединенный с ним блок предварительной обработки дефектоскопа, а механический модуль снабжен системой подачи контактирующей жидкости, выполненной с возможностью обеспечения поступления контактирующей жидкости между поверхностью катания головки рельса и рабочими поверхностями ультразвуковых преобразователей. Смещение отверстия под одноместный акустический блок может составлять (0,13±0,04)W, где W - ширина головки рельса, угол ввода луча ультразвуковых волн и угол разворота одного из ультразвуковых преобразователей в одном из двухместных акустических блоков могут быть выбраны в пределах 55-65 и 0-3 угловых градусов соответственно, а другого ультразвукового преобразователя - в пределах 45-55 и 4-10 угловых градусов соответственно, угол ввода луча ультразвуковых волн и угол разворота одного из ультразвуковых преобразователей в другом двухместном акустическом блоке могут быть выбраны в пределах 38-55 и 8-18 угловых градусов соответственно, а другого ультразвукового преобразователя - в пределах 45-55 и 0-8 угловых градусов соответственно, угол ввода луча ультразвуковых волн ультразвукового преобразователя в одноместном акустическом блоке могут быть выбраны в пределах 45-55 и 16-24 угловых градусов соответственно, при этом направление угла разворота каждого из ультразвуковых преобразователей противоположно направлению смещения отверстия под одноместный акустический блок. На поверхности каждого из акустических блоков рядом с каждым ультразвуковым преобразователем может быть выполнена установочная метка, при этом каждый из ультразвуковых преобразователей снабжен соответствующей ответной меткой. Система подачи контактирующей жидкости может быть выполнена в виде связанных между собой накопительной емкости, насоса, расходомера и фильтра, соединенного через подводящие трубки со штуцерами, размещенными попарно в каждом из акустических блоков. Механизм прижатия блока ультразвуковых преобразователей к поверхности катания головки рельса может быть выполнен в виде установленных на штанге снабженных пружинами независимых прижимов, размещенных над каждым из акустических блоков.
Указанный технический результат обеспечивается всей совокупностью существенных признаков.
На фиг.1 показана структурная блок-схема устройства. На фиг.2 показана функциональная схема механического модуля. На фиг.3 показан преимущественный вариант конструкции искательной системы. На фиг.4 показан преимущественный вариант схемы размещения акустических блоков относительно поверхности катания головки рельса.
Устройство для ультразвукового контроля подошвы рельсов содержит электронный модуль 1 и связанный с ним механический модуль 2. Электронный модуль 1 содержит блок 3 управления и регистрации дефектоскопа и соединенный с ним блок 4 предварительной обработки дефектоскопа. В состав электронного модуля может входить также автономный источник питания (на чертежах не показан). Механический модуль 2 содержит закрепленные на продольной раме 5 дефектоскопической тележки с возможностью опускания-подъема искательную систему 6 и механизм 7 поперечной стабилизации. В состав механического модуля 2 входят также пневматический механизм 8 и система 9 подачи контактирующей жидкости. На фиг.1 системы 6, 9 и механизмы 7, 8 отражены в виде блоков, а на фиг.2 - условно в виде их элементов. В искательной системе 6 блок ультразвуковых преобразователей состоит из выполненных раздельными и расположенных последовательно двух двухместных акустических блоков 10, 11 и одноместного акустического блока 12, которые размещены в отверстиях 13, 14 и 15 соответственно, выполненных в продольном основании 16. Акустические блоки 10-12 размещены с возможностью поворота в плоскости, перпендикулярной продольной оси рельса 17, например, посредством крепления к продольному основанию 16 с помощью цилиндрических стержней 18. Продольное основание 16 закреплено, например, посредством скоб 19 на связанной с механизмом 7 поперечной стабилизации штанге 20. Штанга 20 закреплена, например, с помощью уголков 21 на кронштейнах 22 крепления механизма 7 поперечной стабилизации. Отверстия 13, 14 размещены вдоль продольной осевой линии продольного основания 16 без смещения, например, с технологическим допуском до ±0,053W. Отверстие 15 выполнено со смещением относительно продольной осевой линии продольного основания 16, преимущественно на величину (0,13±0,04)W. Механизм прижатия блока ультразвуковых преобразователей к поверхности 23 катания головки рельса 17 преимущественно выполнен в виде установленных на штанге 20 снабженных пружинами 24 независимых прижимов 25, которые могут быть установлены в акустических блоках 10-12, например, посредством установочных отверстий 26. В двухместный акустический блок 10 установлены два ультразвуковых преобразователя 27, 28, в двухместный акустический блок 11 установлены два ультразвуковых преобразователя 29, 30, а в одноместный акустический блок 12 - ультразвуковой преобразователь 31. Ультразвуковые преобразователи 27-31 выполнены преимущественно пьезоэлектрическими и излучают на частоте, например, 2,5 МГц. Каждый из них выполнен с величиной угла ввода луча ультразвуковых волн в рельс 17 и установлен с величиной угла разворота относительно продольной оси продольного основания 16, сочетание которых обеспечивает возможность обнаружения дефектов в различных соответствующих участках подошвы рельса 17. Это достигается например, если угол ввода луча ультразвуковых волн и угол разворота ультразвукового преобразователя 27 выбраны в пределах (равны) 55-65 и 0-3 угловых градусов соответственно, ультразвукового преобразователя 28 - в пределах 45-55 и 4-10, ультразвукового преобразователя 29 - в пределах 38-55 и 8-18, ультразвукового преобразователя 30 - в пределах 45-55 и 0-8, а ультразвукового преобразователя 31 - в пределах 45-55 и 16-24 угловых градусов соответственно. Направление угла разворота ультразвуковых преобразователей 28-31 противоположно смещению отверстия 15. На поверхности каждого из акустических блоков 10-12 рядом с каждым соответствующим ультразвуковым преобразователем 28-31 выполнена установочная метка 32, при этом каждый из ультразвуковых преобразователей 27-31 снабжен соответствующей ответной меткой (на чертежах не показана). Система 9 подачи контактирующей жидкости, в качестве которой преимущественно использована вода (подогреваемая в зимний период), выполнена преимущественно в виде связанных между собой накопительной емкости, насоса, расходомера и фильтра (на чертежах не показаны), соединенного через подводящие трубки со штуцерами 33, размещенными попарно в каждом из акустических блоков 10-12. Пневматический механизм 8 может быть выполнен, например, на основе компрессора, соединенного через блоки подготовки воздуха с пневматическими цилиндрами (на чертежах не показаны). Механизм 7 поперечной стабилизации может быть выполнен, например, на основе роликовой каретки с упруго демпфируемой опорой или на основе магнитной бесконтактной системы (на чертежах не показаны).
Опытный образец устройства реализован и испытан, при этом результаты испытаний подтверждают указанный технический результат. Обоснование его достижения раскрыто также в изложении функционирования устройства.
Устройство работает следующим образом. С помощью пневматического механизма 8 искательная система 6 и механизм 7 поперечной стабилизации приводятся в рабочее положение. При этом искательная система 6 устанавливается на поверхность 23 катания головки рельса 17, а механизм 7 поперечной стабилизации, например, в виде бесконтактной следящей системы устанавливается с зазором над рельсом 17. Система 9 подачи контактирующей жидкости обеспечивает ее подачу к искательной система 8 непосредственно перед началом движения дефектоскопической тележки (мобильного средства). По мере движения механизм 7 поперечной стабилизации обеспечивает центрирование искательной системы 6, которая самоустанавливается вдоль продольной оси рельса 17. В блоке 3 управления и регистрации дефектоскопа вырабатываются сигналы, содержащие сведения о прохождения пути, которые инициируют выработку в блоке 4 предварительной обработки дефектоскопа импульсного напряжения для возбуждения ультразвуковых, преимущественно пьезоэлектрических, преобразователей 27-31. При этом в рельс 17 излучаются в импульсном режиме лучи ультразвуковых волн. В зависимости от зоны подошвы рельса 17, в которой расположен дефект, переотраженные лучи ультразвуковых волн принимаются соответствующим ультразвуковым преобразователем 27-31. Электрические сигналы от них поступают в цифровой форме в блок 3 управления и регистрации дефектоскопа, где преобразуются в вид, удобный для наблюдения и идентификации обнаруженного дефекта. Использование пяти ультразвуковых преобразователей 27-31 связано с необходимостью надежного обнаружения дефектов в различных областях подошвы рельса 17. Наиболее эффективно они обнаруживаются посредством ультразвуковых волн, падающих на них в плоскости, параллельной или близкой к параллельности продольной плоскости симметрии рельса 17 и перпендикулярной плоскости развития дефекта. Точность определения дефектов в конкретной области подошвы повышается, если в каждой такой области оптимизированы условия излучения-приема луча ультразвуковых волн. Для соблюдения этих требований необходимо и достаточно пяти ультразвуковых преобразователей 27-31, каждый из которых имеет свое сочетание указанных выше угла ввода луча ультразвуковых волн, угла разворота относительно продольной плоскости симметрии рельс 17 и линейного положения относительно продольной оси симметрии рельса 17. Пределы указанных величин для данной области выбраны из условия обеспечения заданной диаграммы направленности так, что, например, ультразвуковые преобразователи 27, 28, 29, 30, 31 обеспечивают контроль подошвы в области, расположенной на расстоянии от продольной оси симметрии рельса 17, равном (0,91-1,00)L, (0,71-0,93)L, (0,24-0,53)L, (0-0,27)L, (0,51-0,73) соответственно, где L - половина ширины подошвы рельса 17. Преимущественные количественные значения пределов указанных углов и величины смещения отверстия 15 установлены экспериментально. Выход за эти пределы привели бы к непопаданию луча ультразвуковых волн в соответствующую область подошвы или несоответствию условия падения луча ультразвуковых волн в плоскости, перпендикулярной развитию дефекта. Подвод контактирующей жидкости в акустические блоки 10-12 повышают надежность контакта ультразвуковых преобразователей 27-31 с поверхностью 23 катания и соответственно чувствительность контроля. При этом блочная конструкция акустических блоков 10-12 - в виде двух двухместных и одного одноместного облегчает выполнение этого условия за счет реализации возможности равномерного распределения контактирующей жидкости между рабочей поверхностью акустических блоков 10-12 и поверхностью 23 катания и одновременно упрощает конструкцию устройства в целом. Падение же качества акустического контакта может явиться причиной пропуска дефектов, т.е. снижения достоверности результатов контроля. Блочная конструкция акустических блоков 10-12 с их независимой подвеской наряду с наличием механизма прижатия на основе пружин 24, обеспечивающего усилие прижима каждого акустического блока 10-12 к поверхности 23 катания величиной до 40 Н, повышает эффективность работы устройства, в том числе за счет повышения устойчивости при прохождении рельсовых стыков и стрелочных переводов. Особенность крепления акустических блоков 10-12 посредством цилиндрических стержней 18 также способствует повышению эффективности работы устройства за счет обеспечения возможности работы устройства без пропуска дефектов при прохождении кривых участков пути и при значительном износе головки рельса 17.
Устройство для ультразвукового контроля подошвы рельсов, выполненное в соответствии с полезной моделью, обладает более высокой эксплуатационной эффективностью по сравнению с известными аналогичными.