УСТРОЙСТВО ДЛЯ УЛЬТРАЗВУКОВОГО 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 бьпъ 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 трепщны (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 метод эхо-контроля головки рельса 2 с помощью наклонного преобразователя с углом ввода УЗ колебаний в металл рельса .
перемещаемого по поверхности катания головки вдоль продольной оси рельса и ориенпфованного под углом у  32 - 36 к рабочей (с внутренней стороны железнодорожной колеи) грани. Причем внутренние поперечные трещины в головке обн уживаются УЗ лучом, переотраженным от нижней поверхности головки (от подголовочной грани) 3.
Как показывают исследования и многолетний опыт эксплуатации рельсовых УЗ дефектоскопов, при вьшвлении 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 трещины на ранней стадии развития намного превыщает амшпггуду 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 пучка на поверхность такого дефекта, отражение упругих волн в обратном направлении практически не происходигг. В результате при сплошном 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 прозвучивания 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 сплопшого контроля рельсов (в автомотрисах-дефектоскопах на комбинированном ходу и в УЗ вагонахдефектоскопах) для обнаружения трещин в головке рельсов используют пьезопреобразователи с углом ввода луча 70, ориентированные вдоль продольной оси рельса 5, 6. В последнее время, преобразователи с углом
ввода 70° внедряются на отечественных 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 трещин в головке над проекцией шейки рельса.
Однако, эта схема не позволяет виишлять поперечные трещины с зеркальной поверхностью, залегающие в боковой части (как правило, в рабочей грани) головки рельса. Кроме того, как показывают исследования, вьшолненные в ОАО «Радиоавионика (Санкт-Петербург), преобразователи с углом ввода УЗ колебаний 70° не позволяют обнаруживать весьма опасные поперечные трещины небольших размеров (8-15 мм), развивающиеся 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 трещин 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 10 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 решению является устройство для УЗ контроля головки рельса по патенту США № 4700754, G 01 N29/04, от 20.10Л987г. 11, которое принято за прототип полезной модели.
Указанное устройство 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 известное устройство 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 fo 4700574 11 и фиг. 1В поз. 51,52 и 61,62 патента № 6055862 10). Естественно, при этом отсутствуют эхо-сигналы от поперечных трещин под поверхностью катания на продольной оси рельса. В тоже время, указанные трепщны являются весьма опасными, быстро развивающимися под динамическим воздействием колес проходящих поездов и, как указано выше, уже привели
К крушению п)узовых поездов на Северной (1998) и Забайкальской (1999 г.) железных дорогах.
Анализ эхо-сигналов от искомых дефектов в известном устройстве осуществляется в двух временных зонах, соответствующих озвучиванию плоскости дефекта прямым (т  0) УЗ лучом (от преобразователя до нижней плоскости головки рельса) и однократно-отраженным (т  1) лучом (при распространении  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 анашнзируются, что обуславливает пропуск
дефектов определенной конфигурации и дополнительное снижение надежности и достоверности контроля.
Технической задачей, решаемой заявляемой полезной моделью, является повышение надежности и достоверности ультразвукового контроля головки рельсов за счет эффективного обнаружения поперечных трепщн 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. Повышение надежности и достоверности контроля достигается также за счет более полного совместного анализа сигналов, принимаемых парой преобразователей от дефектов.
Поставленная задача решается тем, что устройство для ультразвукового контроля головки рельса содержит систему из двух наклонных электроакустических преобразователей, устанавливаемых на поверхность катания головки рельса на продольную ось рельса и развернутых под одинаковыми острыми углами относительно продольной оси рельса к противоположным боковым граням головки рельса. Углы ввода
ультразвуковых колебаний в металл рельса и углы разворота преобразователей относительно продольной оси рельса выбирают таким образом, чтобы оси ультразвуковых лучей, падая под наклоЕсным углом к зонам радиусного перехода боковой и нижней граней головки рельса, переотразившись от них пересекались на продольной оси поверхности катания головки рельса. При этом проекция траектории лучей внутри металла на поверхность катания образует геометрическую фигуру ромб. Угол разворота у ультразвукового преобразователя относительно продольной оси рельса определяется из вьфажения синус угла разворота равен отношению ширины (В) головки рельса к удвоенной высоте (Н) головки рельса умноженной на тангенс угла ввода и приема ультразвуковых колебаний (а), sin у  В/(2Н tg а). По мере перемещения пары преобразователей вдоль продольной оси рельса  ультразвуковые колебания и принимают отраженные от возможных дефектов в головке рельсов эхо-сигналы. По временному положению эхо-сигналов относительно зондирующих (излученных) колебаний и по их амплитудам судят о наличии дефекта и его ориентации внутри головки рельса. Причем, при анализе сигналов принимают во внимание все сигналы, поступившие на преобразователи. Для утфощения анализа эхо-сигналов, последующей автоматизации процесса расшифровки сигналов и процедуры контроля в устройстве предусмотрены три временных зоны, в которых осуществляют временную селекцию эхо-сигналов, причем две зоны предназначены для селекции сигналов от трепщн в боковых частях головки рельса, а третья, дополнительная, - для селекции сигналов от поперечных трепщн в центральной части головки под поверхностью катания. Причем сигналы от этих дефектов образуются за счет переотражения УЗ колебаний от уголкового отражателя, сформированного плоскостью трещины и поверхностью катания (или плоскостью подповерхностной горизонтальной треищны). При обнаружении этих дефектов, в отличие от выявления трепщн 6
в боковых частях головки, УЗ колебания излучаются одним преобразователем и принимаются другим по траектории луча внутри головки рельса, проекция которой на поверхность катания образует геометричес1ото фигуру ромб. Все мешающие сигналы, в частности, от неровностей нижних углов (зон радиусного перехода) не попадают в зоны временной селекции и не подвергаются дальнейшему анализу.
Супщость полезной модели поясняется чертежом, на фиг. 1 которого схематично показаны варианты реализации для трех случаев обнаружения поперечной -фещины в головке рельса (А - в центральной части; В - в боковой (на фигЛ - в правой) части при озвучивании поперечной трещины прямым () УЗ лучом; С - в боковой (на фиг.1 - в правой) части при озвучивании трещины однократночпраженным () УЗ лучом.), на фиг. 2 - представлена возможная функциональная схема дефектоскопа.
Примером конкретного выполнения заявляемой полезной модели является устройство для ультразвукового контроля головки рельса, содержащее два наклонных электроа1огстических (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) установлены на поверхность катания 3 головки 4 рельса, в которой имеется поперечная трещина (дефект) 5. УЗ преобразователи 1 и 2 размещены симметрично продо.11ьной 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 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, принимаемые УЗ преобразователями 1 и/шш 2. Для упрощения процедуры анализа и последующей автоматизации процесса УЗ контроля рельсов вся возможная зона прихода эхо-сигналов от трещин 5 разделена на три временные зоны селекции (стробируюпще импульсы) 15, 16 и 17 для временной селекции эхо-сигналов 12, 13 и 14 соответственно. Такое разделение общей временной зоны на три 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. УЗ преобразователи 1 и 2 для удобства монтажа могут быть размещены в едином корпусе 18 (см. фиг. 1C). В устройстве предусмотрен генератор синхроимпульсов 19 и последовательно соединенные с ним (19) формирователи временных зон селекции (стробирующих импульсов) 20, 21 и 22 для зон 16, 17 и 15 соответственно. К генератору 19 подключены генераторы зондирующих импульсов 231 и 232, подключенные также к УЗ преобразователям 1 и 2 (индексы показывают блоки дефектоскопического тракта, подключенные к соответствующему преобразователю 1 или 2). Для приема эхо-сигналов 12, 13 и 14 предусмотрены приемники 24i и 242 соединенные со схемами совпадения (логическая схема «И) 25 и 252 для временной зоны 16, 26i и 2б2 - для зоны 17, 271 и 272 -для зоны 15. Вторые входы указанных схем совпадения соединены с формирователями 20, 21 и 22 (см. фиг.2). Кроме того, для лз ппего 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 колебавши;
у - угол разворота преобразователей 1 и 2 относительно продольной оси 6 рельсов в стороны П и Л рабочих граней соответственно;
Ui и Ui - амплитуды сигналов (зондирующих и эхо) на преобразователях 1 и 2 соответственно;
Ui2 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.
Устройство для ультразвукового 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 19, который одновременно запускает генераторы зондирующих импульсов 23 и 232 , соединенных с УЗ преобразователями 1 и 2 соответственно. Затем перемещают систему из двух 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 луча 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 трещины 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, излучаемых 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 катаЕшя 3. При наличии поперечной трещины 5, развивающейся непосредственно от поверхности катания 3 шш 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 зтолкового отражателя, образуемого поверхностью катания 3 и трещиной 5, и претерпев следующее переотражение от зоны 9 радиусного перехода левой части головки рельса, принимается преобразователем 2. В результате зондирующий импульс 10, излз енный преобразователем 1, распространяясь внутри головки 4 рельса по траектории, проекщы которой на поверхность катания образует геометрическую фигуру ромб, принимается преобразователем 2 в виде эхо-сигнала 12. На фигЛА в координатах амплитуда U - время t приема эхо-сигналов показаны моменты  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 трепщны 5 (координатная плоскость Ui - 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 пгарины 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 изл)ении УЗ колебаний преобразователями 1 и 2 УЗ лз, 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 подшостью совпадает с эхо-сигналом 12 от преобразователя 1. Однако, в зависимости от ориентации трещины 5, возможны некоторые отличия амплитуд Uu эхо-сигналов на преобразователях 1 и 2, что при соответств)ющем анализе может дать дополнительнз ю информащпо об ориентащш поперечной трещины.
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 трещины правой части головки 4 рельса прямым лучом 7, 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 С)ацественно меньше, чем ty.
Па фиг. 1C показано обнаружение преобразователем 1 трепдшы 5 в правой части головки 4 рельса однократно-отраженным (ш  1) УЗ лучом 7. Временное положение эхо-сигнала ti на координатной плоскости Ui - t находится в промежуточном положении между to и ty .
Аналогично, преобразователем 2 могут быть обнаружены различно ориентированные поперечные трещины в левой части головки рельса (на
При наклонном вводе ультразвуковых колебаний ультразвуковые , распространяющиеся отточки ввода до противоположной поверхности изделия, принято называть прямым (т  0) лучом, переотраженные от противоположной поверхности однократно-отраженным (ш  1) ультразвуковым лучом 12,13.
фиг. 1 не показаны). Заметим, что в боковых частях головки рельса трещины обнаруживаются с помощью соответствующих преобразователей 1 или 2, работающих в совмещенном режиме одновременного излучения и приема УЗ колебаний.
Поперечные трещины в центральной части головки 4 рельса выявляются только  преобразователями, один из которых (например, преобразователь 1) излучает УЗ колебания, а второй (преобразователь 2) принимает отраженные от дефекта 5 эхо-сигналы. При излучении УЗ колебаний преобразователем 2 эхо-сигналы от трещины 5 принимаются преобразователем 1.
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 выше дефектов разделить на три временные зоны селекции (стробирующие импульсы) 15. 16 и 17, предназначенные соответственно для выделения эхосигналов, обнаруженных прямым (ш  0) и однократно-отраженным (ш  1) лучами в боковых частях головки рельса, формируемых УЗ лучами, распространяюпщхся в объеме головки рельса по траектории ромб. Такое разделение общей временной зоны на три 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 регистрации сигналов сплошного контроля головки рельса на развертке типа В 16, 17 разделение общей зоны на три отдельные зоны не является обязательным, т.к. указанные помехи будут регистрироваться в виде горизонтальных линий, параллельных направлению движения дефекгограммы, пропорциональной размещению преобразователей вдоль рельса.
Таким образом, при иаличии в головке 4 рельса поперечной трещины 5 УЗ колебания отражаются от поверхности трещины, поступают на преобразователи 1 и 2 и на соединенные в ним приемники 24i и 242. С выхода указанных приемшшов эхо-сигналы поступают на соответствующие схемы совпадения (логические схемы И) 25i, 26i, 27i и 252, 2б2, 272 - На вторые входы этих схем поступают соответствующие стробирующие импульсы с формирователей 20, 21 и 22 (см. фиг. 2). При временном совпадении эхо-сигналов, принятых преобразователями 1 и 2 и стробирующих импульсов, генерируемых формирователями 20, 21 и 22, на выходах соответствующих схем совпадения 25, 26 и 27 появляются эхосигналы. На выходах схем совпадения 251 и 26 появляются эхо-сигналы от поперечных трещин 5 в правой ( Н - на фиг.1 и фиг.2) боковой части головки 4 рельса; на выходах 252 и 2б2 - в левой (Л) боковой части головки 4 рельса; на выходах схем 271 и 272 - в центральной (Ц) части головки 4 рельса. Но совместному анализу появившихся эхо-сигналов (to, ti и 1ц) на соответствующих выходах и соотношению их амплитуд (Uo,Ui и иц) можно весьма достоверно судить об ориентащш и характере обнаруженного дефекта.
Следует отметить, что различные элементы и электронные компоненты, используемые при реализации дефектоскопа, являются известными. Оригинальность заключается в конкретном расположении преобразователей 1 и 2 и ориентации УЗ лучей, излучаемых ими, последовательности анализа эхо-сигналов и соединения электрических узлов (блоков). Нри реализации дефектоскопа в цифровом виде (со встроенным микропроцессором) формирователи зон селекции 20, 21 и 22, а также схемы совпадения 25, 26 и 27 в виде отдельных блоков могут отсутствовать, т.к. селекцию эхо-сигналов в заданных временных интервалах по заложенному алгоритму будет осуществлять микропроцессор.
Из описания работы устройства для ультразвукового контроля головки рельса видно, что заявляемое устройство может работать в двух вариантах:
1. Один из преобразователей излучает, а другой принимает отраженные от искомых дефектов УЗ колебания. После этого в следующем цикле излучения - приема дрзтой преобразователь излучает УЗ колебания, а второй тфинимает. Таким образом, преобразователи 1 и 2 работают в раздельном режиме, последовательно меняя свои функции излучателя и приемника.
2. Оба преобразователя одновременно излучают УЗ колебания и принимают эхо-сигналы от возможных дефектов.
Второй вариант, как наиболее производительный, может быть применен при автоматизированном контроле с помощью автомотрис и вагонов-дефектоскопов.
Наиболее существенньпл в заявляемом устройстве является
правильный выбор углов ввода ai и а2 УЗ лучей и углов разворота yi и у2 относительно продольной оси преобразователей 1 и 2 таким образом, чтобы обеспечивать пересечение переотраженных от зон радиусного перехода 9 осей УЗ лучей 7 и 8 на продольной оси 6 поверхности катания 3. При выборе этих 5ТЛОВ необходимо также исходить из получения эхо-сигналов с максимальной амплитудой от поперечных трещин в боковых частях 9 головки 4 рельса. Кроме того, необходимо стремиться к тому, чтобы точки ввода УЗ колебаний преобразователей 1 и 2 отстояли на максимальном расстоянии от указанной выще точки пересечения осей лучей 7 и 8. Вьтолнение последнего условия необходимо для того, чггобы обеспечивать возможность обнар5жения поперечных трещин, развивающихся от
В ультразвуковой дефектоскопии углы ввода а УЗ колебаний в контролируемое изделие принят отсчитывать от нормали к поверхности ввода ультразвука в плоскости
поверхностных отслоений металла и подповерхностных горизонтальных трепщн 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, угол разворота у можно определить как
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  58° 12,18.
Таким образом, для практической реализации целесообразно выбрать 5ТЛЫ ввода УЗ лучей для преобразователей 1и2 ai    58°, углы их разворота yi  У2  У  36° относительно продольной оси 6 рельса к правой и левой боковым граням соответственно.
Этот вывод подтвержден экспериментально на специально разработанной в ОАО «Радиоавионика установке на образцах рельсов с моделями и реальными дефектами в боковых и центральных частях головки рельса. Доказано, что принимаются з еренные эхо-сигналы от моделей дефектов, выполненных фрезой в центральной части головки рельса на
smy  B/(2Htga),(1)
глубину всего 6-8 мм. Кроме того, полученные результаты подтверждены и при контроле рельсов с помопц,ю автоматизированных средств: на Октябрьской железной дороге совмещенным вагоном-дефектоскопом ПС480 с дефектоскопическим комплексом «Авикон-03 ; на Северной железной дороге - автомотрисой дефектоскопной АДЭ-01. Заявляемое устройство позволяет уверенно выявлять реальные поперечные трещины как в боковых частях, так и в центральной части головки рельса.
Предлагаемая схема прозвучивания оказалась особенно эффективной при выявлении поперечных трещин, развивающихся в районе повреждений поверхности катания, вызванных пробуксовкой колес локомотивов (код дефекта 2-4 по 1). Такие дефекты известными устройствами не могут быть обнаружены.
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 плоскости падения луча и в перпендикулярной плоскости составляют 8-12 (см., например, 12, 13). В связи с этим 5 азанное устройство 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.a  2tn + 2H/Ct cosa,(2)
где tn - время распространения УЗ колебаний в клиновидной призме наклонного преобразователя 1 или 2;
( 16
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 п., 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, например:
-зона 15 - 10...46 МКС для селекции эхо-сигналов от дефектов в боковой части головки рельса, принятых при озвучивании их прямым УЗ лучом (ш  0);
-зона 16 - 52...83 мкс для селекции эхо-сигналов от дефектов в боковой части головки рельса при озвз чивании их однократноотраженным  (ш  1) (см. фиг. 1).
При выборе указанных зон принимались во внимание допустимый износ головки рельса, величина мертвой зоны для типовых наклонных преобразователей и раскрьггие диаграммы направленности преобразователей в плоскости падения УЗ .луча.
Таким образом, предложенная совокупность существенных признаков заявляемого устройства, позволяет получить новые технические результаты:
- повышение надежности и достоверности контроля за счет эффектршного обнаружения поперечных трещин практически по всему объему головки рельса, включая поперечные трепщны, развивающиеся под поверхностными отслоениями металла и горизонтальными трещинами в центральной части головки рельса;
-повышение производительности и надежности контроля за счет автоматической дифференсации эхо-сигналов, принятых из различных зон головки рельса;
-дополнительное повышение достоверности контроля за счет совместного анализа эхо-сигналов, принятых обоими преобразователями во всех временных зонах.
Таким образом, техническая задача, поставленная при разработке устройства УЗ контроля головки рельса, полностью решена. Заявленное устройство обеспечивает повышение надежности и достоверности неразрушаюшего 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 неразрушаюпщй. /Рельсы железнодорожные, методы ультразвуковые. М.: Изд-во станд зтов, 1985.
3.Кузьмина Л.И. Выявление дефектов второй группы эхоимпульсным методом //Ультразвуковая дефектоскопия рельсов. Серия Путь и путевое хозяйство. М.: ЦНИИТЭИМПС, 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 ProfQs //Radway Track and Structures - № 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, №11.
8.Шестаков Ю.И. Дефекгоскопным 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.
ЮЛатент США № 6055862 СУГ 02.05.2000г. МКИ G 01 N 29/00. G.D. Martoes. Способ и устройство обнаружения, идентификации и регистрации местоположения дефектов в железнодорожных рельсах.
11.Патент США № 4700574. МКИ G 01 N 29/04. Способ и устройство дефектоскопии внутренних дефектов в головке рельсов.
12.Марков А.А., Шпагин Д.А. Ультразвзгковая дефектоскопия рельсов. Санкт-Петербург, Образование-Культура, 1999,236 с.
13.Гурвич А.К., Довнар Б.П. и др. Неразрушаюпщй контроль рельсов при их эксплуатации и ремопте. М.: Транспорт, 1983 г.
14.Методы акустического контроля металлов. Под редакцией Н.П. Алешина. М.: Машиностроение, 1989,454 с.
15.Марков А.А., Прокофьев А.Б., Миронов Ф.С. Ультразвуковой дефектоскоп с непрерывным излз ением 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 ультразвз овых дефектоскопах. - В мире неразрушающего контроля. № 1, 2000 г., с.42-44.
17.Башкатова Л.В., Гурвич А.К., Лохач А.В., Марков А.А. Компьютеризированные средства неразрушающего контро.11я 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 - Генералы ; авТ7 о 55ч// ОАО «Радиоави а Ж Е.Э. Чернышов