СПОСОБ УЛЬТРАЗВУКОВОГО КОНТРОЛЯ ГОЛОВКИ РЕЛЬСОВ Российский патент 2002 года по МПК G01N29/04 B61K9/10 

Заявляемое изобретение относится к неразрушающему контролю материалов и может быть использовано при ультразвуковой (у.з.) дефектоскопии железнодорожных рельсов и других длинномерных изделий.

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, 30В.1-2, 30Г.1-2 и 38 по [1]). Согласно статистическим данным Департамента пути и сооружений МПС России, в 2000 году более 63% одиночной замены рельсов производился из-за указанных дефектов в головке рельса. При этом около 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, приводящие к хрупкому разрушению рельса под поездом.

Для своевременного обнаружения указанных дефектов возможно применение эхо-, зеркально-теневого и теневого методов ультразвукового контроля. Например, ГОСТ 18576-85 [2] рекомендует восемь способов прозвучивания головки рельсов, базирующихся на названных методиках у.з. контроля. Однако только четыре из них позволяют осуществлять ввод у.з. колебаний через поверхность катания головки рельса, где условия акустического контакта оптимальны и могут быть применены при сплошном контроле качества рельсов с помощью съемных дефектоскопных тележек, вагонов-дефектоскопов и дефектоскопных автомотрис. Только один из указанных четырех способов реализует эхо-метод, наиболее чувствительный к поперечным трещинам в головке рельса. В связи с этим во всех серийно выпускаемых дефектоскопах для контроля рельсов реализуется именно этот метод контроля головки с помощью наклонного преобразователя с углом ввода у. з. колебаний в металл рельса α = 58^°, перемещаемого по поверхности катания головки вдоль продольной оси рельса и ориентированного под углом γ ≈ 32-35^° к рабочей (с внутренней стороны железнодорожной колеи) грани. Причем внутренние поперечные трещины в головке обнаруживаются у.з. лучом, переотраженным от нижней поверхности головки (от подголовочной грани) [3].

Как показывают исследования и многолетний опыт эксплуатации рельсовых у. з. 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 трещины на ранней стадии развития намного превышает 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 у.з. волны. При наклонном падении у. з. пучка на поверхность такого дефекта отражение упругих волн в обратном направлении практически не происходит. В результате при сплошном контроле рельсов надежность выявления сильно развитых поперечных трещин 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) у.з. преобразователь разворачивают под углом 32-35^o в сторону нерабочей грани головки рельса и производят дополнительный контроль по всей длине рельса.

В зарубежных системах сплошного контроля рельсов (в автомотрисах-дефектоскопах на комбинированном ходу и в у.з. вагонах-дефектоскопах) для обнаружения трещин в головке рельсов используют пьезопреобразователи с углом ввода луча 70^o, ориентированные вдоль продольной оси рельса [5, 6]. В последнее время преобразователи с углом ввода 70^o 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 выявлять поперечные трещины с зеркальной поверхностью, залегающие 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 у.з. колебаний 70^o 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 способов у.з. контроля головки рельса с целью более надежного выявления поперечных трещин в центральной и в боковых частях весьма актуальна.

С целью надежного выявления различных дефектов в боковой части головки рельса при одновременном повышении помехозащищенности контроля в патенте [7] предложен способ у. з. контроля, предусматривающей использование двух наклонных преобразователей, размещенных на определенном расстоянии друг от друга на поверхности катания рельса. Однако известный способ позволяет обнаруживать дефекты только в одной из боковых частей головки рельса, в основном трещины, ориентированные нормально (перпендикулярно) к поверхностям катания и имеющие зеркальную плоскость отражения [8, 9], и, как следствие, обладает низкой достоверностью и производительностью контроля.

В известном способе по патенту США 6055862 [10] предусмотрены 10 у.з. 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. Указанный патент по существу является обобщающим для многих технических решений, защищенных ранее патентами США и других стран (см., например, патент США 4700754 [11]).

Из известных способов наиболее близким к предлагаемому является "Способ и устройство ультразвукового обнаружения дефектов в головке рельса" (патент США 4700754, G 01 N 29/04 от 20.10.1987 г. [11]), который выбран в качестве прототипа.

Известный способ реализуется с помощью двух наклонных ультразвуковых преобразователей, установленных симметрично относительно продольной оси на поверхности катания головки рельса и перемещаемых с постоянной скоростью вдоль рельса. Пара преобразователей осуществляет поочередное импульсное излучение у.з. колебаний под углом α = 60-80^° к поверхности катания в стороны боковых граней головки рельса под углами γ = 10-25^° относительно продольной оси рельса. При наличии в головке рельса "смещенных овальных поперечных трещин" указанными преобразователями осуществляют прием эхо-сигналов и по их временному положению оценивают местоположение (в левой или в правой боковой части головки) и примерную ориентацию трещины.

Недостатками известного способа, принятого за прототип, являются низкая надежность и достоверность контроля, вызванная тем, что он не позволяет обнаруживать поперечные трещины, залегающие под поверхность катания в центральной части (на продольной оси головки рельса). Это вызвано тем, что формируемые преобразователями у.з. 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 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 крушению грузовых поездов на Северной (1998) и Забайкальской (1999 г.) железных дорогах.

Кроме указанного недостатка, способ, принятый за прототип, требует размещения пары наклонных преобразователей с противоположных сторон "средней плоскости симметрии рельса", что обуславливает значительные габариты системы из двух преобразователей в поперечном рельсу направлении. Например, при использовании в указанных в прототипе [11] размерах пъезопластин диаметрами 18 мм и смещении каждого из них на 10 мм от продольной оси поперечный размер из двух преобразователей составляет не менее 56 мм. При общей ширине головки рельса 70-80 мм (в зависимости от типа) и наличии соответствующей выпуклости (выкружки) поверхности катания головки рельса для обеспечения надежного акустического контакта требуется притирка рабочей поверхности системы из двух преобразователей. Однако на одной рельсовой колее могут быть уложены рельсы разной степени износа, а значит, несколько отличающейся конфигурацией поверхности катания. В результате как непритертые, так и притертые широкие преобразователи не могут обеспечивать надежный акустический контакт на всей протяженности контролируемого пути. В результате способ, принятый за прототип, обладает низкой надежностью.

Анализ эхо-сигналов от искомых дефектов в способе, принятом за прототип, осуществляется в двух временных зонах, соответствующих озвучиванию плоскости дефекта прямым (m=0) у.з. лучом (от преобразователя до нижней плоскости головки рельса) и однократно-отраженным (m=1) лучом (при распространении луча от нижней плоскости до поверхности катания) [11, 12]. Из-за особенностей выбранной схемы прозвучивания в известном способе 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.

Технической задачей, решаемой заявляемым изобретением, является повышение надежности, достоверности и производительности ультразвукового контроля головки рельсов за счет эффективного обнаружения поперечных трещин в центральной части головки рельса, в том числе залегающих под отслоениями металла и горизонтальными трещинами на небольшой (по НТД - до 8 мм [1]) 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 на поверхность катания головки рельса на продольную ось рельса устанавливают систему из двух наклонных электроакустических преобразователей, 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 наклонным 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. По мере перемещения пары преобразователей вдоль продольной оси рельса излучают 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 упрощения анализа эхо-сигналов, последующей автоматизации процесса расшифровки сигналов и процедуры контроля осуществляют временную селекцию эхо-сигналов в трех временных зонах, две из которых предназначены для селекции сигналов от трещин в боковых частях головки рельса, а третья, дополнительная, - для селекции сигналов от поперечных трещин в центральной части головки под поверхностью катания. Причем сигналы от этих дефектов образуются за счет переотражения у.з. колебаний от уголкового отражателя, сформированного плоскостью трещины и поверхностью катания (или плоскостью подповерхностной горизонтальной трещины). При обнаружении этих дефектов, в отличие от выявления трещин в боковых частях головки, у.з. колебания излучаются одним преобразователем и принимаются другим по траектории луча внутри головки рельса, проекция которой на поверхность катания образует геометрическую фигуру ромб. Все мешающие сигналы, в частности от неровностей нижних углов (зон радиусного перехода), не попадают в зоны временной селекции и не участвуют в дальнейшем анализе.

Существенными отличиями предлагаемого способа от ранее известных являются:
1. Возможность обнаружения поперечных трещин в центральной части головки рельса, развивающихся как непосредственно от поверхности катания, так и от подповерхностных горизонтальных трещин и отслоений металла поверхности катания. Ранее известные способы позволяли обнаруживать поперечные трещины только в боковых частях головки рельса. Данный положительный эффект достигается за счет выбора соответствующей конфигурации системы из двух электроакустических преобразователей с определенными углами ввода у.з. колебаний и разворота их относительно продольной оси рельса.

2. Автоматическая дифференциация обнаруженных дефектов, залегающих в боковых и центральной части головки рельса, за счет временной селекции эхо-сигналов в трех временных зонах. Причем в третьей, в дополнительной, зоне, в отличие от первых двух зон, анализируют сигналы, излученные одним и принятые, после отражения от искомого дефекта, другим преобразователем.

3. Повышение производительности контроля за счет одновременного излучения и приема у.з. колебаний обоими преобразователями системы и одновременного совместного анализа принятых сигналов двух каналов. При этом, в отличие от прототипа, нет необходимости тратить время контроля на последовательное отключение (переключение) первого или второго преобразователя и выяснения, в какой боковой части головки рельса обнаружен дефект.

Исходя из вышеизложенного можно утверждать, что данное изобретение обладает новизной и новыми, не очевидными для специалистов в данной области свойствами, а значит, отвечает критерию изобретательского уровня.

На фиг. 1 показаны варианты реализации для трех 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 (m=0) у.з. лучом;
С - в боковой (на фиг.1 - в правой) части при озвучивании трещины однократно отраженным (m=1) у.з. лучом. Возможные варианты озвучивания поперечных трещин в левой боковой части головки рельса являются аналогичными вариантам В и С и на фиг.1 не показаны.

На фиг. 2 показана возможная функциональная схема дефектоскопа, реализующего заявляемый способ ультразвукового контроля головки рельса.

При этом на указанных фигурах введены следующие обозначения:
1 и 2 - наклонные электроакустические (ультразвуковые) преобразователи;
3 - поверхность катания головки 4 рельса;
5 - поперечная трещина (дефект) в головке рельса;
6 - продольная ось головки рельса, лежащая на поверхности катания;
7 и 8 - ультразвуковые лучи, излучаемые соответственно у.з. преобразователями 1 и 2;
10 и 11 - зондирующие импульсы;
12, 13 и 14 - эхо-сигналы от поперечных трещин 5 в головке 4 рельса;
15, 16 и 17 - временные зоны (стробирующие импульсы) для временной селекции эхо-сигналов 12, 13 и 14 соответственно;
18 - общий корпус для преобразователей 1 и 2;
19 - генератор синхроимпульсов;
20, 21 и 22 - формирователи временных зон селекции (стробирующих импульсов) для зон 16, 17 и 15 соответственно;
23₁ и 23₂ - генераторы зондирующих импульсов, подключенные к преобразователям 1 и 2 (индексы показывают блоки дефектоскопического тракта, подключенные к соответствующему преобразователю 1 или 2);
24₁ и 24₂ - приемные тракты;
25₁ и 25₂ - схема совпадения (логическая схема И) для временной зоны 16, 26₁ и 26₂ - для зоны 17, 27₁ и 27₂ - для зоны 15.

Буквами обозначены Л, П и Ц - левая, правая и центральная части головки рельса (условно для фиг.1 и 2);
α - угол ввода у.з. колебаний в металл рельса преобразователями 1 и 2, отсчитывается от нормали к поверхности ввода у.з. колебаний;
γ - угол разворота преобразователей 1 и 2 относительно продольной оси рельса в стороны П и Л боковых граней соответственно;
U₁ и U₂ - амплитуды сигналов (зондирующих и эхо) на преобразователях 1 и 2 соответственно;
U₁₂ и t_ц - амплитуда эхо-сигнала и время распространения у.з. колебаний до дефекта в центральной части головки рельса;
U₁₃ и t₀ - амплитуда эхо-сигнала от дефекта в боковой части головки рельса и время распространения у.з. колебаний при озвучивании его прямым (m= 0) лучом;
U₁₄ и t₁ - амплитуда эхо-сигнала от дефекта в боковой части головки рельса и время распространения у.з. колебаний при озвучивании его однократно отраженным (m=1) лучом.

Способ ультразвукового контроля головки рельса реализуется следующим образом.

Наклонные электроакустические преобразователи 1 и 2 устанавливают на поверхность катания 3 головки рельса 4 с потенциально возможным дефектом 5 и 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) (фиг. 1). С помощью одного из преобразователей (на фиг.1А - преобразователя 1) излучают в головку рельса поперечные у.з. 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 у.з. колебания. Прием этих колебаний становится возможным благодаря соответствующему выбору параметров системы из двух преобразователей: углов α ввода и приема у.з. колебаний; углов γ разворота излучающего и приемного преобразователей 1 и 2 в стороны боковых граней головки рельса таким образом, чтобы акустические оси 7 и 8 у.з. лучей, излучаемых каждым из преобразователей, после переотражения внутри головки 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), у. з. 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 трещиной 5, и, претерпев следующее переотражение от зоны 9 радиусного перехода левой части головки рельса, принимается электроакустическим преобразователем 2. В результате зондирующий импульс 10, излученный преобразователем 1, распространяясь внутри головки 4 рельса по траектории, проекция которой на поверхность катания образует геометрическую фигуру ромб, принимается преобразователем 2 в виде эхо-сигнала 12. На фиг.1А в координатах "амплитуда U - время t приема эхо-сигналов" показаны моменты излучения зондирующего импульса 10 преобразователем 1 (координатная плоскость U₁-t) и момент приема преобразователем 2 эхо-сигнала 12 с амплитудой U₁₂ и с временной задержкой t_ц, отраженного от трещины 5 (координатная плоскость U₂-t). Видно, что эхо-сигнал 12 задержан относительно момента излучения зондирующего импульса на время t_ц. Время t_ц при известных скорости c_t распространения у.з. колебаний в материале изделия, геометрических размерах головки 4 рельса (в частности, высоты Н головки и ширины головки В нижней части), значений угла ввода α у.з. колебаний и угла γ разворота преобразователей может быть рассчитано из геометрических соображений.

При одновременном излучении у.з. колебаний преобразователями 1 и 2 у.з. 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 возможны некоторые отличия амплитуд U₁₂ эхо-сигналов на преобразователях 1 и 2, что при соответствующем анализе может дать дополнительную информацию об ориентации поперечной трещины.

Кроме обнаружения поперечных трещин, развивающихся в центральной части головки рельсов, предлагаемый способ позволяет обнаруживать и поперечные трещины, развивающиеся в боковых частях головки рельса. В частности, на фиг. 1В показан момент обнаружения поперечной трещины в правой части головки рельса прямым лучом 7, излученным и принятым преобразователем 1. При наклонном вводе ультразвуковых колебаний у.з. лучи, распространяющиеся от точки ввода до противоположной поверхности изделия, принято называть прямым (m=0) лучом, переотраженные от противоположной поверхности - однократно отраженным (m= 1) у.з. лучом [12, 13]. Здесь же на координатной плоскости U₁-t показано временное положение t₀ эхо-сигнала 13 с амплитудой U₁₃ от данной трещины. Видно, что t₀ существенно меньше, чем t_ц.

На фиг. 1С показано обнаружение преобразователем 1 трещины 5 в правой части головки рельса однократно отраженным (m=1) у.з. лучом 7. Временное положение эхо-сигнала t₁ на координатной плоскости U₁-t находится в промежуточном положении между t₀ и t_ц.

Аналогично, преобразователем 2 могут быть обнаружены различно ориентированные поперечные трещины в левой части головки рельса (на 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 у.з. колебаний).

Поперечные трещины в центральной части головки рельса выявляются только двумя преобразователями, один из которых (например, преобразователь 1) излучает у.з. колебания, а второй (преобразователь 2) принимает отраженные от дефекта эхо-сигналы. Естественно, справедливо и обратное - при излучении у. з. колебаний преобразователем 2 эхо-сигналы от трещины принимаются преобразователем 1.

Для упрощения процедуры анализа и последующей автоматизации процесса у. з. 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 эхо-сигналов от трещины, обнаруженных в центральной части и в боковых частях головки рельса прямым (m=0) и однократно отраженным (m=1) лучами. Такое разделение общей временной зоны на три отдельные зоны позволяет избежать приема нежелательных эхо-сигналов (помех) в соответствующих зонах от неровностей на поверхности боковых и нижней граней и зоны их радиусного перехода, а также от поверхности катания головки рельса и упростить процедуру распознавания характера и ориентации дефекта.

Отметим, что при регистрации сигналов сплошного контроля головки рельса на развертке типа В [14, 15] разделение общей зоны на три отдельные зоны не является обязательным, т.к. указанные помехи будут регистрироваться в виде горизонтальных линий, параллельных направлению движения дефектограммы, пропорциональной перемещению преобразователей вдоль рельса. Они могут быть легко отделены от полезных сигналов как при визуальном анализе, так и при автоматизированной обработке.

Скорость перемещения системы из двух преобразователей вдоль рельса и частоту посылок F зондирующих импульсов (при импульсном излучении у.з. колебаний) необходимо выбрать так, чтобы прозвучивание головки рельса производилось не реже, чем через каждые 4 мм пути. Обычно это условие выполняется при частоте посылок зондирующих колебаний F=4 кГц на скоростях сканирования до 72 км/ч (25 м/с), что вполне достаточно для практики контроля ж.д. рельсов.

Способ может быть реализован в двух вариантах.

1. Один из преобразователей излучает, а другой принимает отраженные от искомых дефектов у.з. колебания. После этого в следующем цикле излучения - приема другой преобразователь излучает у.з. колебания, а второй принимает. Таким образом, преобразователи 1 и 2 работают в раздельном режиме, последовательно меняя свои функции излучателя и приемника.

2. Оба преобразователя одновременно излучают у.з. колебания и принимают эхо-сигналы от возможных дефектов.

Второй вариант, как наиболее производительный способ, может быть применен при автоматизированном контроле с помощью автомотрис и вагонов-дефектоскопов.

Наиболее предпочтительный (второй) вариант дефектоскопа, реализующий предлагаемый способ у.з. контроля головки рельса, представлен на фиг.2 и состоит из двух идентичных дефектоскопических каналов. Общими узлами дефектоскопа являются последовательно соединенные генератор синхроимпульсов 19 и формирователи 20, 21 и 22 временных зон селекции (генераторы стробирующих импульсов) для зон 15, 16 и 17 соответственно.

В излагаемом варианте генератор синхроимпульсов 19 одновременно запускает генераторы зондирующих импульсов 23₁ и 23₂, соединенных с электроакустическими преобразователями 1 и 2 соответственно. В качестве преобразователей 1 и 2 обычно выбирают пьезоэлектрические преобразователи у.з. колебаний из пьезопластины ЦТС-19 (для отечественных железных дорог - диаметром 12 мм, для зарубежных железных дорог - 18 мм). В общем случае в качестве преобразователей возможно применение и других известных типов, например основанных на электромагнитоакустическом преобразовании - ЭМАП [17]. При поступлении зондирующих импульсов преобразователи 1 и 2 излучают у.з. колебания в металл рельса в заданных направлениях. При наличии в головке рельса поперечной трещины 5 у. з. колебания отражаются от поверхности трещины, поступают на преобразователи 1 и 2 и на соединенные с ними приемники 24₁ и 24₂.

С выхода указанных приемников эхо-сигналы поступают на соответствующие схемы совпадения (логические схемы И) 25₁, 26₁, 27₁ и 25₂, 26₂, 27₂. На вторые входы этих схем поступают соответствующие стробирующие импульсы с формирователей 20, 21 и 22 (фиг.2). При временном совпадении эхо-сигналов, принятых преобразователями 1 и 2, и стробирующих импульсов, генерируемых формирователями 21 и 22, на выходах соответствующих схем совпадения 25, 26 и 27 появляются эхо-сигналы. На выходах схем совпадения 25₁ и 26₁ появляются эхо-сигналы от поперечных трещин в правой (П - на фиг.1 и фиг.2) боковой части головки рельса; на выходах схем 25₂ и 26₂ - в левой (Л) боковой части головки рельса; на выходах схем 27₁ и 27₂ - в центральной (Ц) части головки рельса. По совместному анализу появившихся эхо-сигналов (t₀, t₁ и t_ц) на соответствующих выходах и соотношению их амплитуд (U₀, U₁ и U_ц) можно весьма достоверно судить об ориентации и характере обнаруженного дефекта.

Следует отметить, что различные элементы и электронные компоненты, используемые при реализации дефектоскопа, являются известными (см., например, [13]). Оригинальность заключается в конкретном расположении преобразователей 1 и 2 и ориентации у.з. лучей, излучаемых ими, последовательности анализа эхо-сигналов и соединении электрических узлов (блоков). При 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.

Приведенный на фиг.2 возможный вариант функциональной схемы направлен на лучшее понимание сущности изобретения, работы преобразователей 1 и 2 и возможности совместного анализа сигналов, принимаемых этими преобразователями.

Наиболее существенным в заявляемом способе является правильный выбор углов ввода α21

и α₂ у.з. лучей и углов разворота γ₁ и γ₂ относительно продольной оси преобразователей 1 и 2 таким образом, чтобы обеспечивать пересечение переотраженных от зон радиусного перехода 9 осей у.з. лучей 7 и 8 на продольной оси 6 поверхности катания 3. В ультразвуковой дефектоскопии углы ввода α у.з. колебаний в контролируемое изделие принято отсчитывать от нормали к поверхности ввода ультразвука в плоскости падения луча (см., например, [2, 12, 13, 17]). При выборе этих углов необходимо также исходить из получения эхо-сигналов с максимальной амплитудой от поперечных трещин в боковых частях головки рельса. Кроме того, необходимо стремиться к тому, чтобы точки ввода у.з. 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 α можно выбирать в диапазоне углов α = 38-72^°. Как показано в [7 и 12], оптимальным углом α для обнаружения в боковых частях головки рельса является угол, близкий к 60^o (типовые углы для контроля рельсов на отечественных железных дорогах 58^o, 60^o и 65^o, на зарубежных железных дорогах - 70^o). Если задаться типовым углом α, угол разворота γ можно определить как
sinγ = B/(2Htgα), (1)
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 α = 58^° дает значение угла γ = 36^°, при типовом угле α = 65^° значение угла γ = 26^°. Учитывая то, что чем больше угол ввода у.з. колебаний, тем ниже возможно реализуемый уровень чувствительности контроля, в новых рельсовых дефектоскопах угол ввода у.з. колебаний для контроля головки рельса принимают равным α = 58^° [12].

Таким образом, для практической реализации целесообразно выбрать углы ввода у. з. лучей для преобразователей 1 и 2 α₁ = α₂ = α = 58^°, углы разворота γ₁ = γ₂ = γ = 36^° относительно продольной оси 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 уверенные эхо-сигналы от моделей дефектов, выполненных фрезой в центральной части головки рельса на глубину всего 6-9 мм. Кроме того, полученные результаты подтверждены и 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 дефектоскоп ной АДЭ-01. Заявляемый способ, реализованный в этих средствах контроля, позволяет уверенно выявлять реальные поперечные трещины как в боковых частях, так и в центральной части головки рельса. В практике контроля данный способ контроля головки рельса получил условное название "контроль по схеме РОМБ".

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 способами не могут быть обнаружены. В процессе эксплуатации экспериментальной системы также выяснилось, что предлагаемый способ менее критичен к неизбежному в практике контроля периодическому нарушению центровки (уходу от продольной оси рельса) искательной системы, особенно на участках пути с малым радиусом кривизны по сравнению с известными способами контроля рельсов.

Необходимо отметить, что на фиг.1 показано только направление осей у.з. лучей, излучаемых преобразователями 1 и 2. На практике у.з. преобразователи имеют определенную диаграмму направленности, при которой излучаются расходящиеся у.з. лучи (для пьезоэлектрических пластин диаметром 12 мм углы раскрытия плоскости падения луча и в перпендикулярной плоскости составляют 12-20^o (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 у.з. колебаний до зоны радиусного перехода боковой и нижней граней головки рельса и обратно может быть вычислено по выражению
t_р.п = 2t_п+2H/c_tcosα, (2)
где t_п - время распространения у.з. колебаний в клиновидной призме наклонного преобразователя 1 или 2;
c_t - скорость поперечных у.з. колебаний в материале головки рельса (для стали с_t=3260 м/с).

Определив по (2) значение t_p.п, можно по обе стороны от данного значения на временной оси выбрать параметры временных зон для селекции эхо-сигналов. Для рассматриваемого выше примера контроля головки рельса типа Р65 (c_t=3260 м/с; Н= 39 мм; α = 58^° и для преобразователей, использующих в практике контроля рельсов 2t_п= 7 мкс) временные зоны селекции имеют следующие параметры:
- зона 15 составляет 10-46 мкс для селекции эхо-сигналов от дефектов в боковой части головки рельса при озвучивании их прямым у.з. лучом (m=0);
- зона 16 - 52-83 мкс для селекции эхо-сигналов от дефектов в боковой части головки при озвучивании их однократно отраженным лучом (m=1);
- зона 17 - 84-104 мкс для селекции сигналов от дефектов в центральной части головки рельсов (фиг.1).

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 у.з. луча.

Заявляемый способ предполагает введение у.з. лучей преобразователей 1 и 2 на продольной оси рельса в сторону правой и левой боковых граней. Для обеспечения этого условия пьезоэлектрические пластины, формирующие указанные лучи, должны быть несколько смещены от продольной оси в ту и другую сторону. Причем величина этого смещения составляет единицы миллиметров и зависит от геометрических размеров пьезопластин и от угловых параметров (γ и α) искательной системы. Для указанных выше цифровых значений преобразователей конструкция системы (фиг. 1) представляет собой общий цилиндрический корпус 18 диаметром 20 мм и высотой 22 мм, в котором размещены на клиновидных призмах из органического стекла две пьезопластины ЦТС-19 толщиной 0,7 мм (частота излучаемых у.з. колебаний 2,5 МГц) и диаметром 10 мм.

Выполнение системы такой компактной конструкции позволяет разместить ее на осевой линии головки рельса, где условия у.з. контакта оптимальны. Это дополнительно повышает надежность и достоверность контроля головки рельса, особенно при автоматизированном контроле при больших скоростях сканирования. Естественно, каждый из преобразователей 1 и 2 может быть расположен и в отдельных корпусах.

При получении указанных параметров системы из двух преобразователей задавались углами вода у.з. колебаний, типичными для систем дефектоскопии железнодорожного транспорта. Естественно, при реализации способа возможно использование и любых других углов ввода, обеспечивающих ввод в головку рельса поперечных у. з. колебаний. Необходимо лишь сохранить условие пересечения акустических осей преобразователей на продольной оси поверхности катания головки рельса. При этом такой параметр системы, как угол γ разворота плоскости падения у. з. волны преобразователей относительно продольной оси рельса в сторону боковой части головки, будет отличаться от приведенных выше значений. В общем случае углы α и γ преобразователя 1 могут отличаться от аналогичных параметров преобразователя 2.

Для дополнительного повышения надежности и достоверности контроля, особенно при больших скоростях (до 72 км/ч и более) сканирования, где условия контроля являются весьма сложными (нарушения акустического контакта и центровки преобразователей из-за неровностей и загрязненностей поверхности рельса, значительный уровень помех и т.п.), возможна и целесообразна установка на поверхность катания второй аналогичной пары преобразователей, направленной в противоположном от первой пары направлении вдоль рельса (по и против хода движения вагона-дефектоскопа). Дублирование сигналов от дефектов, лучшее выявление различно ориентированных в головке рельсов трещин, возможность введения корреляционного анализа повышают помехозащищенность и достоверность контроля.

Рассматриваемый способ у.з. контроля головки рельсов может быть реализован не только при традиционном, импульсном излучении у.з. колебаний, но и при непрерывном излучении упругих колебаний, где разделение излучающего преобразователя и приемного, с целью уменьшения взаимных наводок, весьма желательно [18, 19]. При этом помехоустойчивость, а значит, и достоверность контроля дополнительно повышаются за счет многократного (до 100 раз) сужения по сравнению с импульсным режимом излучения, эффективной полосы пропускания приемного тракта дефектоскопа.

В приведенном описании в качестве примера реализации способа рассмотрен неразрушающий контроль железнодорожных рельсов, уложенных в путь, ультразвуковыми методами. Очевидно, способ может быть применен и при периодическом контроле ответственных изделий машиностроения, транспорта и других отраслей промышленности, например таких длинномерных объектов, как направляющие для шлюзов гидроэлектростанций, монорельсы и т.п.

Таким образом, предложенная последовательность операций способа и совокупность существенных признаков заявляемого устройства позволяют 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 головки рельса,
- 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 обоими преобразователями во всех временных зонах;
- дополнительное повышение надежности и достоверности контроля за счет оптимизации размеров системы преобразователей и обеспечения лучшего акустического контакта между преобразователями и контролируемым рельсом.

Таким образом, техническая задача, поставленная при разработке способа у. з. контроля рельса, полностью решена. Способ обеспечивает повышение надежности, достоверности и производительности 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 эхо-импульсным методом. //Ультразвуковая дефектоскопия рельсов. Серия "Путь и путевое хозяйство" М.: ЦНИИТЭИ МПС, 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 Й., Крауткремер Г. Ультразвуковой контроль материалов. М. : Металлургия, 1991.

6. Американские компании - поставщики путевой техники. Supply Industry Profils. //Railway Track and Structures - 2, с. 30-35, англ.

7. Марков А. А., Гурвич А.К., 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. 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.

10. Патент США 6055862 от 02.05.2000 г. МКИ G 01 N 29/00. G.D. Martnes. 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. Ультразвуковая дефектоскопия рельсов. Санкт-Петербург, Образование-Культура, 1999, 236 с.

13. Гурвич А.К., Довнар Б.П. и др. Неразрушающий контроль рельсов при их эксплуатации и ремонте. М.: Транспорт, 1983 г.

14. Патент США 5777891 от 7 июля 1998, G 01 N 29/04. D. Pagano, В. Масkay, J. Norris. Способ ультразвуковой дефектоскопии в реальном масштабе времени.

15. Марков А.А. Альтернативное представление дефектоскопической информации в переносных ультразвуковых дефектоскопах. - В мире неразрушающего контроля. 1, 2000 г., с.42-44.

16. Башкатова Л.В., 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).

17. Методы акустического контроля металлов. Под редакцией Н.П. Алешина. М.: Машиностроение, 1989, 454 с.

18. 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. Бюлл. изобр. N 2, 1996 г.

19. Гурвич А.К., Марков А.А. Эффект Доплера в ультразвуковой дефектоскопии. //Дефектоскопия, N 7, 1983 г, с.24-35.

Изобретение относится к неразрушающему контролю материалов и может быть использовано при ультразвуковой дефектоскопии железнодорожных рельсов и других длинномерных изделий. Повышение надежности, достоверности и производительности ультразвукового контроля головки рельсов достигается за счет того, что на поверхность катания головки рельса симметрично его продольной оси устанавливают пару наклонных электроакустических преобразователей, развернутых под одинаковыми острыми углами относительно продольной оси рельса к боковым граням головки рельса, перемещают преобразователи вдоль продольной оси рельса, излучают и принимают ультразвуковые колебания в заданных временных зонах и по параметрам принятых колебаний судят о наличии дефекта. Углы ввода ультразвуковых колебаний в металл рельса и углы разворота преобразователей выбирают из условия пересечения осей ультразвуковых лучей, переотраженных oт зон радиусного перехода боковой и нижней граней головки рельса, на продольной оси поверхности катания, а о наличии и ориентации дефекта судят но совместному анализу принятых преобразователями сигналов. Эхо-сигналы от возможных дефектов выделяют в трех временных зонах. Первая предназначена для приема эхо-сигналов от дефектов в боковой грани головки рельса при озвучивании их прямым ультразвуковым лучом. Вторая зона предназначена для приема эхо-сигналов при озвучивании дефектов, однократно отраженным от радиусного перехода боковой и нижней граней головки рельса ультразвуковым лучом. Третья зона предназначена для приема сигналов, излученных одним преобразователем и принятых другим преобразователем, после переотражения ультразвукового луча от уголкового отражателя, сформированного поперечной трещиной и поверхностью катания или горизонтальной трещиной. О расположении трещины в головке рельса и ее ориентации судят по совместному анализу принятых сигналов. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ ультразвукового контроля головки рельсов, заключающийся в том, что на поверхность катания головки рельса симметрично его продольной оси устанавливают пару наклонных электроакустических преобразователей, развернутых под одинаковыми острыми углами относительно продольной оси рельса к боковым граням головки рельса, перемещают преобразователи вдоль продольной оси рельса, излучают и принимают ультразвуковые колебания в заданных временных зонах и по параметрам принятых колебаний судят о наличии дефекта, отличающийся тем, что углы ввода ультразвуковых колебаний в металл рельса и углы разворота преобразователей выбирают из условия пересечения осей ультразвуковых лучей, переотраженных от зон радиусного перехода боковой и нижней граней головки рельса, на продольной оси поверхности катания, а о наличии и ориентации дефекта судят по совместному анализу принятых преобразователями сигналов. 2. Способ ультразвукового контроля головки рельсов по п. 1, отличающийся тем, что эхо-сигналы от возможных дефектов выделяют в трех временных зонах, первая из которых предназначена для приема эхо-сигналов от дефектов в боковой грани головки рельса при озвучивании их прямым ультразвуковым лучом, вторая зона предназначена для приема эхо-сигналов при озвучивании дефектов однократно отраженным от радиусного перехода боковой и нижней граней головки рельса ультразвуковым лучом, третья зона предназначена для приема сигналов, излученных одним преобразователем и принятых другим преобразователем, после переотражения ультразвукового луча от уголкового отражателя, сформированного поперечной трещиной и поверхностью катания или горизонтальной трещиной, а о расположении трещины в головке рельса и ее ориентации судят по совместному анализу принятых сигналов.