УСТРОЙСТВО ДЛЯ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ДЕФЕКТОСКОПИИ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНЫХ РЕЛЬСОВ Российский патент 2007 года по МПК G01N29/04 

Изобретение относится к: неразрушающему контролю материалов и может быть использовано для сплошного, выборочного и вторичного ультразвукового контроля всего сечения и подошвы одновременно двух нитей рельсов, уложенных в путь, в условиях умеренного климата, а также в условиях низких температур и высоких скоростей.

Известно устройство ультразвукового обнаружения дефектов в головке рельса, которое содержит два наклонных ультразвуковых преобразователя, установленных симметрично относительно продольной оси на поверхности катания головки рельса и перемещаемых с постоянной скоростью вдоль рельса. Пара преобразователей осуществляет поочередное импульсное излучение ультразвуковых колебаний под углом 60-80° к поверхности катания в стороны боковых граней головки рельса, под углами 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 (см. US 4700754, G01N 29/04, 20.10.1987).

Недостатками известного устройства являются низкая надежность и достоверность контроля, вызванная тем, что оно не позволяет обеспечивать прозвучивание всего сечения головки рельса. Это вызвано тем, что формируемые преобразователями ультразвуковые 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. По этой причине отсутствуют эхо-сигналы от поперечных трещин под поверхностью катания на продольной оси рельса. В то же время указанные трещины являются весьма опасными, быстро развивающимися под динамическим воздействием колес проходящих поездов. Кроме того, в известном устройстве пары наклонных преобразователей размещены с противоположных сторон "средней плоскости симметрии рельса", что обуславливает значительные габариты системы из двух преобразователей в поперечном рельсу направлении.

Анализ эхо-сигналов от искомых дефектов в известном устройстве осуществляется в двух временных зонах, соответствующих озвучиванию плоскости дефекта прямым ультразвуковым лучом (от преобразователя до нижней плоскости головки рельса) и однократно-отраженным лучом (при распространении луча от нижней плоскости до поверхности катания). Из-за особенностей выбранной схемы прозвучивания в известном устройстве 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.

Устройство ультразвукового обнаружения дефектов в головке рельса, принятое в качестве прототипа, содержит систему из двух наклонных электроакустических преобразователей, развернутых под острыми одинаковыми 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 ультразвуковых 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, ультразвуковые 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 (см. RU 2184960, G01N 29/04, 10.07.02). Известное устройство обладает относительно высокой надежностью, достоверностью и производительностью 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 глубине от поверхности катания, при одновременном выявлении дефектов в боковых частях головки рельса.

К недостаткам известного устройства следует отнести невозможность осуществления контроля всего объема рельса, поскольку используемая схема прозвучивания позволяет обеспечить надежный и достоверный ультразвуковой контроль только головки рельсов. Кроме того, устройство позволяет осуществлять контроль одной нити железнодорожного пути либо одиночно лежащих рельсов или других длинномерных изделий.

Технический результат заключается в создании устройства для дефектоскопии двух нитей железнодорожного пути с обеспечением контроля всего сечения рельса, включая подошву рельса, в условиях низких температур и высоких скоростей.

Технический результат достигается тем, что устройство для ультразвуковой дефектоскопии железнодорожных рельсов, содержащее первый акустический блок, генераторный блок, блок синхронизации, первый многоканальный усилительный блок, первый блок обработки сигналов и блок индикации, снабжено регистратором, вторым акустическим блоком, вторым многоканальным усилительным блоком, вторым блоком обработки сигналов, первым и вторым формирователями импульсов запрета и задающим генератором, блок индикации выполнен многоканальным, генераторный блок содержит два блока формирователей зондирующих импульсов с разными несущими частотами, при этом каждый акустический блок состоит из комбинированных электромагнитно-акустических преобразователей, обеспечивающих формирование и ввод сдвиговых поляризованных ультразвуковых колебаний по нормали к поверхности рельса и под углом 36-50°, 58-75° и формирование низкочастотных ультразвуковых SH-колебаний, выходы формирователей зондирующих импульсов генераторного блока подключены к излучающим катушкам комбинированных электромагнитно-акустических преобразователей первого и второго акустических блоков, а их приемные катушки подключены к входам каналов соответственно первого и второго многоканальных усилительных блоков, выходы которых соединены с входами соответственно первого и второго блоков обработки сигналов, каждый канал блока обработки сигналов состоит из последовательно соединенных детектора, порогового элемента и формирователя импульсов, выходы блоков обработки сигналов подключены к входам регистратора и многоканального блока индикации, задающий генератор подключен к входу блока синхронизации, выходы которого соединены с входами синхронизации блоков формирователей зондирующих импульсов и входами первого и второго формирователей импульсов запрета, выходы которых подключены соответственно к управляющим входам первого и второго многоканальных усилительных блоков.

На чертеже представлена функциональная схема устройства для ультразвуковой дефектоскопии железнодорожных рельсов.

Устройство для ультразвуковой дефектоскопии железнодорожных рельсов содержит первый акустический блок 1, второй акустический блок 2, каждый акустический блок состоит из комбинированных электромагнитно-акустических преобразователей 3, 4 (6, 7), обеспечивающих формирование и ввод сдвиговых поляризованных ультразвуковых колебаний по нормали к поверхности рельса и под углом 36-50°, 58-75° и электромагнитно-акустических преобразователей 5 (8), формирующих низкочастотные ультразвуковые SH-колебания, генераторный блок 9, состоит из двух блоков 10, 11 формирователей зондирующих импульсов с разными несущими частотами, при этом выходы формирователей 12, 13, 14 (15, 16, 17) зондирующих импульсов генераторного блока 9 подключены к излучающим катушкам комбинированных электромагнитно-акустических преобразователей 3, 4, 5 (6, 7, 8) первого и второго акустических блоков 1, 2, а их приемные катушки подключены к входам каналов соответственно первого и второго многоканальных усилительных блоков 18, 19, выходы которых соединены с входами соответственно первого и второго блоков 20, 21 обработки сигналов, каждый канал блока обработки сигналов состоит из последовательно соединенных детектора 22, порогового элемента 23 и формирователя 24 импульсов, выходы блоков 20, 21 обработки сигналов подключены к входам регистратора 25 и многоканального блока 26 индикации, задающий генератор 27 подключен к входу блока 28 синхронизации, выходы которого соединены с входами синхронизации блоков 10, 11 формирователей зондирующих импульсов генераторного блока 9 и входами первого и второго формирователей 29, 30 импульсов запрета, выходы которых подключены соответственно к управляющим входам первого и второго усилительных блоков 18, 19.

Устройство для ультразвуковой дефектоскопии железнодорожных рельсов работает следующим образом.

Контроль рельсов двух нитей железнодорожного пути осуществляется посредством двух акустических блоков 1 и 2. Формирователи 12, 13, 14 зондирующих импульсов блока 9 вырабатывают для первого акустического блока 1, а формирователи 15, 16, 17 вырабатывают для второго акустического блока 2 зондирующие импульсы заданной длительности и амплитуды с разными несущими частотами. В частности, несущие частоты для формирователей 12, 13 (15, 16) могут быть выбраны равными 1 и 2 МГц, а в формирователях 14 (17) используются низкочастотные SH-колебания. Сигнал с задающего генератора 27 поступает на вход блока 28 синхронизации, где формируются синхроимпульсы. С блока 28 синхронизации синхросигналы поступают на вход синхронизации генераторного блока 9 для запуска и синхронизации формирователей 12, 13, 14 и 15, 16, 17 зондирующих импульсов в блоках 10 и 11. Сформированные зондирующие импульсы с заданными параметрами поступают в излучающие катушки электромагнитно-акустических преобразователей 3, 4, 5 и 6, 7, 8 соответственно первого и второго акустических блоков 1 и 2, которые обеспечивают возбуждение ультразвуковых колебаний одновременно в рельсах двух нитей железнодорожного пути. Ввод сдвиговых поляризованных ультразвуковых колебаний осуществляется по нормали к поверхности рельса и под углом 36-50°, 58-75°. Формирование низкочастотных ультразвуковых SH-колебаний для контроля подошвы рельса осуществляется с помощью электромагнитно-акустических преобразователей 5 и 8. Первый и второй формирователи 29, 30 импульсов запрета формируют импульсы заданной длительности, которые на время действия зондирующих импульсов запрещают прохождение сигнала через первый и второй усилительные блоки 18, 19 и блоки обработки сигналов. Излученные ультразвуковые колебания отражаются от неоднородностей металла или подошвы рельса и принимаются приемными катушками этих же электромагнитно-акустических преобразователей 3, 4, 5 и 6, 7, 8 первого и второго акустических блоков 1 и 2. Принятые отраженные импульсы с электромагнитно-акустических преобразователей поступают на входы каналов соответственно первого многоканального усилительного блока 18 и второго многоканального усилительного блока 19, где они усиливаются до заданного значения и далее поступают соответственно в первый блок 20 и второй блок 21 обработки сигналов, в которых они подвергаются дальнейшему усилению и далее детектированию детекторами 22, а после детектирования поступают на пороговые элементы 23, которые пропускают только те сигналы, которые превышают установленный уровень отсечки. Прошедшие пороговые элементы 23 сигналы поступают на входы формирователей 24 импульсов. Сигналы с выходов формирователей 24 импульсов поступают в регистратор 25 для записи, а для их отображения - в многоканальный блок 26 индикации.

Положенный в основу работы устройства для ультразвуковой дефектоскопии железнодорожных рельсов бесконтактный электромагнитно-акустический принцип контроля позволяет обходиться без применения контактной жидкости, что особенно актуально в условиях низких температур и высоких скоростей. Расположение электромагнитно-акустических преобразователей акустических блоков 1 и 2 со стороны поверхности катания и со стороны рабочей грани головки рельса с обеспечением ввода сдвиговых поляризованных ультразвуковых колебаний по нормали к поверхности рельса и под углом 36-50°, 58-75° позволяет осуществить хорошее прозвучивание рельса и контроль практически всего сечения рельса, использование электромагнитно-акустических преобразователей 5, 8, обеспечивающих возбуждение низкочастотных ультразвуковых SH-колебаний позволило осуществить контроль подошвы рельса. Использование в устройстве двух акустических блоков позволило реализовать ультразвуковой контроль одновременно двух нитей железнодорожного пути, а применение соответствующих средств обработки сигналов повысило достоверность выявления дефектов нитей железнодорожного пути.

Эффективность выявления дефектов предлагаемым устройством для дефектоскопии железнодорожных рельсов обусловлена также и некритичностью искательных систем к загрязненности и шероховатости рельсов.

Изобретение относится к неразрушающему контролю материалов и может быть использовано для сплошного, выборочного и вторичного ультразвукового контроля всего сечения и подошвы одновременно двух нитей рельсов, уложенных в путь, в условиях умеренного климата, а также в условиях низких температур и высоких скоростей. Сущность: устройство для ультразвуковой дефектоскопии железнодорожных рельсов содержит первый и второй акустические блоки. Каждый акустический блок состоит из комбинированных электромагнитно-акустических преобразователей, обеспечивающих формирование и ввод сдвиговых поляризованных ультразвуковых колебаний по нормали к поверхности рельса и под углом 36-50°, 58-75°, а также формирование низкочастотных ультразвуковых SH-колебаний. Генераторный блок состоит из двух блоков формирователей зондирующих импульсов с разными несущими частотами, при этом выходы формирователей зондирующих импульсов генераторного блока подключены к излучающим катушкам комбинированных электромагнитно-акустических преобразователей первого и второго акустических блоков, а их приемные катушки подключены к входам каналов соответственно первого и второго многоканальных усилительных блоков, выходы которых соединены с входами соответственно первого и второго блоков обработки сигналов. Каждый канал блока обработки сигналов состоит из последовательно соединенных детектора порогового элемента и формирователя импульсов, выходы блоков обработки сигналов подключены к входам регистратора и многоканального блока индикации, задающий генератор подключен к входу блока синхронизации, выходы которого соединены с входами синхронизации блоков формирователей зондирующих импульсов генераторного блока и входами первого и второго формирователей импульсов запрета, выходы которых подключены соответственно к управляющим входам первого и второго многоканальных усилительных блоков. Технический результат: создание устройства для обеспечения контроля всего сечения рельса в условиях низких температур и высоких скоростей. 1 ил.

Устройство для ультразвуковой дефектоскопии железнодорожных рельсов, содержащее первый акустический блок, генераторный блок, блок синхронизации, первый многоканальный усилительный блок, первый блок обработки сигналов и блок индикации, отличающееся тем, что оно снабжено регистратором, вторым акустическим блоком, вторым многоканальным усилительным блоком, вторым блоком обработки сигналов, первым и вторым формирователями импульсов запрета и задающим генератором, блок индикации выполнен многоканальным, генераторный блок содержит два блока формирователей зондирующих импульсов с разными несущими частотами, при этом каждый акустический блок состоит из комбинированных электромагнитно-акустических преобразователей, обеспечивающих формирование и ввод сдвиговых поляризованных ультразвуковых колебаний по нормали к поверхности рельса и под углом 36-50°, 58-75° и формирование низкочастотных ультразвуковых SH колебаний, выходы формирователей зондирующих импульсов генераторного блока подключены к излучающим катушкам комбинированных электромагнитно-акустических преобразователей первого и второго акустических блоков, а их приемные катушки подключены к входам каналов соответственно первого и второго многоканальных усилительных блоков, выходы которых соединены с входами соответственно первого и второго блоков обработки сигналов, каждый канал блока обработки сигналов состоит из последовательно соединенных детектора, порогового элемента и формирователя импульсов, выходы блоков обработки сигналов подключены к входам регистратора и многоканального блока индикации, задающий генератор подключен к входу блока синхронизации, выходы которого соединены с входами синхронизации блоков формирователей зондирующих импульсов и входами первого и второго формирователей импульсов запрета, выходы которых подключены соответственно к управляющим входам первого и второго многоканальных усилительных блоков.