ЭЛЕКТРОМАГНИТНО-АКУСТИЧЕСКИЙ ДЕФЕКТОСКОП ДЛЯ КОНТРОЛЯ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНЫХ РЕЛЬСОВ Российский патент 2007 года по МПК G01N29/04 

Изобретение относится к неразрушающему контролю материалов и может быть использовано при ультразвуковой дефектоскопии железнодорожных рельсов и других длинномерных изделий с использованием теневого метода контроля.

Известен акустический блок дефектоскопного устройства, содержащий 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 обнаруживать поперечные трещины, залегающие под поверхность катания в центральной части (на продольной оси 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 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 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 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 достоверного контроля всего сечения головки рельса, обусловленную недостатками используемой схемы прозвучивания.

Технический результат заключается в обеспечении достоверного контроля всего сечения головки рельса в теневом режиме с одной стороны.

Технический результат достигается тем, что в электромагнитно-акустическом дефектоскопе для контроля железнодорожных рельсов, содержащем установленные на подвижном средстве акустический блок, который состоит из излучающих и приемных электромагнитно-акустических преобразователей, генераторный блок, подключенный к излучающим электромагнитно-акустическим преобразователям, блок синхронизации, выходы которого подключены к управляющим входам генераторного блока, блока обработки сигналов, блока памяти и блока индикации, входы блока памяти и блока индикации соединены с выходом блока обработки сигналов, входы которого соединены с выходами усилительного блока, подключенного к выходам приемных электромагнитно-акустических преобразователей, акустический блок выполнен в виде двух расположенных на расстоянии друг от друга модулей, обеспечивающих контроль рельса в теневом режиме с одной стороны, при этом электромагнитно-акустические преобразователи установлены в модулях с обеспечением зазора относительно контролируемого рельса, в первом модуле размещены два излучающих электромагнитно-акустических преобразователя с разными частотами излучения, формирующих в рельсе ультразвуковые колебания Релея и/или Лэмба, во втором модуле размещены два приемных электромагнитно-акустических преобразователя, причем частота принимаемого сигнала первого приемного электромагнитно-акустического преобразователя соответствует частоте излучения первого излучающего электромагнитно-акустического преобразователя, а частота принимаемого сигнала второго приемного электромагнитно-акустического преобразователя соответствует частоте излучения второго излучающего электромагнитно-акустического преобразователя.

В модуле электромагнитно-акустического дефектоскопа может быть размещено более двух электромагнитно-акустических преобразователей.

Частота излучения второго излучающего электромагнитно-акустического преобразователя может быть выбрана в два раза больше частоты излучения первого излучающего электромагнитно-акустического преобразователя, при этом длины излучаемых волн соизмеримы с толщиной рельса.

На фиг.1 приведена функциональная схема электромагнитно-акустического дефектоскопа для контроля железнодорожных рельсов. На фиг.2 представлена схема, иллюстрирующая расположение электромагнитно-акустических преобразователей и зоны прозвучивания контролируемого объекта.

Электромагнитно-акустический дефектоскоп для контроля железнодорожных рельсов содержит установленные на подвижном средстве (не показано) акустический блок 1, выполненный в виде двух расположенных на расстоянии друг от друга модулей 2, 3, обеспечивающих контроль рельса в теневом режиме с одной стороны, в первом модуле 2 размещены излучающие электромагнитно-акустические преобразователи 4, 5, а во втором модуле 3 - приемные электромагнитно-акустические преобразователи 6, 7, электромагнитно-акустические преобразователи установлены в модулях 2, 3 с обеспечением зазора относительно контролируемого рельса 8, в первом модуле 2 размещены два излучающих электромагнитно-акустических преобразователя 4, 5 с разными частотами излучения, формирующих в рельсе ультразвуковые колебания Релея и/или Лэмба, во втором модуле 3 размещены два приемных электромагнитно-акустических преобразователя, причем частота принимаемого сигнала первого приемного электромагнитно-акустического преобразователя 6 соответствует частоте излучения первого излучающего электромагнитно-акустического преобразователя 4, а частота принимаемого сигнала второго приемного электромагнитно-акустического преобразователя 7 соответствует частоте излучения второго излучающего электромагнитно-акустического преобразователя 5. Генераторный блок 9 подключен к излучающим электромагнитно-акустическим преобразователям 4, 5, блок 10 синхронизации обеспечивает формирование синхроимпульсов, выходы блока 10 синхронизации подключены к управляющим входам генераторного блока 9, блока 11 обработки сигналов, блока 14 памяти и блока 12 индикации, входы блока 14 памяти и блока 12 индикации соединены с выходом блока 11 обработки сигналов, входы которого соединены с выходами усилительного блока 13, подключенного к выходам приемных электромагнитно-акустических преобразователей 6, 7.

Электромагнитно-акустический дефектоскоп для контроля железнодорожных рельсов работает следующим образом.

Блок синхронизации обеспечивает формирование синхроимпульсов, которые осуществляют запуск генераторов генераторного блока 9, а также осуществляет синхронизацию работы блока 11 обработки сигналов, блока 12 индикации и блока памяти 14. При этом запуск блока синхронизации может осуществляться импульсами с датчика скорости, установленного на подвижном средстве (не показано). Скважность и частота импульсов датчика скорости линейно зависят от скорости движения подвижного средства.

При формировании в контролируемом объекте (рельсе) излучающим электромагнитно-акустическим преобразователем 4 (5) волны Релея эта волна уже вблизи преобразователя по глубине охватит слой, равный ее длине. Вследствие низкой частоты расчетный угол раскрытия диаграммы направленности в плоскости поверхности контролируемого объекта оказывается очень большим, т.е. фронт быстро увеличивается по ширине при малых амплитудных потерях от затухания. Поскольку излучающие электромагнитно-акустические преобразователи 4, 5 устанавливаются на центр поверхности катания головки рельса, то из-за широкого расхождения фронта по профилю поверхности рельса уже на весьма малом удалении от преобразователя обеспечивается захват площадью фронта всей головки, далее - шейки, а затем и подошвы. Пока фронт занимает только головку, интерференция его фланговых частей, идущих по поверхности катания, боковым и подголовочным поверхностям, не является идеальной из-за дугообразной формы фронта в плане (на боковой, а затем на подголовочной поверхности оба фланга несколько запаздывают от центральной части фронта, идущей по поверхности катания). При этом волны, синхронно идущие по левой и правой боковым поверхностям, в сердцевине головки еще практически не налагаются друг на друга, так как стандартная ширина головки рельса 76 мм превышает удвоенную (60 мм) длину волны Релея как глубину ее действия от поверхности. Поскольку преобразователь установлен на оси симметрии рельса, то на входе флангов фронта в шейку происходит их взаимное строго синфазное наложение. В этом заключается основная причина возникновения высокой чувствительности по отражению от дефектов, имеющихся в шейке. Таким образом, предлагаемое устройство обеспечивает прозвучивание, а следовательно, и контроль всего сечения головки рельса с одной стороны - поверхности катания и т. д. Такой же технический результат достигается и при использовании излучающего электромагнитно-акустического преобразователя, который формирует в контролируемом объекте ультразвуковые волны Лэмба. Принятый приемным электромагнитно-акустическим преобразователем 6 (7) ультразвуковой сигнал преобразовывается в электрический сигнал. Преобразованный сигнал после усиления в блоке 13 усилителей поступает в блок 11 обработки сигналов, где он обрабатывается и преобразуется к виду, удобному для его записи в блок 14 памяти и отображения в блоке 12 индикации.

Использование: для контроля железнодорожных рельсов. Сущность заключается в том, что акустический блок выполнен в виде двух расположенных на расстоянии друг от друга модулей, обеспечивающих контроль рельса в теневом режиме с одной стороны, электромагнитно-акустические преобразователи установлены в модулях с обеспечением зазора относительно контролируемого рельса, в первом модуле размещены два излучающих электромагнитно-акустических преобразователя с разными частотами излучения, формирующих в рельсе ультразвуковые колебания Релея и/или Лэмба, во втором модуле размещены два приемных электромагнитно-акустических преобразователя, причем частота принимаемого сигнала первого приемного электромагнитно-акустического преобразователя соответствует частоте излучения первого излучающего электромагнитно-акустического преобразователя, а частота принимаемого сигнала второго приемного электромагнитно-акустического преобразователя соответствует частоте излучения второго излучающего электромагнитно-акустического преобразователя, при этом длины излучаемых волн соизмеримы с толщиной рельса. Технический результат: обеспечение достоверного контроля всего сечения головки рельса в теневом режиме с одной стороны. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Электромагнитно-акустический дефектоскоп для контроля железнодорожных рельсов, содержащий установленные на подвижном средстве акустический блок, который состоит из излучающих и приемных электромагнитно-акустических преобразователей, генераторный блок, подключенный к излучающим электромагнитно-акустическим преобразователям, блок синхронизации, выходы которого подключены к управляющим входам генераторного блока, отличающийся тем, что выходы блока синхронизации подключены к управляющим входам блока обработки сигналов, блока памяти и блока индикации, входы блока памяти и блока индикации соединены с выходом блока обработки сигналов, входы которого соединены с выходами усилительного блока, подключенного к выходам приемных электромагнитно-акустических преобразователей, при этом акустический блок выполнен в виде двух расположенных на расстоянии друг от друга модулей, обеспечивающих контроль рельса в теневом режиме с одной стороны, электромагнитно-акустические преобразователи установлены в модулях с обеспечением зазора относительно контролируемого рельса, в первом модуле размещены два излучающих электромагнитно-акустических преобразователя с разными частотами излучения, формирующие в рельсе ультразвуковые колебания Релея и/или Лэмба, во втором модуле размещены два приемных электромагнитно-акустических преобразователя, причем частота принимаемого сигнала первого приемного электромагнитно-акустического преобразователя соответствует частоте излучения первого излучающего электромагнитно-акустического преобразователя, а частота принимаемого сигнала второго приемного электромагнитно-акустического преобразователя соответствует частоте излучения второго излучающего электромагнитно-акустического преобразователя, при этом длины излучаемых волн соизмеримы с толщиной рельса.2. Электромагнитно-акустический дефектоскоп для контроля железнодорожных рельсов по п.1, отличающийся тем, что в модуле размещены более двух электромагнитно-акустических преобразователей.3. Электромагнитно-акустический дефектоскоп для контроля железнодорожных рельсов по п.1, отличающийся тем, что частота излучения второго излучающего электромагнитно-акустического преобразователя в два раза больше частоты излучения первого излучающего электромагнитно-акустического преобразователя.