Ультразвуковой способ контроля головки рельсов

 

Изобретение относится к неразрушающему контролю материалов и может быть использовано при ультразвуковой дефектоскопии железнодорожных рельсов и других длинномерных изделий. Повышение надежности и достоверности ультразвукового контроля головки рельсов достигается за счет того, что на поверхность катания головки рельса на 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 но параметрам принятых колебаний судят о наличии дефекта. На продольной оси устанавливают вторую пару преобразователей с идентичными параметрами, углы ввода ультразвуковых колебаний в металл рельса и углы разворота первой пары преобразователей выбирают из условия пересечения осей ультразвуковых лучей, переотраженных от зон радиусного перехода боковой и нижней граней головки рельса, на продольной оси поверхности катания. Расстояние между парами преобразователей наряду с углами ввода ультразвуковых колебаний и углами разворота второй пары преобразователей выбирают из условия приема сигналов от дефектов в виде поперечных трещин в боковых частях головки рельсов. О наличии и ориентации дефекта судят но совместному анализу принятых преобразователями сигналов. Эхо-сигналы от возможных дефектов выделяют в четырех временных зонах. Первая предназначена для приема эхо-сигналов от дефектов в боковой грани головки рельса при озвучивании их прямым ультразвуковым лучом, вторая зона - для приема второй парой преобразователей зеркально отраженных сигналов от дефектов в боковых частях головки рельсов, третья зона - для приема эхо-сигналов при озвучивании дефектов однократно отраженным от радиусного перехода боковой и нижней граней головки рельса ультразвуковым лучом, четвертая зона - для приема сигналов, излученных одним преобразователем и принятых другим преобразователем, после отражения их 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.

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 частях 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^o, перемещаемого по поверхности катания головки вдоль продольной оси рельса и ориентированного под углом γ ≈32-35^o 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 32-36^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 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 десять 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. Кроме того, известный способ не обеспечивает надежное обнаружение поперечных трещин в головке рельса, ориентированных нормально к поверхности катания и имеющих зеркальную поверхность. 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^o к поверхности катания в стороны боковых граней головки рельса под углами γ =10-25^o 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.

Вторым, существенным недостатком известного способа, принятого за прототип, является низкая надежность обнаружения поперечных трещин в боковых частях головки рельса, ориентированных перпендикулярно (нормально) к поверхности катания и имеющих зеркальную плоскость (код 21.1-2 и 20.1-2 по [1]. Такие дефекты образуются в процессе развития контактно-усталостных трещин вблизи радиусного перехода поверхности катания и боковой поверхности. Первоначально они имеют шероховатую поверхность (так называемые "кольца роста"), хорошо отражающие у.з. колебания. В процессе развития, из-за взаимных движений берегов трещины под воздействием проходящих поездов, кольца роста сглаживаются, поверхность трещины практически становится зеркальной и недоступной для обнаружения у.з. методами [3]. При наклонном падении у.з. колебания не возвращаются обратно к излучаемому преобразователю, а подчиняясь законам геометрической оптики отражаются в противоположную сторону под углом, равным углу падения у.з. луча. В то же время при достижении площади трещины более 30^o площади головки рельса в любой момент при прохождении поездов может произойти хрупкий излом рельса с соответствующими неприятными последствиями [4].

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 указанном в прототипе [11] размеров 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 способом, является повышение надежности и достоверности у.з. контроля головки рельса за счет эффективного обнаружения поперечных трещин в центральной части головки рельса, в том числе залегающих под горизонтальными отслоениями металла поверхности катания и подповерхностными горизонтальными трещинами, при одновременном выявлении дефектов в боковых частях головки рельса, включая поперечные трещины, ориентированные нормально к поверхности головки рельса и имеющие зеркальную поверхность.

Поставленная задача решается тем, что на поверхность катания головки рельса на продольной оси устанавливают первую пару наклонных электроакустических преобразователей, каждый из которых развернут под одинаковыми острыми углами относительно продольной оси рельса к противоположным боковым граням головки рельса, углы ввода у.з. колебаний в металл рельса и углы разворота преобразователей относительно продольной оси рельса выбирают таким образом, чтобы оси у.з. лучей, падая под наклонным углом к зоне радиусного перехода боковой и нижней граней головки рельса, переотразившись от них, пересекались на продольной оси поверхности катания головки рельса, дополнительно устанавливают вторую пару наклонных электроакустических преобразователей с идентичными первой паре углами ввода и разворота, расстояние на продольной оси рельса между парами преобразователей выбирают из условия приема сигналов от поперечных трещин с зеркальными поверхностями в боковых гранях головки рельса.

Систему из двух преобразователей перемещают вдоль продольной оси рельса, излучают поперечные у.з. колебания и принимают отраженные от возможных дефектов эхо-сигналы в четырех временных зонах, а о наличии и степени развития дефектов судят по совместному анализу параметров эхо- и зеркально отраженных сигналов, принимаемых всеми четырьмя электроакустическими преобразователями.

Существенными отличиями заявляемого способа от известных являются: 1. Выбор углов ввода и углов разворота электроакустических преобразователей таким образом, чтобы после переотражения от радиусных переходов боковых и нижних граней рельса оси акустических лучей первой пары преобразователей пересекались на продольной оси поверхности катания рельса. Это обеспечивает надежное обнаружение поперечных трещин в центральной части головки рельса, развивающихся непосредственно от поверхности катания либо от отслоений металла по поверхности катания и подповерхностных горизонтальных трещин.

2. Установка второй пары наклонных преобразователей на таком расстоянии от первой пары вдоль продольной оси рельса и такими углами ввода и разворота преобразователей, чтобы обеспечивать эффективный прием эхо-сигналов от поперечных трещин в боковых частях головки рельса, если они ориентированы перпендикулярно к поверхности головки рельса и имеют зеркальную поверхность отражения.

3. Совместный анализ сигналов, принятых всеми преобразователями системы, предусмотренными заявленным способом. Сравнение их временных положений и соотношений амплитуд эхо- и зеркально отраженных сигналов позволяет оценить как ориентацию трещины внутри головки рельса, так и их примерный размер.

4. Выделение сигналов от дефектов в четырех временных зонах, что позволяет дифференцировать сигналы от дефектов в разных частях головки рельсов как визуально, так и автоматизированными способами и повышает достоверность и надежность контроля.

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

На фиг. 1 показаны варианты реализации для четырех случаев обнаружения поперечной трещины в головке рельса: А - в центральной части; В - в боковой (на фиг. 1 - в правой) части при озвучивании наклонно ориентированной поперечной трещины прямым (m=0) у.з. лучом; С - в боковой (на фиг. 1 - в правой) части при озвучивании наклонно ориентированной поперечной трещины однократно отраженным (m=1) у.з. лучом.

D - в боковой (на фиг.1 - в правой) части головки рельса при озвучивании поперечной трещины, перпендикулярной к поверхности головки и имеющей зеркальную поверхность.

Возможные варианты озвучивания поперечных трещин в левой (по фиг.1) части головки рельса являются аналогичными и на фиг. не показаны.

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

При этом на указанных фигурах введены следующие обозначения: 1 и 2 - наклонные электроакустические (ультразвуковые) преобразователи первой пары преобразователей; 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 и 16 - наклонные электроакустические преобразователи второй пары (ультразвуковых) преобразователей;
17 - эхо-сигналы (зеркально отраженные) от дефектов, принятые преобразователями 15 и 16;
18 - общий корпус для преобразователей 1 и 2 или 15 и 16;
19 - корпус (искательная система или "лыжа") для двух пар преобразователей;
20, 21, 22 и 23 - временные зоны (стробирующие импульсы) для временной селекции эхо - и зеркальных сигналов 12, 13, 14 и 17 соответственно;
24 - генератор синхроимпульсов;
25, 26, 27 и 28 - формирователи временных зон селекции для зон 21, 23, 22 и 20 соответственно;
29₁ и 29₂ - генераторы зондирующих импульсов, подключенные к преобразователям 1 и 2;
30₁ и 30₂ - приемные тракты, подключенные к преобразователям 1 и 2;
31₁ и 31₂ - приемные тракты, подключенные к преобразователям 15 и 16 соответственно;
32₁ и 32₂ - схема совпадения (логическая схема И) для временной зоны 21, формируемой блоком 25;
33₁ и 33₂ - схема совпадения для временной зоны 23, формируемой блоком 26;
34₁ и 34₂ - схема совпадения для зоны 22, формируемой блоком 27;
35₁ и 35₂ - схема совпадения для зоны 20, формируемой блоком 28.

Буквами Л, П и Ц условно для фиг.1 и 2 обозначены левая, правая и центральная части головки рельса.

α - угол ввода у.з. колебаний в материал (сталь) рельса преобразователями - в отечественной дефектоскопии при наклонном вводе у.з. колебаний угол ввода всегда отличается от нормали к поверхности ввода у.з. колебаний в плоскости падения луча [12, 13].

γ - угол разворота преобразователей 1, 15 и 2, 16 относительно продольной оси 6 рельса в П и Л стороны рабочих 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;
U₁₅ и t₃ и U₁₆ и t₃ - амплитуды эхо-сигналов, их временное положение относительно зондирующих импульсов при приеме преобразователями 15 и 16 зеркально отраженных от поперечных трещин в боковых частях головки рельса сигналов.

Ультразвуковой способ 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 с_t распространения у. з. колебаний в материале изделия, геометрических размерах головки 4 рельса (в частности, высоты Н головки и ширины головки В 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 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 t₁ эхо-сигнала 14 с амплитудой U₁₄ на координатной плоскости U₁-t находится в промежуточном положении между t₀ и t_ц. При диффузной поверхности трещины 5 возможен прием отраженных сигналов 17 и преобразователями 15 и 16. При этом очевидно, что временная задержка t₃ этих сигналов меньше, чем эхо-сигналов 14 (см. координатные плоскости U₁₅-t и U₁₆-t).

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.

При наличии в боковой части рельса поперечной трещины, перпендикулярной к поверхности головки рельса и имеющей поверхность, зеркальную для акустических волн у.з. частоты, на преобразователях 1 и 2 не будут приняты эхо-сигналы, т.к. у.з. лучи, падая на поверхность трещины под определенным углом, будут переотражаться от нее по зеркальному закону. Для обнаружения таких трещин заявляемым способом осуществляют прием зеркально отраженных от поверхности трещин сигналов с помощью дополнительной пары наклонных электроакустических преобразователей 15 и 16, смещенной по продольной оси 6 рельса от первой пары преобразователей на величину L. Причем прием этих колебаний становится возможным благодаря соответствующему выбору параметров системы из двух пар преобразователей: расстояния L между ними; углов α ввода и приема у. з. колебаний; углов γ разворота преобразователей 1, 2 и 15, 16 в стороны боковых граней головки рельса таким образом, чтобы их акустические оси пересекались в зоне наиболее вероятного образования трещин 5. Для примера на фиг.1D показано обнаружение поперечной трещины 5 с зеркальной поверхностью в правой боковой части головки рельса. Излученные преобразователем 1 у.з. колебания, переотражаясь от зоны радиусного перехода правой боковой и нижней поверхностей головки рельса, попадают на поверхность трещины 5 и, переотражаясь от нее по зеркальному закону, попадают на преобразователь 15, формируя зеркально отраженный сигнал 17 на координатной плоскости U₁₅ -t (см. фиг. 1D).

Аналогично, поперечная трещина с зеркальной поверхностью в левой боковой части головки рельса может быть обнаружена с помощью излучающего преобразователя 2 и приемного преобразователя 16 (на фиг. не показано).

Естественно, каждая пара преобразователей может быть установлена в общем корпусе 18, а обе пары преобразователей - в корпусе 19, представляющем собой искательную систему ("лыжу") для двух пар преобразователей.

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 четыре временные зоны селекции (стробирующие импульсы):
зону 20 - предназначенную для выявления зеркально отраженного сигнала от углового отражателя, образованного плоскостью катания (или подповерхностной горизонтальной трещиной);
стробирующие импульсы 21 и 22 - предназначенные соответственно для выявления эхо-сигналов, обнаруженных прямым (m=0) и однократно отраженным (m= 1) лучами в боковых частях головки рельса;
зону 23 - для выделения зеркально отраженных сигналов от поперечных трещин в боковых частях головки рельса, имеющих перпендикулярную ориентацию поверхностям головки рельса и зеркально отражающие плоскости.

Такое разделение общей временной зоны на четыре отдельные зоны позволяет упростить процедуру анализа принятых сигналов и распознавания образов дефектов.

Отметим, что при регистрации сигналов сплошного контроля головки рельса на развертке типа В на отдельные дорожки [15] разделение общей зоны на четыре отдельных стробирующих импульса не является обязательным, т.к. указанные сигналы будут регистрироваться на определенных, заранее известных временных интервалах (расстояниях) от линии зондирующего импульса.

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 (20 м/с), что вполне достаточно для практики контроля ж.д. рельсов.

При реализации способа возможны несколько вариантов подключения электроакустических преобразователей 1, 2 и 15, 16 к у.з. дефектоскопу:
1. Один из преобразователей первой пары (например, преобразователь 1) излучает у. з. колебания, остальные - работают в режиме приема. В следующем цикле преобразователь 2 излучает у.з. колебания, а остальные - принимают.

2. Все преобразователи работают в совмещенном режиме (излучения и приема).

3. Оба преобразователя первой пары (1 и 2) работают в совмещенном режиме, а преобразователи второй пары - только в режиме приема.

На фиг.2 приведена функциональная схема у.з. дефектоскопа, реализующего третий вариант подключения преобразователей, как наиболее предпочтительный для реализации способа.

Схема состоит из двух идентичных дефектоскопических каналов. Общими узлами дефектоскопа являются последовательно соединенные генератор синхроимпульсов 24 и формирователи временных зон селекции 25, 26, 27 и 28 (генераторы стробирующих импульсов) для зон 21, 23, 22 и 20 (на фиг.1) соответственно.

Генератор синхроимпульсов 24 одновременно запускает генераторы зондирующих импульсов 29₁ и 29₂, соединенные 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 излучателей-приемников акустических колебаний, например основанные на электромагнитно-акустическом 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 30₁ и 30₂.

Зеркально отраженные от поперечных трещин в боковых частях головки рельса сигналы могут поступать на преобразователи 15 и 16, соединенные с приемниками 31₁ и 31₂ соответственно.

С выходов приемников 30₁, 30₂, 31₁ и 31₂ эхо- и зеркально отраженные сигналы поступают на соответствующие схемы совпадения (логические схемы И) 32₁, 33₁, 34₁, 35₁ и 32₂, 33₂, 34₂ и 35₂ (см. фиг.2).

На вторые входы этих схем поступают соответствующие стробирующие импульсы с формирователей 25, 26, 27 и 28. При временном совпадении эхо- и зеркально отраженных сигналов, принятых преобразователями 1, 2, 15 и 16, и стробирующих импульсов, генерируемых формирователями 25, 26, 27 и 28, на выходах соответствующих схем совпадения 32, 33, 34 и 35 появляются сигналы, свидетельствующие о наличии дефектов в контролируемой головке 4 рельса (см. фиг.2).

На выходах схем совпадения 32₁ и 34₁ появляются эхо-сигналы от поперечных наклонных трещин, а на выходе схемы 33₁ - от поперечной трещины, ориентированной нормально (перпендикулярно) поверхностям головки рельса и имеющей зеркальную поверхность, расположенные в правой (П на фиг.1 и фиг.2) боковой части головки рельса. Выводы групп П, Ц и Л указанных схем совпадения могут быть подсоединены к известным решающим устройствам, определяющим по заданным алгоритмам место залегания и конфигурацию дефекта, или же к многоканальному регистратору, позволяющему производить визуальный анализ сигналов.

Аналогично на выходах схем И 32₂, 33₂ и 34₂ возможно появление эхо- и зеркальных сигналов (Л на фиг.1 и фиг.2) от поперечных трещин, залегающих в левой боковой части головки рельса. Если же сигналы появляются на выходах схем совпадений 35₁ и 35₂, то это свидетельствует о наличии поперечной трещины в центральной части головки рельса.

Таким образом, излучая преобразователями 1 и 2 у.з. колебания, принимая всеми преобразователями (1, 2, 15 и 16) эхо- и зеркально отраженные от искомых дефектов сигналы и совместно анализируя их параметры, принимают решение о наличии, степени развития и конфигурации дефектов по всему сечению головки рельсов,
Следует отметить, что различные элементы и электронные компоненты, используемые при реализации дефектоскопа, являются известными (см., например, [13]). Оригинальность заключается в конкретном расположении преобразователей 1, 2 и 15, 16 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 25-28, а также схемы совпадения 32-35 (с соответствующими индексами) 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 1,2, 15 и 16 и возможности совместного анализа сигналов, принимаемых этими преобразователями.

Наиболее существенным в заявляемом способе является правильный выбор углов ввода α₁ 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. 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 для второй пары преобразователей 15 и 16 выбрать расстояние L (смещение вдоль продольной оси 6 относительно первой пары) и соответствующие углы ввода α₁₅ и α₁₆ и разворота γ₁₅ и γ₁₆ из условия получения сигналов максимальной амплитуды зеркально отраженных от плоскостей дефектов 5, залегающих в боковых частях (П или Л) головки 4 рельсов (фиг.1А). Причем для дефектов с зеркальной поверхностью в правой части головки рельса (по фиг.1 и фиг.2) у.з. лучи, излученные преобразователем 1, переотражаясь от зоны радиусного перехода 9 и плоскости дефекта 5, должны попадать на преобразователь 15, а для дефектов 5, залегающих в левой (Л) части головки рельса, у.з. лучи, излученные преобразователем 2 по аналогичной траектории, должны приниматься преобразователем 16 (см. фиг.1D).

Одновременно, 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^o. Как показано в [7 и 12], оптимальны 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 рельсовых дефектоскопах нового поколения 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).

Очевидно, что для получения сигналов, зеркально отраженных от дефектов в боковых частях головки рельсов, целесообразно углы ввода и углы разворота преобразователей 15 и 16 выбрать равными соответствующим углам 1 и 2. В результате
Уточнение параметров системы преобразователей 1, 2 и 15, 16, а также выбор параметров L осуществляется с учетом конфигурации и геометрических размеров головки рельса, зоны зарождения усталостных трещин в боковой части головки и параметров типовых электроакустических преобразователей. По результатам исследований ВНИИЖТа, полученных путем вскрытия большого количества поперечных трещин в головке рельсов, снятых с различных участков пути, верхний край характерных дефектов находится на глубине 6-8 мм от поверхности катания, а от боковой поверхности эти расстояния составляют 1,7-6 мм в зависимости от площади (степени развития) трещины [4, 7].

Выполненные авторами результаты графоаналитического расчета хода лучей в контролируемом объеме проверены экспериментальными исследованиями на моделях и реальных дефектах в головке рельсов. Методика последующего уточняющего эксперимента заключалась в следующем: по два преобразователя с углами ввода у. з. луча в диапазоне от 40^o до 65^o с дискретностью 2^o устанавливались на определенном, фиксированном расстоянии L в диапазоне от 20 до 120 мм с сохранением углов разворотов γ преобразователей равными друг другу. Причем угол разворота γ мог изменяться в диапазоне от 20^o до 38^o с дискретностью 2^o. При каждом фиксированном позиционировании с помощью точечного пьезопреобразователя определялось "фокусное пятно" на торце рельса, т.е. точка пересечения прямого и зеркально отраженного от подголовочной поверхности рельса лучей. Для первой пары преобразователей (1 и 2) осуществлялся поиск "пятна" в центральной части головки рельса непосредственно на поверхности катания. Для пар преобразователей 1, 15 и 2, 16 поиск "фокусного пятна" осуществляется в соответствующих боковых частях головки рельса в зоне зарождения "смещенных овальных пятен" [4, 10 и 11].

В результате выполненного комплекса исследований, с учетом удобства реализации рассматриваемого способа контроля в схемах прозвучивания съемных ультразвуковых дефектоскопов и вагонов-дефектоскопов с помощью преобразователей с типовыми характеристиками (частота у. з. колебаний 2,5 МГц, угол раскрытия у. з. луча в металле рельса 8-12^o), приняты следующие параметры системы:
- расстояние между преобразователями L=(50±2) мм;
- углы ввода у.з. колебаний α = 58°±1,5° (углы призм преобразователей β = 45° при выполнении призм из органического стекла);
- углы разворота преобразователей относительно продольной оси рельса γ ≈ 36°±2°.
Полученные результаты подтверждены 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 дефектоскопной 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 процессе испытаний предлагаемая схема прозвучивания головки рельса получила условное название "РОМБ плюс" (или 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 (плана пути) по сравнению с известными способами контроля рельсов.

Кроме того, предлагаемым способом уверенно выявляются одновременно в обеих частях (П и Л) головки рельса поперечные трещины с зеркальными поверхностями, имеющие перпендикулярную ориентацию к поверхностям. Ранее известными способами такие трещины можно было обнаружить только в одной из боковых частей головки рельса (стр. 133-140 [12]).

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 в плоскости падения луча и в перпендикулярной плоскости составляют 8-12^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.

По существу, предлагаемый способ позволяет реализовать многофункциональную искательную систему, обеспечивающую надежное обнаружение всех поперечных трещин в головке рельса: в боковых частях и в центральной части как ориентированных наклонно и нормально к поверхностям головки. В отличие от известных способов, за счет приема сигналов от уголкового отражателя обеспечивается выявление и поперечных трещин в центральной части головки рельса, развивающихся как от поверхности катания, так и от поверхностных отслоений металла и подповерхностных горизонтальных трещин.

Время распространения у.з. колебаний до зоны 9 радиусного перехода боковой и нижней граней головки рельса и обратно может быть вычислено по выражению
t_p.п = 2t_п+2H/c_tcosα, (2)
где t_п - время распространения у.з. колебаний в клиновидной призме наклонного преобразователя 1 или 2;
с_t - скорость поперечных у.з. колебаний в материале головки рельса (для стали c_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 21 и 22 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 (см. фиг.1):
- зона 21 - 10...46 мкс для селекции эхо-сигналов от дефектов в боковой части головки рельса, принятых при озвучивании их прямым у.з. лучом (m=0);
зона 22 - 52...83 мкс для селекции эхо-сигналов от дефектов в боковой части головки рельса при озвучивании их однократно отраженным лучом (m=1).

Зона селекции 23 для выделения сигналов 17 (см. фиг.1), зеркально отраженных от залегающих в боковых частях головки рельса поперечных трещин, выбирается с центром, равным t_p.п (рассчитанным по (2), и длительностью, учитывающей прием сигналов и боковыми лучами у.з. луча. Для указанных выше начальных условий числовые значения зоны 23 составляют 23...69 мкс (по 20 мкс от центра, рассчитанного по (2) и составляющего 49 мкс). Центр временной зоны селекции 20 для выделения сигналов 12 (см. фиг.1А), отраженных от уголкового отражателя, сформированного поперечной трещиной 5 в центральной части головки рельса и поверхностью катания 3, определяется как двойное значение t_p.п, вычисленное по выражению (2), и составляет 98 мкс. С учетом углов раскрытия диаграмм направленностей преобразователей 1 и 2 зона 20 занимает на оси времени t участок от 84 до 114 мкс.

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. Как видно из полученных значений, зоны временной селекции могут взаимно перекрываться на временной оси. Это вполне допустимо и не мешает реализации способа, т.к. взаимно перекрывающиеся зоны относятся к разным преобразователям и дефектоскопическим каналам. Зоны 21 и 22 относятся к преобразователям 1 и 21, зона 23 - к преобразователям 15 и 16.

Основными измеряемыми параметрами сигналов, принимаемых при озвучивании дефектов предлагаемым способом, являются значения амплитуд и временных положений эхо- и зеркально отраженных сигналов.

Из приведенного выше выражения (2), а также из фиг.1 следует, что временные положения (задержки) t₃ зеркально отраженных сигналов 17 трещины 5 в боковых участках головки рельса занимают промежуточные значения между временными положениями t₀ и t₁ эхо-сигналов 13 и 14 от дефектов в этих зонах головки рельса (t₀≤t₃≤t₁). В то же время сигналы от дефектов в центральной части головки рельса имеют максимальную временную задержку t_ц (t_ц>t₁>t₃>t₀). Анализ соотношений амплитуд эхо- и зеркально отраженных сигналов может дать дополнительную информацию о месте залегания, конфигурации и размерах дефектов. Например, на фиг.1С показано озвучивание наклонно ориентированной поперечной трещины 5. Кроме эхо-сигнала 14 с амплитудой U₁₄ и временной задержкой t₁, принимаемой преобразователем 1, вследствие рассеяния и диффузного отражения у.з. колебаний, излучаемых преобразователем 1, на неровностях поверхности трещины 5 (например, на так называемых "кольцах роста" трещины) возможен прием сигналов 17 и преобразователями 15 и 16. Естественно, при этом амплитуды этих сигналов (сигналов 17) будут существенно меньше, чем амплитуда эхо-сигнала U₁₄.

Кроме анализа временных положений и принимаемых сигналов в одном периоде излучения-приема (фиг. 1), возможен и целесообразен совместный анализ пачек эхо- и зеркально отраженных сигналов, получаемых в процессе перемещения системы из двух пар преобразователей над дефектным участком головки рельса (в пределах зоны локации дефекта в течение нескольких (десятков и сотен - в зависимости от скорости перемещения) циклов излучения-приема у.з. колебаний). В основном появление пачек импульсов на обоих преобразователях будет совпадать по времени, но ввиду разной физики образования этих сигналов возможно их временное смещение относительно друг друга. Как показывают экспериментальные исследования, эхо-сигнал (на преобразователи 1 и 2) от поперечной трещины в боковой части головки рельса преимущественно появляется при озвучивании краев дефектов (диффузное отражение у.з. колебаний), зеркальный сигнал (на отражателях 15 и 16) - при озвучивании плоской поверхности трещины. При этом, как правило, амплитуда U_з.м зеркально отраженных сигналов (12, 17) заметно превышает амплитуду U₁₄ - эхо-сигналов U₁₂, U₁₃, U₁₄ (сигналов 12, 13 и 14). Указанное справедливо для сильно развитых трещин в головке рельсов, имеющих размеры, превышающие размер сечения у.з. луча (точнее общей зоны пересечения диаграмм направленностей обеих пар преобразователей) и зеркально отражающую поверхность. Для трещин на начальной стадии развития соотношение амплитуд сигналов обратное U₁₄≥U_з.м. Это обстоятельство позволяет по соотношению амплитуд эхо- и зеркально отраженных сигналов судить о степени развития поперечных трещин в головке рельсов, что дополнительно повышает надежность и достоверность контроля.

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 (см. фото в дополнительных материалах к заявке). Аналогичную конструкцию имеет и вторая пара преобразователей 15 и 16. Возможно и целесообразно объединение обеих пар в единую конструкцию 19 в виде искательной системы или "лыжи" (фиг.10).

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, 2, 15 или 16 может быть расположен и в отдельном корпусе.

При получении указанных параметров системы из двух пар преобразователей задавались углами ввода у.з. колебаний, типичными для систем дефектоскопии железнодорожного транспорта. Очевидно, 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 1 и 2 на продольной оси поверхности катания и возможность приема преобразователями 15 и 16 зеркально отраженных сигналов от поперечных трещин в боковых частях головки рельса. При этом такие параметры системы, как углы γ разворота плоскости падения у.з. волны преобразователей относительно продольной оси рельса в сторону боковых частей головки, будут отличаться от приведенных выше значений. В общем случае углы α и γ преобразователей 1 и 2 могут отличаться от аналогичных параметров преобразователей 15 и 16.

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 системы из двух пар преобразователей, направленной в противоположном от первой системы 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 у. з. способ 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 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, и трещин с зеркальными поверхностями в боковых частях 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 двумя парами преобразователей во всех временных зонах;
- дополнительное повышение надежности и достоверности контроля за счет оптимизации размеров системы преобразователей и обеспечения лучшего акустического контакта между преобразователями и контролируемыми рельсами.

Таким образом, техническая задача, поставленная при разработке у.з. способа 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. Mackay, J. Morris. 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 с. (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.

Формула изобретения

1. Ультразвуковой способ контроля головки рельсов, заключающийся в том, что на поверхность катания головки рельса на 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 на продольной оси устанавливают вторую пару преобразователей с идентичными параметрами, углы ввода ультразвуковых колебаний в металл рельса и углы разворота первой пары преобразователей выбирают из условия пересечения осей ультразвуковых лучей, переотраженных от зон радиусного перехода боковой и нижней граней головки рельса, на продольной оси поверхности катания, расстояние между парами преобразователей наряду с углами ввода ультразвуковых колебаний и углами разворота второй пары преобразователей выбирают из условия приема сигналов от дефектов в виде поперечных трещин в боковых частях головки рельсов, а о наличии и ориентации дефекта судят по совместному анализу принятых преобразователями сигналов.

2. Способ ультразвукового контроля головки рельса по п. 1, отличающийся тем, что эхо-сигналы от возможных дефектов выделяют в четырех 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 - для приема второй парой преобразователей зеркально отраженных сигналов от дефектов в боковых частях головки рельсов, третья зона - для приема эхо-сигналов при озвучивании дефектов однократно отраженным от радиусного перехода боковой и нижней граней головки рельса ультразвуковым лучом, четвертая зона - для приема сигналов, излученных одним преобразователем и принятых другим преобразователем, после отражения их 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.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2

NF4A Восстановление действия патента СССР или патента Российской Федерации на изобретение

Дата, с которой действие патента восстановлено: 10.12.2008

Извещение опубликовано: 10.12.2008        БИ: 34/2008

---