JP4171130B2 - Ultrasonic rail flaw detector - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レール内の欠陥を検出する超音波レール探傷装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、この種の超音波レール探傷装置としては、図4に示したものがある。図4において、レール1の頭面に超音波探触子32が当接されており、この超音波探触子32に送受信回路36が接続されている。送受信回路36から出力される電気パルスが超音波探触子32に送られると、超音波探触子32で超音波パルスに変換され、ある屈折角度を持ってレール1内に斜めに入射される。レール内に入った超音波パルスは音響インピーダンスの不連続面、即ち、欠陥があると反射するので、反射して戻ってきた超音波パルスを超音波探触子32で受信し、欠陥を検出している。
【0003】
欠陥からの反射方向は、反射面となる欠陥の角度や位置によって影響を受ける。従って、図4の送受信を兼用した超音波探触子32を使用した場合、図4(a)のような底部に開口した欠陥3や、図4(b)の凹凸面のある自然欠陥4に対しては、超音波探触子32に超音波が戻ってくるため、その受信信号から欠陥の存在を検出することができる。しかしながら、図4(c)に示したように、レール1内にレール前後方向に直交する平坦面状の欠陥5が存在していた場合、反射指向性が鋭く、超音波は入射した方向と別の方向へ反射してしまい超音波探触子32の方向に戻ってこないので受信することができないという課題がある。欠陥5の端部で散乱反射する超音波成分もあるが、これは非常に信号レベルが低く受信が困難である。
【0004】
このため、レール内に平坦面状の欠陥5が存在することが予測される溶接部の探傷においては、図5に示したように、レール1の頭面に送信用探触子42と受信用探触子44とをレール前後方向にタンデムに配置するタンデム方式の探傷装置を使用することが提案されている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このタンデム方式の探傷装置では、送信用探触子42と受信用探触子44との間の相対的な位置関係によって探傷領域が決定されるという課題がある。例えば、図5(a)に示したように、送信用探触子42と受信用探触子44との間の間隔が小さい場合には深い探傷領域を持つのに対して、送信用探触子42と受信用探触子44との間の間隔が大きい場合には浅い探傷領域を持つ。そのため、2つの探触子42、44の位置を調整しながら探傷を行わなければならず、超音波探傷車のように走行しながら探傷する場合には、上記位置調整を伴うために探傷走行速度に制限ができるという課題がある。
【0006】
本発明はかかる従来の課題に鑑みなされたもので、請求項1及び2の発明は、送信用探触子と受信用探触子との相対位置を動かすことなく広い探傷領域で平坦面状の欠陥を検出することができる超音波レール探傷装置を提供することをその目的とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために請求項1記載の発明は、レールに当接し、レール前後方向に整列された単一の送信用探触子と受信用探触子とを有し、送信用探触子から放射される超音波信号を、受信用探触子から遠ざかる方向に斜めにレール内へ入射させ、欠陥で反射してきた超音波信号を受信用探触子で受信することにより、レール内の欠陥を検出する超音波レール探傷装置において、
送信用探触子から放射される超音波信号のレールへの屈折角度θ及びその超音波信号のレール前後方向のビーム長さLが、レールの高さdに対して、
【0008】
【数2】
d=L/tanθ (1)
を満足するように設定されると共に、受信用探触子の受信面のレール前後方向の長さがL以上に設定されることを特徴とする。
【0009】
レール内において、レール高さと同じ長さを持ち、レール前後方向に直交する仮想反射面を仮定すると、上記式を満足させることによって、送信用探触子から放射される超音波信号は、仮想反射面全体をカバーする。従って、この仮想反射面のいずれかに平坦状の欠陥があったとすると、必ず、送信用探触子からの超音波信号はその欠陥で反射される。また、受信用探触子を同じく上記L以上の長さとすることによって、反射された超音波信号を確実に受信用探触子で受信することができる。
【0010】
受信用探触子は、上記仮想反射面で反射された超音波信号をすべて受信できるような位置に配置されればよく、受信用探触子と送信用探触子との相対的位置関係は固定とすることができる。
【0011】
また、受信用探触子は、一つの振動子を持つ単一の探触子とすることもできるが、請求項2記載の発明は、請求項1記載のものにおいて、前記受信用探触子はレール前後方向に整列した複数のアレイ素子からなるアレイ形探触子であり、いずれかのアレイ素子において超音波信号が受信されたかを識別することにより欠陥の深さを検出することを特徴とする。
レール前後方向の受信位置が前記仮想反射面の反射深さ位置に依存するので、いずれかのアレイ素子で受信されたかで、欠陥の深さを検出することができる。
【0012】
【発明の実施の形態】
以下、図面を用いて本発明の実施の形態を説明する。図1は、本発明に係る超音波レール探傷装置の実施の形態を表すレールの側方から見た説明図、図2は斜視図である。
【0013】
この超音波レール探傷装置10は、レール1の頭面に当接し、レール前後方向に整列された送信用探触子12と受信用探触子14とを有している。
送信用探触子12は、その振動子から放射される超音波パルスのレール1への屈折角度θ及び送信用探触子12から放射される超音波パルスのレール前後方向のビーム長さLが、レール1の探傷するべき深さ領域長さdに対して、
【0014】
【数3】
d≦L/tanθ (1)
を満足するように設定される。(1)式を満足するように設定することにより、送信用探触子12から放射される超音波信号が図1の仮想反射面6全体をカバーすることができる。即ち、仮想反射面6は、探傷するべき深さ領域と同じ長さdを持ち、レール前後方向に直交する平坦面である。
【0015】
また、受信用探触子14の受信面のレール前後方向の長さも、前記ビーム長さLと同じか、またはそれ以上となるように設定される。受信用探触子14は、送信用探触子12から放射され仮想反射面6で反射された超音波信号を受信することができる位置に設定され、送信用探触子12と受信用探触子14との間の相対的位置は固定される。図の例のように、探傷するべき深さ領域dが、頭部から底部までの長さにほぼ等しい場合、受信用探触子14は、送信用探触子12にほぼ密着して配置される。
【0016】
屈折角度θは、その値が大きくなると、上記(1)式でLが大きくなり送信用探触子12の全体寸法が大きくなるので、屈折角度θは、レール1との境界面における変換効率の良い範囲で可能な限り小さい角度となるように選択されるとよい。
【0017】
例えば、超音波の横波を用いて探傷を行うものとすると、縦波が臨界角となる屈折角度に設定すれば、縦波の変換がなくなるので効率の良い探傷が可能となる。レールが鋼材である場合、その横波音速は3230m/s、縦波音速は5900m/sであるので、スネルの法則から、横波の屈折角度θSと縦波の屈折角度θDとの関係は、
【0018】
【数4】
sinθS/3230=sinθD/5900
が成り立ち、縦波が臨界角となるθD=90゜のときのθSを求めると、θS=約33゜程度となる。従って、屈折角度33゜以上の横波を利用すれば、縦波の変換がなくなり効率の良い探傷が可能となる。より好ましくは、横波の最も変換効率の高い35゜程度が選択されると良い。また、縦波を利用する場合には、屈折角度が0〜30゜まで利用できることが知られているが、斜角探傷でないと欠陥の平面での反射を利用することができないこと、及び変換効率を勘案して、15〜20°が選択されると良い。
【0019】
例えば、横波超音波を使用する場合、屈折角度θを35°とし、レール1の探傷するべき深さ領域長さdとなるレール高さを160mmとすると、Lは、
【0020】
【数5】
L=160×tan35°=112(mm)
となる。送信用探触子12のレール前後方向の長さもほぼこのLに一致したものとするとよい。また、受信用探触子14の受信面のレール前後方向の長さもこの寸法L(またはL以上)にするとよく、受信用探触子14のレール前後方向の長さもほぼこのL(またはL以上)にするとよい。
【0021】
送信用探触子12及び受信用探触子14は、それぞれ送受信回路16に接続される。送受信回路16は、送信用探触子12に接続され電気パルスを送出する送信パルサ18と、受信用探触子14に接続され受信信号を増幅して欠陥の有無を検出する増幅検知部20とを有している。
【0022】
以上のように構成される超音波レール探傷装置10において、上記送信用探触子12と受信用探触子14とは相対位置関係を保持された状態で超音波探傷車に装備されレール1の頭面上を図2の矢印方向に移動しながら連続的に探傷を行う。送信パルサ18から電気パルスが送信用探触子12に送出されると、送信用探触子12で超音波パルスに変換され、レール前後方向の長さLの超音波ビームが受信用探触子14から遠ざかる方向に、上記屈折角度θでレール1に入射される。
【0023】
上記の仮想反射面6内のどこにも欠陥がない場合には、超音波パルスは、そのまま前方(受信用探触子14から遠ざかる方向)に進んでいって、受信用探触子14で受信されることはない。
【0024】
一方、仮想反射面6内のどこかに平坦面状の垂直欠陥5が存在すると、超音波が反射して底面に向かって反射する。この反射エコーはさらに底面で反射し、受信用探触子14で受信されて電気信号に変換される。この受信信号は、増幅検知部20で増幅、検出されて、内在した平坦面状の垂直欠陥5が当該探傷領域dに存在することが検出される。
【0025】
このとき受信される受信信号の強度は、反射面の大きさに比例すると考えられるので、信号の強度を増幅検知部20で測定することによって、欠陥5の面積(大きさ)を推定することもできる。面積の推定は、予め基準の欠陥に対して求めておいた強度と面積との関係に基づいて、行うことができる。
【0026】
尚、検出できる欠陥としては、平坦面状の垂直欠陥5に限ることなく、底部に開口した欠陥3(図4(a)参照)や凹凸面のある自然欠陥4(図4(b)参照)も同様に、反射波の一部が受信用探触子14に受信されるので、欠陥を検出することができる。
【0027】
次に、図3は、本発明の第2の実施の形態を表す図1相当図である。図において、図1と同一部材は、同一符号を付し、その詳細説明を省略する。
この実施の形態では、受信用探触子14’として、レール前後方向に整列した複数のアレイ素子14−1、14−2、14−3からなるアレイ形探触子を用いており、アレイ素子14−1、14−2、14−3は、それぞれ個別に増幅検知部20’に接続されている。増幅検知部20’は、深部増幅検知部20−1、中間部増幅検知部20−2、浅部増幅検知部20−3からなり、それぞれアレイ素子14−1、14−2、14−3が受信可能な欠陥が存在する位置に応じてアレイ素子に接続されている。
【0028】
アレイ素子14−1、14−2、14−3の各受信面のレール前後方向長さは、送信用探触子12から放射される超音波信号のレール前後方向のビーム長さLに対して、それぞれ同じ長さL/3となっている。
【0029】
以上のように構成される超音波レール探傷装置10’では、仮想反射面6内のどこかに平坦面状の垂直欠陥5が存在すると、その垂直欠陥5の位置に応じてアレイ素子14−1、14−2、14−3のいずれかで反射エコーが受信されるので、反射エコーに対応する電気信号が検知部20−1、20−2、20−3のいずれかで検出されたか識別することによって、欠陥5の深さを知ることができる。例えば、アレイ素子14−1で反射エコーが受信された場合、欠陥5は(2/3)・dからdの範囲にあることが分かる。
【0030】
この例では簡単のため3個のアレイ素子で説明したが、受信用探触子を多数のアレイ素子で構成することにより、欠陥の深さの分解能を向上させることができる。
【0031】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のうち請求項1記載の発明によれば、送信用探触子から放射される超音波信号のレールへの屈折角度θ及びその超音波信号のレール前後方向のビーム長さLを、レールの高さdに対して、
【0032】
【数6】
d=L/tanθ (1)
を満足するように設定すると共に、受信用探触子の受信面のレール前後方向の長さをL以上に設定することにより、送信用探触子と受信用探触子との相対位置を動かすことなく、広い探傷領域であるレール高さdでレール内に存在するレール前後方向に直交する平坦面状の欠陥を確実かつ効率的に検出することができる。
そして、受信用探触子で受信される受信信号の強度を測定することによって、欠陥の面積を推定することもできる。
【0033】
また、請求項2記載の発明によれば、受信用探触子はレール前後方向に整列した複数のアレイ素子からなるアレイ形探触子であり、いずれかのアレイ素子において超音波信号が受信されたかを識別することにより欠陥の深さを検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る超音波レール探傷装置の実施の形態を表すレールの側方から見た説明図である。
【図2】図1の斜視図である。
【図3】本発明に係る超音波レール探傷装置の第2の実施の形態を表すレールの側方から見た説明図である。
【図4】従来の超音波レール探傷装置を表すレールの側方から見た説明図である。
【図5】従来の他の超音波レール探傷装置を表すレールの側方から見た説明図である。
【符号の説明】
1 レール
10、10’ 超音波レール探傷装置
12 送信用探触子
14 受信用探触子
14’ 受信用探触子(アレイ形探触子)
14−1、14−2、14−3 アレイ素子[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an ultrasonic rail flaw detector that detects a defect in a rail.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, this type of ultrasonic rail flaw detector is shown in FIG. In FIG. 4, an
[0003]
The reflection direction from the defect is affected by the angle and position of the defect serving as the reflection surface. Therefore, when the
[0004]
For this reason, in the flaw detection of the welded portion in which the
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
However, this tandem type flaw detection apparatus has a problem that the flaw detection area is determined by the relative positional relationship between the
[0006]
The present invention has been made in view of such conventional problems, and the inventions of
[0007]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the invention according to
The refraction angle θ of the ultrasonic signal radiated from the transmitting probe to the rail and the beam length L in the longitudinal direction of the rail of the ultrasonic signal are set to the height d of the rail.
[0008]
[Expression 2]
d = L / tan θ (1)
And the length of the receiving surface of the receiving probe in the longitudinal direction of the rail is set to L or more.
[0009]
Assuming a virtual reflecting surface having the same length as the rail height in the rail and orthogonal to the rail longitudinal direction, by satisfying the above equation, the ultrasonic signal emitted from the transmitting probe is virtually Cover the entire reflective surface. Therefore, if there is a flat defect on any one of the virtual reflection surfaces, the ultrasonic signal from the transmission probe is always reflected by the defect. Also, by setting the receiving probe to a length equal to or longer than L, the reflected ultrasonic signal can be reliably received by the receiving probe.
[0010]
The receiving probe may be arranged at a position where all the ultrasonic signals reflected by the virtual reflecting surface can be received, and the relative positional relationship between the receiving probe and the transmitting probe is It can be fixed.
[0011]
The receiving probe may be a single probe having one transducer. The invention according to claim 2 is the one according to
Since the reception position in the rail front-rear direction depends on the reflection depth position of the virtual reflection surface, the depth of the defect can be detected based on whether it is received by any of the array elements.
[0012]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is an explanatory diagram viewed from the side of a rail representing an embodiment of an ultrasonic rail flaw detector according to the present invention, and FIG. 2 is a perspective view.
[0013]
The ultrasonic
The
[0014]
[Equation 3]
d ≦ L / tan θ (1)
Is set to satisfy. By setting so as to satisfy the expression (1), the ultrasonic signal radiated from the
[0015]
Also, the length of the receiving surface of the receiving
[0016]
As the value of the refraction angle θ increases, L increases in the above equation (1) and the overall size of the
[0017]
For example, when flaw detection is performed using a transverse wave of ultrasonic waves, if the refraction angle at which the longitudinal wave is a critical angle is set, the conversion of the longitudinal wave is eliminated, so that efficient flaw detection is possible. When the rail is a steel material, the shear wave velocity is 3230 m / s and the longitudinal wave velocity is 5900 m / s. Therefore, from Snell's law, the relationship between the refraction angle θ S of the transverse wave and the refraction angle θ D of the longitudinal wave is
[0018]
[Expression 4]
sin θ S / 3230 = sin θ D / 5900
When θ S when the longitudinal wave becomes the critical angle and θ D = 90 ° is obtained, θ S = about 33 °. Therefore, if a transverse wave having a refraction angle of 33 ° or more is used, longitudinal wave conversion is eliminated and efficient flaw detection is possible. More preferably, about 35 ° having the highest conversion efficiency of the transverse wave is selected. In addition, when using longitudinal waves, it is known that the refraction angle can be used from 0 to 30 °. However, it is not possible to use reflection on the plane of the defect unless it is oblique inspection, and conversion efficiency. In consideration of the above, 15 to 20 ° is preferably selected.
[0019]
For example, when using a transverse wave ultrasonic wave, if the refraction angle θ is 35 ° and the rail height corresponding to the depth region length d of the
[0020]
[Equation 5]
L = 160 × tan35 ° = 112 (mm)
It becomes. The length of the
[0021]
The
[0022]
In the ultrasonic
[0023]
If there is no defect anywhere in the virtual reflecting
[0024]
On the other hand, when the flat surface-like
[0025]
Since the intensity of the received signal received at this time is considered to be proportional to the size of the reflecting surface, the area (size) of the
[0026]
Note that the defects that can be detected are not limited to the flat surface-like
[0027]
Next, FIG. 3 is a view corresponding to FIG. 1 showing the second embodiment of the present invention. In the figure, the same members as those in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.
In this embodiment, an array-type probe comprising a plurality of array elements 14-1, 14-2, 14-3 aligned in the rail longitudinal direction is used as the receiving
[0028]
The length in the rail front-rear direction of each receiving surface of the array elements 14-1, 14-2, 14-3 is relative to the beam length L in the rail front-rear direction of the ultrasonic signal radiated from the transmitting
[0029]
In the ultrasonic
[0030]
In this example, three array elements have been described for the sake of simplicity, but the resolution of the defect depth can be improved by configuring the receiving probe with a large number of array elements.
[0031]
【The invention's effect】
As described above, according to the first aspect of the present invention, the refraction angle θ of the ultrasonic signal radiated from the transmitting probe to the rail and the beam of the ultrasonic signal in the longitudinal direction of the rail. The length L is set to the rail height d.
[0032]
[Formula 6]
d = L / tan θ (1)
And the relative length between the transmitting probe and the receiving probe is moved by setting the length of the receiving surface of the receiving probe in the rail front-rear direction to L or more. Therefore, it is possible to reliably and efficiently detect a flat surface-like defect perpendicular to the rail longitudinal direction existing in the rail at the rail height d which is a wide flaw detection area.
The defect area can also be estimated by measuring the intensity of the received signal received by the receiving probe.
[0033]
According to the second aspect of the present invention, the receiving probe is an array type probe including a plurality of array elements aligned in the rail longitudinal direction, and an ultrasonic signal is received by any of the array elements. The depth of the defect can be detected by identifying whether or not.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an explanatory diagram viewed from the side of a rail, showing an embodiment of an ultrasonic rail flaw detector according to the present invention.
FIG. 2 is a perspective view of FIG.
FIG. 3 is an explanatory diagram viewed from the side of a rail, showing a second embodiment of the ultrasonic rail flaw detector according to the present invention.
FIG. 4 is an explanatory view seen from the side of a rail representing a conventional ultrasonic rail flaw detector.
FIG. 5 is an explanatory view seen from the side of a rail representing another conventional ultrasonic rail flaw detector.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF
14-1, 14-2, 14-3 Array element
Claims (2)
送信用探触子から放射される超音波信号のレールへの屈折角度θ及びその超音波信号のレール前後方向のビーム長さLが、レールの高さdに対して、
The refraction angle θ of the ultrasonic signal radiated from the transmitting probe to the rail and the beam length L in the longitudinal direction of the rail of the ultrasonic signal are set to the height d of the rail.
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