JPS6230954A - レール頭部の超音波欠陥検出方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 レール頭部に位置する冶金学的原点をもつ横方向亀裂は
一般にその正中軸線内に発達する。こねらのよく知られ
た亀裂は長円形流ねと称さハる。

これらの欠陥の原点においては、製造に起因する非均等
芯が後になって小さい亀裂となりこれが伝播し次第に大
きくなる。

列車の通過によって負荷されるレールは、多大な応力を
受け、これらの応力はこれらの亀裂を増大させ、それは
レールの断面の１００１Ｖｒ、までも進行するが、レー
ルの破壊は、これらの亀裂の存在する場所において環境
（軌道、交通Ｍ）によって低い値（２０％）をもつ亀裂
が既に生じているであろう。

この検出は超音波技術によって実施されている。

鋼内で７０°の反射角をもつ超音波ビームがレールの走
行テーブル上に配設された変換器からレール頭部の芯部
に向けて出射される。亀裂によって反射されたエネルギ
が検出され、次いで電子回路によって測定される。

作業者は次に検出された亀裂の重要度の関数として必要
な処置をとる。作業者は小さい亀裂に対しては当該レー
ルを検査し、また大きい亀裂に対してはその交換につい
て要求する。

数年来、レール頭部の犬の対称軸線のいずれの側にもレ
ール頭部の正中部の右側捷だは左側に偏位した原点をも
つ横方向亀裂があられれている（第２図）。

他の横方向亀裂はレール頭部の左−ヒ方及び右上方隅部
から起こっている（第３図）。

これらの偏位された亀裂の原点はレール自身の形式、列
車の転輪軸紳当りの負荷、及びレールの装置に用いられ
た鋼の引抜きに起因する。

成る国々では、第２図の形態が頻繁に起こり、また他の
国々では頻発するのは第３図の形態である。

これらの場合にはすべて、偏位された長円形流れの検出
の問題が起こった。

現在、これらの偏位された長円形流れ（第２図及び第３
図）の検出は、精密かつ確実には実施できなかった。実
際問題として、中心型長円形流ね（第１図）の検出用と
して開発された既知の方法を用いては、決して確実な結
果は保証できず、これは所内のエコー、成る振幅の中心
型長円形流れによって反射されたエコー、または１つま
たは複数の偏位された長円形流れから来るエコー、異な
る大きさのエコーのためと考えられる。測定上のこの不
明瞭さは現在配置されている装置では取扱いできずかつ
レールの破壊の危険またはもし危険を冒すことを望まな
ければレールの早期交換に通じる。

さらに、第４図に見るように、レール頭部の表面は列車
の転輪によって生ずる摩損でその側部に変形を起こす。

ゆえに、偏位された長円形流れを検出することを試みる
ために、レール頭部の縁部Ｂ及びＣＫ当てられる超音波
出射変換器を使用できず、レールとの接触はとの場所で
は適正に実現できず、測定精度は変換器及びレールの形
状によって良好な音響的接触が得られないという事実に
よって不十分となり、かつ従ってレール中の超音波のビ
ームの軌道は正確には知り得ないであろう。

本発明は、変形されていないレール頭部の転輪面の中央
部分Ａ上に設置する単数またけ複数のエミッタ・レシー
ノ署変換器を用いる超音波による偏位された長円形流れ
の測定を可能にすることを目的とする。この方法によっ
てのみ、変換器とレール間の良好な音響的接触を確保で
き、従ってレール中に出射されたビームの移動経路及び
位置を知ることかできる。

鉄道レールの頭部の偏位された亀裂の超音波の使用によ
る検出方法は、特許請求の範囲第１項に記載の特徴によ
って極めて明瞭である。　　　　　　　　　　　ニオ、
工、う５．□オ４．８□、。、　　　ｌ□ のように、本発明の方法を実施する装置を提供すること
を目的とする。

附図は本発明による検出装置の作用原理の概略説明用の
実施例を示す。

この方法は、レール頭部の形状に個有のいくつかのパラ
メータを考慮に入れている。レール頭部はその上方部分
及びその側部に車輪とレールとの良好な適合関係を可能
にするように設計された無理のない曲線をもつ。

さらに、この転輪面は列車の通過によりそれを支持する
何方トンというような荷重の作用を受けで摩損する。

第４図に示すレールは、その右側はレールの摩擦及びそ
れらの外皮の摩擦による摩損を受けている。この状態は
鉄道軌道の成る曲線部においてしばしは起こる。

第４図はまたその左側において転勤面の偏平化を受けて
いる。

これらのすべての状態のために、超音波ビームを伝達す
るためには転輪面の左側及び右側の横側部分Ｂ及びＣを
使用できない原因となる。

第５図から第８図までは、使用した超音波ビームの位置
と方向を示す。

超音波エネルギ鵜２つの別個の変換器から出射される。

１つのビームはレール頭部内に左方から右方へ指向され
、他のビームは転輪面の中央点Ａから右方から左方へ指
向される。

レール頭部の縦方向中心軸線、横座標軸とビームとの間
に形成される角は、はばα１＝２０°である。

レールの垂直中心軸線、縦座標軸とビームとの間に形成
される角は、α２＝７０°のオーダである。

これらの角は、レールの対称面と厳密に平行な平面内で
のビニムの良好な反射と伝播を得るためにレール肩部の
傾犯の関数として、なかんずく定められる。

鋼の中へのビームの発散を考えると、 ８石　　α　　　ｄｉｖ、− ｆ　　　３　　　　ｍｈｚ かつＤ”１０°ｍ α＋デ　　ここに ｄｌｖ、　　＝発散 λ　　＝波長 Ｄ　　＝ビームの直径である。

ビームのこの発散はビームのすべての面に存在し：その
形状は円錐形である。

傾剰した接続面上のこれらの円錐形ビームの反射は、レ
ール頭部の右方及び左方それぞれの全体を照射する大き
いビームをつくる。　　　　　　　　　　　　　１＊：
ｔｒＵＱｌａ［Ｕ、　ｊｉｂ。１ｏ□１．−　　　ニル
の転輪面、頭部及び接続面の横側部分に、受入れたエネ
ルギを直接または間接に反射する。

従って、この検出方法は超音波のエミッタ・レシーノ々
変換器１．２を、レール頭部の縦軸線と平行でかつ転輪
面に対してレール頭部の縦軸線と１０’と２５°の間の
角α１　の接線角をもつ平面上の投影として、かつレー
ルの垂直軸線と６０’と８００の間の角α２でレール縦
軸線と垂直な平面上の投影として、超音波ビームを出射
するように、レール頭部の転輪面の中央部分に配設する
ために位置づけることができる。このようにして、鋼の
中での発散による円錐形態を得たこれらのビームは対応
する接続面３，４によって反射されかつレール頭部の左
方部及び右方部それぞれのすべての体積を照射して、偏
位された長円形流れを検出する。

これら２つのエミッタ・レシーノ々変換Ｗｉ、２は、一
般にレールの転輪面上を滑動する単一の支持部材に取付
けられ、この支持部材はレールの全長に亘って点検する
ために、レールに渚って移動される。中心に位置する長
円形流れ（第１図）を、同時に検出するためにレール頭
部の縦軸線の平面図内に中心超音波ビームを出射する第
３変換器をこの支持部材上に取付けることができる。

これらの超音波が伝達する距離は極めて重要で（３００
箇を往復する）、かつそれはレール頭部の高さによって
定寸る。

これらの変換器によって受は戻されたエネルギは増幅さ
れかつ解析される。

時間Ｔｏ　　（第１２図）において出射されたエネルギ
は、レール頭部の断面の右方及び左方部分それぞれに向
ってレール頭部の鋼内に伝達され、かつ接続面上ではね
返る。もし亀裂が存在すると、成るエネルギが反射して
戻されて逆経路に沿って進行する。この波はこの経路を
３２３０　ｍ　／　ｓの速度で進行する。変換器が移動
しかつこの亀裂が波のはね返りが行われた場所に位置さ
れると、ビームの照射によって、直接または間接反射が
時間Ｔ１′！！たはＦ２　　において、オシログラム上
にあられれる。

電子回路が時間Ｔ１　　及びＦ２　におけるエネルギを
検出する。

第９ａ図は、入射ビームが接続面に到達する前に、この
ビームに直接反射を起こさせる、転輪面と平行ｔｃ′ｓ
ｆ！−面に対して角β１（２０°から３０’）テ傾制し
た偏位された長円形流れの場合を示す。

第９ｂ図は、前記ビームが接続面ではね返された後に該
ビームに間接反射を起こさせる、レールの転輪面と平行
な平面に対１〜で角β２（１１，０’から１３０°）で
傾斜した偏位された長円形流れの場合を示す。

第９ｃ図は、入射ビームが接続面ではね返った後に、該
ビームに直接反射を起こさせる、レールの転輪面と平行
な平面に対して角β３（１５００がら１０°０°）で傾
斜した偏位された長円形流れの場合を示す。ここにおい
て、反射されたビームはその戻り進行中に接続面におい
てもはね返る。

最後に、第９ｄ図は、入射ビームが接続面上ではね返っ
た後に、該ビームに間接反射を起こさせる、レールの転
輪面と平行プｆ乎面図に対して９０’傾馴したレール端
の場合を示す。この反射は転輪面及びレール端によって
形成される高い湯部により発生される。

上記の各場合には、超音波ビームが進行する往復経路は
異なる長さをもつので、１つのエコーを受けてから超音
波・ξルスの出射を隔たる時間の長さを測定することに
よって、亀裂の形式、位置及び傾余１を明らかにできた
。

実際には、第９１Ｌ図及び９ｂ図による形態で得られた
エコーが受けられる間のウィンドウＦ１　　を電子的に
発生し、次に第９ｃ図及び９ｄ図の形態で得られたエコ
ーが受けられる間のウィンｌ？つＦ２（第１２図）を発
生する。これらの時間の長さＦｌ、Ｆ２の外側では、エ
コーは考慮されない。

このようにして、この方法はレール頭部の転輪面に治っ
て案内される超音波変換器によって、レール頭部の両側
に位置することを意味する偏位された長円形流れを検出
するばかりでなく、それらの性質及び後述の説明から明
らかなレール端に関するものとのそれらの流れの相違を
検出する。

第１０図は、既述の検出方法を実施する手動検出装置の
第１実施例を示す。この装置は、陰極線表示器を有する
１つの送・受信チャンネルをもつ標準型超音波装置を含
む。この電子部分５は支持部材８Ｖ、取付けられた２つ
の超音波エミッタ・しシーツ々変換器６，７に信号を送
出する。この支持部材８はレール頭部９の転輪面上に置
くための接触面を含み、それによりこれらの変換器はレ
ールと超音波接触される。支持部材がレールの転輪面上
に置かれた使用位置にあるとき、変換器６，７は、レー
ル９０頭部の縦方向対称面の外側に配置され、かつ前記
中央面の左側陀配設された変換器６によって出射された
超音波ビームがレール９０頭部の右側部分を照射し、か
つ前記中央面の右側に配設された変換器７によって出射
された超音波ビームがレールの頭部の左側部分を照射す
るように配向される。これらの入射ビームは上述のよう
に角α、及びα２　ＶＣ沿ってレール内に指向され、接
続面１１．１２上ではね返り、かつそれらが偏位された
長円形流れの上に当たるとエコーを生ぜしめる。

２つの変換器６，７は、電子部から来る信号によって同
時に受けられて、従って同時にレール内に入射不連続超
音波ビームを出射する。転換器１０が変換器６または７
の分離を可能にする。

支持部材８は、超音波・ぞルスの出射の走査周波数を考
慮してレールの１００チの点検が実施できるように決定
された速度でレールの転勤面に渚って直線的に移動され
る。

もし、時間Ｔｏ　において１つのパルスが出射すれると
、直接または間接的な反射である１つの長円形流れへの
反射による時間Ｔ１′！ｆ、たけＴ２ＶＣおけるエコー
を受ける。１つのエコーを受けると、作業者は支持部材
をそのままに止め、転換器１０によって変換器６または
７を絶縁する。このようにして、もしエコーが変換器６
または７によって出射されたビームの反射によって起こ
されたものかどうかを知ることができ、従ってエコーを
生ぜしめる欠陥がレール頭部のどちら側にあるのかを決
定することが可能である。もしエコーが同時に検出され
かつ同一のエネルギをもってどちらの変換器が使用され
ていれば、作業者はレール端、またはレール頭部のほと
んどすべての表面を包含するような極めて大きい重要性
をもつ１つの長円形流れを検出するということができる
。作業者はし一々端とレール頭部の内部欠陥との間の差
異を極めて容易に目視決定できる。

そのような実施例において、電子装置の設剖は変換器の
設計と同様に、普通のものである。重要なことは、入射
超音波ビームが上述の角α、およびα２に活ってレール
内に出射されるのはレールの転輪面に配設される変換器
６，７の幾何学的使用位置と、かつそれらの入射ビーム
がレールの中心面で交差するか否かかということである
。

別の実施例において、変換器６，７は、受入れられたエ
コーを１回の出射からのエコー間の時間の長さの関数と
して、一方または他方の変換器に寄与し従って欠陥がレ
ールの中心面のいずれの側にあるかを知ることができる
ように、交番的に送られるととが明らかである。

長いレールに亘って組織的に点検することが必要なとき
は、点検される諌道の１つの部分に沿ってそれ自身移動
する測定用鉄道車輛などに取付けられた自動式装置を備
えなければならない。第１１図はそのような自動式検出
装置の概略を示す。

超音波による検出用のこの自動式装置は、上述のように
レールに対して配向された２つのエミッタ・レシーノセ
変換器６，７を収容する鉄道車輛の従動運般車または牽
引車上に取付けられた図示の第１実施例と類似の−・ウ
ジングまたは支持部材８を含む。

変換器６はエミッタ・レシーノ々１３に接続されるが、
変換器７はエミッタ・レシーバ１４に接続される。これ
ら２つのエミッタ・レシーノ々１３゜１４は、チャンネ
ルＡが出射モードにあるときはチャンネルＢは作用状態
にあるように、この逆の場合も含めて、位相転換器１５
によって制御される。ゆえに、この例においては、変換
器６，７は　　　　　　□交番的に機能する。

□ 位相転換器１５はさらに、レコーダによるかまたけビデ
オ陰極線スクリーンによって構成された　　　　　　□
□ ７″″″１“ｏ＊”Ｆ＠ｙｍ°１”０“”６１１　　　
　　　：１０°　Ｋ［ｉ！ｌ′！″６・２０位１転換４
“５Ｈ−！’ｃＥ　　　　　　　１換器１８も制御し、
この転換器１８はエミッタ・　　　　　　Ｉレシーノ々
１３及び１４に接続されかつ２つのチャ　　　　　　！
ンネルＡ及びＢの１つに関するそれぞれの信号を表示装
置に送出するので、これら２つのチャンネルの受信信号
を受ける。この転換器は、表示装置１７に送出される作
動された変換器の受信信号でもあるように、位相転換器
１５によって制御さねる。

最後に、この装置は、所与の変換器に対し直接及び間接
エコーが受信される時間の長さに対応するウィンドウＦ
１．Ｆ２を表示装置１７に表示させる２つの受信時間セ
レクタ１９．２０をさらに含む。第１２図は時間Ｔ０　
における出射さノまたパルスＩ。を示し、これはもし欠
陥が検出されれば、レール内の超音波の伝播モード（第
９ａ、９ｂ。

または９ｃ、９ｄ）によって時間Ｔ１　　およびＴ２そ
れぞれにおけるエコー１１　　及び１□そｔぞれを生ぜ
しめる。エコーを防ぐために、この測定装置はこれらの
エコーが待期されている間、ウィンドウＦ、、Ｆ２　の
外側にあるととは禁ぜられる。

第１３図は、エコー及び成形回路２３によって生じた信
号を受ける増幅器２１を含むセレクタ１９．２０のよう
な概略構成を示す。この増幅器は所与の値より低い増幅
の信−号を除去１−かつ受信されたノクルスを矩形・ぐ
ルスに変形する。これらの矩形ノξルスけＡＮＤ回路２
２に送出さｈ、その別の入力は通過するウィン１２つ（
Ｆｌ、Ｆ２）の位置及び持続時間を決定する信号を受け
る。（−レクタ１９及び２０それぞｔの出力に対応する
このＡＮＤ回路の出力には、時間の長さＦｌ　及びＦ２
　それぞれの間に受信されたエコーに対応するパルスの
みが残る。これらの時間の長さＦｌ、Ｆ２　はレール頭
部の寸法の関数として決定される。

このような検出装置を用い、出射さ涯た・ぐルスの繰返
し周波数及び１つのパルスがほぼ１０°餌の直径をもつ
超音波ビームを、４ｍの・ξルス時間で出射されるよう
にレールに沿った支持部月８の移動速度を選択すること
によって、レールの１００係点検を行なうだめの理想的
な状態を実現する。

種々の要素及び電子機器が使用されることが知られてい
るが、その独想性ｔ」レールの転輪面」二に配設する偏
位された長円形ｂＩｆれを検出する変換器６．７の特定
の位置付けにあることを注目すべきである。

図示されていない本発明の変更態様において、〜・ウジ
ングの支持部材が第３の超音波エミッタ・レジ−ツマ変
換器を含み、そのビームはレールの縦軸線と平行に指向
されて、中心位置の流れを同時に検出するように構成さ
れることが明らかである。

【図面の簡単な説明】

第１図から第３図までは、レールの頭部に生ずる横方向
亀裂の状態を示すレールの横断面図、第４図はレールの
転輪面の側部摩耗変形を示すレールの横断面図、第５図
から第８図までは検出方法、変換器の位置、レールに対
する超音波ビームの進行方向を示す図、第９ａ、９ｂ＋
９ｅ、９ｄ図は超音波ビームの４つの可能な反射場合の
例、第１０図は、本発明による検出方法を実施する装置
の第１実施例、第１１．１２．１３図は、本発明による
検出装置の第２実施例を示す。 図中の符号 １．２・・・変換器、３，４・・・接続面、訃・・電子
部分、６，７・・・変換器、８・・・支持部材、９・・
・レール頭部、１０・・・転換器、１．１　、１２・・
・接続面、１３゜１４・・・エミッタ・レンー・２．１
５・・・位相転換器、１０°・・・時間軸、１７・・表
示装置、１８・・・転換器、１９．２０・・・セレクタ
、２１・・・増幅器、２２・・・ＡＮＤ回路、２３・・
エコー及び成形回路、を示す。 □、　　１１゜ （ほか２名）　　□１゛ ヘ　　　　　　　　　　　　　　　　　＼をｊ′ζ ゛・（ 、＼−

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）鉄道レールのレール頭部内の偏位された欠陥の超音
   波検出装置であつて、超音波ビームがレールの縦軸線と
   平行な平面上でかつレールの縦軸線と１０°と２５°の
   間の範囲内の角α＿１をもつて転輪面に接線をなす投影
   、及びレールの縦軸線と垂直な平面上で６０°と８０°
   の間の範囲内の、レールの対称面と角α＿２をなす投影
   を形成する方向に沿つてレール頭部の転輪面からレール
   に超音波ビームが送入され、次に偏位された長円形流れ
   によつて直接にまたは間接に反射されたエコーまたはビ
   ームを検出することを特徴とするレール頭部の超音波欠
   陥検出方法。 ２）出射されたビームが、レールの傾斜した接続面上で
   反射したのちに該ビームがこのレールの外側面、レール
   の転輪面の一方の側部及び一部分、及びレールの縦軸線
   を通過する垂直面間を含むレールの全面積を照射し、一
   方、出射されたビームがレールの縦方向面の他側の定め
   た位置からレールの転輪面を通つてレール内に透入する
   ことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の方法。 ３）第２の超音波ビームが、レールの縦方向対称面に関
   して第１の超音波ビームと対称的に配置されるに透入さ
   れることを特徴とする特許請求の範囲第１項または第２
   項記載の方法。 ４）２つのビームが同時に出射され、かつ前記超音波の
   一方及び他方のビームの出射を交互に中断して検出され
   た亀裂の位置を決定することを特徴とする特許請求の範
   囲第３項記載の方法。 ５）第１及び第２超短波ビームの１つが交互に出射され
   、かつ検出されたエコーがそれらの受信時間の関数とし
   て、前記ビームの一方または他方に組合わされて亀裂の
   位置を決定することを特徴とする特許請求の範囲第３項
   記載の方法。 ６）エコーの受信が、各亀裂に対して、間接または直接
   受信モードを考慮してエコーが待期される間の時間の長
   さに対応する決定された長さの時間中に実施されること
   のみを考慮されることを特徴とする特許請求の範囲第５
   項記載の方法。 ７）点検されるレールに沿つて超短波ビームの出射点を
   移動することを特徴とする特許請求の範囲上記各項のい
   ずれか一項記載の方法。 ８）変換器の給送装置に連結されかつ反射されたエコー
   を受信かつ表示する少なくとも１つのエミッタ・レシー
   バ変換器を含むレールの頭部内に偏位された長円形流れ
   の超音波検出装置であつて、該変換器がレールの転輪面
   に沿つて案内されかつそれと音響的に接触し、前記変換
   器の位置がレールの縦軸線と平行な平面上にかつ１０°
   と２５°の間の値を含むレールの縦軸線と角α＿１をも
   つて転輪面に接線をなす投影、及び６０°と８０°の間
   の値を含むレールの対称面と角α＿２をもつてレールの
   縦軸線と垂直な平面上に投影を形成する方向に沿つてレ
   ール内に超音波ビームを出射するように定められ、かつ
   次に偏位された長円形流れによつて直接にまたは間接的
   に反射されたエコーまたはビームを検出することを特徴
   とするレールの頭部内に偏位された長円形流れの超音波
   検出装置。 ９）レールの縦方向対称面に対し第１変換器と対称な超
   音波ビームを出射する第２変換器を含むことを特徴とす
   る特許請求の範囲第８項記載の装置。 １０）変換器がレールの縦方向対称面に対して横方向に
   移動されることを特徴とする特許請求の範囲第８項また
   は第９項記載の装置。 １１）レールに沿つて連続的に移動するために変換器が
   鉄道車輛上に取付けられることを特徴とする特許請求の
   範囲第８項から第１０項までのいずれか一項記載の装置
   。