RU2060493C1

RU2060493C1 - Способ ультразвукового контроля головки рельса

Info

Publication number: RU2060493C1
Application number: RU93010897A
Authority: RU
Inventors: А.А. Марков; А.К. Гурвич; С.Л. Молотков; С.С. Миронов
Original assignee: Марков Анатолий Аркадьевич
Priority date: 1993-03-01
Filing date: 1993-03-01
Publication date: 1996-05-20

Abstract

Сущность изобретения: способ ультразвукового контроля головки рельса относится к неразрушающему контролю материалов и может быть применен, в частности, при дефектоскопии железнодорожных рельсов. Цель изобретения - повышение чувствительности и достоверности выявления деффектов в боковой части головки рельсов при одновременном повышении помехозащищенности ультразвукового метода контроля - достигается путем установки двух наклонных электроакустических преобразователей на поверхность катания головки вдоль ее продольной оси, выбора расстояния между ними, углов ввода ультразвуковых лучей и углов разворота преобразователей в сторону боковой части головки рельса из условия пересечения акустических осей преобразователей в зоне наиболее вероятного образования дефектов в боковой части головки рельса, включение одного (или обоих) преобразователя по совмещенной схеме (в режиме излучения и приема), излучения и приема поперечных ультразвуковых колебаний и принятия решения о наличии и о степени развития дефектов по результатам совместного анализа эхо - и зеркально отраженных от дефекта сигналов. 4 ил.

Description

Изобретение относится к ультразвуковому контролю материалов и может быть использовано при ультразвуковой (у.з.) дефектоскопии железнодорожных рельсов.

Вследствие особенностей динамического воздействия колес подвижных составов на железнодорожные рельсы боковая часть головки рельса со стороны рабочей грани (с внутренней стороны железнодорожной колеи) испытывает максимальные нагрузки. В связи с этим именно в этой боковой части головки рельса чаще всего возникает большое количество разнообразных продольных и поперечных трещин (дефекты вида 20.1-2, 11.-2, 21.1-2, 26.3, 308.1-2, 30Г.1-2 по Руководящим техническим материалам "Классификация дефектов и повреждений рельсов" РТМ 32/ЦП-1-75, М. Транспорт, 1977, с.63). Согласно статистическим данным, около 50% одиночной замены рельсов производится из-за поперечных контактно-усталостных дефектов в головке 11.1-2 и 21.1-2. При этом почти 27% замен приходится на наиболее опасный дефект 21.1-2, который представляет собой внутреннюю поперечную усталостную трещину в боковой части головки рельса со стороны рабочей грани, приводящую в конечном итоге 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 рекомендует восемь способов прозвучивания головки рельсов, базирующихся на названных методиках у.к. контроля (см. ГОСТ 18576-85. Контроль неразрушающий. / Рельсы железнодорожные. Методы ультразвуковые. М. Изд-во стандартов, 1985). 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 качестве рельсов с помощью съемных дефектоскопных тележек для вагонов-дефектоскопов. 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 пьезопреобразователя с углом призмы β≈45^о, перемещаемого по поверхности катания головки вдоль продольной оси рельса и ориентированного под углом γ≈32-35^о к рабочей грани. Причем внутренние поперечные трещины в головке обнаруживаются у. з. лучом, переотраженным от нижней поверхности головки (от подголовочной грани) [1]
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 [1] 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 весьма низкая, и даже возможен их пропуск.

Таким образом, задача поиска эффективных способов у.з. контроля головки рельса с целью более надежного выявления поперечных трещин весьма актуальна. В предлагаемом изобретении эта задача решается путем совершенствования схемы прозвучивания боковой части головки рельса с помощью дополнительных приемников у.з. колебаний и обеспечения прицельного озвучивания зоны образования характерных дефектов. В известном способе [2] наклонные преобразователи ориентированы вдоль продольной оси рельса, причем один из них является излучающим, другой приемным. У.з. колебания, генерируемые излучающим преобразователем, зеркально отражаясь от поверхности дефекта, претерпевают переотражение от внутренней поверхности подошвы рельса и принимаются приемным преобразователем. Взаимно смещая преобразователи вдоль продольной оси рельса по поверхности катания, контролируют зону сварного соединения в прямоугольном сечении, ограниченном шейкой, подошвой и поверхностью катания рельса.

Недостатком известного способа является низкая чувствительность контроля и невозможность обнаружения поперечных трещин, залегающих в боковой части головки рельса. Низкая чувствительность и помехоустойчивость обусловлены тем, что путь у.з. колебаний от излучателя к дефекту, а затем к приемнику определяется высотой рельса и углом ввода у.з. колебаний. В реальных ситуациях (например, при контроле рельсов типа Р65 и угле α= 58^о) путь ультразвука в металле составляет более 700 мм. При этом, естественно, у.з. колебания претерпевают значительное затухание в металле и эхо-сигналы от дефектов могут быть ниже уровня шумов. Кроме того, в связи с тем, что способ основан на использовании переотраженных от внутренней поверхности подошвы рельса у.з. колебаний, принципиально не могут быть выявлены дефекты в боковых частях головки рельса, не выходящие в проекцию шейки.

Недостатком известного способа, принятого за прототип, является также возможный пропуск дефектов, имеющих диффузинно-отражающую поверхность, т.к. способом реализуется только зеркальный метод (тандем-метод) и не предусмотрена реализация эхо-метода контроля.

Таким образом, известный способ ультразвукового контроля головки рельса, принятый за прототип, обладает низкой чувствительностью и достоверностью контроля и не позволяет обнаруживать весьма распространенные и опасные дефекты в боковой части головки рельса.

Цель изобретения повышение чувствительности и достоверности контроля, надежное выявление различных дефектов в боковой части головки рельса при одновременном повышении помехозащищенности способа контроля.

Цель достигается тем, что на поверхность катания головки рельса вдоль продольной оси рельса устанавливают два наклонных электроакустических преобразователя, излучают одним из преобразователей поперечные ультразвуковые колебаний, принимают вторым преобразователем зеркально отраженные от поверхности дефекта и переотраженные от внутренней поверхности рельса ультразвуковые колебания и по параметрам принятых эхо-сигналов судят о наличии дефекта, причем преобразователи дополнительно разворачивают относительно продольной оси рельса в сторону боковой части головки, углы разворота и расстояние между преобразователями выбирают из условия пересечения акустических осей преобразователей в зоне наиболее вероятного образования дефектов в боковой части головки рельса, а в качестве внутренней поверхности рельса, от которой происходит переотражение, у.з. лучей, используют внутреннюю поверхность боковой головки, один из преобразователей (или оба) включают по совмещенной схеме ( в режиме излучения и приема у.з. колебаний) и о наличии дефекта судят по совместному анализу параметров эхо-сигналов, принятых обоими преобразователями.

На фиг.1, 2 представлена схема прозвучивания боковой части головки рельса с помощью двух наклонных преобразователей; на фиг.3, 4 временные положения эхо-сигналов при выявлении поперечной трещины в головке рельса с помощью предлагаемого способа: на фиг.3 в одном такте излучения-приема у.з. колебаний; на фиг. 4 в нескольких тактах в процессе перемещения системы из двух преобразователей над дефектным участком.

Способ ультразвукового контроля головки рельса реализуется следующим образом.

На поверхность катания 1 головки рельса вдоль ее продольной оси 3 устанавливают наклонные электроакустические преобразователи 4 и 5 с углами α ввода у. з. колебаний (фиг.1, 2). С помощью одного из преобразователей (на фиг.1, 2 преобразователем 4) излучают в головку рельса поперечное у.з. колебания. Вторым преобразователем (на фиг.1, 2 преобразователем 5) принимают переотраженные от внутренней поверхности 6 головки рельса и зеркально отраженные от поперечной трещины 7 в боковой части головки рельса у.з. колебания. Причем прием этих колебаний становится возможным благодаря соответствующему выбору параметров системы из двух преобразователей: расстояние L между ними; углов α ввода и приема у.з. колебаний; углов γ разворота излучающего и приемного преобразователей 4 и 5 в сторону боковой грани головки рельса таким образом, чтобы их акустические оси 8 и 9 пересекались в зоне наиболее вероятного образования трещин 7. Поиск дефектов в боковой части головки рельса осуществляют путем перемещения системы преобразователей 4 и 5, установленных в корпусе (в лыже) 10, вдоль продольной оси 3 рельса. О наличии искомого дефекта судят по появлению эхо-сигнала 11 на приемном преобразователе 5 (фиг. 3, 4). С целью расширения возможностей предлагаемого способа одинили оба преобразователя включают в дефектоскоп (на чертеже не показан) по совмещенной схеме, а преобразователь 5 работает только в режиме приема. В отдельных случаях, когда на поверхности дефекта 7 имеются диффузно отражающие участки, возможен прием эхо-сигналов 12 от дефекта и излучающим преобразователем 4, работающим в совмещенном режиме (фиг.3, 4). При этом достоверность обнаружения трещин в головке рельса повышается за счет совместного анализа параметров (амплитуд, временных положений) эхо-сигналов, принятых преобразователями 4 и 5. Например, при указанном включении преобразователей временной интервал t_з.м. между зондирующим импульсом 13 и зеркально отраженным от дефекта импульсом 11 (импульс зеркального метода) будет всегда меньше, чем аналогичный интервал t_эхо между зондирующим импульсом 13 и эхо-сигналом 12, принятым преобразователем 14 (фиг.3). Отслеживание изменения параметров эхо- и зеркально отраженных от дефекта сигналов в процессе перемещения преобразователей над дефектным участком рельса, т.е. совместный анализ пачек эхо-импульсов, принятых преобразователями 4 и 5 от дефекта (см. фиг. 4), позволяет более достоверно выделять сигналы от дефектов на фоне возможных помех (электрических, акустических), например при скоростном контроле рельсов вагоном-дефектоскопом.

Выбор параметром системы преобразователей 4 и 5 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. В результате графоаналитического расчет и экспериментальных исследований с учетом удобства реализации предлагаемого способа контроля в схемах прозвучивания съемных ультразвуковых дефектоскопов (типа "Рельс-5"), "Поиск-2", "Поиск-10Э") с помощью типовых преобразователей (частота у.з. колебаний 2,5 МГц, угол раскрытия у.з. луча в металле рельса 8-12^о) авторами получены следующие параметры системы: расстояние L между преобразователями L 50 мм; углы ввода у. з. колебаний α 58^о (угол призмы преобразователей β= 45^о); углы разворота преобразователей относительно продольной оси рельса γ≈32-34^о.

Как показывают результаты испытаний способа контроля головки рельса в реальных условиях (см. прилагаемые акты испытаний), при данных параметрах преобразовательной системы осуществляется надежное обнаружение трещин в головке рельсов, причем и таких, которые типовыми схемами прозвучивания не выявлялись. При этом чувствительность способа по сравнению с прототипом благодаря существенно меньшему пути распространения у.з. колебаний в металле рельса и меньшему их затуханию на пути от излучателя к дефекту, а затем приемнику значительно (4-6 раз) выше.

При полученных параметрах системы предлагаемая схема прозвучивания представляет собой по существу типовую схему (типа "змейка") предусмотренную ГОСТ 18576-85 (на фиг.1, 2 эту схему реализует преобразователь 4), дополненную вторым приемным преобразователем (на фиг.1, 2 преобразователем 5). Причем такое дополнение дает существенный выигрыш при контроле качества головки рельса: надежно обнаруживаются поперечные трещины с зеркальной поверхностью, ранее не обнаруживаемые типовой схемой; повышается помехоустойчивость контроля, так как преобразователем 5 принимаются только сигналы от отражателей, залегающих в общей зоне, формируемой диаграммами направленности преобразователей 4 и 5. Это обстоятельство позволяет избавиться от мешающих отражений поверхностных микротрещин, неопасных с точки зрения безопасности движения поездов, и в то же время обеспечивает прицельное озвучивание зоны наиболее вероятного образования поперечных трещин (см. прилагаемые выписки из актов).

При получении указанных параметров системы из двух преобразователей задавались углами ввода у.з. колебаний, типичными для систем дефектоскопии железнодорожного транспорта. Естественно, 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 в зоне наиболее вероятного преобразования дефектов в боковой части головки рельса. При этом такие параметры систем как углы γ разворота плоскости падения у.з. волны преобразователей относительно продольной оси рельса в сторону боковой части головки, расстояние L между преобразователями будут отличаться от выше приведенных значений. В общем случае углы α и γ преобразователя 4 могут отличаться от аналогичных параметров преобразователя 5.

При реализации способа возможны три варианта подключения электроакустических преобразователей 4 и 5 к ультразвуковому дефектоскопу: один из преобразователей работает в режиме излучения, другой в режиме приема; один в совмещенном режиме (режиме излучения и приема), другой в режиме приема; оба преобразователя работают в совмещенном режиме.

В зависимости от схем их подключения несколько меняется и объем совместного анализа параметров эхо-сигналов, принятых обоими преобразователями. Рассмотрим операции по совместному анализу параметров эхо- и зеркально отраженных сигналов, принимаемых обоими преобразователями, на примере реализации второго варианта подключения преобразователя.

Основными измеряемыми параметрами сигналов, принимаемых при озвучивании дефектов предлагаемым способом, являются значения амплитуд и временных положений эхо- и зеркальноотраженных сигналов. При этом временные положения максимумов этих сигналов могут быть получены путем графо-аналитического расчета и для указанного на фиг.1, 2 варианта составляют:
время t_з.м. между зондирующим импульсом и зеркально отраженным от дефекта сигналом
t_з.м=

время t_эхо между зондирующим импульсом и эхо-сигналом от дефекта
t_эхо=

где Н средняя высота головки рельса;
h глубина залегания центра дефекта;
C_t скорость распространения у.з. колебаний в материале рельса;
α угол ввода у.з. колебаний, причем принято, что для преобразователей 4 и 5 углы α одинаковые.

Из приведенных выражений, а также из фиг.1, 2 следует, что временной интервал t_зм при указанном варианте включения преобразователей всегда меньше, чем время t_эхо, т.е. t_з.м. < t_эхо. При априорно известных параметрах Н, α С_t, а также усредненной глубины h залегания (зарождения) усталостных трещин в головке рельсов, полученной из статистики, можно предварительно рассчитать возможные параметры t_з.м. и t_эхо и предусмотреть выделение ожидаемых сигналов от дефектов путем их временного стробирования. При этом, учитывая углы раскрытия диаграмм направленностей у.з. преобразователей, а также возможное отклонение ориентации дефекта относительно нормали к поверхности катания головки рельса, длительности стробирующих импульсов необходимо выбрать с определенным запасом. Для конкретных значений контроля рельсов типа Р-65 (α 58^о, С_t3260 м/с, Н 42 мм, h≈15 мм) расчетные значения t_з.м. 48,6 мкс, t_эхо 79,9 мкс, длительности стробирующих импульсов для каждого сигнала выбраны равными по 26 мкс с положениями их центров, соответственно равными t_з.м. и t_эхо.

Кроме анализа временных положений принимаемых сигналов в одном периоде излучения приема (фиг.3), возможен и целесообразен совместный анализ пачек эхо- и зеркально-отраженных сигналов, получаемых в процессе перемещения системы из двух преобразователей над дефектным участком головки рельса (в пределах зоны локации дефекта) (см. фиг.4). 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 преобразователе 4) от поперечной толщины в головке рельсов преимущественно появляется при озвучивании краев дефекта (диффузное отражение у.з. колебаний), зеркальный сигнал (на преобразователе 5) при озвучивании плоской поверхности трещины. При этом, как правило, амплитуда V_з.м. зеркально отраженных сигналов заметно превышает амплитуду V_эхо эхо-сигналов. Указанное справедливо для сильно развитых трещин в головке рельсов, имеющих размеры, превышающие размер сечения у.з. луча (точнее общей зоны пересечения диаграмм направленностей обоих преобразователей) и зеркально-отражающую поверхность. Для трещин на начальной стадии развития соотношение амплитуд сигналов обратное V_эхо≥V_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.

В практике контроля весьма часто обнаруживаются поперечные трещины в головке рельсов, плоскости которых имеют отклонения от нормали к поверхности катания (по данным ВНИИЖТа до 10-15^о). Предлагаемый способ обеспечивает уверенное выявление и этих дефектов благодаря участию в озвучивании поверхности трещин боковых лучей в пределах диаграмм направленностей преобразователей.

Предлагаемый способ у.з. 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. 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.

Оценка работоспособности и эффективности предлагаемого способа в реальных условиях контроля осуществлена авторами на участках пути Горьковской ж. д. с так называемым "шумящими" рельсами. Из-за нарушения технологии закалки поверхность катания головки рельсов на этих участках покрыта сеткой микротрещин, отражения от которых мешают, а иногда делают невозможным у.з. контроль этих рельсов типовыми средствами дефектоскопии.

Способ у.з. контроля головки рельсов реализован с помощью двух наклонных преобразователей (с углами α= 58^о), смонтированных в типовую лыжу съемного дефектоскопа "Поиск 13" на расстоянии L 50 мм друг от друга. При этом преобразователи развернуты плоскостью падения у.з. волны в сторону рабочей грани головки рельса на угол γ= 34^о. В электронном блоке дефектоскопа смонтирована дополнительная плата селекции зеркально отраженных сигналов и коммутирующие элементы, позволяющие реализовать все три предложенных выше варианта подключения преобразователей (после указанной модернизации к обозначению дефектоскопа добавлен индекс 2Н (два наклонных преобразователя) "Поиск-10Э-2Н").

Claims

Способ ультразвукового контроля головки рельса, заключающийся в том, что на поверхность катания головки рельса вдоль его продольной оси устанавливают два наклонных электроакустических преобразователя, излучают поперечные ультразвуковые колебания и принимают ультразвуковые колебания, по параметрам которых судят о наличии дефекта, отличающийся тем, что акустические оси электроакустических преобразователей направляют под одинаковым острым углом к боковой грани головки рельса, и они выбраны наряду с углами ввода ультразвука и расстояния между электроакустическими преобразователями из условия приема сигнала от дефекта в виде поперечной трещины в боковой грани головки рельса, а о наличии и степени развития дефектов судят по совместному анализу параметров эхо- и зеркально отраженных сигналов, принимаемых электроакустическими преобразователями.