RU2184960C1 - Process of ultrasonic inspection of rail head - Google Patents
Process of ultrasonic inspection of rail head Download PDFInfo
- Publication number
- RU2184960C1 RU2184960C1 RU2001124269A RU2001124269A RU2184960C1 RU 2184960 C1 RU2184960 C1 RU 2184960C1 RU 2001124269 A RU2001124269 A RU 2001124269A RU 2001124269 A RU2001124269 A RU 2001124269A RU 2184960 C1 RU2184960 C1 RU 2184960C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- rail
- rail head
- ultrasonic
- longitudinal axis
- transducers
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Description
Заявляемое изобретение относится к неразрушающему контролю материалов и может быть использовано при ультразвуковой (у.з.) дефектоскопии железнодорожных рельсов и других длинномерных изделий. The claimed invention relates to non-destructive testing of materials and can be used for ultrasonic (ultrasonic) testing of railroad rails and other long products.
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 части головки рельса, приводящие к хрупкому разрушению рельса под поездом. Due to the dynamic effects of the wheels of the rolling stock on railway rails, the rail head experiences maximum loads. In this regard, it is in this part of the rail most often a large number of various longitudinal and transverse cracks arise (defects of the type 20.1-2, 11.1-2, 21.1-2, 24, 26.3, 27, 30V.1-2, 30G.1- 2 and 38 according to [1]). According to statistics from the Department of Railways and Structures of the Ministry of Railways of Russia, in 2000 more than 63% of a single rail replacement was made due to the indicated defects in the rail head. At the same time, about 50% of replacements are accounted for by the most dangerous defects 20.1-2, 21.1-2, 24 and 26.3, which are internal transverse cracks (factory origin, fatigue and welding defects) in the central and lateral parts of the rail head, leading to brittle the destruction of the rail under the train.
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°, перемещаемого по поверхности катания головки вдоль продольной оси рельса и ориентированного под углом γ ≈ 32-35° 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].For the timely detection of these defects, it is possible to use echo-, mirror-shadow and shadow methods of ultrasonic testing. For example, GOST 18576-85 [2] recommends eight ways of sounding the rail head, based on the above mentioned ultrasonic methods. control. However, only four of them allow you to enter ultrasound. vibrations through the rolling surface of the rail head, where the conditions of acoustic contact are optimal and can be used for continuous quality control of rails using removable flaw detectors, flaw detectors and flaw detectors. Only one of these four methods implements the echo method, the most sensitive to transverse cracks in the rail head. In this regard, in all commercially available flaw detectors for rail monitoring, this particular method of head monitoring is implemented using an inclined transducer with an input angle у. h. oscillations in the metal of the rail α = 58 ° , moved along the head roll surface along the longitudinal axis of the rail and oriented at an angle γ ≈ 32-35 ° to the working (from the inside of the railway track) face. Moreover, internal transverse cracks in the head are detected by ultrasonic testing. a beam reflected from the lower surface of the head (from the headrest face) [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 32-35o в сторону нерабочей грани головки рельса и производят дополнительный контроль по всей длине рельса.As research and many years of experience in operating rail have shown. h. flaw detectors, when detecting defects in the side of the rail with the indicated sounding scheme, there is no definite relationship between the amplitude of the echo signal from the defect and its dimensions: in some cases, the amplitude of the echo signal from the transverse crack at an early stage of development is much higher than the amplitude of the echo signal from the more developed defect [3, 4]. This is explained by the fact that a strongly developed defect, in comparison with a defect at an early stage of development, has a surface that is practically mirror-like for an ultrasound. the waves. With an inclined fall y. h. beam on the surface of such a defect, the reflection of elastic waves in the opposite direction practically does not occur. As a result, during continuous monitoring of rails, the reliability of detecting highly developed transverse cracks with a mirror surface in the side of the rail head is very low and even skipping is possible. In addition, this sounding scheme allows to detect defects only in one of the faces of the rail head. To control another face (non-working) periodically (at least once in three months) the converter is deployed at an angle of 32-35 o in the direction of the idle edge of the rail head and produce additional control along the entire length of the rail.
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 70o, ориентированные вдоль продольной оси рельса [5, 6]. В последнее время преобразователи с углом ввода 70o внедряются на отечественных дефектоскопных тележках типа РДМ-2 и АДС-02 и в автомотрисах дефектоскопных АМД-1, АМД-3, АДЭ-1 и АСД-1 и для обнаружения поперечных трещин в головке над проекцией шейки рельса.In foreign systems of continuous monitoring of rails (in combined-travel flaw detectors and ultrasonic flaw detectors), piezoelectric transducers with a beam entry angle of 70 ° oriented along the longitudinal axis of the rail are used to detect cracks in the rail head [5, 6]. Recently, transducers with an input angle of 70 o have been introduced on domestic flaw detection trolleys of the RDM-2 and ADS-02 type and in the car trajectories of flaw detector AMD-1, AMD-3, ADE-1 and ASD-1 and for detecting transverse cracks in the head above the projection rail necks.
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 70o 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.However, this scheme does not allow revealing transverse cracks with a mirror surface that occur in the lateral part (usually in the working face) of the rail head. In addition, as shown by studies performed at Radioavionika OJSC (St. Petersburg), transducers with an input angle of ultrasound fluctuations of 70 o do not allow to detect very dangerous transverse cracks of small sizes (8-15 mm), developing under surface horizontal delaminations in the central part of the rail head. Such defects, rapidly developing under the influence of rolling stock wheels, have already led to the descent of freight trains on the Northern and Trans-Baikal railways.
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. Thus, the task of developing effective ultrasound methods monitoring the rail head in order to more reliably identify transverse cracks in the central and lateral parts is very relevant.
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. In order to reliably identify various defects in the lateral part of the rail head while increasing the noise immunity of the control, a method was proposed in the patent [7]. h. control, involving the use of two inclined transducers placed at a certain distance from each other on the surface of the rail. However, the known method allows to detect defects only in one of the lateral parts of the rail head, mainly cracks oriented normally (perpendicularly) to the rolling surfaces and having a mirror reflection plane [8, 9], and, as a result, has a low reliability and control performance.
В известном способе по патенту США 6055862 [10] предусмотрены 10 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. Указанный патент по существу является обобщающим для многих технических решений, защищенных ранее патентами США и других стран (см., например, патент США 4700754 [11]). In the known method according to US patent 6055862 [10] provides 10 US converters for thorough scoring of the rail head. However, none of these transducers allows you to sound transverse cracks in the Central part of the rail head, developing directly from the rolling surface or from subsurface horizontal cracks and delamination of the metal of the rail surface. This patent is essentially a generalization for many technical solutions previously protected by patents of the United States and other countries (see, for example, US patent 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. Of the known methods closest to the proposed one is the "Method and device for ultrasonic detection of defects in the rail head" (US patent 4700754, G 01 N 29/04 from 10.20.1987, [11]), which is selected as a prototype.
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° к поверхности катания в стороны боковых граней головки рельса под углами γ = 10-25° относительно продольной оси рельса. При наличии в головке рельса "смещенных овальных поперечных трещин" указанными преобразователями осуществляют прием эхо-сигналов и по их временному положению оценивают местоположение (в левой или в правой боковой части головки) и примерную ориентацию трещины.The known method is implemented using two inclined ultrasonic transducers mounted symmetrically with respect to the longitudinal axis on the rolling surface of the rail head and moved at a constant speed along the rail. A pair of converters provides alternating pulsed radiation. oscillations at an angle α = 60-80 ° to the rolling surface in the direction of the side faces of the rail head at angles γ = 10-25 ° relative to the longitudinal axis of the rail. If there are “shifted oval transverse cracks” in the rail head, the indicated transducers receive echo signals and estimate the location (in the left or right side of the head) and the approximate crack orientation using their temporary position.
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. The disadvantages of the known method adopted for the prototype are the low reliability and reliability of the control, due to the fact that it does not allow to detect transverse cracks occurring under the rolling surface in the central part (on the longitudinal axis of the rail head). This is due to the fact that formed by converters rays after re-reflection from the lower surface (lower "shelf") of the rail head continue to propagate along the lateral parts of the head almost parallel to the longitudinal axis (along the rail) without suppressing the axis of symmetry of the rail (see, for example, FIG. 7 of patent 4700574 [11] and FIG. 1B, items 51.52 and 61.62 of patent 6055862 [10]). Naturally, there are no echo signals from transverse cracks under the rolling surface on the longitudinal axis of the rail. At the same time, these cracks are very dangerous, rapidly developing under the dynamic influence of the wheels of passing trains and, as indicated above, have already led to the collapse of freight trains on the Northern (1998) and Trans-Baikal (1999) railways.
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 указанных в прототипе [11] размерах 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. In addition to this drawback, the method adopted for the prototype requires the placement of a pair of inclined transducers on opposite sides of the "middle plane of symmetry of the rail", which leads to significant dimensions of the system of two converters in the transverse rail direction. For example, when piezoelectric plates with diameters of 18 mm are used in the dimensions indicated in the prototype [11] and each of them is offset 10 mm from the longitudinal axis, the transverse dimension of the two transducers is at least 56 mm. With a total rail head width of 70-80 mm (depending on type) and the presence of a corresponding convexity (fillet) of the rolling surface of the rail head, lapping of the working surface of the system of two transducers is required to ensure reliable acoustic contact. However, rails of various degrees of wear can be stacked on one rail track, which means a slightly different configuration of the rolling surface. As a result, both non-ground and ground wide transducers cannot provide reliable acoustic contact over the entire length of the controlled path. As a result, the method adopted for the prototype has low reliability.
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. The analysis of echoes from the desired defects in the method adopted for the prototype is carried out in two time zones corresponding to scoring the plane of the defect straight (m = 0). beam (from the converter to the lower plane of the rail head) and a once-reflected (m = 1) beam (when the beam propagates from the lower plane to the rolling surface) [11, 12]. Due to the features of the selected sounding scheme in the known method, echo signals from defects lying under the tread surface on the longitudinal axis of the rail are not analyzed, which leads to the omission of defects of a certain configuration and an additional decrease in the reliability and reliability of the control.
Технической задачей, решаемой заявляемым изобретением, является повышение надежности, достоверности и производительности ультразвукового контроля головки рельсов за счет эффективного обнаружения поперечных трещин в центральной части головки рельса, в том числе залегающих под отслоениями металла и горизонтальными трещинами на небольшой (по НТД - до 8 мм [1]) глубине от поверхности катания, при одновременном выявлении дефектов в боковых частях головки рельса. Повышение надежности и достоверности контроля достигается также за счет более полного совместного анализа сигналов, принимаемых парой преобразователей от дефектов. The technical problem solved by the claimed invention is to increase the reliability, reliability and productivity of ultrasonic monitoring of the rail head due to the effective detection of transverse cracks in the Central part of the rail head, including those lying under the metal detachments and horizontal cracks on a small (according to the technical documentation - up to 8 mm [ 1]) depth from the rolling surface, while detecting defects in the lateral parts of the rail head. Improving the reliability and reliability of control is also achieved through a more complete joint analysis of the signals received by a pair of transducers from defects.
Поставленная задача решается тем, что на поверхность катания головки рельса на продольную ось рельса устанавливают систему из двух наклонных электроакустических преобразователей, развернутых под одинаковыми острыми углами относительно продольной оси рельса к противоположным боковым граням головки рельса. Углы ввода ультразвуковых колебаний в металл рельса и углы разворота преобразователей относительно продольной оси рельса выбирают таким образом, чтобы оси ультразвуковых лучей, падая под наклонным углом к зонам радиусного перехода боковой и нижней граней головки рельса, переотразившись от них пересекались на продольной оси поверхности катания головки рельса. При этом проекция траектории лучей внутри металла на поверхность катания образует геометрическую фигуру ромб. По мере перемещения пары преобразователей вдоль продольной оси рельса излучают ультразвуковые колебания и принимают отраженные от возможных дефектов в головке рельсов эхо-сигналы. По временному положению эхо-сигналов относительно зондирующих (излученных) колебаний и по их амплитудам судят о наличии дефекта и его ориентации внутри головки рельса. Причем при анализе сигналов принимают во внимание все сигналы, поступившие на преобразователи. The problem is solved in that a system of two inclined electro-acoustic transducers deployed at the same sharp angles relative to the longitudinal axis of the rail to opposite side faces of the rail head is installed on the rolling surface of the rail head on the longitudinal axis of the rail. The angles for introducing ultrasonic vibrations into the metal of the rail and the turning angles of the transducers relative to the longitudinal axis of the rail are chosen so that the axes of the ultrasonic rays falling at an oblique angle to the radius transition zones of the side and lower faces of the rail head, reflecting from them intersect on the longitudinal axis of the rolling surface of the rail head . In this case, the projection of the trajectory of the rays inside the metal onto the skating surface forms a geometric shape of a rhombus. As the pair of transducers moves along the longitudinal axis of the rail, they emit ultrasonic vibrations and receive echoes reflected from possible defects in the rail head. The temporary position of the echo signals relative to the probing (radiated) oscillations and their amplitudes are used to judge the presence of a defect and its orientation inside the rail head. Moreover, when analyzing the signals, all signals received by the converters are taken into account.
Для упрощения анализа эхо-сигналов, последующей автоматизации процесса расшифровки сигналов и процедуры контроля осуществляют временную селекцию эхо-сигналов в трех временных зонах, две из которых предназначены для селекции сигналов от трещин в боковых частях головки рельса, а третья, дополнительная, - для селекции сигналов от поперечных трещин в центральной части головки под поверхностью катания. Причем сигналы от этих дефектов образуются за счет переотражения у.з. колебаний от уголкового отражателя, сформированного плоскостью трещины и поверхностью катания (или плоскостью подповерхностной горизонтальной трещины). При обнаружении этих дефектов, в отличие от выявления трещин в боковых частях головки, у.з. колебания излучаются одним преобразователем и принимаются другим по траектории луча внутри головки рельса, проекция которой на поверхность катания образует геометрическую фигуру ромб. Все мешающие сигналы, в частности от неровностей нижних углов (зон радиусного перехода), не попадают в зоны временной селекции и не участвуют в дальнейшем анализе. To simplify the analysis of echo signals, the subsequent automation of the signal decryption process and control procedures, temporary echo signals are selected in three time zones, two of which are used to select signals from cracks in the lateral parts of the rail head, and the third, additional, for signal selection from transverse cracks in the central part of the head under the rolling surface. Moreover, signals from these defects are formed due to ultrasound reflection. oscillations from an angular reflector formed by a plane of a crack and a rolling surface (or a plane of a subsurface horizontal crack). When these defects are detected, in contrast to the detection of cracks in the lateral parts of the head, the vibrations are emitted by one transducer and taken by another along the ray path inside the rail head, the projection of which onto the skating surface forms a geometric figure of a rhombus. All interfering signals, in particular from irregularities of the lower corners (zones of the radius transition), do not fall into the zones of temporary selection and do not participate in further analysis.
Существенными отличиями предлагаемого способа от ранее известных являются:
1. Возможность обнаружения поперечных трещин в центральной части головки рельса, развивающихся как непосредственно от поверхности катания, так и от подповерхностных горизонтальных трещин и отслоений металла поверхности катания. Ранее известные способы позволяли обнаруживать поперечные трещины только в боковых частях головки рельса. Данный положительный эффект достигается за счет выбора соответствующей конфигурации системы из двух электроакустических преобразователей с определенными углами ввода у.з. колебаний и разворота их относительно продольной оси рельса.Significant differences of the proposed method from previously known are:
1. The ability to detect transverse cracks in the Central part of the rail head, developing both directly from the rolling surface, and from subsurface horizontal cracks and delaminations of the metal of the rolling surface. Previously known methods allowed to detect transverse cracks only in the lateral parts of the rail head. This positive effect is achieved by selecting the appropriate system configuration from two electro-acoustic transducers with certain input angles. oscillations and their rotation relative to the longitudinal axis of the rail.
2. Автоматическая дифференциация обнаруженных дефектов, залегающих в боковых и центральной части головки рельса, за счет временной селекции эхо-сигналов в трех временных зонах. Причем в третьей, в дополнительной, зоне, в отличие от первых двух зон, анализируют сигналы, излученные одним и принятые, после отражения от искомого дефекта, другим преобразователем. 2. Automatic differentiation of detected defects occurring in the lateral and central parts of the rail head due to the temporary selection of echo signals in three time zones. Moreover, in the third, in the additional, zone, in contrast to the first two zones, the signals emitted by one and received, after reflection from the desired defect, by the other converter are analyzed.
3. Повышение производительности контроля за счет одновременного излучения и приема у.з. колебаний обоими преобразователями системы и одновременного совместного анализа принятых сигналов двух каналов. При этом, в отличие от прототипа, нет необходимости тратить время контроля на последовательное отключение (переключение) первого или второго преобразователя и выяснения, в какой боковой части головки рельса обнаружен дефект. 3. Improving control performance due to simultaneous radiation and ultrasonic reception oscillations by both system converters and simultaneous joint analysis of the received signals of two channels. At the same time, unlike the prototype, there is no need to spend control time sequentially disconnecting (switching) the first or second converter and ascertaining in which side of the rail head a defect is detected.
Исходя из вышеизложенного можно утверждать, что данное изобретение обладает новизной и новыми, не очевидными для специалистов в данной области свойствами, а значит, отвечает критерию изобретательского уровня. Based on the foregoing, it can be argued that this invention has novelty and new properties that are not obvious to specialists in this field, and therefore meets the criteria of an inventive step.
На фиг. 1 показаны варианты реализации для трех случаев обнаружения поперечной трещины в головке рельса:
А - в центральной части;
В - в боковой (на фиг.1 - в правой) части при озвучивании поперечной трещины прямым (m=0) у.з. лучом;
С - в боковой (на фиг.1 - в правой) части при озвучивании трещины однократно отраженным (m=1) у.з. лучом. Возможные варианты озвучивания поперечных трещин в левой боковой части головки рельса являются аналогичными вариантам В и С и на фиг.1 не показаны.In FIG. 1 shows embodiments for three cases of detection of a transverse crack in a rail head:
A - in the central part;
B - in the lateral (in figure 1 - in the right) part when voicing a transverse crack by a straight line (m = 0) a beam;
C - in the side (in figure 1 - in the right) part when voicing a crack once reflected (m = 1) ray. Possible sounding transverse cracks in the left side of the rail head are similar to options B and C and are not shown in FIG.
На фиг. 2 показана возможная функциональная схема дефектоскопа, реализующего заявляемый способ ультразвукового контроля головки рельса. In FIG. 2 shows a possible functional diagram of a flaw detector that implements the inventive method of ultrasonic monitoring of the rail head.
При этом на указанных фигурах введены следующие обозначения:
1 и 2 - наклонные электроакустические (ультразвуковые) преобразователи;
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, 16 и 17 - временные зоны (стробирующие импульсы) для временной селекции эхо-сигналов 12, 13 и 14 соответственно;
18 - общий корпус для преобразователей 1 и 2;
19 - генератор синхроимпульсов;
20, 21 и 22 - формирователи временных зон селекции (стробирующих импульсов) для зон 16, 17 и 15 соответственно;
231 и 232 - генераторы зондирующих импульсов, подключенные к преобразователям 1 и 2 (индексы показывают блоки дефектоскопического тракта, подключенные к соответствующему преобразователю 1 или 2);
241 и 242 - приемные тракты;
251 и 252 - схема совпадения (логическая схема И) для временной зоны 16, 261 и 262 - для зоны 17, 271 и 272 - для зоны 15.In this case, the following notation is introduced in the indicated figures:
1 and 2 - inclined electro-acoustic (ultrasonic) transducers;
3 - the rolling surface of the
5 - transverse crack (defect) in the rail head;
6 - the longitudinal axis of the rail head lying on the rolling surface;
7 and 8 - ultrasonic rays emitted, respectively.
10 and 11 - probe pulses;
12, 13 and 14 - echo signals from
15, 16 and 17 - time zones (gating pulses) for temporary selection of echo signals 12, 13 and 14, respectively;
18 - a common housing for
19 is a clock generator;
20, 21, and 22 — shapers of temporary selection zones (gating pulses) for zones 16, 17, and 15, respectively;
23 1 and 23 2 - probing pulse generators connected to the
24 1 and 24 2 - receiving paths;
25 1 and 25 2 - match pattern (logic AND) for time zone 16, 26 1 and 26 2 - for zone 17, 27 1 and 27 2 - for zone 15.
Буквами обозначены Л, П и Ц - левая, правая и центральная части головки рельса (условно для фиг.1 и 2);
α - угол ввода у.з. колебаний в металл рельса преобразователями 1 и 2, отсчитывается от нормали к поверхности ввода у.з. колебаний;
γ - угол разворота преобразователей 1 и 2 относительно продольной оси рельса в стороны П и Л боковых граней соответственно;
U1 и U2 - амплитуды сигналов (зондирующих и эхо) на преобразователях 1 и 2 соответственно;
U12 и tц - 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.The letters designate L, P and C - the left, right and central parts of the rail head (conditionally for figures 1 and 2);
α - input angle oscillations in the metal of the
γ is the turning angle of the
U 1 and U 2 are the amplitudes of the signals (probing and echo) on the
U 12 and t C - the amplitude of the echo signal and the propagation time of the ultrasound fluctuations to a defect in the central part of the rail head;
U 13 and t 0 - the amplitude of the echo signal from the defect in the side of the rail head and the propagation time of the ultrasound oscillations when voiced by a direct (m = 0) beam;
U 14 and t 1 - the amplitude of the echo signal from the defect in the side of the rail head and the propagation time of the ultrasound oscillations when voiced by its once reflected (m = 1) beam.
Способ ультразвукового контроля головки рельса реализуется следующим образом. The method of ultrasonic control of the rail head is implemented as follows.
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. Inclined electro-
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 tц, отраженного от трещины 5 (координатная плоскость U2-t). Видно, что эхо-сигнал 12 задержан относительно момента излучения зондирующего импульса на время tц. Время tц при известных скорости ct распространения у.з. колебаний в материале изделия, геометрических размерах головки 4 рельса (в частности, высоты Н головки и ширины головки В нижней части), значений угла ввода α у.з. колебаний и угла γ разворота преобразователей может быть рассчитано из геометрических соображений.In the presence of a
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). With simultaneous
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.In terms of temporal position, this echo signal completely coincides with the echo signal 12 from the
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 ультразвуковых колебаний 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 tц.In addition to the detection of transverse cracks developing in the central part of the rail head, the proposed method allows to detect transverse cracks developing in the lateral parts of the rail head. In particular, in FIG. 1B shows the moment of detection of a transverse crack in the right part of the rail head by a direct beam 7 emitted and received by the
На фиг. 1С показано обнаружение преобразователем 1 трещины 5 в правой части головки рельса однократно отраженным (m=1) у.з. лучом 7. Временное положение эхо-сигнала t1 на координатной плоскости U1-t находится в промежуточном положении между t0 и tц.In FIG. 1C shows the detection by the
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). Similarly, a
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. Transverse cracks in the central part of the rail head are detected only by two transducers, one of which (for example, transducer 1) emits ultrasound. oscillations, and the second (transducer 2) receives echoes reflected from the defect. Naturally, the converse is also true - with radiation y. h. oscillations of the
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 три временные зоны селекции (стробирующие импульсы) 15, 16 и 17, предназначенные соответственно для выделения эхо-сигналов от трещины, обнаруженных в центральной части и в боковых частях головки рельса прямым (m=0) и однократно отраженным (m=1) лучами. Такое разделение общей временной зоны на три отдельные зоны позволяет избежать приема нежелательных эхо-сигналов (помех) в соответствующих зонах от неровностей на поверхности боковых и нижней граней и зоны их радиусного перехода, а также от поверхности катания головки рельса и упростить процедуру распознавания характера и ориентации дефекта. To simplify the analysis procedure and subsequent automation of the process. h. for monitoring the rails, it is advisable to divide the entire possible zone of arrival of echo signals from all the defects considered above into three temporary selection zones (strobe pulses) 15, 16, and 17, which are intended, respectively, to isolate echo signals from the cracks found in the central part and in the lateral parts of the head rail direct (m = 0) and once reflected (m = 1) rays. This division of the common time zone into three separate zones avoids the reception of unwanted echo signals (interference) in the corresponding zones from irregularities on the surface of the lateral and lower faces and the zone of their radius transition, as well as from the rolling surface of the rail head and simplifies the procedure for recognizing the nature and orientation defect.
Отметим, что при регистрации сигналов сплошного контроля головки рельса на развертке типа В [14, 15] разделение общей зоны на три отдельные зоны не является обязательным, т.к. указанные помехи будут регистрироваться в виде горизонтальных линий, параллельных направлению движения дефектограммы, пропорциональной перемещению преобразователей вдоль рельса. Они могут быть легко отделены от полезных сигналов как при визуальном анализе, так и при автоматизированной обработке. Note that when registering signals of continuous monitoring of the rail head on a scan of type B [14, 15], dividing the common zone into three separate zones is not necessary, because the indicated interference will be recorded in the form of horizontal lines parallel to the direction of movement of the defectogram, proportional to the movement of the transducers along the rail. They can be easily separated from useful signals both in visual analysis and in automated processing.
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 (25 м/с), что вполне достаточно для практики контроля ж.д. рельсов. The speed of movement of the system of two transducers along the rail and the sending frequency F of the probe pulses (for pulsed radiation of ultrasonic vibrations) must be chosen so that the sound of the rail head is performed at least every 4 mm of the path. Typically, this condition is satisfied at a probe frequency of the oscillations F = 4 kHz at scanning speeds of up to 72 km / h (25 m / s), which is quite enough for the practice of railway monitoring. rails.
Способ может быть реализован в двух вариантах. The method can be implemented in two versions.
1. Один из преобразователей излучает, а другой принимает отраженные от искомых дефектов у.з. колебания. После этого в следующем цикле излучения - приема другой преобразователь излучает у.з. колебания, а второй принимает. Таким образом, преобразователи 1 и 2 работают в раздельном режиме, последовательно меняя свои функции излучателя и приемника. 1. One of the transducers emits, and the other receives ultrasound reflected from the desired defects. fluctuations. After that, in the next cycle of radiation - reception another transducer emits ultrasound. hesitation, and the second accepts. Thus,
2. Оба преобразователя одновременно излучают у.з. колебания и принимают эхо-сигналы от возможных дефектов. 2. Both transducers simultaneously emit ultrasound. oscillations and receive echoes from possible defects.
Второй вариант, как наиболее производительный способ, может быть применен при автоматизированном контроле с помощью автомотрис и вагонов-дефектоскопов. The second option, as the most productive method, can be used in automated control with the help of car trailers and flaw detectors.
Наиболее предпочтительный (второй) вариант дефектоскопа, реализующий предлагаемый способ у.з. контроля головки рельса, представлен на фиг.2 и состоит из двух идентичных дефектоскопических каналов. Общими узлами дефектоскопа являются последовательно соединенные генератор синхроимпульсов 19 и формирователи 20, 21 и 22 временных зон селекции (генераторы стробирующих импульсов) для зон 15, 16 и 17 соответственно. The most preferred (second) version of the flaw detector, which implements the proposed method. control head rail presented in figure 2 and consists of two identical inspection channels. The common nodes of the flaw detector are serially connected
В излагаемом варианте генератор синхроимпульсов 19 одновременно запускает генераторы зондирующих импульсов 231 и 232, соединенных 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, например основанных на электромагнитоакустическом 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 241 и 242.In the described embodiment, the
С выхода указанных приемников эхо-сигналы поступают на соответствующие схемы совпадения (логические схемы И) 251, 261, 271 и 252, 262, 272. На вторые входы этих схем поступают соответствующие стробирующие импульсы с формирователей 20, 21 и 22 (фиг.2). При временном совпадении эхо-сигналов, принятых преобразователями 1 и 2, и стробирующих импульсов, генерируемых формирователями 21 и 22, на выходах соответствующих схем совпадения 25, 26 и 27 появляются эхо-сигналы. На выходах схем совпадения 251 и 261 появляются эхо-сигналы от поперечных трещин в правой (П - на фиг.1 и фиг.2) боковой части головки рельса; на выходах схем 252 и 262 - в левой (Л) боковой части головки рельса; на выходах схем 271 и 272 - в центральной (Ц) части головки рельса. По совместному анализу появившихся эхо-сигналов (t0, t1 и tц) на соответствующих выходах и соотношению их амплитуд (U0, U1 и Uц) можно весьма достоверно судить об ориентации и характере обнаруженного дефекта.From the output of these receivers, the echo signals are sent to the corresponding coincidence circuits (AND logic circuits) 25 1 , 26 1 , 27 1 and 25 2 , 26 2 , 27 2 . The second inputs of these circuits receive the corresponding gate pulses from the
Следует отметить, что различные элементы и электронные компоненты, используемые при реализации дефектоскопа, являются известными (см., например, [13]). Оригинальность заключается в конкретном расположении преобразователей 1 и 2 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 20, 21 и 22, а также схемы совпадения 25, 26 и 27 в виде отдельных блоков могут отсутствовать, т.к. селекцию эхо-сигналов в заданных временных интервалах по заложенному алгоритму будет осуществлять микропроцессор. It should be noted that various elements and electronic components used in the implementation of the flaw detector are known (see, for example, [13]). Originality lies in the specific location of the
Приведенный на фиг.2 возможный вариант функциональной схемы направлен на лучшее понимание сущности изобретения, работы преобразователей 1 и 2 и возможности совместного анализа сигналов, принимаемых этими преобразователями. Shown in figure 2 a possible variant of the functional diagram is aimed at a better understanding of the essence of the invention, the operation of
Наиболее существенным в заявляемом способе является правильный выбор углов ввода α
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).The most significant in the inventive method is the correct choice of input angles α
sinγ = B / (2Htgα), (1)
where B is the width of the rail head in the zone of the radial transition of the lateral and lower faces;
H is the height of the rail head (distance from the surface of the skating to the radius transition zone).
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 новых рельсовых дефектоскопах угол ввода у.з. колебаний для контроля головки рельса принимают равным α = 58° [12].The calculation according to expression (1) for a rail of type P65 (H = 39 mm, B = 75 mm) for a typical angle α = 58 ° gives the value of the angle γ = 36 ° , for a typical angle α = 65 ° the value of the angle γ = 26 ° . Given that the larger the input angle is fluctuations, the lower the possible level of control sensitivity is possible, in new rail flaw detectors the angle of entry of ultrasound oscillations to control the rail head is taken equal to 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.Thus, for practical implementation it is advisable to choose the input angles y. h. rays for
Этот вывод подтвержден экспериментально на специально разработанной в ОАО "Радиоавионика" установке на образцах рельсов с моделями и реальными дефектами в боковых и центральных частях головки рельса. Доказано, что принимаются уверенные эхо-сигналы от моделей дефектов, выполненных фрезой в центральной части головки рельса на глубину всего 6-9 мм. Кроме того, полученные результаты подтверждены и 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 дефектоскоп ной 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 практике контроля данный способ контроля головки рельса получил условное название "контроль по схеме РОМБ". This conclusion was confirmed experimentally on a specially developed installation at Radioavionika OJSC on a rail model with models and real defects in the lateral and central parts of the rail head. It has been proven that reliable echo signals are received from models of defects made by the milling cutter in the central part of the rail head to a depth of only 6-9 mm. In addition, the results obtained were confirmed when monitoring the rails using automated tools: on the Oktyabrskaya Railway, a combined PS-480 flaw detector car with the Avikon-03 flaw detector complex; on the Northern Railway, an ADE-01 flaw detector motor track. The inventive method, implemented in these means of control, allows you to confidently identify real transverse cracks both in the side parts and in the central part of the rail head. In control practice, this method of monitoring the rail head has received the conditional name "control according to the ROMB scheme."
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 по сравнению с известными способами контроля рельсов. The proposed sounding scheme turned out to be especially effective in identifying transverse cracks developing in the area of damage to the rolling surface caused by slipping of locomotive wheels (defect code 24 according to [1]). Such defects cannot be detected by known methods. During the operation of the experimental system, it was also found that the proposed method is less critical to the inevitable practice of control of periodic misalignment (moving away from the longitudinal axis of the rail) of the search system, especially in sections of the track with a small radius of curvature in comparison with the known methods of rail monitoring.
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 плоскости падения луча и в перпендикулярной плоскости составляют 12-20o (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.It should be noted that figure 1 shows only the direction of the axes of the ultrasound. rays emitted by
Время распространения у.з. колебаний до зоны радиусного перехода боковой и нижней граней головки рельса и обратно может быть вычислено по выражению
tр.п = 2tп+2H/ctcosα, (2)
где tп - время распространения у.з. колебаний в клиновидной призме наклонного преобразователя 1 или 2;
ct - скорость поперечных у.з. колебаний в материале головки рельса (для стали сt=3260 м/с).Propagation time oscillations to the zone of the radius transition of the lateral and lower faces of the rail head and vice versa can be calculated by the expression
t rp = 2t n + 2H / c t cosα, (2)
where t p - propagation time oscillations in the wedge-shaped prism of an
c t is the transverse ultrasonic velocity fluctuations in the material of the rail head (for steel with t = 3260 m / s).
Определив по (2) значение tp.п, можно по обе стороны от данного значения на временной оси выбрать параметры временных зон для селекции эхо-сигналов. Для рассматриваемого выше примера контроля головки рельса типа Р65 (ct=3260 м/с; Н= 39 мм; α = 58° и для преобразователей, использующих в практике контроля рельсов 2tп= 7 мкс) временные зоны селекции имеют следующие параметры:
- зона 15 составляет 10-46 мкс для селекции эхо-сигналов от дефектов в боковой части головки рельса при озвучивании их прямым у.з. лучом (m=0);
- зона 16 - 52-83 мкс для селекции эхо-сигналов от дефектов в боковой части головки при озвучивании их однократно отраженным лучом (m=1);
- зона 17 - 84-104 мкс для селекции сигналов от дефектов в центральной части головки рельсов (фиг.1).Having determined the value of t p.p from (2), it is possible to select the parameters of time zones on both sides of this value on the time axis for echo signal selection. For the example of control of a rail head of type P65 considered above (with t = 3260 m / s; H = 39 mm; α = 58 ° and for transducers using 2t p = 7 μs in the practice of rail monitoring), the temporary selection zones have the following parameters:
- zone 15 is 10-46 μs for the selection of echo signals from defects in the side of the rail head when sounding them with a direct ultrasound ray (m = 0);
- zone 16 - 52-83 μs for the selection of echo signals from defects in the lateral part of the head when voicing them with a single reflected beam (m = 1);
- zone 17 - 84-104 μs for the selection of signals from defects in the Central part of the rail head (figure 1).
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. When choosing these zones, the permissible wear of the rail head, the magnitude of the dead zone for typical inclined converters and the disclosure of the radiation pattern of the converters in the incidence plane ray.
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. The inventive method involves the introduction of ultrasonic rays of
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 и 2 может быть расположен и в отдельных корпусах. The implementation of the system of such a compact design allows you to place it on the axial line of the rail head, where the conditions are ultrasonic. contacts are optimal. This additionally increases the reliability and reliability of the rail head control, especially with automated control at high scanning speeds. Naturally, each of the
При получении указанных параметров системы из двух преобразователей задавались углами вода 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 на продольной оси поверхности катания головки рельса. При этом такой параметр системы, как угол γ разворота плоскости падения у. з. волны преобразователей относительно продольной оси рельса в сторону боковой части головки, будет отличаться от приведенных выше значений. В общем случае углы α и γ преобразователя 1 могут отличаться от аналогичных параметров преобразователя 2. Upon receipt of the specified parameters of the system from two converters, water angles were set by angles. oscillations typical of defectoscopy systems of railway transport. Naturally, when implementing the method, it is possible to use any other input angles providing input of transverse y into the rail head. h. fluctuations. It is only necessary to maintain the condition of intersection of the acoustic axes of the transducers on the longitudinal axis of the rolling surface of the rail head. Moreover, such a parameter of the system as the angle γ of the turn of the plane of incidence y. h. wave transducers relative to the longitudinal axis of the rail towards the side of the head, will differ from the above values. In the General case, the angles α and γ of the
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 пары преобразователей, направленной в противоположном от первой пары 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. To further increase the reliability and reliability of the control, especially at high speeds (up to 72 km / h or more) scanning, where the control conditions are very difficult (disturbance of the acoustic contact and alignment of the transducers due to irregularities and contamination of the rail surface, a significant level of interference and t .p.), it is possible and advisable to install on the rolling surface a second similar pair of converters directed in the opposite direction from the first pair along the rail (on and against the direction of movement of the car-de fectoscope). Duplication of signals from defects, better detection of cracks that are differently oriented in the rail head, the possibility of introducing correlation analysis increase the noise immunity and reliability of the control.
Рассматриваемый 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 [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. The considered method of ultrasound rail head control can be implemented not only with traditional pulsed ultrasonic radiation oscillations, but also with continuous emission of elastic oscillations, where the separation of the emitting transducer and the receiver, in order to reduce mutual interference, is highly desirable [18, 19]. In this case, the noise immunity, and hence the reliability of the control, is additionally increased due to multiple (up to 100 times) narrowing in comparison with the pulsed radiation mode and the effective pass-through bandwidth of the flaw detector.
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 периодическом контроле ответственных изделий машиностроения, транспорта и других отраслей промышленности, например таких длинномерных объектов, как направляющие для шлюзов гидроэлектростанций, монорельсы и т.п. In the above description, as an example of the implementation of the method, non-destructive testing of railway rails laid in the path by ultrasonic methods is considered. Obviously, the method can be applied to periodic monitoring of critical engineering products, transport and other industries, for example, lengthy objects such as guides for locks of hydroelectric power stations, monorails, etc.
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 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 обоими преобразователями во всех временных зонах;
- дополнительное повышение надежности и достоверности контроля за счет оптимизации размеров системы преобразователей и обеспечения лучшего акустического контакта между преобразователями и контролируемым рельсом.Thus, the proposed sequence of operations of the method and the set of essential features of the claimed device allow to obtain new technical results:
- improving the reliability and reliability of control due to the effective detection of transverse cracks in almost the entire volume of the rail head, including transverse cracks developing under the surface delamination of the metal and horizontal cracks in the Central part of the rail head,
- improving the performance and reliability of control due to automatic differentiation of echo signals received from various areas of the rail head,
- an additional increase in the reliability of control due to the joint analysis of the echo signals received by both transducers in all time zones;
- an additional increase in the reliability and reliability of control by optimizing the size of the transducer system and providing better acoustic contact between the transducers and the monitored rail.
Таким образом, техническая задача, поставленная при разработке способа у. з. контроля рельса, полностью решена. Способ обеспечивает повышение надежности, достоверности и производительности неразрушающего контроля рельсов, способствуя дальнейшему улучшению безопасности движения поездов на железных дорогах. Thus, the technical problem posed in the development of method y. h. rail control, completely resolved. The method provides increased reliability, reliability and productivity of non-destructive testing of rails, contributing to a further improvement in the safety of train traffic on railways.
Источники информации
1. Классификация дефектов рельсов. НТД/ЦП-1-93. М.: Транспорт, 1993.Sources of information
1. Classification of rail defects. NTD / CPU-1-93. M .: Transport, 1993.
2. ГОСТ 18576-85. Контроль неразрушающий. /Рельсы железнодорожные, методы ультразвуковые. М.: Изд-во стандартов, 1985. 2. GOST 18576-85. Non-destructive testing. / Railway rails, ultrasonic methods. M .: Publishing house of standards, 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. 3. Kuzmina L.I. Identification of defects of the second group by the echo-pulse method. // Ultrasonic flaw detection of rails. Series "Way and track economy" M .: TSNIITEI MPS, Issue 66, 1971, pp. 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. 4. Kolotushkin S.A., Kaportsev V.N. The study of the intensity of development and detectability in the rails of the defect 21.1-2. - Vestnik VNIIZHT, 1978, 5, - p. 38-40.
5. Крауткремер Й., Крауткремер Г. Ультразвуковой контроль материалов. М. : Металлургия, 1991. 5. Krautkremer J., Krautkremer G. Ultrasonic control of materials. M.: Metallurgy, 1991.
6. Американские компании - поставщики путевой техники. Supply Industry Profils. //Railway Track and Structures - 2, с. 30-35, англ. 6. American companies - suppliers of track equipment. Supply Industry Profils. // Railway Track and Structures - 2, p. 30-35 English
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. 7. Markov A.A., Gurvich A.K., Molotkov S.L., Mironov F.S. The method of ultrasonic control of the rail head. RF patent 2060493, Priority dated 01.03.93, Bull. fig. 1996, 11.
8. Шестаков Ю. И. Дефектоскопным средствам - особое внимание. Путь и путевое хозяйство, 3, 1996 г., с.10. 8. Shestakov Yu. I. Flaw detection means - special attention. Way and track economy, 3, 1996, p.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. 9. Markov A.A., Molotkov S.L., Vinogradov V.I. Ultrasonic control of "noisy" rails. Way and track facilities, 11, 1995, pp. 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. 10. US patent 6055862 dated 05/02/2000 MKI G 01 N 29/00. G.D. Martnes. Method and device for detecting, identifying and registering the location of defects in railway rails.
11. Патент США 4700574. МКИ G 01 N 29/04. Способ и устройство дефектоскопии внутренних дефектов в головке рельсов. 11. US patent 4700574. MKI G 01 N 29/04. Method and device for flaw detection of internal defects in the rail head.
12. Марков А. А. , Шпагин Д.А. Ультразвуковая дефектоскопия рельсов. Санкт-Петербург, Образование-Культура, 1999, 236 с. 12. Markov A.A., Shpagin D.A. Ultrasonic flaw detection of rails. St. Petersburg, Education-Culture, 1999, 236 p.
13. Гурвич А.К., Довнар Б.П. и др. Неразрушающий контроль рельсов при их эксплуатации и ремонте. М.: Транспорт, 1983 г. 13. Gurvich A.K., Dovnar B.P. Non-destructive testing of rails during their operation and repair. M .: Transport, 1983
14. Патент США 5777891 от 7 июля 1998, G 01 N 29/04. D. Pagano, В. Масkay, J. Norris. Способ ультразвуковой дефектоскопии в реальном масштабе времени. 14. U.S. Patent 5777891 of July 7, 1998, G 01 N 29/04. D. Pagano, B. Maskay, J. Norris. Real-time ultrasonic flaw detection method.
15. Марков А.А. Альтернативное представление дефектоскопической информации в переносных ультразвуковых дефектоскопах. - В мире неразрушающего контроля. 1, 2000 г., с.42-44. 15. Markov A.A. Alternative presentation of defectoscopic information in portable ultrasonic flaw detectors. - In the world of non-destructive testing. 1, 2000, p. 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 стр. (см. с.45-70). 16. Bashkatova L.V., Gurvich A.K., Lokhach A.V., Markov A.A. Computerized means of non-destructive testing and diagnostics of the railway track. St. Petersburg, Radioavionics, 1997, 118 pp. (See p. 45-70).
17. Методы акустического контроля металлов. Под редакцией Н.П. Алешина. М.: Машиностроение, 1989, 454 с. 17. Methods of acoustic control of metals. Edited by N.P. Alyoshina. M.: Mechanical Engineering, 1989, 454 p.
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. 18. Markov A.A., Prokofiev A.B., Mironov F.S. Ultrasonic flaw detector with continuous emission of elastic vibrations. RF patent for the invention 2052807. Priority from 02.06.92, publ. Bull. fig.
19. Гурвич А.К., Марков А.А. Эффект Доплера в ультразвуковой дефектоскопии. //Дефектоскопия, N 7, 1983 г, с.24-35. 19. Gurvich A.K., Markov A.A. Doppler effect in ultrasonic flaw detection. // Defectoscopy, N 7, 1983, p.24-35.
Claims (2)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2001124269A RU2184960C1 (en) | 2001-08-24 | 2001-08-24 | Process of ultrasonic inspection of rail head |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2001124269A RU2184960C1 (en) | 2001-08-24 | 2001-08-24 | Process of ultrasonic inspection of rail head |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2184960C1 true RU2184960C1 (en) | 2002-07-10 |
Family
ID=20252948
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2001124269A RU2184960C1 (en) | 2001-08-24 | 2001-08-24 | Process of ultrasonic inspection of rail head |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2184960C1 (en) |
Cited By (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US8020446B2 (en) | 2005-02-17 | 2011-09-20 | Sonimex B.V. | Method and apparatus for detecting flaws in a railhead |
| RU2444008C1 (en) * | 2010-11-30 | 2012-02-27 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-исследовательский институт мостов и дефектоскопии Федерального агентства железнодорожного транспорта" | Method inspecting fishplate |
| RU2466386C1 (en) * | 2011-04-25 | 2012-11-10 | Открытое акционерное общество "Радиоавионика" | Method of evaluating defect in rail head |
| RU2545493C1 (en) * | 2013-12-04 | 2015-04-10 | Открытое акционерное общество "Радиоавионика" | Method of ultrasound detection of micro fractures at rail head working coving |
| CN106153734A (en) * | 2016-09-06 | 2016-11-23 | 合肥超科电子有限公司 | Secondary wave wheel seach unit support and probe |
| RU2613574C1 (en) * | 2015-12-07 | 2017-03-17 | Открытое акционерное общество "Радиоавионика" | Method for ultrasound detection of microcracks on operating railhead fillet |
| RU2748869C1 (en) * | 2020-09-07 | 2021-06-01 | Открытое акционерное общество "Радиоавионика" | Method for assessing orientation of defects in long-length products based on results of non-destructive control |
| RU2777298C1 (en) * | 2021-12-10 | 2022-08-02 | Акционерное общество "Фирма ТВЕМА" | Method for ultrasonic inspection of rails |
-
2001
- 2001-08-24 RU RU2001124269A patent/RU2184960C1/en not_active IP Right Cessation
Cited By (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US8020446B2 (en) | 2005-02-17 | 2011-09-20 | Sonimex B.V. | Method and apparatus for detecting flaws in a railhead |
| RU2444008C1 (en) * | 2010-11-30 | 2012-02-27 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-исследовательский институт мостов и дефектоскопии Федерального агентства железнодорожного транспорта" | Method inspecting fishplate |
| RU2466386C1 (en) * | 2011-04-25 | 2012-11-10 | Открытое акционерное общество "Радиоавионика" | Method of evaluating defect in rail head |
| RU2545493C1 (en) * | 2013-12-04 | 2015-04-10 | Открытое акционерное общество "Радиоавионика" | Method of ultrasound detection of micro fractures at rail head working coving |
| RU2613574C1 (en) * | 2015-12-07 | 2017-03-17 | Открытое акционерное общество "Радиоавионика" | Method for ultrasound detection of microcracks on operating railhead fillet |
| CN106153734A (en) * | 2016-09-06 | 2016-11-23 | 合肥超科电子有限公司 | Secondary wave wheel seach unit support and probe |
| RU2748869C1 (en) * | 2020-09-07 | 2021-06-01 | Открытое акционерное общество "Радиоавионика" | Method for assessing orientation of defects in long-length products based on results of non-destructive control |
| RU2777298C1 (en) * | 2021-12-10 | 2022-08-02 | Акционерное общество "Фирма ТВЕМА" | Method for ultrasonic inspection of rails |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US4700574A (en) | Ultrasonic detection method of the internal defects of a railroad track rail located in the sides of the head of said rail and device to carry it out | |
| US6945114B2 (en) | Laser-air, hybrid, ultrasonic testing of railroad tracks | |
| US7555954B2 (en) | In-track wheel inspection system | |
| EP2273259B1 (en) | Method and apparatus for detecting flaws in a railhead | |
| US5165280A (en) | Device for testing of oblong objects by means of ultrasonic waves | |
| EP0826148A1 (en) | Ultrasonic inspection | |
| RU2184374C1 (en) | Ultrasonic method for controlling rail head | |
| RU2184960C1 (en) | Process of ultrasonic inspection of rail head | |
| RU2645818C1 (en) | Method for ultrasonic inspection of rail bases | |
| RU22330U1 (en) | DEVICE FOR ULTRASONIC RAIL HEAD CONTROL | |
| CN113607823B (en) | Method for detecting longitudinal crack depth of cylindrical concrete by utilizing ultrasonic waves | |
| RU23987U1 (en) | ULTRASONIC DEFECTOSCOPE FOR CONTROL OF THE HEAD OF THE RAIL | |
| IEM-RM | B-scan ultrasonic image analysis for internal rail defect detection | |
| RU2791145C1 (en) | Method for ultrasonic testing of the bolted rail joints zone | |
| RU2184373C1 (en) | Noninvasive method for controlling products | |
| RU2299430C1 (en) | Electromagnetic-acoustic fault finder for control of railway rails | |
| RU2060493C1 (en) | Rail head ultrasonic inspection method | |
| RU2299428C1 (en) | Device for ultrasound flaw detection of railroad rails | |
| RU2042946C1 (en) | Ultrasonic device for automatic quality inspection of metal of pipe-lines | |
| RU2052808C1 (en) | Ultrasonic method for detection of cracks in article hole walls | |
| RU126141U1 (en) | DEVICE OF ULTRASONIC CONTROL OF HEAD AND NECK OF RAILS | |
| RU46587U1 (en) | ACOUSTIC UNIT FOR DEFECTOSCOPE DEVICE | |
| RU2662464C1 (en) | Method for ultrasonic inspection | |
| RU2783753C1 (en) | Ultrasonic method for detecting defects in the rail head | |
| RU2764571C1 (en) | Ultrasonic method for detecting and evaluating rail welded joints in high-speed inspection |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20070825 |