RU222973U1 - Устройство для обнаружения дефектов в подошве железнодорожных рельсов и перьях подошвы - Google Patents

Abstract

Полезная модель относится к области неразрушающего контроля, в том числе с помощью ультразвуковых (УЗ) волн для визуализации внутреннего строения объекта и обнаружения дефектов коррозионного и электрокоррозионного типа в подошве рельсов, уложенных в путь, при сплошном контроле. Техническим результатом, на получение которого направлена полезная модель, является повышение достоверности и качества ультразвукового контроля подошвы рельса, уложенного в железнодорожный путь, в том числе при изменении профиля головки рельса в ходе эксплуатации. Технический результат достигается в устройстве, которое содержит подвижную платформу, выполненную с возможностью обеспечения перемещения вдоль рельса по поверхности катания рельса в процессе измерений, на которой размещены два ультразвуковых преобразователя (излучатель и приемник), каждый из которых расположен на головке рельса, угол их разворота относительно продольной оси рельса составляет 0°, излучатель выполнен с возможностью излучения поперечных ультразвуковых волн через поверхность катания головки в шейку рельса под углом из диапазона 50-55° к нормали поверхности катания в месте ввода, за счет формы композитной пьезокерамики в преобразователях, при этом диаграмма направленности луча обеспечивает его падение непосредственно на возможный дефект под углом в пределах 0-5° относительно продольной оси симметрии рельса в обеих половинах рельса, а приемник выполнен с возможностью приема отраженных ультразвуковых эхосигналов с поверхности катания под углом к ее нормали, выбранным из диапазона 50-55°, при этом преобразователи располагаются в пределах 4±0,1 мм относительно продольной оси симметрии поверхности катания рельса. 5 з.п. ф-лы, 4 ил.

Description

Полезная модель относится к области неразрушающего контроля, в том числе, с помощью ультразвуковых (УЗ) волн для визуализации внутреннего строения объекта и обнаружения дефектов коррозионного и электрокоррозионного типа в подошве рельсов, уложенных в путь, при сплошном контроле.

Известно, что подошва уложенных в путь рельсов подвержена коррозионным повреждениям, которые в основном возникают в местах соприкосновения рельса со шпальными подкладками на участках пути с пропущенным тоннажем более 600 млн т Брутто, а также в рельсах железнодорожных переездов, укрытых настилами. Эти места наиболее подвержены атмосферному влиянию, воздействию химических и абразивных веществ, утечкам тягового тока (электрокоррозия) и т.п. В местах коррозии подошвы возможны появления усталостных трещин и, как следствие, изломов.

Известен способ ультразвукового контроля подошвы рельсов по патенту РФ на изобретение №2433397 (опубликован 10.11.2011), в котором в рельс с его поверхности катания одновременно посредством пяти ультразвуковых преобразователей, расположенных на определенном расстоянии, излучают лучи поперечных ультразвуковых волн. Посредством первого дополнительного ультразвукового преобразователя луч поперечных ультразвуковых волн с диаграммой направленности, обеспечивающей начальное падение луча поперечных ультразвуковых волн на стенку шейки первой половины рельса и последовательное его отражение этой стенкой, нижней гранью подошвы второй половины рельса, галтельным переходом шейки второй половины рельса в его подошву и двукратно нижней гранью подошвы и верхней гранью пера подошвы первой половины рельса и конечное падение луча поперечных ультразвуковых волн на возможный дефект параллельно продольной плоскости симметрии рельса, дополнительно одновременно излучают в рельс с его поверхности катания посредством второго дополнительного ультразвукового преобразователя луч поперечных ультразвуковых волн с диаграммой направленности, обеспечивающей начальное падение луча поперечных ультразвуковых волн на стенку шейки первой половины рельса и последовательное его отражение троекратно этой стенкой и стенкой шейки второй половины рельса и двукратно нижней гранью подошвы первой половины рельса и верхней гранью пера подошвы первой половины рельса и конечное падение луча поперечных ультразвуковых волн на возможный дефект параллельно продольной плоскости симметрии рельса, дополнительно одновременно излучают в рельс с его поверхности катания посредством третьего дополнительного ультразвукового преобразователя луч поперечных ультразвуковых волн с диаграммой направленности, обеспечивающей начальное падение луча поперечных ультразвуковых волн на стенку шейки первой половины рельса и последовательное его отражение троекратно этой стенкой и стенкой шейки второй половины рельса, нижней гранью подошвы первой половины рельса, галтельным переходом шейки первой половины рельса в его подошву, нижней гранью подошвы первой половины рельса и верхней гранью пера подошвы первой половины рельса и конечное падение луча поперечных ультразвуковых волн на возможный дефект параллельно продольной плоскости симметрии рельса, и дополнительно одновременно излучают в рельс с его поверхности катания посредством четвертого дополнительного ультразвукового преобразователя луч поперечных ультразвуковых волн с диаграммой направленности, обеспечивающей падение луча поперечных ультразвуковых волн непосредственно на возможный дефект под углом в пределах 0-8 угловых градусов относительно продольной плоскости симметрии рельса в первой половине рельса, при этом принимают излученные первым, вторым, третьим и четвертым дополнительными преобразователями отраженные от возможных дефектов лучи поперечных ультразвуковых колебаний первым, вторым, третьим и четвертым дополнительными преобразователями соответственно и определяют наличие дефектов в областях подошвы первой половины рельса, расположенных на расстоянии (0,71-0,93) L, (0,51-0,73) L, (0,24-0,53) L и (0-0,27) L соответственно, а обнаружение дефектов в подошве второй половины рельса осуществляют с той же последовательностью операций с выбором соответствующих условий падения и отражения луча поперечных ультразвуковых волн. Преимущественно для основного ультразвукового преобразователя могут устанавливать угол ввода луча поперечных ультразвуковых волн в пределах 55-65 угловых градусов, его угол разворота относительно продольной плоскости симметрии рельса - в пределах 0-3 угловых градусов в сторону первой половины рельса, а его положение относительно продольной плоскости симметрии рельса - в пределах (0±0,053) W, где W - ширина головки рельса, для первого дополнительного ультразвукового преобразователя могут устанавливать угол ввода луча поперечных ультразвуковых волн в пределах 45-55 угловых градусов, его угол разворота относительно продольной плоскости симметрии рельса - в пределах 4-10 угловых градусов в сторону первой половины рельса, а его положение относительно продольной плоскости симметрии рельса - в пределах (0±0,053) W, для второго дополнительного ультразвукового преобразователя могут устанавливать угол ввода луча поперечных ультразвуковых волн в пределах 45-55 угловых градусов, его угол разворота относительно продольной плоскости симметрии рельса - в пределах 16-24 угловых градусов в сторону первой половины рельса, а его положение относительно продольной плоскости симметрии рельса - в пределах (0,13±0,04)W со смещением в сторону второй половины рельса, для третьего дополнительного ультразвукового преобразователя могут устанавливать угол ввода луча поперечных ультразвуковых волн в пределах 38-55 угловых градусов, его угол разворота относительно продольной плоскости симметрии рельса - в пределах 8-18 угловых градусов в сторону первой половины рельса, а его положение относительно продольной плоскости симметрии рельса - в пределах (0±0,053) W, для четвертого дополнительного ультразвукового преобразователя могут устанавливать угол ввода луча поперечных ультразвуковых волн в пределах 45-55 угловых градусов, его угол разворота относительно продольной плоскости симметрии рельса - в пределах 0-8 угловых градусов в сторону первой половины рельса, а его положение относительно продольной плоскости симметрии рельса - в пределах (0±0,053) W.

Недостатком указанного изобретения является то, что при изменении профиля головки рельса в ходе эксплуатации, наработки вертикального износа в нижней нити кривого участка пути и бокового износа верхней нити, изменится положение преобразователей относительно вертикальной продольной оси рельса и перпендикулярность падающей волны относительно подошвы рельса, что вызовет отклонение диаграммы направленности и повлияет на результат и достоверность контроля.

Техническим результатом, на получение которого направлена полезная модель, является повышение достоверности и качества ультразвукового контроля подошвы рельса, уложенного в железнодорожный путь, в том числе при изменении профиля головки рельса в ходе эксплуатации.

Технический результат достигается в устройстве, которое содержит подвижную платформу, выполненную с возможностью обеспечения перемещения вдоль рельса по поверхности катания рельса в процессе измерений, на которой размещены два ультразвуковых преобразователя (излучатель и приемник), каждый из которых расположен на головке рельса, угол их разворота относительно продольной оси рельса составляет 0°, излучатель выполнен с возможностью излучения поперечных ультразвуковых волн через поверхность катания головки в шейку рельса под углом из диапазона 50-55° к нормали поверхности катания в месте ввода, за счет формы композитной пьезокерамики в преобразователях, при этом диаграмма направленности луча обеспечивает его падение непосредственно на возможный дефект под углом в пределах 0-5° относительно продольной оси симметрии рельса в обеих половинах рельса, а приемник выполнен с возможностью приема отраженных ультразвуковых эхосигналов с поверхности катания под углом к ее нормали, выбранным из диапазона 50-55°, при этом преобразователи располагаются в пределах 4±0,1 мм относительно продольной оси симметрии поверхности катания рельса.

При этом выбор углов ввода и приема лучей относительно нормали поверхности катания из диапазона 50-55° обусловлен максимальной энергией поперечной волны в средней части диапазона между первым и вторым критическими углами. Диаграмма направленности луча на дефект, которая задается выбором угла ввода луча поперечных ультразвуковых волн, угла разворота относительно продольной плоскости симметрии рельса и положением ультразвуковых преобразователей относительно этой плоскости, обеспечивающая его падение непосредственно на возможный дефект под углом в пределах 0-5° относительно продольной оси симметрии рельса в обеих половинах является оптимальной, поскольку для углов свыше 5° энергия рассеивается в рельсе, а полезный сигнал не формируется, в связи с чем при той же мощности излучателя величина сигнала от дефекта уменьшается, то есть, уменьшается чувствительность устройства, и, таким образом, снижается достоверность и качество ультразвукового контроля подошвы рельса. При смещении блока преобразователей относительно продольной оси рельса влево или вправо более чем на 4±0,1 мм существенно снижается количество акустической энергии, проходящей через шейку рельса в подошву и, далее, в перья подошвы рельса, а регистрируемый приемником уровень сигнала от дефекта снижается ниже предела чувствительности приемника и не обеспечивает получение заявленного технического результата. При этом выполнение приемника и излучателя на подвижной платформе, с возможностью обеспечения перемещения их в процессе измерений по поверхности катания вдоль рельса, уложенного в железнодорожный путь, обеспечивает получение заявленного технического результата, в том числе при изменении профиля головки рельса в ходе эксплуатации.

В одном из вариантов исполнения подвижная платформа выполнена из отдельных площадок, соединенных между собой.

Предпочтительно выполнение ультразвуковых преобразователей с рабочей частотой из диапазона 0,35-0,65 МГц.

В одном из вариантов исполнения при вводе излучения под углом 50° к ее нормали, расстояние вдоль оси рельса между излучающим и приемным ультразвуковыми преобразователями выбирается из диапазона 6-10 мм.

В одном из вариантов выполнения устройства ультразвуковые преобразователи конструктивно оформлены в виде моноблока.

В одном из вариантов выполнения устройства ультразвуковые преобразователи конструктивно оформлены в виде отдельных блоков.

На фигурах приведены иллюстрации, раскрывающие конструктивные особенности и принципы работы устройства, где:

1 – штанга;

2 – электронный блок;

3 – модуль электронного управления дефектоскопом;

4 – емкость с контактной жидкостью;

5 – подвижная платформа с установленным оборудованием;

6 – рельс железнодорожный.

7 – подвижная платформа;

8 – подшипники центрирующей системы;

9 – ультразвуковой преобразователь, излучатель;

10 – ультразвуковой преобразователь, приемник;

11 – датчик пути;

12 – шарнир;

13 – поверхность катания рельса;

14 – головка рельса;

15 – угол ввода падающей воны;

16 – угол отраженной от возможного дефекта поперечной волны;

17 – поперечная падающая волна;

18 – отраженная от возможного дефекта волна;

19 – однократно отраженная от нижней поверхности рельса волна;

20 – двукратно отраженная от верхней поверхности пера подошвы рельса волна;

21 – трехкратно отраженная от нижней поверхности пера подошвы рельса волна;

22 – шейка рельса;

23 – перья подошвы рельса;

24 – галтельный переход.

На фиг. 1 показан общий вид устройства, выполненного в виде однониточного дефектоскопа, содержащего подвижную платформу с двумя ультразвуковыми преобразователями.

На фиг. 2 показана схема подвижной платформы устройства.

На фиг. 3 показана схема прозвучивания рельса.

На фиг. 4 показана схема распространения поперечной волны в сечении рельса.

Полезная модель реализована в следующем устройстве.

Устройство для обнаружения дефектов в подошве железнодорожных рельсов 6 и перьях 23 подошвы содержит подвижную платформу 5, выполненную с возможностью обеспечения перемещения вдоль рельса 6 по поверхности катания 13 рельса 6 в процессе измерений. На платформе 5 размещены ультразвуковые преобразователи – излучатель 9 и приемник 10, каждый из которых расположен на головке 14 рельса 6, угол их разворота относительно продольной оси рельса 6 составляет 0 градусов, излучатель 9 выполнен с возможностью излучения поперечных ультразвуковых волн через головку 14 в шейку 22 рельса 6 с поверхности катания 13 рельса 6 под углом 15 (50-55°) к ее нормали в месте ввода, за счет формы композитной пьезокерамики в преобразователях 9 и 10, при этом диаграмма направленности луча 17 излучателя 10 обеспечивает его падение непосредственно на возможный дефект под углом в пределах 0-5° относительно продольной оси симметрии рельса 6 в обеих половинах рельса 6, а приемник 10 выполнен с возможностью приема отраженной ультразвуковой волны 18 с поверхности катания 13 рельса 6 под углом 16 к ее нормали, выбранным из диапазона 50-55°, при этом преобразователи 9 и 10 располагаются в пределах 4±0,1 мм относительно продольной оси симметрии рельса 6.

Устройство для обнаружения дефектов в подошве железнодорожных рельсов и перьях подошвы работает следующим образом.

После излучения поперечного луча 17 излучателем 9 при попадании на внутреннюю поверхность подошвы рельса 6, состоящей из перьев 23, поперечная волна трансформируется и изменяет направление распространения, распространяясь симметрично, в стороны краев перьев 23 подошвы рельса 6, одно - 19, двух - 20, трех - 21 кратно отражаясь от верхней и нижней поверхностей перьев 23 подошвы рельса 6, при этом луч поперечных ультразвуковых волн 17 выполнен с диаграммой направленности, которая обеспечивает падение луча поперечных ультразвуковых волн непосредственно на возможный дефект под углом в пределах 0-5° относительно продольной оси симметрии рельса в обеих половинах рельса. При наличии несплошности (поперечной трещины, очагов коррозии), величина которой равна или больше длины волны и оказывается, как в прямой, так и не в прямой «видимости» принимающего преобразователя 10, расположенного на вертикальной оси рельса 6 без разворота относительно нее, вместе с тем, пройдя обратный путь из перьев 23 подошвы в шейку 22 рельса 6 и ее проекцию в головке 14, регистрируется приемником 10 с целью измерение параметров поперечных ультразвуковых волн для определения наличия дефектов.

Испытаниями подтверждено, что устройство обеспечивает надежность контроля дефектов на рельсах с боковым износом головки до 8 мм.

Таким образом, в полезной модели достигается технический результатом в виде повышения достоверности и качества ультразвукового контроля подошвы рельса, уложенного в железнодорожный путь, в том числе при изменении профиля головки рельса в ходе эксплуатации.

Claims (6)

1. Устройство для обнаружения дефектов в подошве рельсов, содержащее подвижную платформу, выполненную с возможностью обеспечения перемещения вдоль рельса по поверхности катания рельса в процессе измерений, на которой размещены два ультразвуковых преобразователя – излучатель и приемник, выполненные с возможностью расположения на головке рельса, отличающееся тем, что угол их разворота относительно продольной оси рельса составляет 0°, излучатель выполнен из композитной пьезокерамики, а форма излучателя обеспечивает возможность излучения поперечных ультразвуковых волн через поверхности катания головки рельса в шейку рельса под углом из диапазона 50-55° к нормали поверхности катания в месте ввода, и с диаграммой направленности луча, обеспечивающей его падение непосредственно на возможный дефект под углом в пределах 0-5° относительно продольной оси симметрии рельса в обеих половинах рельса, а приемник выполнен с возможностью приема отраженных ультразвуковых эхосигналов с поверхности катания под углом к ее нормали, выбранным из диапазона 50-55°, при этом преобразователи расположены на расстоянии 4±0,1 мм относительно продольной оси симметрии поверхности катания рельса.

2. Устройство для обнаружения дефектов в подошве рельсов по п. 1, отличающееся тем, что подвижная платформа выполнена из отдельных площадок, соединенных между собой.

3. Устройство для обнаружения дефектов в подошве рельсов по п. 1, отличающееся тем, что ультразвуковые преобразователи выполнены с рабочей частотой из диапазона 0,35-0,65 МГц.

4. Устройство для обнаружения дефектов в подошве рельсов по п. 1, отличающееся тем, что при угле ввода излучения 50° к нормали поверхности катания расстояние вдоль оси поверхности катания рельса между излучающим и приемным ультразвуковыми преобразователями выбирается из диапазона 6–10 мм.

5. Устройство для обнаружения дефектов в подошве рельсов по п. 1, отличающееся тем, что ультразвуковые преобразователи конструктивно оформлены в виде моноблока.

6. Устройство для обнаружения дефектов в подошве рельсов по п. 1, отличающееся тем, что ультразвуковые преобразователи конструктивно оформлены в виде отдельных блоков.