RU2652511C1 - Method of micro cracks on the rail head rolling surface ultrasonic detection - Google Patents
Method of micro cracks on the rail head rolling surface ultrasonic detection Download PDFInfo
- Publication number
- RU2652511C1 RU2652511C1 RU2017115533A RU2017115533A RU2652511C1 RU 2652511 C1 RU2652511 C1 RU 2652511C1 RU 2017115533 A RU2017115533 A RU 2017115533A RU 2017115533 A RU2017115533 A RU 2017115533A RU 2652511 C1 RU2652511 C1 RU 2652511C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- rail
- rail head
- microcracks
- head
- transducers
- Prior art date
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 68
- 238000005096 rolling process Methods 0.000 title claims abstract description 33
- 238000001514 detection method Methods 0.000 title claims abstract description 23
- 238000011161 development Methods 0.000 claims abstract description 15
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 claims abstract description 6
- 230000007547 defect Effects 0.000 claims description 35
- 230000005855 radiation Effects 0.000 claims description 11
- 239000000523 sample Substances 0.000 claims description 11
- 238000009659 non-destructive testing Methods 0.000 abstract description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract 1
- 230000010355 oscillation Effects 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 230000004304 visual acuity Effects 0.000 abstract 1
- 238000002604 ultrasonography Methods 0.000 description 13
- 238000009845 electric arc furnace steelmaking Methods 0.000 description 10
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 7
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 5
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 4
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 4
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 3
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 3
- 239000002344 surface layer Substances 0.000 description 3
- 230000002123 temporal effect Effects 0.000 description 3
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 description 2
- 239000012530 fluid Substances 0.000 description 2
- 239000000463 material Substances 0.000 description 2
- 230000003449 preventive effect Effects 0.000 description 2
- 238000002310 reflectometry Methods 0.000 description 2
- BLRBOMBBUUGKFU-SREVYHEPSA-N (z)-4-[[4-(4-chlorophenyl)-5-(2-methoxy-2-oxoethyl)-1,3-thiazol-2-yl]amino]-4-oxobut-2-enoic acid Chemical group S1C(NC(=O)\C=C/C(O)=O)=NC(C=2C=CC(Cl)=CC=2)=C1CC(=O)OC BLRBOMBBUUGKFU-SREVYHEPSA-N 0.000 description 1
- 241000196324 Embryophyta Species 0.000 description 1
- 229910001111 Fine metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000003321 amplification Effects 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 238000009395 breeding Methods 0.000 description 1
- 230000001488 breeding effect Effects 0.000 description 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 230000001419 dependent effect Effects 0.000 description 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 1
- 238000002592 echocardiography Methods 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 230000014509 gene expression Effects 0.000 description 1
- 238000007654 immersion Methods 0.000 description 1
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 1
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 1
- 230000004807 localization Effects 0.000 description 1
- 230000005415 magnetization Effects 0.000 description 1
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 1
- 238000003199 nucleic acid amplification method Methods 0.000 description 1
- 230000035699 permeability Effects 0.000 description 1
- 239000004814 polyurethane Substances 0.000 description 1
- 229920002635 polyurethane Polymers 0.000 description 1
- 238000003825 pressing Methods 0.000 description 1
- 230000001902 propagating effect Effects 0.000 description 1
- 238000010791 quenching Methods 0.000 description 1
- 230000000171 quenching effect Effects 0.000 description 1
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 description 1
- 230000003313 weakening effect Effects 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N29/00—Investigating or analysing materials by the use of ultrasonic, sonic or infrasonic waves; Visualisation of the interior of objects by transmitting ultrasonic or sonic waves through the object
- G01N29/04—Analysing solids
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B61—RAILWAYS
- B61K—AUXILIARY EQUIPMENT SPECIALLY ADAPTED FOR RAILWAYS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- B61K9/00—Railway vehicle profile gauges; Detecting or indicating overheating of components; Apparatus on locomotives or cars to indicate bad track sections; General design of track recording vehicles
- B61K9/08—Measuring installations for surveying permanent way
- B61K9/10—Measuring installations for surveying permanent way for detecting cracks in rails or welds thereof
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Acoustics & Sound (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Immunology (AREA)
- Pathology (AREA)
- Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Ultrasonic Waves (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области ультразвукового (УЗ) неразрушающего контроля железнодорожных рельсов и может быть использовано для обнаружения и оценки микротрещин на поверхности катания головки рельса.The invention relates to the field of ultrasonic (US) non-destructive testing of railway rails and can be used to detect and evaluate microcracks on the rolling surface of the rail head.
Проблема поверхностных микротрещин на головке рельса рассмотрена в [1]. Причиной возникновения микротрещин на поверхности головки рельса являются усталостные напряжения из-за чрезмерного давления колеса на нее. Очевидно, что такие повреждения возникают на поверхности катания и на рабочей выкружке головки рельса. Дефект начинает развиваться с микротрещин, которые могут быть устранены шлифовкой. Под воздействием нагрузок, влаги, температур и других причин глубина микротрещин возрастает. На ранних стадиях развития микротрещины могут быть ликвидированы путем шлифовки рельса, предотвращая серьезные последствия. Развитие микротрещин в конечном итоге приводит к возникновению обширной поперечной трещины головки. Таким образом, раннее обнаружение микротрещин на рабочей выкружке и на поверхности катания головки рельса является актуальной задачей.The problem of surface microcracks on the rail head was considered in [1]. The cause of microcracks on the surface of the rail head are fatigue stresses due to excessive wheel pressure on it. Obviously, such damage occurs on the surface of the skating and on the working fillet of the rail head. The defect begins to develop with microcracks, which can be eliminated by grinding. Under the influence of loads, moisture, temperatures and other reasons, the depth of microcracks increases. In the early stages of development, microcracks can be eliminated by grinding the rail, preventing serious consequences. The development of microcracks ultimately leads to an extensive transverse crack of the head. Thus, the early detection of microcracks on the working fillet and on the rolling surface of the rail head is an urgent task.
В [1] перечислены возможные способы поиска микротрещин в головке рельса, при этом считают, что вихретоковый метод считается более пригодным для поверхностных микротрещин, а У3 - для более глубоко распространяющихся микротрещин.Possible methods for searching for microcracks in the rail head are listed in [1], while it is believed that the eddy current method is considered more suitable for surface microcracks, and U3 for more deeply propagating microcracks.
Авторы данного изобретения предлагают вариант решения задачи поиска и оценки размеров микротрещин на любой стадии развития УЗ методом.The authors of this invention propose a solution to the problem of searching and evaluating the size of microcracks at any stage of development of the ultrasound method.
Известны способ УЗ обнаружения микротрещин на головке рельса [2, 3 и 4], заключающийся в вихретоковом зондировании головки рельса с целью обнаружения поверхностных микротрещин на ней. Такие способы и приборы могут обнаруживать дефекты путем возбуждения вихревых токов в контролируемом изделии. Величина этих токов зависит от частоты возбуждающего тока, электропроводности и магнитной проницаемости материала изделия, относительного расположения катушки и детали, а также от наличия на поверхности дефектов типа нарушения сплошности.The known method of ultrasonic detection of microcracks on the rail head [2, 3 and 4], which consists in the eddy current sensing of the rail head in order to detect surface microcracks on it. Such methods and devices can detect defects by generating eddy currents in a controlled product. The magnitude of these currents depends on the frequency of the exciting current, electrical conductivity and magnetic permeability of the product material, the relative location of the coil and part, as well as on the presence of defects such as discontinuities on the surface.
Недостатком данного способа является низкая достоверность обнаружения дефектов и высокая стоимость аппаратуры. Низкая достоверность связана с тем, что вихретоковыми методами трудно определить степень дефектности изделия, поскольку множество мелких дефектов и один большой могут обладать схожими свойствами, кроме того, эти методы имеют проблемы с выдерживанием требуемых зазоров между зондом и рельсом.The disadvantage of this method is the low reliability of detection of defects and the high cost of equipment. Low reliability is due to the fact that eddy current methods are difficult to determine the degree of defectiveness of the product, since many small defects and one large can have similar properties, in addition, these methods have problems maintaining the required gaps between the probe and the rail.
Известны также вихретоковые способы и устройства обнаружения микротрещин на поверхности катания рельса [3 и 4] предусматривающие установку устройства намагничивания поверхностного слоя головки рельса и размещение на поверхность катания линейку или матрицу из многих датчиков Холла. Они также, по указанным выше причинам обладают низкой достоверностью контроля. Стоимость вихретоковых приборов оказывается на порядок (!) выше УЗ дефектоскопов, что также затрудняет широкое их применение для решения поставленной задачи.Eddy-current methods and devices for detecting microcracks on the rolling surface of a rail [3 and 4] are also known, involving the installation of a magnetization device for the surface layer of the rail head and placing a ruler or matrix of many Hall sensors on the rolling surface. They also, for the above reasons, have a low reliability of control. The cost of eddy current devices is an order of magnitude (!) Higher than ultrasonic flaw detectors, which also complicates their widespread use to solve the problem.
Известны ультразвуковые способы обнаружения дефектов в головке рельса [5-7], заключающиеся в том, что на поверхности катания рельса устанавливают электроакустические преобразователи (ЭАП), направленные на противоположные внутренние поверхности головки рельса, зондируют головку рельса, для чего перемещая ЭАП вдоль рельса, излучают зондирующие и принимают отраженные ультразвуковые сигналы, которые анализируют в выбранном временном окне и делают заключение о наличии и степени развития внутренних дефектов.There are known ultrasonic methods for detecting defects in the rail head [5-7], namely, that electroacoustic transducers (EAPs) are installed on the rail surface, directed to opposite inner surfaces of the rail head, they probe the rail head, for which they emit EAP along the rail, they emit probing and receiving reflected ultrasonic signals, which are analyzed in the selected time window and make a conclusion about the presence and degree of development of internal defects.
Принцип действия данных способов заключается в том, что УЗ зондирующие сигналы, излученные с поверхности катания рельса, отражаясь от внутренних поверхностей головки рельса, вновь пересекают головку, образуя линии (схему) зондирования. При наличии дефекта непараллельного линии зондирования УЗ сигнал в той или иной степени отражается от него и возвращается к излучающим-приемным ЭАП. Принятый сигнал анализируется и делается вывод о наличии дефекта. Такая схема позволяет обнаруживать дефекты разной ориентации, а перемещение ЭАП вдоль рельса - по всей его длине.The principle of operation of these methods is that ultrasonic probing signals emitted from the rail surface, reflected from the inner surfaces of the rail head, again cross the head, forming a sensing line (pattern). In the presence of a defect in the non-parallel ultrasonic sensing line, the signal is reflected to one degree or another from it and returns to the radiating-receiving EAP. The received signal is analyzed and a conclusion is made about the presence of a defect. Such a scheme makes it possible to detect defects of different orientations, and the displacement of the EAA along the rail along its entire length.
Недостатком этих способов является их плохая пригодность для решения задачи обнаружения микротрещин на поверхности катания и рабочей выкружке головки рельса. Этот недостаток связан с тем, что указанные в способах заявленные углы ввода УЗ зондирующих сигналов не гарантируют их попадание искомую зону головки рельса. Кроме того, размеры микротрещины на поверхности катания рельса и амплитуды сигналов, отраженных от них малы, что не позволяет обнаруживать их в обычных режимах зондирования, ориентированных в основном на обнаружение внутренних локальных (одиночных) дефектов головки рельсов (дефекты кодов 20.1-2, 21.1-2, 26.3, 30 и 31 по российской НТД).The disadvantage of these methods is their poor suitability for solving the problem of detecting microcracks on the rolling surface and the working fillet of the rail head. This disadvantage is due to the fact that the stated angles of input of ultrasonic sounding signals indicated in the methods do not guarantee their entry into the desired zone of the rail head. In addition, the sizes of microcracks on the rolling surface of the rail and the amplitudes of the signals reflected from them are small, which does not allow them to be detected in normal sensing modes, oriented mainly to the detection of internal local (single) defects of the rail head (defects of codes 20.1-2, 21.1- 2, 26.3, 30 and 31 according to the Russian NTD).
Известен способ УЗ обнаружения дефектов в головке рельса [8], заключающийся в том, что на поверхности катания рельса устанавливают два электроакустических преобразователя (ЭАП), направленных на противоположные внутренние поверхности головки рельса, зондируют головку рельса, для чего, перемещая ЭАП вдоль рельса, излучают зондирующие и принимают отраженные ультразвуковые сигналы, которые анализируют в выбранном временном окне и делают заключение о наличии и степени развития «oval flaws» - овальных дефектов, т.е. поперечных трещин в головке рельса, классифицируемых в России, как дефекты кода 20.1-2, 21.1-2, 27.1-2 и 26.3 [9]. Направления излучения УЗ колебаний в способе [8] выбирают под углами α1 = 10°-25° от продольной оси рельса по горизонтали и α2 = 60°-80° в глубь рельса от вертикали.There is a method of ultrasonic detection of defects in the rail head [8], which consists in the fact that two electroacoustic transducers (EAPs) are installed on the rail surface, directed to opposite inner surfaces of the rail head, the rail head is probed, for which, by moving the EAP along the rail, they emit probing and receiving reflected ultrasonic signals, which are analyzed in the selected time window and make a conclusion about the presence and degree of development of “oval flaws” - oval defects, i.e. transverse cracks in the rail head, classified in Russia as code defects 20.1-2, 21.1-2, 27.1-2 and 26.3 [9]. The radiation directions of ultrasonic vibrations in the method [8] are chosen at angles α 1 = 10 ° -25 ° from the longitudinal axis of the rail horizontally and α 2 = 60 ° -80 ° in the depth of the rail from the vertical.
Недостатком этого способа также является плохая пригодность для решения задачи обнаружения микротрещин на поверхности катания и рабочей выкружке головки рельса. Этот недостаток связан с тем, что данный способ зондирования обеспечивает попадание линий зондирования в рабочую выкружку головки рельса лишь в частном случае [8, Фиг. 7]. Кроме того, микротрещины в указанных зонах головки рельса малы, поэтому амплитуды сигналов, отраженных от них на порядки меньше амплитуд сигналов от поперечных (овальных) дефектов в головке рельса.The disadvantage of this method is the poor suitability for solving the problem of detecting microcracks on the rolling surface and the working fillet of the rail head. This disadvantage is due to the fact that this sensing method ensures that sensing lines get into the working fillet of the rail head only in a particular case [8, FIG. 7]. In addition, microcracks in the indicated areas of the rail head are small, therefore, the amplitudes of the signals reflected from them are orders of magnitude smaller than the amplitudes of the signals from transverse (oval) defects in the rail head.
Известны УЗ способы и устройства, их реализующие [10-14], предусматривающие использование для ввода и приема УЗ колебаний так называемых «ультразвуковых колесных преобразователей», где в колесо с упругой оболочкой, наполненной жидкостью, размещают неподвижно закрепленные на оси колеса ЭАП. Наличие упругой оболочки позволяет обеспечивать стабильный акустический контакт при минимальной затрате контактирующей жидкости, подаваемой на наружную поверхность колеса в зоне контакта. При этом в [11 и 12] предусмотрено размещение ЭАП внутри колеса на плите, закрепленной неподвижно на оси колеса и имеющей площадку для ЭАП, находящейся в непосредственной близости к оболочке колеса в зоне контакта колеса с контролируемым изделием. Однако известные способы и устройства в основном реализуют эхо-метод УЗ контроля и не позволяют обнаруживать микротрещины на поверхности катания рельса с необходимой достоверностью. Вопросы оценки размеров микротрещин в известных способах не рассматриваются.There are known ultrasonic methods and devices that implement them [10-14], which provide for the use of so-called "ultrasonic wheel transducers" for input and reception of ultrasonic vibrations, where EAPs are fixedly mounted on the axis of the wheel in a wheel with an elastic shell filled with liquid. The presence of an elastic shell makes it possible to ensure stable acoustic contact with a minimum expenditure of contacting fluid supplied to the outer surface of the wheel in the contact zone. At the same time, in [11 and 12], it is planned to place the EA in the wheel on a plate fixed motionless on the axis of the wheel and having a platform for the EA, located in close proximity to the wheel shell in the zone of contact of the wheel with the controlled product. However, the known methods and devices mainly implement the echo method of ultrasonic testing and do not allow to detect microcracks on the rolling surface of the rail with the necessary reliability. Issues of estimating the size of microcracks in the known methods are not considered.
Известен способ ультразвукового обнаружения микротрещин на рабочей выкружке головки рельса [15], заключающийся в том, что на поверхности катания рельса устанавливают два ЭАП так, чтобы УЗ зондирующий сигнал каждого из них после отражения от нижней выкружки попадал на верхнюю выкружку головки рельса, зондируют головку рельса, для чего, перемещая ЭАП вдоль рельса, излучают каждым из них зондирующие и принимают отраженные от верхней выкружки головки рельса ультразвуковые сигналы в соответствующем временном окне при повышенной чувствительности приема, заключение о наличии и степени развития микротрещин на верхней выкружке головки рельса выносят на основе совместного анализа сигналов. При этом один ЭАП направлен на рабочую, а второй - на нерабочую выкружки головки рельса. Сигнал от последнего используется в качестве опорного.A known method of ultrasonic detection of microcracks on the working fillet of the rail head [15], which consists in the fact that two EAPs are installed on the surface of the rail so that the ultrasonic probe signal of each of them falls onto the upper fillet of the rail head after reflection from the lower fillet, probe the rail head why, moving the EAT along the rail, each of them emits probing and receives ultrasonic signals reflected from the upper filament of the rail head in the corresponding time window with an increased sensitivity awning reception, the conclusion about the presence and degree of development of microcracks on the upper fillet of the rail head is made on the basis of a joint analysis of the signals. In this case, one EAA is directed to the working one, and the second - to the non-working fillet of the rail head. The signal from the latter is used as a reference.
Недостатком способа [15] является низкая достоверность обнаружения микротрещин. Практика показывает [1], что микротрещины, как правило, имеют угол ориентации относительно поверхности катания рельса около 25° [1, Фиг. 1], а их направление 21 или 22 зависит от преимущественного направления движения подвижного состава. Таким образом, в способе [15] микротрещины будут обнаружены, если их ориентация и направление УЗ зондирования близки к ортогональным. При противоположном направлении микротрещин они окажутся параллельными линиям УЗ зондирования и не будут найдены. Установка чувствительности ЭАП до уровня начала приема структурных шумов металла рельса [15] для поиска микротрещин, как показали экспериментальные исследования, оказались с одной стороны, необоснованно завышенной, с другой - сильно зависимой от производителя рельсов, уложенных в путь. Например, железнодорожные рельсы японских производителей (уложены на участке Санкт-Петербург - Москва) имеют весьма мелкую структуру металла, российских металлургических комбинатов - более крупную структуру. Кроме того, структура металла рельса в зависимости от технологии закалки рельса (объемно-закаленные, закалкой поверхностного слоя головки, сырые и т.п.) имеет заметную неравномерность по высоте головки рельса. Все это влияет на уровень структурных шумов при ультразвуковом контроле и затрудняет использование этого уровня в качестве опорной чувствительности при выявлении микротрещин на рабочей выкружке головки рельсов. Таким образом, способ [15], обладает узкой областью применения, недостаточной достоверностью и низкой вероятностью обнаружения микротрещин.The disadvantage of this method [15] is the low reliability of detection of microcracks. Practice shows [1] that microcracks, as a rule, have an orientation angle relative to the rolling surface of the rail about 25 ° [1, Fig. 1], and their
Известен способ ультразвукового обнаружения микротрещин на рабочей выкружке головки рельса по [16], заключающийся в том, что на поверхности катания рельса устанавливают два ЭАП, направленных зеркально относительно плоскости поперечного сечения рельса на рабочую выкружку головки рельса так, чтобы ультразвуковой сигнал каждого из них после отражения от нижней выкружки попадал на верхнюю выкружку головки рельса, зондируют головку рельса, для чего, перемещая ЭАП вдоль рельса, излучают каждым из них зондирующие и принимают отраженные от верхней выкружки головки рельса УЗ сигналы в соответствующем временном окне, дополнительно принимают УЗ сигналы, отраженные от нижней выкружки головки рельса в соответствующих временных окнах приема, чувствительность приема каждого ЭАП во всех временных окнах приема постоянно выбирают так, чтобы получать сигналы от металлургических неровностей на нижней выкружке головки рельса, заключение о наличии и степени развития и ориентации микротрещин на верхней выкружке головки рельса производят на основе совместного анализа сигналов полученных ЭАП.There is a method of ultrasonic detection of microcracks on the working fillet of the rail head according to [16], which consists in the fact that two EAPs are installed on the rail surface, which are directed specularly relative to the plane of the cross section of the rail on the working fillet of the rail head so that the ultrasonic signal of each of them after reflection from the lower fillet onto the upper fillet of the rail head, the rail head is probed, for which, moving the EAF along the rail, each of them probes emit and receive reflected from the top the fillet of the rail head ultrasound signals in the corresponding time window, additionally receive ultrasound signals reflected from the lower fillet of the rail head in the corresponding time windows of reception, the reception sensitivity of each EA in all time windows of reception is constantly selected so as to receive signals from metallurgical irregularities in the lower fillet rail head, a conclusion about the presence and degree of development and orientation of microcracks on the upper fillet of the rail head is made on the basis of a joint analysis of the signals received x EAP.
Недостатками известного способа, принятого за прототип, являются низкая надежность и достоверность контроля, вызванная использованием для обнаружения микротрещин только эхо-метода УЗ контроля. Микротрещины, как правило, имеют слабую отражающую способность, формируемые ими эхо-сигналы выражены не четко, имеют малые амплитуды и их трудно выделить на фоне шумов, неизбежных при производственном контроле. Кроме того, известный способ позволяет оценивать наличие микротрещин только в зоне рабочей выкружки головки (что следует из названия патента). В то же время действующие европейские нормативные документы требуют при диагностике осуществлять градацию размеров трещин как минимум на две группы: до 20 мм и больше 20 мм, пересекающие продольную ось головки рельса. Известный способ не позволяет осуществлять такую градацию.The disadvantages of the known method adopted for the prototype are the low reliability and reliability of the control, caused by the use for detection of microcracks only the echo method of ultrasonic testing. Microcracks, as a rule, have a weak reflectivity, the echoes formed by them are not clearly expressed, have small amplitudes and are difficult to distinguish from the noise inevitable during production control. In addition, the known method allows to assess the presence of microcracks only in the area of the working fillet of the head (which follows from the name of the patent). At the same time, the current European regulatory documents require a diagnostic to carry out gradation of crack sizes into at least two groups: up to 20 mm and more than 20 mm, crossing the longitudinal axis of the rail head. The known method does not allow such a gradation.
Например, по классификации Railtrack [1, 17] поверхностные трещины делят на четыре основные группы: L - дефекты незначительной длины (менее 10 мм); М - трещины умеренной протяженности (10-19 мм); Z - серьезная длина дефекта (20-19 мм) и ZE - трещины опасной длины (более 30 мм). В зависимости от развития трещины возрастает опасность перехода поверхностной трещины в опасную поперечную трещину. Поэтому дефект группы Z и ZE требуют особого внимания. Задача дефектоскопии обеспечить не только выявление (локализацию участка) указанных микротрещин, но определить их протяженность с целью принятия упреждающих мер. При появлении микротрещин группы L необходимо запланировать, а при достижении ими размеров зоны М выполнить работы по превентивному шлифованию с целью снятия поврежденного поверхностного слоя металла головки рельса. Если же поверхностные микротрещины достигли зон Z и ZE, то требуется ограничение скоростей движения поездов на данном участке ж.д. линии.For example, according to the Railtrack classification [1, 17], surface cracks are divided into four main groups: L — defects of insignificant length (less than 10 mm); M - cracks of moderate length (10-19 mm); Z - serious defect length (20-19 mm) and ZE - dangerous crack lengths (more than 30 mm). Depending on the development of the crack, the risk of a surface crack becoming a dangerous transverse crack increases. Therefore, defect groups Z and ZE require special attention. The task of flaw detection is to ensure not only the identification (localization of the site) of these microcracks, but to determine their extent in order to take proactive measures. When microcracks of group L appear, it is necessary to plan, and when they reach the size of zone M, carry out preventive grinding to remove the damaged surface layer of the metal of the rail head. If surface microcracks have reached the Z and ZE zones, then a limitation of train speeds on this railway section is required. lines.
Задачей, решаемой заявляемым способом, является повышение надежности и достоверности обнаружения микротрещин на поверхности катания головки рельса с одновременной оценкой степени их развития.The problem solved by the claimed method is to increase the reliability and reliability of detection of microcracks on the surface of the rail head with a simultaneous assessment of the degree of their development.
Для решения поставленной задачи в способе ультразвукового обнаружения микротрещин на поверхности катания головки рельса, заключающейся в том, что на поверхности катания рельса устанавливают два наклонных электроакустических преобразователя направленных зеркально относительно плоскости поперечного сечения рельса так, чтобы ультразвуковой зондирующий сигнал каждого из них после отражения от нижней выкружки попадал на верхнюю выкружку головки рельса, сканируют головку рельса, для чего, перемещая электроакустические преобразователи вдоль рельса, излучают каждым из них зондирующие колебания, заключение о наличии, степени развития и ориентации микротрещин на поверхности катания головки рельса производят на основе совместного анализа сигналов, полученных электроакустическими преобразователями, согласно изобретению излучение ультразвуковых колебаний производят электроакустическими преобразователями, смещенными от продольной оси рельса на противоположную от рабочей грани головки рельса сторону, диаграмму направленности этих преобразователей выбирают достаточной для озвучивания, после переотражений от нижней выкружки головки рельса, не менее половины поверхности катания головки рельса со стороны рабочей грани головки, прошедшие через головку рельса ультразвуковые колебания принимают линейкой приемных электроакустических преобразователей, размещенных в колесных преобразователях с упругой оболочкой поперек головки рельса вблизи пятна контакта колеса с рельсом, количество приемных преобразователей в линейках выбирают исходя из требуемой разрешающей способности, заключение о степени развития микротрещин производят с учетом сигналов, полученных приемными преобразователями в линейках.To solve the problem in the method of ultrasonic detection of microcracks on the rolling surface of the rail head, which consists in the fact that two inclined electro-acoustic transducers are installed on the rolling surface of the rail, which are mirrored relative to the plane of the rail cross section so that the ultrasonic sounding signal of each of them after reflection from the lower fillet hit the upper fillet of the rail head, scan the rail head, for which, moving the electro-acoustic transducers along the rail, each of them emits sounding vibrations, the conclusion about the presence, degree of development and orientation of microcracks on the tread surface of the rail head is made on the basis of a joint analysis of signals received by electro-acoustic transducers, according to the invention, ultrasonic vibrations are produced by electro-acoustic transducers offset from the longitudinal axis of the rail by the side opposite from the working face of the rail head, the radiation pattern of these transducers is selected sufficiently for sounding, after re-reflections from the lower fillet of the rail head, at least half of the rolling surface of the rail head from the side of the working head of the head, ultrasonic vibrations transmitted through the rail head are received by a line of receiving electro-acoustic transducers placed in wheel transducers with an elastic shell across the rail head near the contact spot wheels with a rail, the number of receiving converters in the rulers is selected based on the required resolution, a conclusion on the degree of Itijah microcracks produced based the signals received by the receiving transducer in the lines.
Для дальнейшего повышения достоверности контроля на поверхность катания рельса устанавливают дополнительный электроакустический преобразователь, ориентированный попрек головки рельса на нижнюю выкружку головки со стороны рабочей грани, по временному положению сигнала от нижней выкружки контролируют местоположение электроакустических преобразователей относительно продольной оси рельса, а по амплитудной огибающей этого сигнала контролируют качество акустического контакта и, совместно с сигналами от других электроакустических преобразователей, судят о наличии внутренних дефектов в головке рельса.To further increase the reliability of control, an additional electro-acoustic transducer is installed on the rail’s surface, oriented to reprogram the rail head to the lower head fillet from the side of the working face, the location of the electro-acoustic transducers relative to the longitudinal axis of the rail is controlled by the temporal position of the signal from the lower fillet, and the amplitude of the envelope of this signal is controlled quality of acoustic contact and, together with signals from other electro-acoustic devices eobrazovateley, judged on the presence of internal defects in the rail head.
Существенными отличиями заявляемого способа от прототипа являются:Significant differences of the proposed method from the prototype are:
1. Использование теневого метода УЗ контроля для локализации участков рельсов, поверхность катания которых повреждена микротрещинами. Теневой метод в этом случае более надежен, чем эхо-метод контроля, применяемый в прототипе. Это вызвано тем, что микротрещины обладают плохой отражающей способностью, в то же время они препятствуют прохождению акустических колебаний УЗ частоты, вызывая полное их ослабление.1. The use of the shadow method of ultrasonic testing to localize sections of rails whose rolling surface is damaged by microcracks. The shadow method in this case is more reliable than the echo control method used in the prototype. This is due to the fact that microcracks have poor reflectivity, while at the same time they prevent the passage of acoustic vibrations of the ultrasonic frequency, causing their complete weakening.
2. Благодаря использованию теневого метода и линейки приемных преобразователей удается оценить протяженность микротрещин на поверхности катания рельсов. В прототипе анализируются сигналы только от микротрещин, находящихся в зоне рабочей выкружки головки рельса, что существенно ограничивает функциональные возможности известного способа.2. Thanks to the use of the shadow method and the line of receiving transducers, it is possible to estimate the extent of microcracks on the rails. The prototype analyzes signals only from microcracks located in the area of the working fillet of the rail head, which significantly limits the functionality of the known method.
3. Выбор количества пъезопластин в матрице приемных преобразователей исходя из требуемой градации протяженности обнаруживаемых микротрещин позволяет классифицировать степень опасности выявленных микротрещин и принять превентивные меры. В прототипе такие возможности не предусмотрены.3. The choice of the number of piezoelectric plates in the matrix of receiving transducers based on the required gradation of the length of the detected microcracks allows you to classify the degree of danger of the detected microcracks and take preventive measures. In the prototype, such features are not provided.
4. Размещение матрицы приемных преобразователей в колесном преобразователе с упругой оболочкой обеспечивает стабильный акустический контакт независимо от степени износа головки рельса и состояния его поверхности. В известном способе результаты контроля зависят от состояния поверхности рабочей выкружки головки рельса.4. The placement of the matrix of the receiving transducers in a wheel transducer with an elastic shell provides stable acoustic contact regardless of the degree of wear of the rail head and the state of its surface. In the known method, the control results depend on the surface condition of the working fillet of the rail head.
5. Наличие специального преобразователя, ориентированного на нижнюю грань головки рельса поперек (перпендикулярно) продольной оси рельса и отслеживание положения системы преобразователей относительно этой оси рельса по временному положению и амплитуде сигналов от нижней выкружки головки рельсов, повышает надежность контроля. В прототипе контроль местоположения преобразователей возможен только по косвенным признакам (по уровню «опорных» сигналов наклонных преобразователей от металлургических неровностей нижней выкружки головки рельса).5. The presence of a special transducer oriented to the lower face of the rail head across (perpendicular) the longitudinal axis of the rail and tracking the position of the system of converters relative to this axis of the rail by the temporal position and amplitude of the signals from the lower fillet of the rail head increases the reliability of control. In the prototype, the location of the converters is possible only by indirect signs (by the level of the "reference" signals of the inclined converters from metallurgical irregularities of the lower fillet of the rail head).
6. Контроль акустического контакта под преобразователями с помощью опорного сигнала, получаемого от нижней выкружки головки рельса при озвучивании ее УЗ лучами, направленными поперек головки рельса, дополнительно повышает надежность контроля. В прототипе такой контроль осуществляется лишь частично по косвенным признакам.6. Control of the acoustic contact under the transducers using the reference signal received from the lower fillet of the rail head when sounding it with ultrasound rays directed across the rail head, further increases the reliability of control. In the prototype, such control is carried out only partially by indirect signs.
7. Использование для обнаружения внутренних дефектов головки рельса наряду с традиционным эхо-методом контроля, и зеркально-теневого метода.7. Use for detecting internal defects of the rail head along with the traditional echo-control method and the mirror-shadow method.
Дополнительный анализ огибающих «донных» (опорных) сигналов повышает вероятность обнаружения внутренних дефектов головки одновременно с обнаружением и оценкой размеров микротрещин на поверхности катания рельса. В прототипе микротрещины обнаруживаются только на рабочей выкружке головки, а внутренние дефекты выявляются только с использованием эхо-метода УЗ контроля.An additional analysis of the envelope of the “bottom” (reference) signals increases the likelihood of detecting internal defects of the head at the same time as detecting and evaluating the size of microcracks on the rail surface. In the prototype, microcracks are detected only on the working fillet of the head, and internal defects are detected only using the echo method of ultrasonic testing.
Техническим результатом реализации заявляемого способа является повышение надежности и достоверности обнаружения микротрещин любой ориентации на поверхности катания головки рельса с одновременной оценкой их степени развития.The technical result of the implementation of the proposed method is to increase the reliability and reliability of detection of microcracks of any orientation on the rolling surface of the rail head with a simultaneous assessment of their degree of development.
Заявляемый способ иллюстрируют следующие графические материалы, на которых пунктирными линиями со стрелками обозначены направления осей (и лучей) излучения (приема) УЗ колебаний ЭАП:The inventive method is illustrated by the following graphic materials, on which the dotted lines with arrows indicate the directions of the axes (and rays) of the radiation (reception) of ultrasonic vibrations of the EAP:
Фиг. 1 - схемы прозвучивания рельса, где:FIG. 1 - rail sounding schemes, where:
1 - головка рельса;1 - rail head;
2 - микротрещины;2 - microcracks;
3 - верхняя (рабочая) выкружка головки рельса;3 - upper (working) fillet of the rail head;
4 - нижняя выкружка головки рельса;4 - lower fillet of the rail head;
5 - первый ЭАП;5 - the first EAA;
6 - второй ЭАП;6 - second EAA;
7 - третий ЭАП;7 - the third EAA;
8 - линейка (матрица) приемных ЭАП;8 - line (matrix) of receiving EAP;
9 - колесные преобразователи;9 - wheel converters;
10 - продольная ось рельса (продольная центральная вертикальная плоскость рельса).10 - longitudinal axis of the rail (longitudinal central vertical plane of the rail).
Фиг. 2 - отображение (развертка типа С) принятых линейкой 4 элементарных ЭАП УЗ сигналов в процессе сканирования (обозначения основных элементов соответствуют обозначениям на Фиг. 1), темные ячейки индицируют отсутствие сквозного сигнала из-за наличия микротрещин:FIG. 2 - display (type C scan) of the elementary EAP ultrasound signals received by the
11 - развертка типа С;11 - scan type C;
L, M, Z и ZE - зоны размеров трещин по действующей НТД [1].L, M, Z, and ZE are the crack size zones according to the current scientific and technical documentation [1].
Фиг. 3 - Схема мониторинга положения акустического блока с ЭАП (5, 6 и 7) и представление сигналов контроля ЭАП 7, где Фиг. 3а и б - схема озвучивания головки рельса ЭАП 7, Фиг. 3в и г - амплитудная огибающая опорного сигнала и развертка типа А сигналов ЭАП 7:FIG. 3 is a diagram for monitoring the position of an acoustic unit with an electronic transducer (5, 6, and 7) and a representation of the monitoring signals of an
12 - поперечная трещина в головке рельса;12 - transverse crack in the rail head;
13 - продольная трещина внутри головки рельса;13 is a longitudinal crack inside the rail head;
14 - зондирующий импульс;14 - probe pulse;
15 - отраженный (опорный) сигнал от нижней выкружки 4 головки рельса 1 на ЭАП 7;15 - reflected (reference) signal from the
16 - амплитудная огибающая опорного сигнала;16 - amplitude envelope of the reference signal;
17 - пороговый уровень;17 - threshold level;
18 - стробирующий (селектирующий) импульс.18 - gating (breeding) pulse.
Фиг. 4 - Устройство, реализующее заявляемый способ, где:FIG. 4 - A device that implements the inventive method, where:
19 - первый коммутатор;19 - the first switch;
20 - второй коммутатор;20 - the second switch;
21 - генератор УЗ зондирующих сигналов;21 - generator of ultrasonic sounding signals;
22 - приемник-усилитель отраженного сигнала;22 - receiver-amplifier of the reflected signal;
23 - аналого-цифровой преобразователь;23 - analog-to-digital Converter;
24 - компьютер (контроллер дефектоскопа);24 - computer (flaw detector controller);
25 - датчик пути (одометр);25 - track sensor (odometer);
26 - дисплей.26 - display.
Рассмотрим возможность реализации заявляемого способа.Consider the possibility of implementing the proposed method.
На поверхности катания рельса 1 с возможными микротрещинами 2 различной ориентации 21 и 22 устанавливают наклонные ЭАП 5, 6 и 7 (Фиг. 1), сгруппированные в единый блок ЭАП. Положение и направление излучения ЭАП 5 и 6 выбирают так, чтобы их УЗ зондирующие сигналы были зеркальны относительно плоскости поперечного сечения рельса 1, а после отражения от нижней выкружки 4 головки рельса 1 были направлены на рабочую выкружку 3 и поверхность катания головки рельса. Направление излучения ЭАП 7 перпендикулярно продольной оси рельса и ориентировано на озвучивание нижней выкружки 4 головки рельса 1.On the rolling surface of the rail 1 with
Для обеспечения озвучивания с помощью ЭАП 5 и 6 головки рельса не только в зоне рабочей выкружки, но и в зоне поверхности катания вплоть до продольной оси рельса (зона, в которой по правилам действующих НТД требуется обнаруживать микротрещины) группу (блок) ЭАП 5, 6 и 7 смещают относительно продольной оси рельса на величину d (Фиг. 1 и 2). Указанную величину смещения d определяют экспериментально в зависимости от типа контролируемого рельса. Как известно, конфигурации головки рельса 1 в зависимости от типа рельса: Р 65 или Р 50 российского производства или UIC 60, UIC 54 зарубежного производства, отличаются.To ensure sounding with the help of
Указанному способу задания направлений ввода УЗ колебаний в рельс соответствуют углы излучения наклонных ЭАП 5 и 6 в пределах 10°-80° от продольной оси рельса по горизонтали, а углы α в глубь рельса от вертикали выбираются в зависимости от формы головки рельса (на практике от 25° до 70°).The indicated method for specifying the directions for introducing ultrasonic vibrations into the rail corresponds to the radiation angles of
При бездефектном состоянии головки рельсов линейкой преобразователей 8, размещенных в колесных преобразователях 9 с упругой оболочкой поперек головки 1 рельса вблизи пятна контакта колеса с рельсом, всеми элементарными ЭАП линейки принимаются излученные соответствующими ЭАП 5 и 6 УЗ колебания (на Фиг. 1а излученные ЭАП 5 колебания принимаются линейкой ЭАП 81, а излученные ЭАП 6 - соответственно линейкой 82). Обычно для указанных типов рельсов значение d не превышает 20 мм. Это благоприятно сказывается на качестве контроля, так как в этой центральной зоне поверхность катания имеет весьма гладкую поверхность (вплоть до зеркальной), и в процессе сканирования обеспечивается стабильный акустический контакт между рабочей поверхностью блока из ЭАП 5, 6 и 7 и поверхностью катания рельса 1.With a defect-free state of the rail head by a line of
Естественно, на ширину диаграммы направленности оказывает влияние и размер излучающей части ЭАП 5 и 6. При использовании в качестве ЭАП пьезоэлектрических преобразователей, как показывает практика, при диаметре пьезопластины 8-12 мм, большая часть поверхности катания рельса (от рабочей выкружки до продольной оси головки рельса) озвучивается УЗ лучами, претерпевшими переотражения УЗ лучей от нижней выкружки головки рельса. На формирование такой, весьма широкой диаграммы направленности оказывает влияние также и своеобразная форма нижней полки и выкружки 4 головки рельса (см. Фиг. 1б), способствующая после переотражения квазирасщеплению УЗ лучей в достаточно широкий сектор, охватывающий искомую зону поверхности головки. Это позволяет на бездефектных участках принимать всеми элементарными ЭАП линейки 8, прошедшие через головку УЗ сигналы достаточной для уверенной фиксации амплитудами.Naturally, the width of the radiation pattern is also influenced by the size of the radiating part of the
Количество элементарных ЭАП в линейке 8, размещаемых поперек головки начиная от края рабочей грани головки рельса (см. Фиг 1, и Фиг. 2б), выбирают исходя из требуемой разрешающей способности при определении протяженности развития поверхностных микротрещин поперек головки рельса. Если в соответствии с рекомендациями Railtrack принять количество градаций (зон) равным 4 (L, М, Z и ZE), то и количество элементарных ЭАП в линейке должно быть не менее четырех. В частности, в действующем образце дефектоскопа, реализующего заявляемый способ контроля, количество элементарных ЭАП выбрано равным 8 (по 2 ЭАП на каждую зону), с диаметром пьезопластин по 4 мм каждая.The number of elementary EAFs in
На Фиг. 2а показан пример отображения результатов поиска микротрещин на поверхности катания рельса при сканировании линейкой из 4-х элементарных ЭАП. На дефектограмме в виде развертки С (изображение дефектов на сканируемой площади контролируемого изделия) по горизонтальной оси представлена ширина поверхности катания, а по вертикали - длина рельса (путь сканирования). Приняты следующие обозначения: при наличии прошедшего (сквозного) сигнала (например, от излучающего ЭАП 6 к линейке преобразователей 82) на каждой дискрете пути (задаваемой датчиком пути 25 и компьютером 24) сканирования (например, через каждые 10 мм пути) на развертке типа С отображается ячейка светлого тона. При пропадании сквозного сигнала, свидетельствующего о наличии трещин, экранирующих УЗ колебания - отображаются ячейки темного цвета. По формируемой дефектограмме можно судить о размерах выявленной группы микротрещин: например, на Фиг. 2а на протяженности (по длине рельса) около 20 мм обнаружены микротрещины группы Z - имеющие длину поперек головки рельса до 19 мм; на длине рельса около 60 мм их окружают трещины меньших размеров (группы L и М).In FIG. 2a shows an example of displaying the results of the search for microcracks on the rolling surface of a rail when scanning with a ruler of 4 elementary EAA. On the defectogram in the form of a scan C (image of defects on the scanned area of the controlled product), the rolling surface width is shown along the horizontal axis, and the rail length (scanning path) along the vertical axis. The following designations are accepted: in the presence of a transmitted (through) signal (for example, from the emitting
Для корректности выполняемых измерений предлагаемым способом важно обеспечить в процессе сканирования стабильный акустический контакт под всеми ЭАП. Традиционные системы скольжения эту задачу, особенно на крайних участках поверхности катания головки (в зоне рабочей выкружки) могут и не выполнить. Поэтому, в соответствии с заявляемым способом, линейку 8 элементарных ЭАП размещают внутри известного (см., например, [10-14]) колесного преобразователя 9. Упругая оболочка колесного преобразователя, выполняемая обычно из полиуретана особой марки, плотно прилегает к сканируемой поверхности, обеспечивая стабильный акустический контакт на всем пути сканирования.For the correctness of the measurements made by the proposed method, it is important to ensure a stable acoustic contact under all EAFs during the scanning process. Traditional sliding systems may not be able to fulfill this task, especially in extreme parts of the head roll surface (in the area of the working fillet). Therefore, in accordance with the claimed method, a line of 8 elementary EAFs is placed inside the known (see, for example, [10-14])
В диапазоне выбранных углов ввода и разворота ЭАП 5 и 6 необходимое расстояние между центром скользящего блока ЭАП и центром колесного преобразователя 9 составляет около 60…90 мм. Исходя из этого и учитывая конструктивный размер скользящего блока ЭАП (в макете 27×27×25 мм), диаметр колесного преобразователя может составлять 90…120 мм. При реализации макета дефектоскопа, реализующего заявляемый способ, выбран типовой колесный преобразователь диаметром 110 мм производства ОАО «Радиоавионика» [18].In the range of selected input and rotation angles of the
Для контроля качества акустического контакта и одновременного мониторинга положения скользящего по поверхности катания рельса блока ЭАП, состоящего из трех наклонных ЭАП 5, 6 и 7, в предлагаемом способе принимаются специальные меры: для этого ЭАП 7 ориентирован непосредственно на нижнюю выкружку головки 1 рельса (Фиг. 3), и при хорошем качестве контакта излучая зондирующие импульсы 14 получает от нее эхо-сигнал 15 (опорный сигнал) стабильной амплитуды. При размещении всех ЭАП, включая и колесные преобразователи 9, на единый носитель (на Фиг не показан) опорный сигнал от ЭАП 7 может использоваться для центровки всей системы сканирования.In order to control the quality of the acoustic contact and simultaneously monitor the position of the EAA block sliding on the surface of the rail, consisting of three
При этом по временному положению to этого сигнала 15 относительно зондирующего импульса 14 по известному углу ввода α, высоте головки рельса h и скорости распространения ct сдвиговых УЗ колебаний (Фиг. 3б) по известным выражениям [9] весьма точно можно определить положение блока ЭАП относительно продольной оси (продольной центральной вертикальной плоскости) рельса. При использовании порогового уровня 17 и зоны временной селекции (строб импульса) 18, процесс контроля положения системы ЭАП относительно продольной оси 10 рельса можно автоматизировать (см. Фиг. 3б): если амплитуда опорного сигнал 15 выше порога 17 и находится в пределах строба 18 - положение системы ЭАП в норме; в противном случае необходимо принимать корректирующие действия.Moreover, by the temporal position t o of this
При стабильном положении блока относительно продольной оси рельса (to = const), уменьшение амплитуды опорного сигнала 15 может произойти при нарушении акустического контакта под блоком ЭАП или при наличии внутренних дефектов (12 - вертикальная трещина или 13 - горизонтальная трещина) в головке 1 рельса (Фиг. 3а).With a stable position of the block relative to the longitudinal axis of the rail (t o = const), a decrease in the amplitude of the
Как установлено экспериментально, причину уменьшения уровня опорного сигнала 15 от ЭАП 7 можно установить путем анализа его амплитудной огибающей 16 получаемой в процессе сканирования. Как видно из Фиг. 3а, б и в, при наличии внутренней несплошности (вертикальной 12 или горизонтальной 13) изменение огибающей в зонах 12о и 13о происходит весьма резко (большая крутизна огибающей), а при нарушении акустического контакта крутизна изменения огибающей небольшая и процесс изменения происходит весьма плавно (зона 16нк на Фиг. 3). Очевидно, это связано инерционностью блока ЭАП и систем прижатия (на Фиг. не показаны) его к поверхности катания рельса, которые препятствуют мгновенному изменению положения блока относительно сканируемой поверхности в вертикальной плоскости.As established experimentally, the reason for the decrease in the level of the
Таким образом, дополнительный ЭАП 7, включаемый в состав блока совместно с наклонными ЭАП 5 и 6, может быть использован не только для контроля положения блока относительно продольной оси 10 рельса, но и для обнаружения внутренних дефектов в головке 1 рельсов и фиксации нарушения акустического контакта. Причем, в отличие от ЭАП 5 и 6, при поиске внутренних локальных дефектов можно анализировать не только эхо-сигналы, но и огибающую опорного сигнала, что безусловно повышает достоверность обнаружения дефектов. А мониторинг акустического контакта и положения блока ЭАП на поверхности катания дополнительно повышают надежность контроля.Thus, the
Устройство, реализующее заявляемый способ, изображенное на Фиг. 4, является многоканальным УЗ дефектоскопом, одновременно реализующим эхо-, зеркально-теневой и теневой методы контроля.A device implementing the inventive method depicted in FIG. 4, is a multichannel ultrasonic flaw detector that simultaneously implements echo, mirror-shadow and shadow control methods.
ЭАП 5, 6 и 7 - предназначены для излучения и приема УЗ колебаний;
Элементарные ЭАП, входящие в линейки 81 и 82, работают в теневом режиме, фиксируя наличие или отсутствие сквозных сигналов, прошедших от излучателей 5 и 6 к приемникам в линейках через головку рельса, как показано на Фиг. 1.The elementary EAPs included in
Коммутатор 19 - предназначен для подключения генератора УЗ зондирующих УЗ сигналов 21 к требуемому ЭАП (5, 6 или 7).The
Коммутатор 20 - предназначен для подключения ЭАП (5, 6, 7 и линейки с ЭАП 81 и 82) к многоканальному приемнику-усилителю 22 принятых УЗ сигналов. Коммутаторы 19 и 20 управляются компьютером (процессором) 24. Аналого-цифровые преобразователи 23 обеспечивают преобразование принятых сигналов в цифровой код. Коэффициент усиления многоканального приемника-усилителя 22 изменяется под управлением компьютера 24 и при настройке устанавливается таким образом, чтобы уровни сквозных сигналов на всех элементарных ЭАП линеек 81 и 82 на бездефектном участке рельса были идентичными. Возможные ослабления сквозных сигналов из-за наличия поверхностных микротрещин на одном или нескольких элементарных ЭАП фиксируются компьютером 24 (Фиг. 4) для формирования развертки 11 типа С (Фиг. 2) с учетом показаний датчика пути 25.The switch 20 - is designed to connect the EAP (5, 6, 7 and the line with
Датчик пути (одометр) 25 отсчитывает пройденное системой ЭАП из блока скользящих (ЭАП 5, 6 и 7) двух колесных (91 и 92) преобразователей расстояние по длине рельса и его показания используются компьютером 24 для формирования развертки типа С.The track sensor (odometer) 25 counts the distance traveled by the EAP system from the block of sliding (
Компьютер 24 синхронизирует работу всех устройств, принимает оцифрованные сигналы от ЭАП, обрабатывает их по заданным алгоритмам и отображает результаты на дисплее 26.The
Работа устройства, реализующего заявляемый способ (Фиг. 4), заключается в том, что по команде от компьютера 24 генератор 21 формирует УЗ зондирующие сигналы, которые через управляемый компьютером 24 коммутатор 19 подаются на ЭАП 5, 6 и 7. УЗ колебания от ЭАП 5 и 6 проходя сквозь тело головки 1 рельса, внешнюю оболочку колесного преобразователя 9 и специальную иммерсионную жидкость в колесе попадают на элементарные ЭАП линеек 81 и 82. По уровню их амплитуд с учетом сигналов с датчика пути 25 на компьютере 24 формируется развертка типа С (Фиг. 2).The operation of the device that implements the inventive method (Fig. 4) consists in the fact that, upon a command from
Производят УЗ сканирование рельса 1, для чего перемещают вдоль него систему ЭАП, постоянно излучают ими в головку рельса 1 УЗ зондирующие сигналы и принимают отраженные сигналы от возможных внутренних дефектов, выкружки 4 головки рельса (ЭАП 7) и сквозные сигналы, прошедшие через головку рельса (по траектории, показанной на Фиг. 1).Ultrasound scanning of rail 1 is carried out, for which a EAA system is moved along it, they constantly emit sounding signals to rail head 1 of ultrasound and receive reflected signals from possible internal defects,
Частоту посылок УЗ зондирующих импульсов и дискретность сканирования рельса 1, выбирают исходя из требований по разрешающей способности и текущей скорости перемещения системы ЭАП (на ручной тележке, автомотрисе или вагоне-дефектоскопе).The frequency of sending ultrasound probe pulses and the discreteness of scanning of rail 1 are selected based on the requirements for resolution and current speed of the EAP system (on a hand truck, railcar or flaw detector).
Все сигналы, получаемые в процессе сканирования, после усиления в приемнике 22 и оцифровки в АЦП 23 поступают на компьютер 24.All signals received during the scanning process, after amplification in the
В общем случае специальное программное обеспечение (СПО) компьютера 24 реализует алгоритмы:In the General case, special software (STR)
- определения и оценки размеров и ориентации микротрещин на поверхности катания рельса по показаниям элементарных ЭАП линеек 81 и 82;- determining and evaluating the size and orientation of microcracks on the surface of the rail according to the indications of
- поиска и оценки размеров внутренних дефектов по показаниям ЭАП 5, 6 и 7 по эхо- и зеркально-теневым (ЭАП 7) методами;- search and assessment of the size of internal defects according to the readings of the
- контроля положения системы ЭАП на поверхности катания рельса и оценке качества акустического контакта блока ЭАП.- monitoring the position of the EAP system on the rail surface and assessing the quality of the acoustic contact of the EAP block.
В результате, по уменьшению уровней сигналов ниже заданного порога (или порогов, при более подробной градации) в определенных элементарных ЭАП в колесных преобразователях 9 определяют наличие и размер поверхностных микротрещин. По соотношению среднего уровня амплитуд сигналов, принятых элементарными ЭАП 5 и ЭАП 6 в линейках 81 и 82 судят о преимущественной ориентации микротрещин вдоль рельса (Фиг. 1а и в). По анализу сигналов на ЭАП 5, 6 и 7 определяют наличие и параметры внутренних дефектов в головке 1 рельса. Дополнительный мониторинг положения и контроля акустического контакта системы ЭАП с помощью опорного сигнала, принимаемого ЭАП 7 от нижней выкружки 4 головки рельса, повышает надежность контроля.As a result, by reducing signal levels below a predetermined threshold (or thresholds, with a more detailed gradation), the presence and size of surface microcracks are determined in certain elementary EAPs in
Таким образом, заявляемый способ позволяет:Thus, the claimed method allows you to:
- обнаруживать участки рельсов с микротрещинами на поверхности катания головки рельса;- detect sections of rails with microcracks on the rolling surface of the rail head;
- определять ориентацию и размеры микротрещин;- determine the orientation and size of microcracks;
- с большей достоверностью определять локальные дефекты внутри головки рельса, в том числе и под поверхностными микротрещинами;- with greater reliability to determine local defects inside the rail head, including under surface microcracks;
- повышать надежность контроля, осуществляя в процессе сканирования мониторинг положения системы ЭМАП на поверхности катания рельса.- to increase the reliability of control by monitoring in the scanning process the position of the EMAT system on the surface of the rail.
Способ может быть реализован, позволяет повышать надежность и достоверность обнаружения, определения размеров и ориентации микротрещин на поверхности катания головки рельса с одновременным выявлением внутренних дефектов в головке рельсов. Обнаружение таких аномалий на ранних стадиях позволяет своевременно обнаружить опасные поверхностные и внутренние дефекты, принять меры по их устранению и предотвратить катастрофические последствия на железнодорожном транспорте.The method can be implemented, it allows to increase the reliability and reliability of detection, determining the size and orientation of microcracks on the rolling surface of the rail head with the simultaneous detection of internal defects in the rail head. The detection of such anomalies in the early stages allows timely detection of dangerous surface and internal defects, take measures to eliminate them and prevent catastrophic consequences in rail transport.
Источники информацииInformation sources
1. Бели Я., Немеет И. Контактно-усталостные микротрещины головки рельса. Журнал "Путь и путевое хозяйство", №5, 2011 г.1. Beli I., Numb I. Contact-fatigue microcracks of the rail head. The magazine "Way and track economy", No. 5, 2011
2. Патент RU 2184960.2. Patent RU 2184960.
3. Патент US 6549005.3. Patent US 6549005.
4. Патент US 2003128030.4. Patent US 2003128030.
5. Патент RU RU 2308027.5. Patent RU RU 2308027.
6. Патент RU 23987.6. Patent RU 23987.
7. Патент RU 2184374.7. Patent RU 2184374.
8. Патент US 4700574.8. Patent US 4700574.
9. Марков А.А., Шпагин Д.А. Ультразвуковая дефектоскопия рельсов. СПб.: Образование-Культура. 2008, 283 с.9. Markov A.A., Shpagin D.A. Ultrasonic flaw detection of rails. SPb .: Education-Culture. 2008, 283 p.
10. Патент WO 9701094.10. Patent WO 9701094.
11. Патент ЕР 1132735.11. Patent EP 1132735.
12. Патент US 6604421.12. Patent US 6604421.
13. Патент RU 89235.13. Patent RU 89235.
14. Патент RU 148954.14. Patent RU 148954.
15. Патент RU 2545493.15. Patent RU 2545493.
16. Патент RU 261357416. Patent RU 2613574
17. S.L. Grassie. International Railway Journal, 2001, №1, p. 13-17.17. S.L. Grassie International Railway Journal, 2001, No. 1, p. 13-17.
18. Марков А.А., Олейник B.E. Ультразвуковой контроль ответственных объектов с помощью колесных преобразователей с эластичным протектором // MEGATECH - 2012, - №4. С. 18-23.18. Markov A.A., Oleinik B.E. Ultrasonic testing of critical facilities using wheel transducers with an elastic tread // MEGATECH - 2012, - No. 4. S. 18-23.
Claims (2)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2017115533A RU2652511C1 (en) | 2017-05-02 | 2017-05-02 | Method of micro cracks on the rail head rolling surface ultrasonic detection |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2017115533A RU2652511C1 (en) | 2017-05-02 | 2017-05-02 | Method of micro cracks on the rail head rolling surface ultrasonic detection |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2652511C1 true RU2652511C1 (en) | 2018-04-26 |
Family
ID=62045378
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2017115533A RU2652511C1 (en) | 2017-05-02 | 2017-05-02 | Method of micro cracks on the rail head rolling surface ultrasonic detection |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2652511C1 (en) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2712975C1 (en) * | 2019-06-28 | 2020-02-03 | Открытое акционерное общество "Радиоавионика" | Method of ultrasonic detection of longitudinal cracks in a rail head |
| 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 |
| RU2783753C1 (en) * | 2022-04-19 | 2022-11-16 | Анатолий Аркадиевич Марков | Ultrasonic method for detecting defects in the rail head |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4700574A (en) * | 1985-05-15 | 1987-10-20 | Matix Industries | 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 |
| US5020371A (en) * | 1988-12-19 | 1991-06-04 | Speno International S.A. | Device for the precise transverse positioning for a member displaceable along a rail of a railway track with respect to said rail |
| 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 |
-
2017
- 2017-05-02 RU RU2017115533A patent/RU2652511C1/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4700574A (en) * | 1985-05-15 | 1987-10-20 | Matix Industries | 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 |
| US5020371A (en) * | 1988-12-19 | 1991-06-04 | Speno International S.A. | Device for the precise transverse positioning for a member displaceable along a rail of a railway track with respect to said rail |
| 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 |
Cited By (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2712975C1 (en) * | 2019-06-28 | 2020-02-03 | Открытое акционерное общество "Радиоавионика" | Method of ultrasonic detection of longitudinal cracks in a rail head |
| 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 |
| RU2785606C1 (en) * | 2022-03-04 | 2022-12-09 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I" | Method for ultrasonic testing of the rail head |
| RU2788475C1 (en) * | 2022-04-07 | 2023-01-19 | Анатолий Аркадиевич Марков | Ultrasonic method for determining the parameters of the rolling surface of the rail head and the depth of longitudinal cracks |
| RU2785302C1 (en) * | 2022-04-11 | 2022-12-06 | Акционерное общество "РАДИОАВИОНИКА" | Ultrasonic method for assessing defects in the rail head and determining the profile of the tread surface |
| RU2783753C1 (en) * | 2022-04-19 | 2022-11-16 | Анатолий Аркадиевич Марков | Ultrasonic method for detecting defects in the rail head |
| RU216030U1 (en) * | 2022-07-25 | 2023-01-13 | Акционерное общество "РАДИОАВИОНИКА" | Ultrasonic module for measuring longitudinal cracks in the rail head |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Pohl et al. | NDT techniques for railroad wheel and gauge corner inspection | |
| US6715354B2 (en) | Flaw detection system using acoustic doppler effect | |
| US7555954B2 (en) | In-track wheel inspection system | |
| US20130276539A1 (en) | Method for non-destructive condition assessment and structural monitoring of concrete railroad ties in track | |
| CA2408427A1 (en) | Method and device for the detection and assessment of surface defects on laid rails and switch components | |
| RU2652511C1 (en) | Method of micro cracks on the rail head rolling surface ultrasonic detection | |
| GB2383413A (en) | Detecting rail defects using acoustic surface waves | |
| RU2308027C1 (en) | Method of ultrasonic test of rail head | |
| US11035827B2 (en) | Methods and instrumentation for detection of transverse rolling contact fatigue rail defects within head-hardened rail | |
| RU2613574C1 (en) | Method for ultrasound detection of microcracks on operating railhead fillet | |
| RU2645818C1 (en) | Method for ultrasonic inspection of rail bases | |
| US10705054B2 (en) | Method for ultrasonically inspecting an aluminothermically welded rail joint | |
| JP2005331404A (en) | Method and apparatus for diagnosing reinforced concrete structure | |
| RU2621216C1 (en) | Intra tube method of ultrasonic testing of welds | |
| RU2545493C1 (en) | Method of ultrasound detection of micro fractures at rail head working coving | |
| JP6408145B2 (en) | Ultrasonic flaw detection method with differential compensation of interfering factors | |
| RU2441789C2 (en) | Estimation method of corrosion damage level of rail base | |
| RU2466386C1 (en) | Method of evaluating defect in rail head | |
| RU2472143C1 (en) | Method of ultrasound control | |
| RU2818035C1 (en) | Method for ultrasonic inspection of local sections of railway rails | |
| JP6173636B1 (en) | Ultrasonic inspection method and ultrasonic inspection apparatus | |
| RU2785302C1 (en) | Ultrasonic method for assessing defects in the rail head and determining the profile of the tread surface | |
| RU2764571C1 (en) | Ultrasonic method for detecting and evaluating rail welded joints in high-speed inspection | |
| RU2785606C1 (en) | Method for ultrasonic testing of the rail head | |
| RU2783753C1 (en) | Ultrasonic method for detecting defects in the rail head |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20200503 |