СПОСОБ УЛЬТРАЗВУКОВОГО КОНТРОЛЯ ГОЛОВКИ РЕЛЬСА

Изобретение относится к неразрушающему контролю материалов и может быть использовано при ультразвуковой (УЗ) дефектоскопии железнодорожных рельсов, в частности головки рельса.

Известны способы ультразвукового контроля головки рельса, патенты [1], [2], заключающиеся в том, что на поверхности катания рельса устанавливают пару электроакустических преобразователей (ЭАП), направленные на противоположные радиусные переходы боковой и нижней граней головки рельса, объединенные в измерительный блок, излучают зондирующие и принимают отраженные ультразвуковые сигналы электроакустическими преобразователями, перемещают измерительный блок вдоль продольной оси рельса, о наличии дефекта судят по совместному анализу сигналов, принятых электроакустическими преобразователями.

Недостатками этих способов являются ограниченные возможности и низкая достоверность измерений. Ограниченные возможности связаны с прозвучиванием только одной стороны головки рельса. Низкая достоверность связана с отсутствием контроля акустического контакта ЭАП с поверхностью рельса, в результате чего отсутствие сигнала между ЭАП может свидетельствовать не только об отсутствии дефекта, но и о плохом их контакте с поверхностью рельса.

При ультразвуковом контроле изделий необходимо обеспечить акустический ЭАП контакта с поверхностью. Для решения этой проблемы используют прижимные устройства различных конструкций и специальные контактные жидкости. Однако в силу различных причин указанный контакт может нарушаться, что приводит к ошибкам в работе систем УЗ дефектоскопии - к ложным тревогам или пропускам дефектов. Для контроля акустического контакта ЭАП применяются различные методы:

1. Измерение амплитуды донного отражения продольной волны, излучаемой дополнительной пьезопластиной в призму наклонного преобразователя и вводимой в металл в том же месте, где вводится основная поперечная волна [3], [4]

2. Оценка качества акустического контакта по интенсивности поступающего на рабочий ЭАП непрерывного опорного сигнала низкой частоты (белый шум), специально создаваемого отдельно отстоящим источником белого шума [5].

3. Создание вспомогательного пучка поверхностных волн для контроля за качеством акустического контакта [6].

4. Оценка акустического контакта по длительности зондирующего импульса [7] позволяет только приблизительно судить о степени контакта и не может быть использован при механизированном и автоматизированном контроле из-за низкой достоверности контроля.

5. Выделение структурных реверберационных шумов на фоне принятых эхо-сигналов от возможных дефектов и по его уровню оценка наличия акустического контакта [8].

Все эти методы предполагают использование дополнительных устройств и схем, которые усложняют и удорожают дефектоскоп.

Для ультразвуковой дефектоскопии рельсов из-за сложности формы объекта, как правило, используют многоканальные схемы прозвучивания [9]. При этом несколько ЭАП объединяют в блок, который для сплошного контроля перемещают по рельсу. Важную роль для обеспечения достоверности контроля играет правильное положение блока ЭАП относительно рельса. В частности, обычно УЗ дефектоскопы рельсов содержит несколько ЭАП, у которых схемы зондирования направлены по шейке рельса. При этом даже при небольшом (±3 мм) боковом смещении измерительного блока такие ЭАП перестают работать. Для обеспечения центровки блока ЭАП используются разные приспособления, например [10], [11]. Несмотря на принимаемые меры, при перемещении блока ЭАП по разным причинам, например из-за износа боковой поверхности головки рельса, могут возникнуть нежелательные смещения измерительного блока и получен недостоверный результат измерений. Для выявления такой ситуации необходим контроль положения блока ЭАП в ходе измерений.

Наиболее близким к заявляемому является способ ультразвукового контроля головки рельса, патент [12], заключающийся в том, что на поверхность катания рельса устанавливают две идентичные пары ЭАП, направленные на противоположные радиусные переходы боковой и нижней граней головки рельса, объединенные в измерительный блок и расположенные зеркально относительно продольной оси симметрии рельса, излучают зондирующие и принимают отраженные ультразвуковые сигналы всеми ЭАП, перемещают измерительный блок вдоль продольной оси рельса, о наличии дефекта судят по совместному анализу сигналов, принятых ЭАП.

Недостатком этого способа являются ограниченные возможности и низкая достоверность измерений. Ограниченные возможности связаны с тем, что при использовании четырех ЭАП может быть получен больший объем информации и повышено качество и достоверность измерений. Низкая достоверность связана с отсутствием контроля акустического контакта ЭАП с поверхностью рельса, в результате чего отсутствие сигнала между ними может свидетельствовать не только об отсутствии дефекта, но и о плохом контакте с поверхностью рельса.

Задачей, решаемой в заявляемом способе, является повышение достоверности УЗ контроля головки рельса за счет непрерывного контроля контакта ЭАП с поверхностью рельса, а также положения блока ЭАП на рельсе дешевыми средствами.

Для решения этой задачи в способе ультразвукового контроля головки рельса, заключающемся в том, что на поверхность катания рельса устанавливают две идентичные пары электроакустических преобразователей, направленные на противоположные радиусные переходы боковой и нижней граней головки рельса, объединенные в измерительный блок и расположенные зеркально относительно продольной оси симметрии рельса, излучают зондирующие и принимают отраженные ультразвуковые сигналы всеми электроакустическими преобразователями, перемещают измерительный блок вдоль продольной оси рельса, о наличии дефекта судят по совместному анализу сигналов, принятых электроакустическими преобразователями, расположение и направленность электроакустических преобразователей в каждой паре выбирают так, чтобы ультразвуковой сигнал, излученный одним из них, отразившись от границы рельса, был принят вторым и наоборот, при приеме этого ультразвукового сигнала оценивают его и используют для контроля контакта электроакустических преобразователей с поверхностью рельса, оценивают разность времен распространения этих ультразвуковых сигналов в первой и второй паре электроакустических преобразователей, по которой оценивают симметричность положения измерительного блока относительно продольной оси симметрии рельса.

Существенными отличиями заявляемого способа по сравнению с известными авторам аналогами являются: расположение и направленность ЭАП в каждой паре выбирают так, чтобы ультразвуковой сигнал, излученный одним из них, отразившись от радиусного перехода боковой и нижней граней головки рельса границы рельса, был принят вторым и наоборот. Это позволяет принимать сигнал, отраженный от дефекта излучавшим ЭАП, а при отсутствии дефектов принимать сигнал, отраженный от границы рельса вторым ЭАП в каждой паре. Последнее обстоятельство позволяет непрерывно контролировать наличие акустического контакта ЭАП с рельсом.

В прототипе акустический контакт не контролируется. В результате чего отсутствие УЗ отклика от дефекта может свидетельствовать как об отсутствии дефекта, так и контакта ЭАП с рельсом, что может привести к пропуску дефекта.

Оценка разности времен распространения УЗ сигналов в первой и второй паре ЭАП позволяет оценить симметричность положения измерительного блока относительно продольной оси симметрии рельса, а за счет этого повысить достоверность дефектоскопии. В частности, при наличии ЭАП, направленных по шейке рельса, выявить ошибки в измерениях, вызванные неправильным положением измерительного блока, и при необходимости повторить измерения.

В прототипе контроль положения измерительного блока невозможен.

Указанные существенные отличия позволяют повысить качество и достоверность УЗ контроля головки рельса за счет изменения схемы прозвучивания и алгоритмов обработки результатов измерений, т.е. дешевыми средствами.

Заявляемый способ иллюстрируют следующие графические материалы:

Фиг.1 - схема прозвучивания головки рельса.

Фиг.2 - схемы прозвучивания при боковых смещениях измерительного блока.

Фиг.3 - устройство, реализующее заявляемый способ.

Рассмотрим возможность реализации заявляемого способа.

На поверхности катания рельса фиг.1 устанавливают две идентичные пары ЭАП 1 и 2, 3 и 4, направленные на противоположные радиусные переходы боковой и нижней граней головки рельса, расположение и направленность электроакустических преобразователей в каждой паре выбирают так, чтобы ультразвуковой сигнал, излученный ЭАП 1 (3), отразившись от границы рельса, был принят ЭАП 2 (4) и наоборот. Пары ЭАП 1-2 и 3-4 расположены зеркально относительно продольной оси симметрии рельса Y и объединены в измерительный блок 5, причем каждый ЭАП имеет собственную систему прижима к поверхности рельса. Измерительный блок 5 обеспечивает сохранение относительного расстояния между ЭАП. Расстояние между ЭАП 1 и 2 (3 и 4) выбирают исходя из решаемых задач. Если они расположены близко, то угол между осью Y и направлением ввода УЗ сигналов приближается к 90°. При этом улучшаются условия обнаружения продольных трещин в головке рельса и точность измерения симметричности положения ЭАП относительно оси Y. При удалении ЭАП 1 от 2 и 3 от 4 улучшаются условия обнаружения поперечных дефектов рельса, но снижается точность измерения симметричности положения ЭАП относительно оси Y.

Излучают зондирующие УЗ сигналы по описанным схемам ЭАП 1 и 3, причем в силу их разнонаправленности излучение может быть произведено одновременно. Прием отраженных сигналов осуществляется ЭАП 2 и 4 соответственно, а также ЭАП 1 и 3, переключенными в режим приема. Затем аналогичным образом проводят зондирование при обратном ходе УЗ сигналов, т.е. излучают УЗ сигналы ЭАП 2 и 4, а принимают 1, 2, 3 и 4 ЭАП.

Оценку результатов зондирования проводят по совместному анализу сигналов, принятых всеми ЭАП. При этом возможны следующие варианты:

1. Отсутствие отраженных сигналов в каждой паре ЭАП свидетельствует о плохом акустическом контакте ЭАП с поверхностью рельса.

2. Поступление отраженного сигнала в излучавший ЭАП свидетельствует о наличии поперечного дефекта в головке рельса.

3. Сигнал, отраженный от границы рельса и поступивший во второй ЭАП, свидетельствует об отсутствии дефекта и наличии акустического контакта ЭАП с поверхностью рельса.

Перемещают измерительный блок 5 вдоль продольной оси рельса, повторяя описанные выше измерения. При этом появляется возможность прозвучить весь объем головки рельса. Например, дефект 6, перпендикулярный оси Y, будет обнаружен как при прозвучивании со стороны ЭАП 1, так и ЭАП 2, но за счет боковой части диаграммы направленности. Дефект 7 коллинеарен линии прозвучивания ЭАП 1 и не может быть им обнаружен, однако при определенном положении измерительного блока 5 ЭАП 2 успешно выявит этот дефект. Аналогичным образом дефект 8 невидим для ЭАП 2, но легко обнаруживается ЭАП 1.

Оценивают разность времен распространения УЗ сигналов между ЭАП 1-3 и 2-4. Если ЭАП 1-2 и 3-4 (измерительный блок 5) расположены симметрично относительно оси Y, фиг.2, то времена распространиения УЗ сигналов от ЭАП 1 до границы рельса 9 к ЭАП 2 и от ЭАП 3 до границы рельса 9 к ЭАП 4 одинаковы и указанная эта разность равна нулю. Если измерительный блок 5 смещен, то границы рельса занимают положение 10 или 11. При этом времена распространения УЗ сигналов между парами ЭАП 1-2 и 3-4 становятся разными, а сами сигналы меньшими по амплитуде, поскольку ЭАП принимают боковую часть диаграммы направленности.

Структурная схема устройства, реализующего заявляемый способ, представлена на фиг.3, где:

1-4 - ЭАП.

12 - первый коммутатор.

13 - второй коммутатор.

14 - генератор УЗ зондирующих сигналов.

15 - приемник отраженного сигнала.

16 - аналого-цифровой преобразователь.

17 - компьютер.

18 - монитор.

ЭАП 1-4 предназначены для излучения и приема УЗ сигналов и могут быть реализованы на основе пьезоэлектрических преобразователей. Каждый из них имеет свой угол излучения - приема, исходя из выбранного метода и схемы прозвучивания.

Первый коммутатор 12 предназначен для последовательной подачи зондирующих сигналов к ЭАП 1 и 2 или 3 и 4. Он может быть реализован на основе электронных ключей с общим входом, входами управления и выходами, соединенными с соответствующими ЭАП.

Второй коммутатор 13 предназначен для подачи отраженных от дефекта сигналов, принятых ЭАП 1-4, на входы устройства обработки.

Генератор УЗ зондирующих сигналов 14 предназначен для формирования импульсного зондирующего сигнала и может быть реализован на основе любой из традиционных схем.

Приемники отраженного сигнала 15 предназначены для приема, усиления и формирования сигналов, принятых ЭАП. Они могут быть реализованы на основе усилительно-формирующих устройств.

Аналого-цифровые преобразователи (АЦП) 16 предназначены для ввода сигналов, принятых ЭАП 1-4, в устройство обработки в цифровой форме. Преобразование сигналов осуществляется по тактовым сигналам, которые на схеме не показаны с целью упрощения.

Компьютер 17 предназначен для обработки результатов измерений. Алгоритмы обработки очевидны и включают следующие программные блоки:

- управления первым 12 и вторым 13 коммутаторами;

- запуска генератора УЗ зондирующего сигнала 14;

- приема оцифрованных сигналов;

- сравнения амплитуд принятых сигналов с порогами обнаружения;

- расчета времен распространения сигналов между ЭАП;

- отображения всех результатов измерений (местоположения дефекта) на экране монитора 18.

Монитор 18 предназначен для отображения результатов измерений.

Работа данного устройства происходит следующим образом.

Перед началом измерений измерительный блок 5 с ЭАП 1-4 устанавливается на поверхность катания рельса с возможностью перемещения вдоль рельса.

По управляющему коду от компьютера 17 на первый коммутатор 12 ЭАП 1 и 2 подключаются к выходу генератора зондирующих сигналов 14. По сигналу от компьютера 17 УЗ зондирующий сигнал от генератора 14 подается в головку рельса. Второй коммутатор 13 по управляющему коду от компьютера 17 подключает все ЭАП к приемникам 15. Приемники 15 принимают отраженные сигналы и подают их на АЦП 16, которые с высокой частотой, задаваемой тактовым генератором, формируют оцифрованные значения отраженных сигналов, поступающие в компьютер 17. Последний сравнивает поступившие отклики с порогами обнаружения и рассчитывает времена распространения сигналов в рельсе. Полученные результаты по приведенным выше правилам используются для оценки наличия или отсутствия дефектов в рельсе, оценки качества акустического контакта ЭАП с рельсом, а также контроля положения измерительного блока 5 на рельсе. Результаты обработки отображаются на мониторе 18. По этому изображению оператор принимает решение о состоянии измерительной системы и качестве головки рельса. Повторяют измерения с обратным направлением прозвучивания. Перемещая измерительный блок 5, проводят измерения рельсов по всей длине.

Таким образом, заявляемый способ технически реализуем и обеспечивает повышение качества и достоверности УЗ контроля головки рельса.

Литература

1. Патент RU №2060493.

2. Патент RU №2184960.

3. Патент US №2667780.

4. Авт.свид. СССР №1534388, 603896.

5. Авт.свид. СССР N 574668.

6. Авт.свид. СССР №1405494.

7. Авт.свид. СССР №1597719.

8. Авт.свид. СССР N 1753405.

9. Патент RU №2227911.

10. Патент RU №2184372.

11. Патент FR №1214058.

12. Патент RU №2184374.