[go: up one dir, main page]

RU2712975C1 - Method of ultrasonic detection of longitudinal cracks in a rail head - Google Patents

Method of ultrasonic detection of longitudinal cracks in a rail head Download PDF

Info

Publication number
RU2712975C1
RU2712975C1 RU2019120468A RU2019120468A RU2712975C1 RU 2712975 C1 RU2712975 C1 RU 2712975C1 RU 2019120468 A RU2019120468 A RU 2019120468A RU 2019120468 A RU2019120468 A RU 2019120468A RU 2712975 C1 RU2712975 C1 RU 2712975C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
rail
crack
head
longitudinal
rail head
Prior art date
Application number
RU2019120468A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Анатолий Аркадиевич Марков
Original Assignee
Открытое акционерное общество "Радиоавионика"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Открытое акционерное общество "Радиоавионика" filed Critical Открытое акционерное общество "Радиоавионика"
Priority to RU2019120468A priority Critical patent/RU2712975C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2712975C1 publication Critical patent/RU2712975C1/en

Links

Images

Classifications

    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B61RAILWAYS
    • B61KAUXILIARY EQUIPMENT SPECIALLY ADAPTED FOR RAILWAYS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B61K9/00Railway 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
    • B61K9/08Measuring installations for surveying permanent way
    • B61K9/10Measuring installations for surveying permanent way for detecting cracks in rails or welds thereof
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N29/00Investigating 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
    • G01N29/04Analysing solids

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

FIELD: defectoscopy.
SUBSTANCE: use for ultrasonic detection of longitudinal cracks in rail head. Summary of invention consists in the fact that first electroacoustic transducer is mounted on rail rolling surface, oriented by deflection of rail head to lower fillet of head on side of working face with possibility of receiving reflected signals from it, moving converter along rail at a certain rate, periodically emitting ultrasonic vibrations, receiving echo signals reflected from lower head fillet on side of working face of rail, analyzing amplitude of received signals, at that echo signals reflected from lower and upper planes of longitudinal crack are received, first electroacoustic transducer is mounted mirror-wise to the first, but directed to the lower fillet on the side of the non-working face of the rail head and functions similarly to the first one, together with the first second transducer is moved along the rail, evaluation of depth of occurrence and degree of longitudinal crack development is carried out on the basis of analysis of amplitudes and time position of echo signals from a crack and levels of amplitudes of echo signals from bottom fillets of a rail head in series fed as transducers move.
EFFECT: rails reliability and efficiency, while simplifying implementation of the method.
1 cl, 6 dwg, 1 tbl

Description

Изобретение относится к области ультразвукового (УЗ) неразрушающего контроля железнодорожных рельсов и может быть использовано для обнаружения и оценки продольных трещин в головке рельса.The invention relates to the field of ultrasonic (US) non-destructive testing of railway rails and can be used to detect and evaluate longitudinal cracks in the rail head.

61% от всех обнаруживаемых за последние годы дефектов в рельсах на сети дорог ОАО «РЖД» составляют горизонтальные продольные трещины. Возникая на рабочей выкружке головки рельса протяженные горизонтальные контактно усталостные трещины, распространяются в глубь головки рельса по мере своего развития. Если учесть, что около 70% дефектов образуются в головке рельсов, то среди них 80% составляют продольные трещины и только 20% - поперечные трещины в головке. Эти цифры подтверждаются как нашими исследованиями, так и публикациями ВНИИЖТа.61% of all defects found in recent years in rails on the road network of Russian Railways are horizontal longitudinal cracks. Arising on the working fillet of the rail head, extended horizontal contact fatigue cracks propagate deep into the rail head as it develops. If we take into account that about 70% of defects are formed in the rail head, then among them 80% are longitudinal cracks and only 20% are transverse cracks in the head. These figures are confirmed by both our research and the VNIIZhT publications.

Действующей нормативной документацией [1] по степени опасности рассматриваются две группы протяженных трещин в головке рельсов: с глубиной расположения от 2,0 до 8,0 мм (дефекты кодов 10, 11 и 12); и с глубиной расположения 8,0 мм и более от поверхности катания (кода 30.1-2). Последние, вне зависимости от длины и зоны расположения дефекта по длине рельса, относят к опасным (остродефектный рельс - ОДР) и подлежат замене без промедления. А подповерхностные продольные трещины (до 8,0 мм) относят к опасным только в том случае, когда их протяженность в зоне продольной оси рельса превышает 70 мм. Причем чем шире (поперек рельса) распространяется трещина, тем опаснее дефект.The current regulatory documentation [1] on the degree of danger considers two groups of extended cracks in the rail head: with a depth of location from 2.0 to 8.0 mm (defects in codes 10, 11 and 12); and with a depth of 8.0 mm or more from the ski surface (code 30.1-2). The latter, regardless of the length and zone of the defect along the rail, are classified as dangerous (acute defective rail - ODR) and must be replaced without delay. And subsurface longitudinal cracks (up to 8.0 mm) are classified as dangerous only when their length in the zone of the longitudinal axis of the rail exceeds 70 mm. Moreover, the wider (across the rail) the crack propagates, the more dangerous the defect.

Таким образом, задача обнаружения и измерения параметров продольных горизонтальных трещин в головке рельсов является актуальной. При этом весьма важно иметь возможность разделять их по глубине залегания: до и более 8,0 мм.Thus, the task of detecting and measuring the parameters of longitudinal horizontal cracks in the rail head is relevant. In this case, it is very important to be able to separate them according to their depth: up to and more than 8.0 mm.

Анализ дефектограмм с указанными дефектами показывает, что существующие схемы прозвучивания, реализованные в современных дефектоскопах, не обеспечивают формирования четких и однозначных сигналов от искомых дефектов. В результате, своевременное обнаружение их затруднено и требует немалого опыта от расшифровщиков. Из 11 -12 ультразвуковых (УЗ) каналов дефектоскопических систем, только один канал с электроакустическим преобразователем (ЭАП) с углом ввода 0° (прямой преобразователь) с использованием продольных УЗ волн, предназначен для обнаружения рассматриваемых трещин.Analysis of defectograms with the indicated defects shows that the existing sounding schemes implemented in modern flaw detectors do not provide the formation of clear and unambiguous signals from the desired defects. As a result, their timely detection is difficult and requires considerable experience from decryptors. Of 11 -12 ultrasonic (ultrasound) channels of flaw detection systems, only one channel with an electro-acoustic transducer (EAP) with an input angle of 0 ° (direct transducer) using longitudinal ultrasound waves is designed to detect the cracks under consideration.

Однако прямой преобразователь может выявлять только трещины «заходящие» в проекцию шейки (т.е. достаточно развитые). Кроме того, глубина залегания трещин (5 -15 мм) как правило, находится в «мертвой» зоне преобразователя, что препятствует получению четкого эхо-сигнала от первого отражения. Действительно, при использовании прямого ЭАП излучаются продольные волны со скоростью 5,9 мм/мкс, что приводит к попаданию эхо-сигнала от трещины в так называемую «мертвую» зону (эхо-сигнал попадает в зону действия зондирующего импульса) и невозможности, в большинстве случаев, оценки глубины залегания продольной трещины. Например, при залегании поперечной трещины на глубине h = 12 мм от поверхности катания рельса, временное положение эхо-сигнала от плоскости трещины t = (2 х 12)/5,9 = 4,1 мкс. На типовой частоте УЗ колебаний 2,5 МГц, применяемой при рельсовой дефектоскопии, длительность зондирующего импульса составляет около 4,0-5,0 мкс (10-12 периодов на излучаемой частоте). Из-за переходных процессов в протекторе ЭАП и в контактирующем слое, реальная длительность больше. В результате эхо-сигнал от трещины сливается с зондирующим импульсом.However, a direct transducer can only detect cracks “entering” into the projection of the neck (i.e., sufficiently developed). In addition, the depth of occurrence of cracks (5 -15 mm) is usually located in the "dead" zone of the transducer, which prevents a clear echo from the first reflection. Indeed, when using a direct EAP, longitudinal waves are emitted at a speed of 5.9 mm / μs, which leads to the echo from the crack entering the so-called “dead” zone (the echo enters the zone of operation of the probe pulse) and impossibility, in most cases, assessing the depth of a longitudinal crack. For example, when a transverse crack occurs at a depth of h = 12 mm from the rolling surface of the rail, the temporary position of the echo signal from the plane of the crack is t = (2 x 12) / 5.9 = 4.1 μs. At a typical frequency of ultrasonic vibrations of 2.5 MHz, used for rail flaw detection, the duration of the probe pulse is about 4.0-5.0 μs (10-12 periods at the emitted frequency). Due to transients in the protector of the EAP and in the contact layer, the actual duration is longer. As a result, the echo signal from the crack merges with the probe pulse.

Возможные отражения от краев трещин при наклонном вводе УЗ колебаний за счет формирования дифрагированных волн, как правило, имеют незначительные амплитуды и на рабочих чувствительностях дефектоскопа, на фоне неизбежных при практическом контроле шумов (помех), фиксируются неуверенно.Possible reflections from the edges of cracks during oblique entry of ultrasonic vibrations due to the formation of diffracted waves, as a rule, have insignificant amplitudes and are detected uncertainly on the working sensitivities of the flaw detector, against the background of noise (interference) that are unavoidable during practical control.

В основном, обнаружение продольных горизонтальных расслоений осуществляется только благодаря многократным преотражениям УЗ колебаний от плоскости трещины и внутренней поверхности катания рельса. Однако, как показывают результаты принудительных доломов рельсов с рассматриваемыми трещинами, многие из них трудно назвать «горизонтальными», т.к. в процессе развития трещины от рабочей выкружки вглубь сечения головки они приобретают определенный наклон (10° - 20°) относительно горизонтали. В результате сигналы, отраженные от плоскости трещины, не возвращаются к излучающе-приемному ЭАП.Basically, the detection of longitudinal horizontal delaminations is carried out only due to multiple re-reflections of ultrasonic vibrations from the crack plane and the inner surface of the rail. However, as shown by the results of forced dolomites of rails with the cracks under consideration, many of them can hardly be called "horizontal", because during the development of a crack from the working fillet deep into the head section, they acquire a certain inclination (10 ° - 20 °) relative to the horizontal. As a result, the signals reflected from the plane of the crack do not return to the radiating-receiving EAP.

Анализ показывает, что в действующих схемах прозвучивания современных дефектоскопов и комплексов отсутствуют эффективные схемы и методы, позволяющие надежно и однозначно обнаруживать продольные трещины в головке рельсов, составляющие более половины из всех обнаруживаемых опасных дефектов на сети дорог ОАО «РЖД».The analysis shows that the current sounding schemes of modern flaw detectors and systems lack effective schemes and methods that reliably and unequivocally detect longitudinal cracks in the rail head, which make up more than half of all detected hazardous defects on the Russian Railways road network.

Большинство известных ультразвуковых (УЗ) способов обнаружения дефектов в головке рельсов, ориентированы на обнаружение поперечных трещин (в зарубежных патентах трещин «овальной формы») [2-5], (в российских - дефекты кодов 21,1-2; 20; 24 и 26.3 [1]) [6-7].Most of the known ultrasonic (US) methods for detecting defects in the rail head are focused on the detection of transverse cracks (in foreign patents of “oval-shaped cracks”) [2-5], (in Russian - defects of codes 21.1-2; 20; 24 and 26.3 [1]) [6-7].

Таким образом, создалась парадоксальная ситуация. Все усилия разработчиков и изобретателей в последние годы, как в России, так и за рубежом, в основном были направлены на выявление поперечных трещин головки, которые в настоящее время составляют всего лишь 10-20% из всех обнаруживаемых дефектов в головке. В тоже время, наиболее массовые дефекты в виде продольных горизонтальных трещин известными способами обнаруживаются неуверенно, что приводит как к пропуску опасных дефектов, так и к перебраковке исправных рельсов.Thus, a paradoxical situation was created. All the efforts of developers and inventors in recent years, both in Russia and abroad, were mainly aimed at identifying transverse head cracks, which currently make up only 10-20% of all detected defects in the head. At the same time, the most widespread defects in the form of longitudinal horizontal cracks by known methods are uncertainly detected, which leads both to the omission of dangerous defects and to the rejection of serviceable rails.

Известны УЗ способы обнаружения поверхностных микротрещин [8-10], зарождающихся в зоне контакта колес подвижного состава с поверхностью катания головки рельса (со стороны рабочей грани) и, впоследствии распространяющихся по поверхности до середины головки и далее. Известные способы не позволяют надежно обнаруживать и однозначно определять степень развития продольных трещин, распространяющихся вглубь головки рельса.There are known ultrasonic methods for detecting surface microcracks [8-10], originating in the contact zone of the wheels of the rolling stock with the rolling surface of the rail head (from the side of the working face) and subsequently spreading along the surface to the middle of the head and beyond. Known methods do not allow reliable detection and unambiguous determination of the degree of development of longitudinal cracks propagating deep into the rail head.

Наиболее близким, принятым за прототип техническим решением, является способ УЗ обнаружения микротрещин на поверхности катания головки рельсов по патенту [11], заключающийся в том, что с поверхности катания зеркально относительно плоскости поперечного сечения рельса вводят УЗ колебания, направленные вдоль рельса под определенными углами, линейкой приемных ЭАП, расположенных в колесных преобразователях, принимают пере отраженные от нижней выкружки головки рельса УЗ колебания, с учетом сигналов, полученных приемными преобразователями в линейках и дополнительным ЭАП, осуществляющим ввод и прием УЗ колебаний поперек головки в направлении нижней выкружки рабочей грани головки рельса, судят о наличии и степени развития микротрещин на поверхности катания рельса. При реализации известного способа, в основном, используют теневой метод УЗ контроля, при котором ослабление прошедших через головку рельса по наклонной траектории вдоль рельса с переотражениями от нижней плоскости головки УЗ колебаний свидетельствует о наличии препятствий в виде микротрещин на пути их распространения. Дополнительный ввод и прием УЗ колебаний поперек головки рельса предназначен для контроля положения УЗ системы относительно продольной оси рельса и качества акустического контакта между поверхностью катания и ЭАП излучающей системы.The closest technical solution adopted for the prototype is the method of ultrasonic detection of microcracks on the tread surface of the rail head according to the patent [11], which means that ultrasonic vibrations directed along the rail at certain angles are introduced from the tread surface relative to the plane of the cross section of the rail, with a line of receiving EAP located in the wheel converters, receive vibrations reflected from the lower fillet of the rail head, taking into account the signals received by the receiving converters in rulers and additional EAP, inputting and receiving ultrasonic vibrations across the head in the direction of the lower fillet of the working face of the rail head, judge the presence and degree of development of microcracks on the surface of the rail. When implementing the known method, they mainly use the shadow method of ultrasonic testing, in which the weakening of the vibrations transmitted through the rail head along an inclined path along the rail with reflections from the lower plane of the head of the ultrasound indicates the presence of obstacles in the form of microcracks in the way of their propagation. An additional input and reception of ultrasonic vibrations across the rail head is intended to control the position of the ultrasound system relative to the longitudinal axis of the rail and the quality of the acoustic contact between the rolling surface and the EAP of the emitting system.

Недостатками известного способа являются:The disadvantages of this method are:

- низкая достоверность контроля, вызванная невозможностью определения глубины залегания продольных трещин, так как в основу известного способа положен теневой принцип обнаружения микротрещин. Кроме того, при высоких скоростях контроля (больших оборотах вращения колес) в иммерсионной жидкости внутри колеса возникают пузырьки воздуха, создающие значительный уровень акустических помех и дополнительно снижающих достоверность контроля;- low reliability of the control, caused by the inability to determine the depth of longitudinal cracks, as the basis of the known method based on the shadow principle of detection of microcracks. In addition, at high control speeds (large revolutions of wheel rotation) air bubbles appear in the immersion fluid inside the wheel, creating a significant level of acoustic noise and further reducing the reliability of the control;

- низкая производительность контроля, вызванная ограниченной скоростью сканирования. В известной схеме используется наклонный ввод УЗ колебаний, направленных под некоторым углом вдоль головки рельса. При этом время пробега УЗ колебаний от излучателя до приемных преобразователей составляет более 100 мкс. В колесном ЭАП, к времени пробега УЗ колебаний в контролируемом рельсе добавляется время пробега в иммерсионной жидкости в колесе. При этом суммарное время распространения УЗ колебаний от излучателя (через сечение головки рельса) до приемников оказывается значительным, что не позволяет повысить частоту посылок УЗ колебаний и ограничивает скорость сканирования.- low control performance caused by limited scanning speed. In the known scheme, an inclined input of ultrasonic vibrations is used, directed at a certain angle along the rail head. In this case, the travel time of ultrasonic vibrations from the emitter to the receiving transducers is more than 100 μs. In a wheel EAP, to the travel time of ultrasonic vibrations in a controlled rail, the travel time in immersion fluid in the wheel is added. In this case, the total propagation time of ultrasonic vibrations from the emitter (through the section of the rail head) to the receivers is significant, which does not allow to increase the frequency of sending ultrasonic vibrations and limits the scanning speed.

- трудности реализации, требующей применения сложной излучающе-приемной системы, состоящей из излучающих ЭАП скольжения и линеек приемных ЭАП, размещенных в двух колесах с упругой оболочкой, заполненных жидкостью, пропускающей УЗ колебания.- difficulties in the implementation, requiring the use of a complex emitting-receiving system, consisting of emitting EAP slides and lines of receiving EAP placed in two wheels with an elastic shell filled with a fluid that transmits ultrasonic vibrations.

Задачами, решаемыми заявляемым способом, является повышение достоверности и производительности контроля головки рельсов при одновременном упрощении реализации способа.The tasks solved by the claimed method is to increase the reliability and performance of the control of the rail head while simplifying the implementation of the method.

Для решения поставленных задач, в способе ультразвукового обнаружения продольных трещин головки рельса, заключающемся в том, что на поверхность катания рельса устанавливают первый электроакустический преобразователь, ориентированный попрек головки рельса на нижнюю выкружку головки со стороны рабочей грани с возможностью приема от нее отраженных сигналов, перемещают преобразователь вдоль рельса с определенной скоростью, периодически излучают ультразвуковые колебания, принимают отраженные от нижней выкружки головки со стороны рабочей грани рельса эхо-сигналы, анализируют амплитуду принятых сигналов, дополнительно принимают отраженные от нижней и верхней плоскостей продольной трещины эхо-сигналы, зеркально первому устанавливают второй электроакустический преобразователь, направленный на нижнюю выкружку со стороны нерабочей грани головки рельса, и функционирующий аналогично первому, совместно с первым преобразователем второй преобразователь перемещают вдоль рельса, оценку глубины залегания и степени развития продольной трещины производят на основе анализа амплитуд и временного положения последовательно поступающих, по мере перемещения преобразователей, эхо-сигналов от трещины и уровней амплитуд эхо-сигналов от нижних выкружек головки рельса, кроме того, периоды излучения ультразвуковых колебаний преобразователями выбирают исходя из требуемой разрешающей способности оценки размеров продольных трещин и скорости их перемещения.To solve the problems, in the method of ultrasonic detection of longitudinal cracks of the rail head, which consists in the fact that the first electroacoustic transducer is installed on the rolling surface of the rail, the oriented correction of the rail head to the lower fillet of the head from the side of the working face with the possibility of receiving reflected signals from it, the transducer is moved along the rail at a certain speed, periodically emit ultrasonic vibrations, receive reflected from the lower fillet of the head from the working side the echoes of the rail face are analyzed, the amplitude of the received signals is analyzed, the echoes reflected from the lower and upper planes of the longitudinal crack are additionally received, the second electroacoustic transducer is directed to the first, directed to the lower fillet from the side of the non-working edge of the rail head, and functions similarly to the first, jointly with the first transducer, the second transducer is moved along the rail, an assessment of the depth and degree of development of a longitudinal crack is carried out on the basis of analysis a the amplitudes and temporary position of the successive arriving, as the transducers move, echo signals from the crack and the echo signal amplitude levels from the lower fillets of the rail head, in addition, the periods of emission of ultrasonic vibrations by the transducers are selected based on the required resolution to estimate the lengths of longitudinal cracks and their speed displacement.

Основная идея заявляемого способа - одновременная реализация эхо- и зеркально-теневого методов УЗ контроля [12] для оценки параметров продольной трещины в головке рельсов. В процессе перемещения вдоль рельса двух зеркально ориентированных поперек головки рельса наклонных ЭАП, трещину последовательно озвучивают сверху и снизу его плоскости. По принятым эхо-сигналам от трещины (эхо-метод) и анализу амплитуд эхо-сигналов от нижних выкружек головки рельса (зеркально-теневой метод) судят о параметрах (глубине залегания, ширине трещины в плане и протяженности по длине рельса) искомой трещины.The main idea of the proposed method is the simultaneous implementation of echo- and mirror-shadow methods of ultrasonic testing [12] to evaluate the parameters of a longitudinal crack in the rail head. In the process of moving along a rail of two inclined EAFs that are mirror-oriented transverse to the rail head, the crack is successively voiced from above and below its plane. Based on the received echo signals from the crack (echo method) and analysis of the amplitudes of the echo signals from the lower fillets of the rail head (mirror-shadow method), the parameters (depth of occurrence, crack width in plan and length along the rail length) of the desired crack are judged.

Техническим результатом использования заявляемого способа является повышение достоверности и производительности контроля головки рельсов при одновременном упрощении реализации способа.The technical result of using the proposed method is to increase the reliability and performance of the control of the rail head while simplifying the implementation of the method.

Существенными отличиями заявляемого способа по сравнению с прототипом являются следующие действия.Significant differences of the proposed method in comparison with the prototype are the following actions.

1. Двумя ЭАП, ориентированными в стороны нижних выкружек рабочей и нерабочей граней поперек головки рельса, принимают отраженные от нижней и верхней плоскостей продольной трещины эхо-сигналы. В прототипе прием эхо-сигналов от плоскостей продольной горизонтальной трещины не предусмотрен.1. Two EAPs oriented towards the lower fillets of the working and non-working faces across the rail head receive echo signals reflected from the lower and upper planes of the longitudinal crack. In the prototype, the reception of echo signals from the planes of a longitudinal horizontal crack is not provided.

2. Устанавливают второй электроакустический преобразователь, излучающий ультразвуковые колебания поперек головки рельса в сторону нижней выкружки нерабочей грани головки рельса, принимают отраженные от нее эхо-сигналы. В прототипе используется только один ЭАП, ориентированный поперек рельса в сторону нижней выкружки головки рельса со стороны рабочей грани. Он в основном предназначен для оценки акустического контакта и положения системы относительной продольной оси рельса.2. Install the second electro-acoustic transducer emitting ultrasonic vibrations across the rail head towards the lower fillet of the idle face of the rail head, and the echo signals reflected from it are received. The prototype uses only one EAA, oriented across the rail towards the lower fillet of the rail head from the side of the working face. It is mainly intended for evaluating acoustic contact and the position of the system relative to the longitudinal axis of the rail.

3. По временным положениям эхо-сигналов на каждом из ЭАП, принятыми со стороны нижней, и с верхней поверхностей трещины, оценивают глубину залегания трещины. В прототипе такой анализ не предусмотрен.3. The temporal positions of the echo signals on each of the EAFs, taken from the lower and upper surfaces of the crack, evaluate the depth of the crack. In the prototype, such an analysis is not provided.

4. Заключение о глубине залегания и степени развития продольной трещины производят с учетом эхо-сигналов, отраженных от плоскостей продольной горизонтальной трещины и уровня амплитуд эхо-сигналов (амплитудных огибающих) от нижних выкружек головки рельса. Использование для анализа амплитудных огибающих с двух ЭАП, фиксация ослабления амплитуд сигналов от нижних выкружек головки продольной трещиной в разных сечениях, позволяет более полно отобразить размер и положение трещины в проекции головки и по длине рельса. Это позволяет однозначно оценить контур трещины.4. The conclusion about the depth and degree of development of a longitudinal crack is made taking into account the echo signals reflected from the planes of the longitudinal horizontal crack and the amplitude level of the echo signals (amplitude envelopes) from the lower fillets of the rail head. The use of amplitude envelopes for analysis from two EAFs, fixing attenuation of signal amplitudes from the lower fillets of the head by a longitudinal crack in different sections, allows to more fully display the size and position of the crack in the head projection and along the length of the rail. This allows you to unambiguously assess the contour of the crack.

Оценка глубины залегания трещины в прототипе не рассматривается, а контур трещины определяется только на основе теневого метода, практически до половины поверхности (со стороны рабочей грани) катания рельса. Это не удовлетворяет требования даже отечественной нормативной документации (менее строгой, чем европейской), предусматривающей определение параметров путем разделения как минимум на две градации («узкая» и «широкая» трещина).Assessment of the depth of the crack in the prototype is not considered, and the contour of the crack is determined only on the basis of the shadow method, almost up to half the surface (from the side of the working face) of the rolling of the rail. This does not satisfy the requirements of even domestic regulatory documentation (less stringent than European), which provides for the determination of parameters by dividing at least two gradations (“narrow” and “wide” crack).

5. Периоды излучения УЗ колебаний преобразователями выбирают, исходя из скорости их перемещения и требуемой разрешающей способности оценки размеров продольной трещины, что позволяет сократить количество измерений и объем сохраняемой информации при малых скоростях перемещения ЭАП без ухудшения качества работ. При больших скоростях, благодаря короткому пути пробега УЗ колебаний в поперечном сечении головки рельса, удается получить требуемую разрешающую способность оценки дефекта. Этот фактор особенно важен для диагностических комплексов, контролирующих рельсы в широком диапазоне скоростей сканирования (например, от 0 до 80 км/ч), где суммарный поток информации, получаемый от всех измерительных датчиков значителен.5. The periods of emission of ultrasonic vibrations by the transducers are selected based on the speed of their movement and the required resolution for estimating the dimensions of a longitudinal crack, which reduces the number of measurements and the amount of stored information at low speeds of EAP movement without compromising the quality of work. At high speeds, due to the short path of ultrasonic vibrations in the cross section of the rail head, it is possible to obtain the required resolution of defect assessment. This factor is especially important for diagnostic systems that monitor rails in a wide range of scanning speeds (for example, from 0 to 80 km / h), where the total flow of information received from all measuring sensors is significant.

В прототипе вопрос о периодичности измерений не рассматривается.In the prototype, the question of the frequency of measurements is not considered.

Между совокупностью существенных признаков заявляемого способа и достигаемым техническими результатами существует причинно-следственная связь, а именно:Between the set of essential features of the proposed method and the achieved technical results, there is a causal relationship, namely:

- установка второго ЭАП, прием отраженных от нижней и верхней плоскостей трещины эхо-сигналов, оценка глубины залегания и степени развития продольной трещины на основе анализа амплитуд и временного положения последовательно поступающих по мере перемещения преобразователей эхо-сигналов от трещины и уровня амплитуд эхо-сигналов от нижних углов головки рельса повышает достоверность контроля головки рельсов;- installation of the second EAP, reception of echoes reflected from the lower and upper planes of the crack, estimation of the depth and degree of development of the longitudinal crack based on the analysis of the amplitudes and temporal position of the echoes from the crack and the level of amplitudes of the echo from the lower corners of the rail head increases the reliability of the control of the rail head;

- использование для обнаружения и оценки продольных горизонтальных трещин двух ЭАП, ориентированных поперек головки рельса позволяет заметно сократить время пробега УЗ колебаний в сечении головки рельса и реализовать более высокую частоту посылок зондирующих импульсов, а значит, повысить скорости перемещения ЭАП по поверхности головки рельса и, в конечном счете, повышает производительность контроля рельсов;- the use for the detection and evaluation of longitudinal horizontal cracks of two EAPs oriented across the rail head can significantly reduce the travel time of ultrasonic vibrations in the section of the rail head and realize a higher frequency of probe pulses, and therefore, increase the speed of the EAP along the surface of the rail head and, in ultimately improves rail control performance;

- повышение достоверности и производительности контроля головки рельса путем использования всего лишь двух наклонных ЭАП существенно упрощает реализацию способа, а выбор периодов излучения УЗ колебаний преобразователями исходя из скорости перемещения и требуемой разрешающей способности оценки продольных трещин позволяет сократить количество измерений и объем сохраняемой информации при малых скоростях перемещения ЭАП без ухудшения достоверности и также упрощает реализацию способа.- increasing the reliability and performance of the control of the rail head by using only two inclined EAFs greatly simplifies the implementation of the method, and the choice of the periods of radiation of ultrasonic vibrations by the transducers based on the speed of movement and the required resolution for evaluating longitudinal cracks allows you to reduce the number of measurements and the amount of information stored at low speeds EAP without deterioration of reliability and also simplifies the implementation of the method.

На Фиг. 1 приведен процесс последовательного озвучивания продольной трещины в трех проекциях:In FIG. 1 shows the process of sequential sounding of a longitudinal crack in three projections:

где 1 - головка контролируемого рельса с рабочей (G - gauge corner) и нерабочей (F - field corner) гранями;where 1 is the head of the controlled rail with working (G - gauge corner) and non-working (F - field corner) faces;

2- продольная трещина;2- longitudinal crack;

3- первый электроакустический преобразователь (ЭАП);3 - the first electro-acoustic transducer (EAP);

4- второй ЭАП;4- second EAP;

I, II, III, IV и V - сечения головки рельса при развитии продольной трещины и разных положениях ЭАП по мере перемещения их по поверхности катания головки рельса.I, II, III, IV and V are sections of the rail head during the development of a longitudinal crack and different positions of the EAA as they move along the rolling surface of the rail head.

На Фиг. 2 - показаны формирования сигналов на ЭАП 3 и 4 при разной степени развития продольной трещины в головке рельса, соответствующие сечениям I, II, III, IV и V на Фиг. 1, где:In FIG. 2 - shows the formation of signals on the EAA 3 and 4 at different degrees of development of a longitudinal crack in the rail head, corresponding to sections I, II, III, IV and V in FIG. 1, where:

5 и 6 - оси диаграммы направленности ЭАП 3 и 4, направленные на нижние углы рабочей (AG - angle gauge) и нерабочей (AF - angle field) граней головки рельсов соответственно;5 and 6 are the axes of the radiation pattern of the EAA 3 and 4, aimed at the lower angles of the working (AG - angle gauge) and non-working (AF - angle field) faces of the rail heads, respectively;

7 и 8 - крайние лучи УЗ пучков ЭАП 3 и 4.7 and 8 - the extreme rays of the ultrasound beams of the EAP 3 and 4.

Фиг. 3 - эхо-сигналы на развертке типа А от разных точек головки рельса с продольной трещиной, где:FIG. 3 - echoes on a scan of type A from different points of the rail head with a longitudinal crack, where:

на Фиг. 3а - эхо-сигналы на ЭАП 3 со стороны рабочей грани:in FIG. 3A - echo signals on the EAP 3 from the side of the working face:

- CG (crack, gauge corner) от нижней плоскости трещины, полученный путем переотражения УЗ лучей от нижней плоскости головки со стороны рабочей грани до нижней плоскости трещины и обратно через нижнюю плоскость головки до ЭАП;- CG (crack, gauge corner) from the lower plane of the crack, obtained by re-reflection of ultrasound rays from the lower plane of the head from the side of the working face to the lower plane of the crack and back through the lower plane of the head to the EAT;

AG - сигнал от нижней выкружки головки;AG - signal from the lower fillet of the head;

TCG - (top of crack, gauge corner) сигнал от верхней плоскости трещины и острого угла между трещиной и верхней выкружкой головки рельса;TCG - (top of crack, gauge corner) signal from the upper plane of the crack and the acute angle between the crack and the upper fillet of the rail head;

ТС - (top of crack) возможный эхо-сигнал от плоскости трещины, непосредственно под ЭАП 3 (полученный прямым, без переотражений, УЗ лучом).TS - (top of crack) a possible echo signal from the plane of the crack, directly under the EAP 3 (obtained by direct, without re-reflection, ultrasound beam).

На Фиг. 3б сигналы на ЭАП 4 со стороны нерабочей грани головки рельса:In FIG. 3b signals to the EAP 4 from the side of the idle side of the rail head:

AF - эхо-сигнал от нижнего угла головки;AF - echo from the bottom angle of the head;

TCF - (top of crack, field corner) сигнал от верхней плоскости развитой продольной трещины, пересекающей всю ширину головки, и острого угла между трещиной и верхней выкружкой головки рельса со стороны нерабочей грани.TCF - (top of crack, field corner) signal from the upper plane of a developed longitudinal crack intersecting the entire width of the head, and the acute angle between the crack and the upper fillet of the rail head from the side of the non-working side.

ТС - возможный эхо-сигнал от плоскости трещины непосредственно под ЭАП 4.TS - a possible echo signal from the plane of the crack directly under the EAA 4.

На Фиг. 3 а и б поз. 9 и 10 - пороговые уровни для фиксации уровня амплитудных огибающих сигналов от нижних выкружек головки на ЭАП 3 и 4 соответственно;In FIG. 3 a and b pos. 9 and 10 - threshold levels for fixing the level of the amplitude envelopes of the signals from the lower fillets of the head on the EAA 3 and 4, respectively;

11 - зона временной селекции (стробирующий импульс).11 - zone of temporary selection (gating impulse).

На Фиг. 4 - показано поведение амплитудных огибающих эхо-сигналов от нижних выкружек головки рельса при сканировании продольной трещины 2, показанной на Фиг. 1, где:In FIG. 4 shows the behavior of the amplitude envelopes of the echo signals from the lower fillets of the rail head when scanning a longitudinal crack 2 shown in FIG. 1, where:

12 и 13 - амплитудные огибающие сигналов от ЭАП 3 и 4 соответственно, формирующиеся по значения амплитуд сигналов от нижних выкружек головки рельса по мере перемещения ЭАП вдоль рельса;12 and 13 are the amplitude envelopes of the signals from the EAA 3 and 4, respectively, formed by the values of the amplitudes of the signals from the lower fillets of the rail head as the EAA moves along the rail;

ΔL3 и ΔL4 - протяженности участков снижения уровней огибающих сигналов от нижних выкружек головки ниже пороговых уровней 9 и 10 (см. Фиг. 3), в процессе перемещения ЭАП вдоль рельса на примере продольной трещины 2, изображенной на Фиг. 1.ΔL3 and ΔL 4 are the lengths of the sections of decreasing envelope signal levels from the lower fillets of the head below threshold levels 9 and 10 (see Fig. 3), in the process of moving the EAT along the rail using the example of a longitudinal crack 2 shown in FIG. 1.

На Фиг. 5 - приведены примеры реальных поперечных трещин разных степеней развития в головке рельса, обнаруженные предлагаемым способом:In FIG. 5 - examples of real transverse cracks of different degrees of development in the rail head, discovered by the proposed method:

а - трещина не пересекает продольную ось рельса; б - трещина пересекает продольную ось; с - трещина пересекает всю ширину головки рельса.a - the crack does not cross the longitudinal axis of the rail; b - the crack crosses the longitudinal axis; c - a crack crosses the entire width of the rail head.

На Фиг. 6 - показаны: на Фиг 6а - сигналы на развертке типа В, полученные при сканировании головки рельса типа Р 65 с реальной продольной трещиной весьма сложной конфигурации; на Фиг 6б - эти же сигналы на развертке типа А (по аналогии Фиг. 3).In FIG. 6 shows: FIG. 6a shows signals on a scan of type B obtained by scanning a rail head of type P 65 with a real longitudinal crack of a very complex configuration; on Fig 6b - the same signals on the scan type A (by analogy with Fig. 3).

Рассмотрим возможность реализации заявляемого способа.Consider the possibility of implementing the proposed method.

С поверхности катания рельса 1 с продольной трещиной 2 симметрично продольной оси рельса с помощью наклонных ЭАП 3 и 4 поперек головки рельса излучают УЗ колебания в стороны нижних выкружек головки рельса рабочей (AG - angle gauge) и нерабочей (AF - angle field) граней головки рельсов соответственно (Фиг. 1). Отраженные от нижних выкружек эхо-сигналы принимаются соответствующими ЭАП 3 и 4. При отсутствии продольной трещины 2, УЗ лучи, переотраженные от нижних углов AG и AF головки рельса 1, уверенно формируют эхо-сигналы примерно одинаковой амплитуды (см. Фиг. 3). При наличии трещины 2 в начальной стадии развития (в данном случае от 5 до 10 мм), часть лучей УЗ пучка ЭАП 3, переотражаясь от нижней плоскости головки со стороны рабочей грани попадают на плоскость трещины 2 снизу (Фиг. 2 - I). За счет отражений от нижней плоскости трещины 2 и, в основном, от уголкового отражателя, образованного плоскостью трещины и боковой поверхностью головки рельса, образуется уверенный эхо-сигнал CG (см. Фиг. 3а) на ЭАП 3. По временному положению этого эхо-сигнала CG относительно зондирующего импульса ЕР (emission pulse) возможно весьма точно определить глубину залегания места зарождения трещины относительно поверхности катания (Фиг. 3а).From the rolling surface of rail 1 with a longitudinal crack 2 symmetrically to the longitudinal axis of the rail, using inclined EAFs 3 and 4 across the rail head, ultrasonic vibrations are emitted in the direction of the lower fillets of the rail head of the working (AG - angle gauge) and non-working (AF - angle field) faces of the rail head respectively (Fig. 1). Echoes reflected from the lower fillets are received by the corresponding EAPs 3 and 4. In the absence of a longitudinal crack 2, the ultrasound rays reflected from the lower corners AG and AF of the rail head 1 confidently generate echoes of approximately the same amplitude (see Fig. 3). If there is a crack 2 in the initial stage of development (in this case, from 5 to 10 mm), part of the rays of the ultrasonic beam of the EAA 3, reflecting from the lower plane of the head from the side of the working face, fall onto the plane of crack 2 from the bottom (Fig. 2 - I). Due to reflections from the lower plane of the crack 2 and, mainly, from the corner reflector formed by the plane of the crack and the side surface of the rail head, a confident echo signal CG (see Fig. 3a) is generated on the EAP 3. By the temporary position of this echo signal CG relative to the probe pulse EP (emission pulse) it is possible to very accurately determine the depth of the crack nucleus relative to the rolling surface (Fig. 3a).

По мере развития продольной трещины 2 плоскость трещины в большей степени перекрывает УЗ пучок от ЭАП 3 (Фиг. 2 - II). При этом сигнал от нижней плоскости трещины 2 еще поступает на ЭАП 3, но амплитуда эхо-сигнала AG уже становится ниже порогового уровня 9 (Фиг. 3а). Одновременно, за счет отражений от верхней плоскости трещины, появляются сигналы от уголкового отражателя, сформированного плоскостью трещины и верхней выкружкой головки рельса: сигнал TCG (см. Фиг. 2 - II). Благодаря преимущественной ориентации типичной продольной трещины (см. Фиг. 1, 2 и 6) с некоторым наклоном относительно горизонтали (см. Фиг 5), возможно также появление эхо-сигнала ТС (Фиг. 3а) от плоскости трещины, сформированного прямым (без многократных переотражений) лучом. Временное положение которого на развертке типа А позволяет определить глубину залегания плоскости трещины внутри головки рельса (Фиг. 2 - III).As the longitudinal crack 2 develops, the crack plane to a greater extent overlaps the ultrasonic beam from the EAF 3 (Fig. 2 - II). In this case, the signal from the lower plane of the crack 2 still arrives at the EAA 3, but the amplitude of the echo signal AG already becomes lower than the threshold level 9 (Fig. 3a). At the same time, due to reflections from the upper plane of the crack, signals appear from an angular reflector formed by the plane of the crack and the upper fillet of the rail head: TCG signal (see Fig. 2 - II). Due to the predominant orientation of a typical longitudinal crack (see Fig. 1, 2 and 6) with a certain inclination relative to the horizontal (see Fig. 5), the TC echo can also appear (Fig. 3a) from the plane of the crack formed by a straight line (without multiple reflections) by a beam. The temporary position of which on a Type A scan allows you to determine the depth of the crack plane inside the rail head (Fig. 2 - III).

При дальнейшем развитии трещины 2, УЗ пучок полностью перекрывается плоскостью трещины, и сигналы AG и CG от нижнего угла головки рельса и нижней плоскости трещины перестают приниматься ЭАП 3. На ЭАП 3 будет присутствовать только сигналы с верхней плоскости трещины TCG и ТС (Фиг. 3а).With the further development of crack 2, the ultrasonic beam is completely blocked by the plane of the crack, and the signals AG and CG from the lower angle of the rail head and the lower plane of the crack cease to be received by the EAP 3. Only the signals from the upper plane of the crack TCG and TS will be present on the EAP 3 (Fig. 3a )

По мере распространения трещины 2 в сторону нерабочей грани F, прерывается и эхо-сигнал AF от нижнего угла головки со стороны нерабочей грани (Фиг. 2 - IV). В дальнейшем, по мере пересечения трещиной всей ширины головки, на ЭАП 4 появляется сигнал TCF от верхней плоскости развитой продольной трещины и острого угла между трещиной и верхней выкружкой головки рельса со стороны нерабочей грани. Возможно также появление на ЭАП 4 эхо-сигнала ТС от плоскости трещины сформированного прямым лучом, по временному положению которого можно дополнительно уточнить глубину залегания трещины 2.As the crack 2 propagates to the side of the non-working face F, the echo AF from the lower corner of the head from the side of the non-working face is interrupted (Fig. 2 - IV). Subsequently, as the crack crosses the entire width of the head, a TCF signal appears on the EAF 4 from the upper plane of the developed longitudinal crack and the acute angle between the crack and the upper fillet of the rail head from the side that is not working. It is also possible that a vehicle echo from the crack plane formed by a direct beam appears on the EAP 4 from the crack’s temporary position, which can further clarify the depth of crack 2.

Как известно, угловые отражатели при любой локации (гидроакустической, радио- и акустической, для данного случая), являются наиболее эффективными отражателями, формирующими четкие эхо-сигналы. Поэтому эхо-сигналы от уголковых отражателей, образованных верхней плоскостью трещины и стенкой рабочей и нерабочей выкружек (эхо-сигналы CG и CF на Фиг. 2) будут четко и однозначно фиксироваться ЭАП 3 и 4.As you know, angular reflectors at any location (hydroacoustic, radio and acoustic, for this case) are the most effective reflectors that form clear echo signals. Therefore, the echo signals from the corner reflectors formed by the upper plane of the crack and the wall of the working and non-working fillets (echo signals CG and CF in Fig. 2) will be clearly and unambiguously recorded by EAPs 3 and 4.

Так как временные положения рассмотренных выше ожидаемых сигналов, с допуском на износ головки рельса и вероятного положения искомой трещины, предварительно могут быть рассчитаны, то для их приема можно сформировать заранее рассчитанные временные зоны 11 (зоны временной селекции) с учетом типа и геометрии рельсов (на Фиг. 3 показана только для сигнала CG, для остальных сигналов на ЭАП 3 и 4 - аналогично).Since the temporary positions of the expected signals considered above, with a tolerance for wear of the rail head and the probable position of the desired crack, can be preliminarily calculated, for their reception it is possible to form pre-calculated time zones 11 (zones of temporary selection) taking into account the type and geometry of the rails (on Fig. 3 is shown only for the CG signal, for the remaining signals on the EAP 3 and 4 - similarly).

Рассмотренные варианты формирования сигналов при разных степенях развития продольной трещины можно свести в таблицуThe considered signal generation options for different degrees of longitudinal crack development can be summarized in table

Figure 00000001
Figure 00000001

Как видно из Фиг. 1 - 3 и таблицы, по совместному анализу сигналов от нижних выкружек головки рельсов и эхо-сигналов, сформированных от трещины 2, можно однозначно судить о степени развития искомой трещины по ширине головки рельса 1. В каждом из рассматриваемых случаев (сечения I, II, III, IV и V) дефект фиксируется тремя - четырьмя сигналами и их сочетания не повторяются, что свидетельствует о возможности распознавания трещин разной степени развития с высокой достоверностью. В данном описании рассматриваемые сечения I - V приведены для упрощения понимания сути способа. При практической реализации, этот анализ можно производить в каждом цикле излучения - приема УЗ сигналов.As can be seen from FIG. 1-3 and tables, based on a joint analysis of signals from the lower fillets of the rail head and echo signals generated from crack 2, we can unambiguously judge the degree of development of the desired crack along the width of rail head 1. In each of the cases under consideration (sections I, II, III, IV and V) the defect is fixed by three to four signals and their combinations are not repeated, which indicates the possibility of recognizing cracks of varying degrees of development with high reliability. In this description, the considered sections I - V are given to simplify the understanding of the essence of the method. In practical implementation, this analysis can be performed in each radiation cycle - the reception of ultrasonic signals.

Дополнительно протяженности трещин по длине рельса можно определить по длительности ΔL3 и ΔL4 пропадания (амплитуды UAS эхо-сигналов AG и AF от нижних выкружек головки ниже пороговых уровней 9 и 10 на Фиг. 3) путем анализа амплитудных огибающих 12 и 13 на ЭАП 3 и 4 соответственно (Фиг. 4).Additionally, the length of the cracks along the rail length can be determined by the duration ΔL3 and ΔL4 of the disappearance (the amplitudes U AS of the echo signals AG and AF from the lower fillets of the head below the threshold levels 9 and 10 in Fig. 3) by analyzing the amplitude envelopes 12 and 13 on the EAA 3 and 4, respectively (Fig. 4).

Очевидно, что по временным положениям эхо-сигналов с нижней поверхности (CG) и от верхней плоскости (TCG, ТС3 ТС4 и TCF) трещины 2, при известной скорости распространения УЗ колебаний в металле рельса 1, можно однозначно, по известным выражениям, определить глубину залегания трещины относительно поверхности катания. Причем, практически на любой стадии развития. Таким образом, анализируя сигналы, получаемые в процессе последовательного перемещения преобразователей вдоль рельса с определенной скоростью, можно получить полный образ продольной трещины в головке рельса.Obviously, from the temporary positions of the echo signals from the lower surface (CG) and from the upper plane (TCG, TC3 TC4 and TCF) of crack 2, at a known propagation velocity of ultrasonic vibrations in the metal of rail 1, it is possible to unambiguously determine the depth occurrence of cracks relative to the rolling surface. Moreover, at almost any stage of development. Thus, by analyzing the signals received during the sequential movement of the transducers along the rail with a certain speed, it is possible to obtain a complete image of a longitudinal crack in the rail head.

Благодаря совокупности существенных признаков заявляемого способа (дополнительное излучение УЗ колебаний поперек головки в сторону нижнего угла нерабочей грани головки рельса, прием эхо-сигналов от нижней и верхней плоскостей трещины, совместный анализ эхо-сигналов от трещины и огибающей сигналов от нижних углов головки), удается не только получить образ продольной трещины, но и классифицировать их по степени опасности в соответствии с действующими нормативными документами европейских стран [13] и ОАО «РЖД» [1] (см. две нижние строки табл.).Due to the combination of essential features of the proposed method (additional radiation of ultrasonic vibrations across the head towards the lower angle of the idle face of the rail head, receiving echo signals from the lower and upper plane of the crack, a joint analysis of the echo signals from the crack and the envelope of signals from the lower corners of the head), it is possible not only to obtain an image of a longitudinal crack, but also to classify them according to the degree of danger in accordance with the current regulatory documents of European countries [13] and JSC Russian Railways [1] (see the bottom two lines of the table .).

В последних двух столбцах таблицы показано, что по наличию эхо-сигналов от нижних углов головки рельса можно контролировать и стабильность акустического контакта под системой из ЭАП 3 и 4 (контакт есть/контакта нет).The last two columns of the table show that by the presence of echo signals from the lower corners of the rail head, it is possible to control the stability of the acoustic contact under the EAP system 3 and 4 (there is contact / there is no contact).

Следует обратить внимание, что при реализации предлагаемого способа используется наклонный (в зависимости от типа и конфигурации головки рельса, под углом от 30° до 70°) ввод и излучаются сдвиговые (поперечные) УЗ колебания со скоростью распространения в металле 3,26 мм/мкс. При этом временное положение эхо-сигнала от верхней плоскости трещины, при рассмотренных выше для прямого ЭАП условиях (h=12 мм), составляет уже более 9,0 мкс. Это обеспечивает четкое временное разделение эхо-сигнала от трещины и зондирующего импульса, предоставляя возможность измерения временного интервала между ними.It should be noted that when implementing the proposed method, an inclined input (depending on the type and configuration of the rail head, at an angle from 30 ° to 70 °) is used and shear (transverse) ultrasonic vibrations with a propagation velocity in the metal of 3.26 mm / μs are emitted . In this case, the temporary position of the echo signal from the upper plane of the crack, under the conditions considered above for a direct EAF (h = 12 mm), is already more than 9.0 μs. This provides a clear time separation of the echo signal from the crack and the probe pulse, providing the ability to measure the time interval between them.

Пороговые уровни 9 и 10 (Фиг. 3) подбираются так, чтобы длительности пропадания эхо-сигналов от нижних углов при наезде на трещину (амплитуды сигналов AG и AF ниже порогов), при отображении сигналов контроля на развертке типа В [12] практически соответствовали протяженности продольной горизонтальной трещины L2 в сканируемых сечениях (см. Фиг. 6). При преимущественном развитии продольных трещин со стороны рабочей грани головки рельса, как правило, наблюдается большая длительность уменьшения сигнала от нижнего угла на ЭАП 3, чем на ЭАП 4. Практически всегда выполняется условие ΔL3 ≥ ΔL4 (Фиг. 4), что может быть дополнительным признаком продольной горизонтальной трещины.The threshold levels 9 and 10 (Fig. 3) are selected so that the duration of the disappearance of the echo signals from the lower corners when hitting a crack (signal amplitudes AG and AF below the thresholds) when displaying control signals on a scan of type B [12] practically correspond to the length longitudinal horizontal cracks L 2 in scanned sections (see Fig. 6). With the predominant development of longitudinal cracks from the side of the working face of the rail head, as a rule, there is a longer duration of signal reduction from the lower angle to the EAA 3 than to the EAA 4. The condition ΔL 3 ≥ ΔL 4 is almost always satisfied (Fig. 4), which can be an additional sign of a longitudinal horizontal crack.

На Фиг. 1 конфигурация трещины 2 приведена в качестве примера. На практике, распространение трещины от точки повреждения на рабочей выкружке может происходить не только в одну сторону, но и в другую, или же, одновременно в обе стороны вдоль рельса от начальной точки. Принцип обнаружения и оценки параметров трещины при этом не меняется и соответствует существенным признакам заявляемого способа.In FIG. 1, the configuration of crack 2 is given as an example. In practice, the propagation of a crack from the point of damage on the working fillet can occur not only in one direction, but also in the other, or, simultaneously, on both sides along the rail from the starting point. The principle of detection and evaluation of crack parameters does not change and corresponds to the essential features of the proposed method.

Обработку сигналов как по обнаружению и оценке трещин, так и по соблюдению качества выполнения контроля по приведенной выше последовательности (алгоритму) можно проводить как визуально, так и в автоматизированном режиме. При скоростном контроле предпочтителен автоматизированный вариант на бортовом компьютере и представление сигналов на развертке типа В (Фиг. 6, для примера, приведено изображение сигналов только от одного ЭАП 3). Как видно, даже анализируя сигналы только от одного ЭАП можно получить наглядное отображение весьма сложной продольной трещины в головке рельса: протяженность L2 искомой трещины 2 (Фиг. 1) в сканируемом сечении ЭАП 3; временные положения эхо-сигналов от (см. Фиг. 6б) нижней плоскости трещины снизу CG и верхних плоскостей трещины TCG и ТС. По этим временным положениям можно проследить развитие трещины по глубине в каждом сечении (на Фиг. 6б - условные сечения 3, 4, 5 и 6). Анализ аналогичной развертки типа В на ЭАП 4 на развертке типа В (на Фиг. не показана), также синхронизированной со скоростью перемещения ЭАП, позволяет дополнить информацию о параметрах дефекта в части головки с нерабочей стороны головки рельса.Signal processing, both by detecting and evaluating cracks, and by observing the quality of control according to the above sequence (algorithm), can be carried out both visually and in an automated mode. In high-speed control, the automated version on the on-board computer and the presentation of signals on a scan of type B are preferable (Fig. 6, for example, the image of signals from only one EAA 3 is shown). As you can see, even analyzing the signals from only one EAA, you can get a visual representation of a very complex longitudinal crack in the rail head: the length L 2 of the desired crack 2 (Fig. 1) in the scanned section of the EAA 3; temporary positions of the echo signals from (see Fig. 6b) the lower plane of the crack from below CG and the upper plane of the crack TCG and TC. According to these temporary positions, it is possible to trace the development of the crack in depth in each section (in Fig. 6b - conditional sections 3, 4, 5 and 6). An analysis of a similar scan of type B on an EAT 4 on a scan of type B (not shown in Fig.), Also synchronized with the speed of the EAP, allows you to supplement the information about the defect parameters in the part of the head from the non-working side of the rail head.

Как видно из Фиг. 3, и расчетов по известным выражениям, временные положения самых дальних сигналов от зондирующего импульса в рассматриваемом способе не превышают 50 мкс. При двойном коэффициенте запаса, период Т излучения зондирующих импульсов можно принят равным 100 мкс, что соответствует частоте F посылок зондирующих импульсов равной F=1/Т=10 кГц. При такой частоте посылок, даже недостигнутой в настоящее время скорости сканирования 120 км/ч, интервал озвучивания сечения рельса будет происходить через каждые 3,3 мм, что вполне достаточно для надежного обнаружения продольных трещин и оконтуривания их площади (формирования образа дефекта). Безусловно, это способствует значительному повышению производительности контроля рельсов. В тоже время, при меньших скоростях сканирования, без потери информации можно уменьшить частоту посылок зондирующих импульсов синхронно с изменением скорости сканирования. Это позволит уменьшать поток обрабатываемой информации при снижении скорости перемещения преобразователей.As can be seen from FIG. 3, and calculations using well-known expressions, the temporal positions of the farthest signals from the probe pulse in the considered method do not exceed 50 μs. With a double safety factor, the period T of the radiation of the probe pulses can be taken equal to 100 μs, which corresponds to the frequency F of the transmissions of the probe pulses equal to F = 1 / T = 10 kHz. At such a parcel frequency, even a scan speed of 120 km / h currently unattained, the sounding interval of the rail section will occur every 3.3 mm, which is quite sufficient for reliable detection of longitudinal cracks and contouring of their area (formation of a defect image). Of course, this contributes to a significant increase in rail monitoring performance. At the same time, at lower scanning speeds, without loss of information, it is possible to reduce the frequency of sending probe pulses simultaneously with a change in the scanning speed. This will reduce the flow of processed information while reducing the speed of movement of the converters.

При реализации способа возможно использование ЭАП как на основе пьезоэлектрических преобразователей, так и на основе электромагнитно-акустического (ЭМА) возбуждения УЗ колебаний.When implementing the method, it is possible to use EAP both on the basis of piezoelectric transducers and on the basis of electromagnetic-acoustic (EMA) excitation of ultrasonic vibrations.

Размещение ЭАП на поверхности катания относительно продольной оси головки рельса можно выполнить разными способами:The placement of the EAA on the rolling surface relative to the longitudinal axis of the rail head can be performed in different ways:

- в одном поперечном сечении головки, когда каждый наклонный ЭАП находится на той же стороне от продольной плоскости головки, что и озвучиваемый им нижняя выкружка головки рельса (как показано на Фиг. 1 и 2);- in one cross section of the head, when each inclined EAF is on the same side from the longitudinal plane of the head as the lower fillet of the rail head voiced by it (as shown in Figs. 1 and 2);

- в одном поперечном сечении головки, когда наклонный ЭАП находится на противоположной стороне от продольной плоскости головки, относительно озвучиваемый им нижнего угла головки рельса. Однако, при этом возможны акустические помехи, вызванные взаимным влиянием ЭАП друг на друга;- in one cross section of the head, when the inclined EAF is located on the opposite side from the longitudinal plane of the head, relative to the lower angle of the rail head sounded by it. However, in this case, acoustic interference caused by the mutual influence of the EAP on each other is possible;

- в двух сечениях, смешенных относительно друг друга в продольном направлении рельса, реализуя первый или второй способ. При известном расстоянии между ЭАП 3 и ЭАП 4 вдоль рельса, и известной скорости их совместного перемещения, обработку сигналов (анализ сигналов по вышеприведенным алгоритмам) необходимо осуществить, приведя анализируемые сигналы к единому сечению контролируемого рельса.- in two sections mixed relative to each other in the longitudinal direction of the rail, implementing the first or second method. With a known distance between the EAA 3 and EAA 4 along the rail, and the known speed of their joint movement, signal processing (analysis of the signals according to the above algorithms) must be carried out by bringing the analyzed signals to a single section of the monitored rail.

Предложенный способ обнаружения продольных трещин, как отмечено выше, в основном направлен на обнаружение и оценке параметров трещин, имеющих преимущественно горизонтальную ориентацию (с некоторым наклоном относительно к горизонту). Автору на момент подготовки заявки не известны способы, решающую данную задачу. В тоже время предлагаемый способ позволяет обнаруживать и продольные трещины вертикальной ориентации (дефекты кода 31 по [1]), на обнаружение которых направлены известные технические решения (см., в частности, [14]), тем самым дополняя и расширяя их возможности. При расположении вертикальной трещины в боковой части головки рельса со стороны рабочей грани, уменьшается амплитуда эхо-сигнала AG от нижнего угла со стороны рабочей грани, но амплитуда сигнала AF со стороны нерабочей грани остается неизменной (близкой к максимуму). А при нахождении вертикальной трещины в боковой части головки со стороны нерабочей грани - наоборот.The proposed method for detecting longitudinal cracks, as noted above, is mainly aimed at detecting and evaluating parameters of cracks having a predominantly horizontal orientation (with some inclination relative to the horizontal). The author at the time of preparation of the application does not know the methods that solve this problem. At the same time, the proposed method allows to detect longitudinal cracks of vertical orientation (defects of code 31 according to [1]), the detection of which is known to technical solutions (see, in particular, [14]), thereby complementing and expanding their capabilities. When a vertical crack is located in the lateral part of the rail head from the side of the working face, the amplitude of the echo signal AG from the lower angle from the side of the working face decreases, but the amplitude of the AF signal from the side of the non-working side remains unchanged (close to maximum). And when there is a vertical crack in the lateral part of the head from the side of the non-working side - vice versa.

Таким образом, заявляемый способ позволяет:Thus, the claimed method allows you to:

- обнаруживать участки рельсов с продольными внутренними трещинами;- detect sections of rails with longitudinal internal cracks;

- определять размеры трещин, как по ширине, так и вдоль головки рельса;- determine the size of the cracks, both in width and along the rail head;

- определять глубины залегания продольных трещин горизонтальной ориентации;- determine the depth of longitudinal cracks of horizontal orientation;

- оценивать качество акустического контакта под преобразователями;- evaluate the quality of acoustic contact under the transducers;

- повысить частоту посылок зондирующих импульсов, способствуя повышению скорости контроля.- increase the frequency of sendings of probe pulses, helping to increase the speed of control.

Способ может быть реализован, позволяет повышать достоверность и производительность контроля с одновременным упрощением реализации технического решения на практике. Надежное обнаружение наиболее массовых продольных трещин в головке рельса с возможностью из классификации по размеру (в плане) и глубине залегания, позволяет своевременно принять меры по их устранению и предотвратить катастрофические последствия на железнодорожном транспорте.The method can be implemented, allows to increase the reliability and performance of the control while simplifying the implementation of the technical solution in practice. Reliable detection of the most massive longitudinal cracks in the rail head with the possibility of classification according to size (in plan) and depth, allows timely measures to be taken to eliminate them and prevent catastrophic consequences in rail transport.

Источники информацииSources of information

1. Инструкция «Дефекты рельсов. Классификация, каталог и параметры дефектных и остродефектных рельсов» Утв. ОАО «РЖД» распоряжением №2499 р от 23.10.2014. - 140 с.1. Instruction “Rail defects. Classification, catalog and parameters of defective and acute defective rails ”Approved. Russian Railways by order No. 2499 r of 10.23.2014. - 140 p.

2. US 4700574.2. US 4700574.

3. US 6055862.3. US 6055862.

4. US 5777891.4. US 5777891.

5. WO 2009140446.5. WO 2009140446.

6. RU 2060493.6. RU 2060493.

7. RU 2184374.7. RU 2184374.

8. RU 2308027.8. RU 2308027.

9. RU 2545493.9. RU 2545493.

10. RU 2613574.10. RU 2613574.

11. RU 2652511.11. RU 2652511.

12. Марков A.A., Кузнецова E.A. Дефектоскопия рельсов. Формирование и анализ сигналов. Книга 1. Основы. - СПб.: КультИн-формПресс, 2010. 290 с.12. Markov A.A., Kuznetsova E.A. Defectoscopy of rails. Signal formation and analysis. Book 1. Basics. - SPb .: KultIn-formPress, 2010.290 s.

13. S. L. Grassie. International Railway Journal, 2001, №1, p. 13-17.13. S. L. Grassie. International Railway Journal, 2001, No. 1, p. 13-17.

14. US 20130152691.14. US 20130152691.

Claims (2)

1. Способ ультразвукового обнаружения продольных трещин в головке рельса, заключающийся в том, что на поверхность катания рельса устанавливают первый электроакустический преобразователь, ориентированный попрек головки рельса на нижнюю выкружку головки со стороны рабочей грани с возможностью приема от нее отраженных сигналов, перемещают преобразователь вдоль рельса с определенной скоростью, периодически излучают ультразвуковые колебания, принимают отраженные от нижней выкружки головки со стороны рабочей грани рельса эхо-сигналы, анализируют амплитуду принятых сигналов, отличающийся тем, что принимают отраженные от нижней и верхней плоскостей продольной трещины эхо-сигналы, зеркально первому устанавливают второй электроакустический преобразователь, но направленный на нижнюю выкружку со стороны нерабочей грани головки рельса и функционирующий аналогично первому, совместно с первым второй преобразователь перемещают вдоль рельса, оценку глубины залегания и степени развития продольной трещины производят на основе анализа амплитуд и временного положения последовательно поступающих по мере перемещения преобразователей эхо-сигналов от трещины и уровней амплитуд эхо-сигналов от нижних выкружек головки рельса.1. The method of ultrasonic detection of longitudinal cracks in the head of the rail, which consists in the fact that the first electroacoustic transducer is installed on the rail surface, oriented reprogramming the rail head to the lower fillet of the head from the side of the working face with the possibility of receiving reflected signals from it, moving the transducer along the rail with at a certain speed, periodically emit ultrasonic vibrations, receive echoes reflected from the lower fillet of the head from the side of the working edge of the rail, lysing the amplitude of the received signals, characterized in that echoes reflected from the lower and upper planes of the longitudinal crack are received, the second electro-acoustic transducer is mirrored first, but directed to the lower fillet from the side of the inoperative rail head and functioning similarly to the first, together with the first second transducer move along the rail, an assessment of the depth and degree of development of a longitudinal crack is carried out on the basis of an analysis of the amplitudes and temporary position of the the echoes coming from the crack and the amplitude levels of the echoes from the lower fillets of the rail head that are arriving as the transducers move. 2. Способ ультразвукового обнаружения продольных трещин в головке рельса по п. 1, отличающийся тем, что периоды излучения ультразвуковых колебаний преобразователями выбирают исходя из скорости их перемещения и требуемой разрешающей способности оценки размеров продольных трещин.2. The method of ultrasonic detection of longitudinal cracks in the rail head according to claim 1, characterized in that the periods of emission of ultrasonic vibrations by the transducers are selected based on the speed of their movement and the required resolution for estimating the size of longitudinal cracks.
RU2019120468A 2019-06-28 2019-06-28 Method of ultrasonic detection of longitudinal cracks in a rail head RU2712975C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2019120468A RU2712975C1 (en) 2019-06-28 2019-06-28 Method of ultrasonic detection of longitudinal cracks in a rail head

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2019120468A RU2712975C1 (en) 2019-06-28 2019-06-28 Method of ultrasonic detection of longitudinal cracks in a rail head

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2712975C1 true RU2712975C1 (en) 2020-02-03

Family

ID=69624840

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2019120468A RU2712975C1 (en) 2019-06-28 2019-06-28 Method of ultrasonic detection of longitudinal cracks in a rail head

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2712975C1 (en)

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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
RU2652511C1 (en) * 2017-05-02 2018-04-26 Анатолий Аркадиевич Марков Method of micro cracks on the rail head rolling surface ultrasonic detection

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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
RU2652511C1 (en) * 2017-05-02 2018-04-26 Анатолий Аркадиевич Марков Method of micro cracks on the rail head rolling surface ultrasonic detection

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP1707956B1 (en) Method and system for inspecting objects using ultrasound scan data
US8291766B2 (en) Method and device for ultrasound testing
CN109196350B (en) Method for detecting defects in materials by ultrasound
JP5192939B2 (en) Defect height estimation method by ultrasonic flaw detection
RU2184374C1 (en) Ultrasonic method for controlling rail head
JP4952489B2 (en) Flaw detection method and apparatus
RU2550825C1 (en) Method of dynamic calibration of ultrasonic detector
Edwards et al. Ultrasonic detection of surface-breaking railhead defects
RU2060493C1 (en) Rail head ultrasonic inspection method
RU2184960C1 (en) Process of ultrasonic inspection of rail head
RU2712975C1 (en) Method of ultrasonic detection of longitudinal cracks in a rail head
RU2645818C1 (en) Method for ultrasonic inspection of rail bases
RU2227911C1 (en) Method for multichannel ultrasonic testing of rails
JP2009145232A (en) Rail bottom corrosion amount measuring device and measuring method
RU2052808C1 (en) Ultrasonic method for detection of cracks in article hole walls
JP4270040B2 (en) Ultrasonic flaw detection method
US11913909B2 (en) Device and method for determining the extent of defects by means of v through-transmission
RU2725705C1 (en) Ultrasonic inspection method of articles with equidistant surfaces
RU2714868C1 (en) Method of detecting pitting corrosion
JP2002277447A (en) Ultrasonic flaw detection method and apparatus
CN106323207A (en) Composite billet weld fusion depth detecting device and method
RU2791145C1 (en) Method for ultrasonic testing of the bolted rail joints zone
RU37832U1 (en) MEANS FOR ULTRASONIC DEFECTOSCOPY
RU2783753C1 (en) Ultrasonic method for detecting defects in the rail head
RU2764571C1 (en) Ultrasonic method for detecting and evaluating rail welded joints in high-speed inspection