Контроль шейки и подошвы рельса
РАЗДЕЛ 3 УЛЬТРАЗВУКОВЫЕ МЕТОДЫ
Физические основы ультразвуковой дефектоскопии рельсов
Природа и свойства ультразвуковых колебаний. Ультразвуковая дефектоскопия использует упругие колебания и волны и основана на выявлении местного снижения акустической проницаемости металла в зоне наличия трещин, расслоений металла, раковин, инородных включений.
Колебание – механические колебания упругой среды вокруг своего положения равновесия.
Акустическая волна – процесс передачи энергии колебательных движений в материале от одного слоя частиц к другому за счет упругих связей между соседними частицами (распространение в упругой среде механического возмущения).
В зависимости от частоты упругие волны подразделяются на:
- инфразвуковые (с частотой до 20 Гц),
- звуковые, воспринимаемые ухом человека (от 20 до 20000 Гц),
- ультразвуковые (выше 20 кГц).
Для обнаружения дефектов в рельсах используют ультразвуковые колебания частотой 2,5 МГц.
Упругие волны могут возникать в любой среде – твердой, жидкой, газообразной.
Основные характеристики упругой волны:
- частота f – количество колебаний, совершенное в единицу времени (секунду); измеряется в герцах (Гц) ли производных единицах: килогерцах (1 кГц=1 000 Гц), мегагерцах (1 МГц=1 000кГц=1 000 000 Гц);
- период Т – время совершения одного полного колебания; измеряется в секундах (с) или производных единицах: миллисекундах (мс), микросекундах (мкс). Частота и период колебаний связаны следующей формулой f=1/Т или Т=1/f;
- скорость упругой волны С – скорость распространения энергии волнового процесса в среде; измеряется в м/с или мм/мкс;
- длина волны λ – расстояние, на которое волна распространяется за время одного полного колебания (за 1 период колебаний); измеряется в м или мм.
Характеристики упругой волны связаны между собой соотношением:
λ=с/ f .
В зависимости от упругих свойств среды в ней могут возникать упругие волны различных видов, отличающиеся направлением смещения колеблющихся частичек: продольные, поперечные, поверхностные.
Если колебания колеблющихся частичек совпадают с направлением распространения волны, то такая волна называется продольной (рис.33а). Если колебания частичек среды перпендикулярны направлению распространения волны, то такая волны называется поперечной (рис.33б). Поверхностной называют волну, распространяющуюся вдоль свободной границы твердого тела и состоящую из комбинации продольных и поперечных волн (рис.33в).
Рис. 33 Основные типы волн
Продольные волны могут распространяться в любых средах – твердых телах, жидкостях и газах. Поперечные и поверхностные существуют только в твердых телах, сохраняющих свой объем и обладающих упругостью формы.
В ультразвуковой дефектоскопии рельсов чаще всего используют продольные и поперечные волны. Значения скоростей и длин волн различных типов ультразвуковых волн в стали при частоте ультразвука 2,5 МГц приведены в таблице 4.
Таблица 4 Скорость (С) и длина волны (λ) различных типов ультразвуковых волн в стали при частоте ультразвука f=2,5МГц
| Тип волны | Продольная | Поперечная |
| Скорость распространения волны, м/с | С l=5900 | Ct=3260 |
| Длина волны, мм | λl=2,4 | λt=1,3 |
Законы отражения ультразвуковых волн. При падении ультразвуковой волны на границу раздела двух твердых сред падающая волна частично отражается от границы, а частично проходит во вторую среду. При этом происходит отражение, преломление (изменение направления) и трансформация (изменение типа) падающей на границу раздела двух сред волны в зависимости. Если волна падает перпендикулярно на границу раздела двух сред (угол падения 0º), то отраженная волна и прошедшая волна будут того же типа, как и падающая. Явления трансформации и преломления практически отсутствуют.
При падении продольной волны на границу раздела двух сред под углом β могут возникать отраженные и преломленные волны двух типов: продольные С l и поперечные Ct.
Процесс падения продольной волны С l под углом β на границу оргстекло – сталь сопровождается возникновением четырех волн (рис. 34 а): двух отраженных (продольной С l 1 и поперечной Ct 1) и двух преломленных (продольной С l 2 и поперечной Ct 2).
Углы отражения γ и преломления α различных типов ультразвуковых волн зависят от угла падения β l и связаны соотношением Снеллиуса (закон синусов):
sin β l / С l 1 = sin γ l / С l 1 = sin γ t / С t 1 = sin α l / С l 2 = sin α t / С t 2 ?
где β l – угол падения продольной волны в первой среде;
γ l – угол отражения продольной волны в первой среде;
γ t – угол отражения поперечной волны в первой среде;
α l – угол преломления продольной волны во второй среде;
α t – угол преломления поперечной волны во второй среде;
С l 1 – скорость продольной волны в первой среде;
С t 1 – скорость поперечной волны в первой среде;
С l 2 – скорость продольной волны во второй среде;
С t 2 – скорость поперечной волны во второй среде.
Рис. 34 Отражение и преломление волн при падении на границу раздела двух сред
При углах падения от 0 до 27º происходит отражение, преломление и трансформация падающей продольной волны. Для выявления дефектов используется только прошедшая продольная волна с углами ввода 13-22º. Интенсивность прошедшей поперечной волны в этом диапазоне очень мала.
При падении продольной волны под углами, близкими к 27º, прошедшая в деталь продольная волны начинает скользить вдоль поверхности детали, трансформируясь в головную волны, которая, в свою очередь, порождает «вторичные» поперченные волны и быстро затухает. Угол падения 27º называют первым критическим углом для границы оргстекло – сталь (рис. 34 б).
При углах падения продольной волны в диапазоне 27-55º прошедшая продольная волна отсутствует, а в детали распространяется только поперечная волна. Данный способ возбуждения поперечных волн лежит в основе работы наклонных преобразователей и широко используется для проведения контроля.
При падении продольной волны под углом 55º возбуждаемая в детали поперечная волна начнет скользить вдоль поверхности, трансформируясь в поверхностную волну, которая используется для выявления поверхностных дефектов. Угол падения 55º называют вторым критическим углом для границы оргстекло – сталь (рис. 34в).
Если падающая волна поперечная, а вторая среда – жидкость или газ (воздух), то в первой твердой среде возникают поперечная и продольная отраженные волны, а во второй – только продольная. По мере увеличения угла падения, начиная со значения 33º, продольная отраженная волна отсутствует в первой среде. Этот угол называется третьим критическим углом (рис. 34 г).
Свойства упругих волн используют при конструировании наклонных преобразователей для контроля изделий. В таких преобразователях ультразвуковые волны преломляются с помощью призмы, изготовленной из оргстекла и играющей роль первой среды, а второй средой является контролируемое изделие. Все типовые наклонные преобразователи, используемые для контроля головки и шейки рельса, имеют углы призмы в интервале между первым и вторым критическим углами (30º, 40º, 45º и 50º).
На законах отражения ультразвуковых волн от неоднородностей металла основана выявляемость дефектов ультразвуковыми методами, так как трещины, неметаллические включения и другие несплошности отличаются по своему акустическому сопротивлению от основного металла.
Излучатели и приемники ультразвука. Пьезоэлектрические преобразователи. Возбуждение и прием ультразвуковых волн в различных материалах осуществляется путем преобразования электрических колебаний в ультразвуковые и обратно с помощью электроакустических преобразователей (ЭАП).
В качестве ЭАП могут быть использованы пьезоэлектрические, магнитострикционные, электромагнитно-акустические преобразователи. В настоящее время в ультразвуковой дефектоскопии рельсов применяют пьезоэлектрические преобразователи (ПЭП), работающие на основе прямого и обратного пьезоэлектрического эффекта.
Основу конструкции ПЭП составляют пьезоэлементы, представляющие собой пластины круглой или прямоугольной формы из материалов, обладающих пьезоэлектрическими свойствами (кварц, турмалин, сульфат лития, титанат бария, цирконат титана свинца ЦТС и т.п.). На их поверхности методом напыления наносят тонкие слои серебра или никеля, служащие электродами. После напыление пластины поляризуют воздействием постоянного электрического напряжения, после чего они приобретают пьезоэлектрические свойства. При дефектоскопии рельсов обычно используют пьезоэлектрические пластины из керамики ЦТС, так как они обеспечивают высокую чувствительность, достаточный температурный диапазон и низкую стоимость ПЭП.
Обратный пьезоэффект используют для возбуждения ультразвуковых волн в контролируемом изделии. Для этого с генератора дефектоскопа на пьезоэлемент подается импульсное напряжение, под действием которого пьезоэлемент изменяет свои размеры, возбуждая ультразвуковые колебания в изделии.
Прямой пьезоэффект используют для приема ультразвуковых волн. Ультразвуковые колебания в контролируемом изделии воздействуют на пьезоэлемент, заставляя его изменять свои размеры; под воздействием колебаний на электродах пьезоэлемента появляется электрическое напряжение, которое усиливается и подается на индикаторное устройство дефектоскопа.
Таким образом, явления прямого и обратного пьезоэффектов лежат в основе работы ПЭП.
ПЭП бывают различных видов:
· В зависимости от угла ввода ультразвуковых волн – прямые (с углом ввода 0º к вертикали; позволяют вводить только продольные волны); наклонные (вводят ультразвуковые волны под углом. Заданным конструкцией);
· В зависимости от конструктивного исполнения ПЭП могут быть раздельными (выполняют функцию приемника или излучателя ультразвуковых волн); совмещенными (выполняют функцию приемника и излучателя ультразвуковых волн); раздельно-совмещенными (две пьезопластины смонтированы в общем корпусе и разделены акустическим экраном (рис. 35)).
Рис. 35 Пьезоэлектрические преобразователи (режимы работы)
ПЭП состоит из корпуса, в который установлена пьезопластина, наклеенная на протектор – для прямых ПЭП, на призму – для наклонных ПЭП, питающих проводов, электроразъема и демпфера (рис. 36).
а) б)
Рис. 36 Конструкция прямого (а) и наклонного (б) ПЭП
Протектор представляет собой тонкую пластину, изготовленную из износостойкого материала (керамика, пластмасса, оргстекло) и служащий для защиты пьезопластины от механических повреждений.
Призма определяет угол ввода ультразвука в наклонных ПЭП и служит для защиты пьезоэлемента от механических повреждений, изготавливается из оргстекла, капролона, полистирола.
Демпфер служит для гашения колебаний с нерабочей стороны пьезоэлемента, что способствует повышению разрешающей способности преобразователя, изготавливается из текстолита, пластмассы.
Акустический экран расположен между приемным и излучающим пьезоэлементами в раздельно-совмещенном ПЭП и препятствует прохождению мощных колебаний излучающего пьезоэлемента к приемному, изготавливается из пенопласта, пенополиэтилена с добавлением слоев металлической фольги.
Корпус обеспечивает прочность конструкции ПЭП и экранирует пьезоэлемент от внешних электромагнитных помех; изготавливается из металла или из пластмассы с добавлением слоев металлической фольги.
При наличии акустического контакта с контролируемым изделием энергия ультразвукового импульса излучается в изделие в виде направленного пучка ультразвуковых волн (рис. 37).
Рис. 37 Зоны излучения ПЭП
В непосредственной близости от преобразователя ультразвук распространяется в виде нерасходящегося пучка параллельных лучей. Эту зону называют ближней зоной или зоной Френеля. Ближняя зона не используется для выявления дефектов, так как она характеризуется сильной неравномерностью интенсивности ультразвука как вдоль оси пучка, так и по его сечению.
За пределами ближней зоны начинается дальняя зона или зона Фраунгофера, в которой интенсивность ультразвука равномерно убывает при удалении от преобразователя. Именно эта зона используется для выявления дефектов при ультразвуковом контроле. В дальней зоне формируется расходящийся пучок лучей. Максимальная интенсивность ультразвука наблюдается вдоль оси ультразвукового пучка. При отклонении от оси пучка интенсивность ультразвука постепенно уменьшается, и за пределами некоторого угла ультразвук практически исчезает. Основная часть излученной акустической энергии сосредоточена в пределах конуса угловой ширины 2Θ.Угол 2Θ определяет направленность излучения ультразвука и называется углом раскрытия. Угол раскрытия ультразвукового пучка зависит от частоты ультразвуковых колебаний и диаметра пьезоэлемента. Чем выше частота ультразвука и больше диаметр пьезоэлемента, тем меньше угол раскрытия.
Более полно направленные свойства пьезоэлектрических преобразователей представляются с помощью диаграммы направленности, которая отображает зависимость амплитуды акустического поля в какой-либо точке от угла, под которым виден из этой точки центр преобразователя. Акустические поля состоят из основного и боковых лепестков. В пределах угла раскрытия основного лепестка сосредоточено до 80% излучаемой преобразователем энергии. Боковые лепестки могут создавать мешающие сигналы, если в их поле попадает мощный отражатель. При одинаковых размерах пьезоэлементов ширина диаграммы направленности увеличивается с понижением рабочей частоты преобразователя (рис. 38).
Аналогичная картина наблюдается при уменьшении диаметра пьезопластины на одной и той же рабочей частоте.
По диаграммам направленности наклонных преобразователей можно проследить увеличение угла раскрытия ультразвукового пучка и ширины основного лепестка диаграммы направленности с увеличением угла ввода.
Рис. 38 Диаграммы направленности прямых совмещенных ПЭП с частотой 5,0 МГц (а) и 2,5 МГц (б) при одинаковых размерах пьезоэлемента
Величина боковых лепестков также увеличивается с увеличением угла ввода.
Методы ультразвуковой дефектоскопии рельсов. Для обнаружения дефектов рельсов используется свойство ультразвука почти полностью отражаться от границ метала с воздухом или водой (обычно заполняющими дефекты). Применяются методы: эхо-метод, зеркально- теневой, теневой, зеркальный, дельта-метод. Дефектоскопами фиксируются те сигналы, которые превышают чувствительность приемника и имеют задержку, лежащую внутри установленных временных пределов (строба); факт фиксации отраженных эхо-сигналов подтверждается включением звукового сигнала.
Эхо-метод ультразвуковой дефектоскопии является наиболее распространенным, с его помощью обнаруживается более 90% дефектов рельсов. Метод основан на излучении в контролируемое изделие коротких импульсов и регистрации эхо-сигнала, отраженного от дефекта.
К преимуществам эхо-метода относятся:
· Односторонний доступ к изделию,
· Относительно большая чувствительность к внутренним дефектам,
· Высокая точность определения координат дефектов.
К недостаткам эхо-метода можно отнести:
· Низкую помехоустойчивость к поверхностным отражателям,
· Резкую зависимость амплитуды эхо-сигнала от ориентации дефекта,
· Невозможность контроля качества акустического контакта в процессе перемещения ПЭП, так как при отсутствии дефектов на выходе отсутствуют какие-либо сигналы.
Несмотря на указанные недостатки, эхо-метод является наиболее распространенным методом ультразвуковой дефектоскопии.
При контроле изделий с плоскопараллельными поверхностями возможен одновременный прием эхо-сигналов как от дефекта, так и от противоположной поверхности (донный сигнал) (рис. 39).
Рис. 39 Формирование эхо- и донного сигнала
Причем временное положение эхо-сигнала от дефекта относительно зондирующего импульса пропорционально глубине h его залегания
t=2h/с,
где с – скорость распространения ультразвуковых колебаний в изделии.
Амплитуда эхо-сигнала зависит от размера дефекта, свойств его поверхности и его ориентации, а также затухания ультразвуковой волны в изделии и расстояния до дефекта. Интервал времени между зондирующим импульсом и эхо-сигналом от противоположной (донной) поверхности пропорционален высоте изделия.
Донный сигнал может отсутствовать в следующих случаях:
· Донная поверхность не параллельная поверхности ввода ультразвуковых волн (рис. 40а);
· Дефект имеет значительный размер, полностью перекрывающий ультразвуковой пучок (рис. 40б);
· Высота (толщина) изделия настолько велика, что вследствие затухания ультразвуковых колебаний амплитуда эхо-сигнала от донной поверхности имеет очень малую величину (рис. 40в).
а) б) в)
Рис. 40 Случаи отсутствия донного сигнала
Первичными измеряемыми характеристиками сигналов от дефектов при эхо-методе являются максимальная амплитуда эхо-сигнала U э и временное положение эхо-сигнала относительно зондирующего импульса t э, которые измеряются при расположении преобразователя в точке, где наблюдается наибольшая амплитуда эхо-сигнала от дефекта (рис. 41).
Рис. 41 Измерение характеристик эхо-сигнала
В процессе перемещения ПЭП над зоной локации дефекта, вследствие озвучивания его разными лучами диаграммы направленности, эхо-импульсы от него наблюдаются на некотором участке ΔL.
Для обнаруженного эхо-методом дефекта используются три условных размера (рис. 42):
· Условный размер по длине рельса ΔL характеризуется длиной зоны в миллиметрах перемещения ПЭП вдоль рельса, в пределах которого формируется сигнал от дефекта при заданной условной чувствительности дефектоскопа;
· Условная высота дефекта ΔН – это разность показаний дефектоскопа, снятых при тех же положениях ПЭП, при которых измеряется условный размер;
· Условная ширина дефекта ΔХ в миллиметрах измеряется по длине зоны между крайними положениями ПЭП, перемещаемого вдоль контролируемого сечения.
Рис. 42 Измерение условного размера по длине рельса ΔL и условной высоты ΔН дефекта
Крайними положениями ПЭП при измерениях условных размеров Δ L, ΔН, ΔХ считают положения, при которых амплитуда эхо-сигнала от выявленного дефекта уменьшается до уровня срабатывания автоматического сигнализатора дефектоскопа, настроенного в соответствии с требованиями нормативной документации на контроль конкретного изделия.
Теневой метод ультразвуковой дефектоскопии основан на формировании акустического тракта от излучателя ультразвуковых волн через изделие к приемнику (рис. 43).
Рис. 43 Теневой метод ультразвуковой дефектоскопии
Оценка состояния контролируемого изделия производится по уровню принятого сигнала приемником. Если на пути ультразвуковых волн от излучателя до приемника нет несплошностей, то уровень принятого сигнала максимален. Если в изделии есть несплошность, то уровень принятого сигнала резко уменьшается или падает до нуля.
Теневой метод имеет ряд недостатков: высокую помехоустойчивость; необходимость двухстороннего доступа к изделию; наличие значительных погрешностей показаний прибора, регистрирующего уровень прошедшего сигнала из-за нестабильности акустического контакта обоих ПЭП с контролируемой деталью; отсутствие информации о расположении (координатах) обнаруженного дефекта. По этим причинам теневой метод на железнодорожном транспорте имеет ограниченное применение.
Зеркально-теневой метод не требует двустороннего доступа к контролируемому изделию. Признаком обнаружения дефектов при зеркально-теневом методе служит ослабление амплитуды донного сигнала (сигнала, отраженного от противоположной поверхности).
Для реализации данного метода в качестве излучателя и приемника ультразвуковых колебаний могут использоваться (рис. 35):
· Два рядом расположенных ПЭП в отдельных корпусах, при этом преобразователи работают в раздельном режиме;
· Две пьезопластины, размещенные в одном корпусе разделением приемной и передающей пластин электроакустическим экраном; такой преобразователь называют раздельно-совмещенным;
· Одна пьезопластина, которая осуществляет поочередное излучение и прием ультразвуковых колебаний; такой режим работы называют совмещенным, а преобразователь – совмещенным.
Зеркально-теневой метод может быть реализован как с помощью прямых ПЭП, так и наклонных (рис. 44).
Рис. 44 Способы ввода акустических колебаний
В съемных дефектоскопах и при ручном контроле железнодорожных рельсов при реализации зеркально-теневого метода в основном применяют прямые ПЭП.
При любом способе контроля амплитуда донного сигнала в процессе перемещения ПЭП несколько меняется из-за нарушения акустического контакта и спадает при обнаружении дефекта (рис. 45).
Рис. 45 Схема перемещения ПЭП и изменение амплитуды донного сигнала
Поэтому при любом способе реализации зеркально-теневого метода контроля является уменьшение амплитуды донного сигнала в определенное, наперед заданное число раз. Чем крупнее дефект, тем существеннее ослабление донного импульса, вызываемое этим дефектом.
Величина ослабления донного импульса может быть оценена коэффициентом ослабления Кс, равным
Кс= Uд/ U0,
где U0 – амплитуда донных импульсов при отсутствии дефекта;
Uд –амплитуда донных импульсов при расположении дефекта в зоне ультразвукового пучка.
Размеры дефекта можно оценить по величине коэффициента выявляемости Кв, величина которого изменяется в пределах от 0 до 1 и тем меньше, чем больше дефект (рис. 46).
Рис. 46 Влияние размера дефекта на коэффициент выявляемости
Для дефектов, размеры которых существенно меньше длины волны Кв=1; если дефект полностью перекрывает ультразвуковой пучок, то Кв=0. Таким образом, по величине коэффициента выявляемости в некоторых случаях можно оценивать размеры дефекта. Выявляемость дефекта тем лучше, т.е. чувствительность тем больше, чем существеннее ослабление донного импульса, по которому ведется контроль. Измерять и эталонировать условную чувствительность зеркально-теневого дефектоскопа целесообразно калиброванным аттенюатором (рис. 47).
В обычном состоянии на вход приемного тракта поступает донный импульс без ослабления, амплитуда которого U0. Нажатием кнопки амплитуду донного импульса на входе приемного тракта уменьшают до значения Um, устанавливаемого движком аттенюатора.
Рис. 47 Схема включения имитатора дефектов:
I – зеркально-теневой дефектоскоп;
II – имитатор дефектов; 1 – аттенюатор;
2 – выключатель; 3 – рельс; 4 – искатель; 5 – генератор ультразвуковых колебаний; 6 – приемочный тракт; 7 – звуковой индикатор; 8 – ручка регулировки чувствительности
Если движок аттенюатора установить в положение, при котором срабатывает индикатор дефектоскопа, то по шкале аттенюатора можно отсчитать ослабление Ку=Um/U0 донного сигнала, т.е. условную чувствительность дефектоскопа. Такой аттенюатор (по существу имитатор дефектов в зеркально-теневом дефектоскопе) позволяет: безэталонно настраивать дефектоскоп на заданную чувствительность; проверять условную чувствительность
дефектоскопа в процессе его эксплуатации; измерять коэффициент выявляемости обнаруженного дефекта и тем самым оценивать его размеры.
Максимальная условная чувствительность, на которую может быть настроен прибор определяется уровнем помех, возникающих при контроле рельсов. Все помехи при зеркально-теневом методе можно классифицировать на пять основных видов (рис. 48):
Рис. 48 Возможные помехи при зеркально-теневом методе
· Помехи, вызванные нарушением акустического контакта из-за механических повреждений или загрязнений контактной поверхности (рис. 48а);
· Помехи, возникающие из-за изменения отражающих свойств донной поверхности (рис. 48б);
· Помехи, связанные с изменением затухания ультразвука из-за структурных неоднородностей контролируемого металла (рис. 48в);
· Помехи, обусловленные непараллельностями контактной и донной поверхностей (рис. 48г);
· Помехи, появляющиеся при поперечных смещениях искателя в процессе контроля изделий, ширина которых соизмерима с диаметром ультразвукового пучка (рис. 48д).
Уровень помехи можно оценить коэффициентом помехи:
Кп=Uп/U0,
где Uп – минимальная амплитуда донного отражения при наличии помехи;
U0 – амплитуда донного отражения при отсутствии помехи.
Большей помехе соответствует меньшее значение коэффициента помех, а каждому виду помех – свой коэффициент помехи. При одновременном воздействии ряда помех суммарный коэффициент помех
КпΣ=Кпа· Кпс · Кпд · Кпн · Кпп.
Помехоустойчивость способа при прочих равных условиях будет тем выше, чем больше значение коэффициента КпΣ. Из всех способов зеркально-теневого метода (по первому донному импульсу, по второму донному импульсу) оптимальным будет тот, который при равных условиях обеспечивает максимальные помехоустойчивость и чувствительность. Таким способом контроля является способ контроля по второму донному импульсу. При контроле по второму донному импульсу могут быть выявлены дефекты в рельсах с загрязненной поверхностью, не обнаруживаемые при контроле по первому доннмоу импульсу.
К основным измеряемым характеристикам выявленных при зеркально-теневом методе контроля дефектов относят коэффициент выявляемости дефекта Кд и условную протяженность ΔL дефекта при заданной условной чувствительности дефектоскопа Ку.
Зеркально-теневой метод является одним из основных способов, применяемых для обнаружения дефектов в виде вертикальных расслоений в шейке и подошве рельса. При реализации зеркально-теневого метода анализируется только амплитуда (первого и второго) донного сигнала, выделяя его стробирующим импульсом (рис. 49).
Рис. 49 Выделение донного сигнала
Зеркальный метод ультразвуковой дефектоскопии реализуется прозвучиванием изделия двумя ПЭП, размещенными так, чтобы один ПЭП фиксировал сигнал, излучаемый другим ПЭП. Сигнал, переотражаясь от противоположной поверхности изделия от плоскости дефекта, поступает на приемную пьезопластину (рис. 50).
Рис. 50 Зеркальный метод контроля
Расстояние В между двумя ПЭП выбирают исходя из условий наилучшего озвучивания зоны вероятного образования дефектов. При контроле толстостенных изделий базовое расстояние В периодически меняют, озвучивая
всю толщину изделия. При контроле тонкостенных изделий допустимо размещение ПЭП на определенном фиксированном расстоянии друг от друга. При этом, благодаря раскрытию ультразвукового пучка (диаграммы направленности), общей зоной, охватываемой двумя взаимно пересекающимися диаграммами направленности, озвучивается практически все сечение изделия.
Для повышения эффективности обнаружения вертикально ориентированных поперченных трещин целесообразно дополнять эхо-метод ультразвукового контроля зеркальным методом.
Дельта-метод ультразвуковой дефектоскопии использует явление дифракции (рассеивания)волн на дефекте. Излучающий ПЭП озвучивает дефект поперечной волной. Часть падающего на плоскость дефекта ультразвукового пучка отражается в виде первичной волны, другая дифрагирует (рассеивается) в виде поперченной волны или трансформируется (преобразуется) в виде продольной волны.
Признаком обнаружения дефекта является появление эхо-импульса на ПЭП с амплитудой Utl. Для распознавания конфигурации дефектов по амплитуде Utl дифрагированной волны в изделиях с плоскопараллельными поверхностями применяют озвучивание под углом к поверхности изделия плоскости дефекта прямым (m=0) и однократно отраженным (m=1) лучом (рис. 51).
Рис. 51 Дельта-метод
Измеряя максимальные амплитуды сигналов дифрагированной волны для распознавания конфигурации дефектов их разделяют на: плоскостные (трещины), округлые (поря, шлаковые включения) и полуплоскостные (поры с трещиной). Так как использование двух ПЭП (прямого и наклонного) и процедура измерений при реализации дельта-метода являются трудоемкими, этот метод применяется только в экспертных ситуациях.
Стандартные образцы. Стандартные образцы используют для аттестации и проверки работоспособности ПЭП, метрологической проверки ультразвуковых дефектоскопов, настройки дефектоскопа на заданный режим работы при контроле конкретного воды изделий. На железнодорожном транспорте широкое распространение получили стандартные образцы СО-1, СО-1Р, СО-2, СО-3, СО-3Р, соответствующие ГОСТ 14782-86 и Гост 18576-85.
Стандартный образец СО-1 (рис. 52) изготавливается по ГОСТ 14782-86из органического стекла марки ТОСП с заданными акустическими свойствами.
Рис. 52 Стандартный образец СО-1: А – положение ПЭП при определении условной чувствительности; Б – положение ПЭП при проверке работы глубиномера
Стандартный образец СО-1 предназначен для:
· Настройки дефектоскопов на заданную условную чувствительность в миллиметрах (наклонный ПЭП в положении А). Глубина расположения эталонных отражателей диаметром 2 мм указана в миллиметрах возле каждого отражателя. Исходящие от отражателей линии соответствуют углам падения волны (углу призмы преобразователя 30º, 40º, 50º);
· Оценки точности работы глубиномера (прямой ПЭП в положении Б). Интервал времени между зондирующим и донным импульсами, отраженным от пропила длиной 70 мм, находящегося на расстоянии 27 мм от рабочей поверхности паза в образце, должен составлять (20+2)мкс;
· Оценки разрешающей способности прямого (ступенчатый выступ образца) и наклонного (концентрические отверстия) ПЭП;
· Определения угла призмы наклонного ПЭП (шкала со стороны образца с пазом и ступенчатым выступом).
Стандартный образец СО-1Р (рис. 53) изготовлен из органического стекла с заданными акустическими свойствами. Используется для настройки рельсовых дефектоскопов на условную чувствительность, выражаемую в миллиметрах. Количество отверстий в СО-1Р в два раза меньше, чем в СО-1. Диаметр отверстий в СО-1Р составляет 10 мм. Одно и то же отверстие, при озвучивании его с разных поверхностей, может использоваться для настройки дефектоскопа на две разные чувствительности, например, 20мм и 40мм.
Рис. 53 Стандартный образец СО-1Р
Стандартный образец СО-2 (рис. 54) изготавливается из стали СТ20 или СТ3 по ГОСТ 14782-86.
Рис. 54 Стандартный образец СО-2: А – положение ПЭП при проверке работы глубиномера; Б , Б'– положение ПЭП при определении условной чувствительности; В , В'– положение ПЭП при проверке мертвой зоны
Стандартный образец СО-2 предназначен для:
· Определения погрешности глубиномера (прямой ПЭП в положении А. Время прохождения ультразвуком расстояния от рабочей поверхности до донной (противоположной) составляет 20 мкс;
· Измерения угла ввода луча наклонного ПЭП (положения Б и Б1). Перемещая ПЭП около этих положений, получают максимальный эхо-сигнал от отражателя диаметром 6 мм на глубине 44 мм;
· Проверки «мертвой» зоны дефектоскопа с преобразователем, настроенным на заданную условную чувствительность (положения В и В1). Для проверки «мертвой» зоны в образце высверлены отверстия диаметром 2 мм на глубине 3 мм и 8мм;
· Определения условной чувствительности в децибелах (положения Б и Б1).
Стандартный образец СО-3 (рис. 55) выполнен из стали Ст20 или Ст3 по ГОСТ 14782-86.
Рис. 55 Стандартный образец СО-3
Стандартный образец СО-3 используется для:
· Определения точки выхода луча наклонного ПЭП. Наклонный ПЭП устанавливают над центральной риской и перемещая находят положение, соответствующее максимальному эхо-сигналу;
· Направления акустической оси наклонного ПЭП.
Стандартный образец СО-3Р (рис. 56) изготовлен из стали Ст20 ил Ст3 по ГОСТ 18576-85.
Рис. 56 Стандартный образец СО-3Р
Стандартный образец объединяет в себе возможности стандартных образцов СО-2 и СО-3. Стандартный образец СО-3Р используется для:
· Определения точки выхода луча;
· Измерения угла ввода луча;
· Проверки работы глубиномера. Интервал времени между зондирующим и первым донным импульсом и между любыми двумя последующими донными импульсами должен составлять 20 мкс;
· Проверки «мертвой» зоны дефектоскопа с преобразователем, настроенным на заданную условную чувствительность;
· Настройки дефектоскопов на заданную условную чувствительность, измеряемую в децибелах.
Основные параметры контроля, проверяемые с помощью стандартных образцов:
· Точка выхода луча – точка пересечения акустической оси ультразвукового луча с контактной поверхностью преобразователя. Определяется при помощи СО-3 и СО-3Р;
· Угол ввода луча – угол между нормалью к поверхности, на которой установлен преобразователь, и линией, соединяющей центр цилиндрического отражателя с точкой выхода луча при установке преобразователя в положение, при котором амплитуда эхо-сигнала от отражателя наибольшая. Угол ввода измеряют по стандартным образцам СО-2 или СО-3Р;
· «Мертвая» зона – область контролируемого изделия, прилегающая к контактной поверхности, дефекты в которой не выявляются при заданной условной чувствительности дефектоскопа с преобразователем. Величину «мертвой» зоны определяют минимальной глубиной расположения отверстия диаметром 2 мм, выполненного в стандартных образцах СО-2 или СО-3Р. Например, при контроле сварных стыков рельсов «мертвая» зона не должна превышать 3 мм для ПЭП с углом ввода 65º и 8 мм для ПЭП с углом ввода 50º;
· Точность работы глубиномера оценивается погрешностью измерения известного интервала времени между двумя донными эхо-сигналами. Точность работы глубиномера проверяют по стандартным образцам СО-1, СО-2. или СО-3Р. Прозвучивание осуществляют прямым ПЭП в направлении, указанном стрелкой «20мкс». Интервал времени между эхо-сигналами составляет 20+2 мкс;
· Условная чувствительность дефектоскопа с преобразователем – чувствительность, характеризуемая размерами и глубиной залегания выявляемых искусственных отражателей, выполненных в образце из материала с заданными акустическими свойствами. Условную чувствительность К1у в миллиметрах дефектоскопа преобразователем с углом призмы β устанавливают при помощи ручек (кнопок) «Ослабление, дБ» такой, чтобы уверенно выявлялись индикаторами дефектоскопа отверстия на глубине от 5 до 45 мм в стандартном образце СО-1. Настройку дефектоскопа на условную чувствительность К2у в децибелах выполняют по эхо-импульсам от отражателя диаметром 6 мм на глубине 44 мм стандартных образцов СО-2 и СО-3Р.
Принцип устройства зеркально-теневого и эхо-импульсного дефектоскопов. Принцип работы ультразвуковых дефектоскопов основан на зеркально-теневом и эхо-импульсном методах. Ультразвук из искателя вводится в металл через поверхность катания головки рельса. В рельсах выделяют три зоны: основного металла, сварных стыков и болтовых стыков. Дефекты основного металла в шейке и продолжении ее в подошву и головку рельса представляют собой вертикальные и горизонтальные трещины и расслоения.
Дефекты в виде вертикальных продольных трещин и расслоений, рассеивая ультразвуковые колебания, не отражают волну в направлении к искателю Поэтому дефекты этой группы выявляют зеркально-теневым методом. Рассмотрим принцип устройства дефектоскопа для контроля основного металла в зоне шейки и продолжения ее в головку и подошву и болтовых стыков, работающего по зеркально-теневому методу (рис. 57).
Рис. 57 Принцип устройства дефектоскопа по зеркально-теневому методу
Генератор Г вырабатывает импульсы электрических колебаний. Искатель I преобразует электрические колебания в ультразвуковые и излучает их в рельс. Донный импульс (импульс, отраженный от противоположной (донной) поверхности) воспринимается этим же искателем и преобразуется в электрический сигнал, который усиливается и детектируется в приемнике Пр. В момент излучения зондирующий импульс с генератора Г поступает на вход каскада временной задержки ВЗ. Каскад ВЗ на своем выходе вырабатывает импульс, сдвинутый по времени по отношению к зондирующему импульсу. В каскаде ВЗ происходит задержка импульса на некоторое время задержки, устанавливаемое ручкой Т (в зависимости от типа рельса). Импульс с выхода каскада ВЗ подается на генератор строб-импульса ГСИ. В момент поступления задержанного импульса этот генератор вырабатывает импульс прямоугольной формы, используемый в последующем для выделения нужных сигналов. Строб-импульс подается на вход каскада совпадений КС. На второй вход этого каскада поступают импульсы с выхода приемника. Каскад совпадений – это усилитель, который работает только в процессе подачи строб-импульса. Поэтому на индикатор И с выхода каскада совпадений будут поданы те из донных импульсов, с которыми совмещен по времени строб-импульс. Индикатор И срабатывает при уменьшении амплитуды донного сигнала до определенного значения, чувствительность дефектоскопа настраивается по имитатору дефектов ручкой «чувствительность» Ч. Настраивают на контроль рельса определенного типа по первому и второму донному импульсу ручкой Т («Тип рельса»). При контроле болтовых стыков к искателю I подключается дополнительный искатель II на расстоянии, несколько превышающем диаметр болтового отверстия. Болтовое отверстие не перекрывает оба ультразвуковых луча и над бездефектными болтовыми отверстиями всегда будет восприниматься донный импульс. Если же около отверстия окажется трещина, то при определенном положении искателей будут полностью или частично перекрыты оба ультразвуковых луча. Это приведет к полному исчезновению донного сигнала и к срабатыванию звукового индикатора.
В качестве индикаторов в зависимости от скорости контроля можно использовать электронно-лучевую трубку, звуковой сигнализатор или регистратор, фиксирующие уменьшение амплитуды донного сигнала до значений, определяемых условной чувствительностью дефектоскопа. Приведенная функциональная схема дефектоскопа, работающего по зеркально-теневому методу, реализована в приборах Поиск-2, Поиск-10Э.
Крупные дефекты сварки в зоне шейки и продолжении ее в головку и подошву, а также поперченные трещины в головке можно обнаружить эхо-импульсным методом, обладающим большей чувствительностью, чем зеркально-теневой. При контроле рельса эхо-методом прозвучивание сварного стыка осуществляют наклонным ПЭП.
Рассмотрим функциональную схем дефектоскопа, работающего по эхо-импульсному методу (рис. 58).
Рис. 58 Принцип устройства дефектоскопа по эхо-методу
Из совокупности импульсов на выходе приемника на индикатор поступят лишь те из них, которые совпали по времени со строб-импульсом, вырабатываемым генератором строб-импульсов ГСИ. Индикация обнаруженных дефектов в эхо-импульсных дефектоскопах может осуществляться по экрану электронно-лучевой трубки, звукового сигнала в телефонных наушниках, по загоранию лампочки и т.д. Эхо-импульсы могут появиться не только от внутренних дефектов, но и от неровностей на поверхности рельса. Эхо-импульсы от дефектов отличаются от эхо-импульсов от неровностей по координатам отражающей поверхности, которые в контролируемом слое определяют глубиномером (рис. 59).
Рис. 59 Шкала глубиномера ультразвукового дефектоскопа
Функциональные схемы зеркально-теневого и эхо-импульсного дефектоскопов содержат ряд аналогичных узлов, поэтому для одновременного контроля основного металла в зоне головки и шейки рельса, болтовых и сварных стыков целесообразно в одном приборе совместить дефектоскопы, работающие по зеркально-теневому и эхо-импульсному методам. Такими приборами являются дефектоскопы Поиск-2, Поиск-10Э.
Контроль головки рельса
Дефекты головки рельса. Головка рельса является наиболее нагруженным элементом рельса, особенно со стороны рабочей грани, где передается силовое воздействие колес подвижного состава. В результате динамического воздействия колес возникают контактно-усталостные трещины – дефекты кодов 11, 21.
При проходе колес с большими ползунами или выбоинами, вследствие боксования или юза, при ударах в головке рельса могут появиться трещины (дефекты кодов 24, 25), которые могут привести к хрупкому излому, особенно при низких температурах.
На снижение прочности и живучести рельсов влияют дефекты заводского происхождения (дефекты кодов 10, 17, 20, 30Г, 30В).
Наиболее опасными из перечисленных дефектов являются поперечные трещины в виде темных (дефект кода 21.1-2) и светлых (дефект кода 20.1-2) пятен, так как они могут привести к хрупкому излому рельса под проходящим поездом.
Началом образования дефекта кода 21 является, как правило, продольно-наклонная трещина, развитие которой приводит к отслоению металла (дефект кода 11).
Опыт показывает, что продольные трещины, обычно, возникают на выкружке рабочей грани и распространяются вглубь головки рельса на 5-11 мм. От этого дефекта на глубине расположения продольной трещины внутри головки рельса возникает усталостная поперечная трещина.
Схема расположения внутренних контактно-усталостных трещин в головке рельса приведена на рисунке (рис. 60).
При развитии контактно-усталостных повреждений появляются темные пятна (овальной формы) на поверхности катания головки рельса, расположенные в зоне боковой выкружки. В зоне пятна наблюдается резко выраженное смещение металла вниз, параллельно боковой грани головки рельса в виде пленки до 1 мм с вертикальными разрывами (рис. 61).
Рис. 60 Схема расположения внутренних контактно-усталостных трещин в головке рельса
Рис. 61 Макроструктура рельса: а – в зоне начальной стадии наплыва; б – в зоне продольной трещины А; 1 – продольная трещина; 2 – наплыв металла; 3 - граница темного пятна на границе катания
На процесс возникновения и развития поперечных трещин влияют вибрационные волны, распространяющиеся от места удара колеса и рельса. В соответствии с накапливающимися остаточными эксплуатационными напряжениями в зоне рабочего закругления головки внутренние продольные и поперечные трещины проявляющиеся преимущественно на наружной рельсовой нити практически не возникают на внутренней рельсовой нити в кривых.
Неровности на поверхности катания рельсов, возникающие и развивающиеся в процессе эксплуатации, становятся источниками повышенного динамического воздействия колеса на рельс. Неровности, образующиеся при неравномерном износе поверхности катания головки рельса вследствие смятия и истирания металла могут достигать таких размеров по длине и глубине, при которых создается угроза безопасности движения и требуется снижение установленных скоростей движения поездов. Наиболее распространенными недопустимыми неровностями на поверхности катания рельсов являются дефекты кодов 14, 17, 18, 46.3, 47.1, 40, 41, 49.
В месте сварки поперечная трещина (дефект кода 26.3) может начать развиваться в головке на любой глубине, в зависимости от расположения дефекта сварки.
Ввод и распространение ультразвука в головке рельса. Для выявления дефектов в головке рельса во всех дефектоскопах используют эхо-метод с наклонным ПЭП 60º, который поворачивают относительно продольной оси рельса на угол γ=34º для более точного озвучивания головки рельса со стороны рабочей грани. Процесс распространения и отражения ультразвуковых волн зависит от множества факторов: степени износа рельсов, вида и ориентации дефекта, погрешностей в установке углов ввода ультразвуковых колебаний и разворота ПЭП относительно оси рельса. Траектория движения луча ультразвуковой волны зависит от угла, под которым он вводится в головку рельса. Каждый из лучей, находящихся внутри диаграммы направленности ПЭП, вводится в головку под своим углом и распространяется по своей траектории. Отраженные от дефекта лучи могут попасть на ПЭП и привести к появлению на его выходе эхо-сигнала. Но не любой луч, отраженный от дефекта и попавший после отражения на ПЭП, вызовет появление эхо-сигнала. Необходимо еще, чтобы к ПЭП он пришел под определенным углом, расположенным внутри диаграммы направленности.
Основные схемы прозвучивания головки рельса. В дефектоскопных тележках, в отличие от ультразвуковых вагонов-дефектоскопов, зона временной селекции составляет 65 мкс. В ней фиксируются только однократно отраженные от нижней грани головки рельса ультразвуковые лучи. При этом на начальном участке зоны селекции в районе 40-45 мкс от зондирующего импульса возможно появление эхо-сигналов от неровностей на нижней грани головки рельса, а в конце в районе 80-90мкс – от микротрещин на рабочей выкружке головки рельса и от дефектов кода 11 (рис. 62).
Рис. 62 Участок временной селекции при контроле головки рельса съемным дефектоскопом
Такие эхо-сигналы присутствуют на протяженном участке пути и имеют незначительную амплитуду. На экране дефектоскопа они легко распознаются как помехи. Если дефектоскоп не имеет электронно-лучевой трубки, то по многократному срабатыванию звукового индикатора невозможно отличить сигналы дефектов от сигналов помех и контроль таких участков затрудняется. Такие рельсы называются «шумящими», так как происходят многократные кратковременные срабатывания звуковых индикаторов дефектоскопа.
В зависимости от преимущественного направления движения поездов по данному участку пути поперечные трещины в головке рельса могут иметь отклонения от вертикальной ориентации до 15-18º. Для надежного обнаружения дефектов различной ориентации в съемных дефектоскопах при контроле головки рельса используют два пьезоэлектрических преобразователя, направленных по и против хода движения поездов (рис. 63).
Рис. 63 Обнаружение различно ориентированных трещины в головке рельса
Таким образом, для обнаружения различно ориентированных поперечных трещин в головке рельса необходимо иметь два ПЭП, излучающих в противоположных направлениях. Поэтому искательные системы всех эксплуатируемых съемных дефектоскопов имеют пару противоположно направленных ПЭП, излучающих ультразвуковые колебания в рельс под углом α=58º и развернутых в сторону рабочей грани на угол γ=34º относительно продольной оси рельса (рис. 64).
Рис. 64 Искательная система двухниточного дефектоскопа для обнаружения различно ориентированных дефектов в головке рельса
Принцип выявления поперечных трещин в головке рельса. Для обнаружения поперечных трещин в головке рельса применяют наклонный ПЭП с углом ввода ультразвуковых колебаний α=70º, направленный вдоль продольной оси рельса (γ=0). Дефектоскопический блок устанавливают в искательную систему дефектоскопа Поиск-10Э без изменения электрической схемы и технических параметров.
Испытания этой схемы на образцах рельсов с 17 реальными дефектами показали, что ПЭП с α=70º эффективен при обнаружении сильноразвитых поперечных трещин, заходящих в проекцию шейки рельса. Условная протяженность таких дефектов при выявлении их с ПЭП α=70º в 1,5-5 раз больше, чем при озвучивании этих же дефектов по традиционной схеме (α=58º, γ=34º) (рис. 65).
В то же время ПЭП с α=70º из 17 дефектов обнаружил только 8 (47% от общего числа). Дефекты кода 21.1 в боковой части головки рельса с площадью около 15-20: от площади головки рельса новой схемой практически не фиксируются. При этом по традиционной схеме были обнаружены все дефекты.
Таким образом, ПЭП с α=70º нельзя использовать как самостоятельную схему для контроля головки рельса.
Рис. 65 Сравнение условных протяженностей поперечной трещины в головке рельса при озвучивании: а – с ПЭП α=70°; б – по традиционной схеме (α=58°, γ=34°)
На некоторых участках пути дефекты в виде поперечных трещин в головке рельса могут развиваться со стороны нерабочей грани. Для их обнаружения во всех съемных дефектоскопах предусмотрена возможность изменения схемы прозвучивания. Для этого первый по ходу движения дефектоскопа ПЭП в искательной системе разворачивают на 34º относительно продольной оси рельса в сторону нерабочей грани (рис. 66).
Рис. 66 Схема прозвучивания для выявления дефектов со стороны нерабочей грани головки рельса
Об изменении схемы прозвучивания делается запись в рабочем журнале оператора. В зависимости от состояния рельсового хозяйства согласно графику, утвержденному начальником дистанции пути, применяют остальные указанную схему (но не чаще одного раза в месяц). При этом контролируются боковые части головки рельса как рабочей, так и нерабочей грани.
Определение сечения головки рельса с дефектом ручным преобразователем. Сечения головки рельса, неоднородности которых вызывают срабатывание звукового индикатора при проходе дефектоскопной тележкой, должны проверяться ручным ПЭП с измерением координат обнаруженных дефектов. Ручные ПЭП подключаются к одному из каналов сплошного контроля двухниточного дефектоскопа: к разъемам «РН» (ручной наклонный для ПЭП с углом ввода α=65º, 58º, 50º) или «РП» (ручной прямой для ПЭП с углом ввода α=0º) на задней панели электронного блока, при нажатой кнопке «Ручной контроль». Перед контролем необходимо настроить чувствительность ручного канала.
Проверяемый ручным ПЭП участок рельса в пределах 200 мм по обе стороны от дефектного места очищают шабером от отслаивающейся ржавчины, грязи или мазута и протирают ветошью. Затем выполняют тщательный визуальный осмотр с помощью зеркала, фонаря и лупы с целью выявления поверхностных дефектов, повреждений или неровностей, которые могут служить очагами зарождения трещины. Однако, опытные операторы рекомендуют внимательно осмотреть подозреваемый участок еще до очистки, так как в процессе очистки трещина, вышедшая на поверхность может быть затерта и стать невидимой. Для обеспечения надежного акустического контакта очищенную поверхность обильно смачивают контактирующей жидкостью (летом – водой, минеральным маслом, зимой – раствором спирта).
Ручной ПЭП устанавливают на подготовленную поверхность так, чтобы ультразвуковые колебания распространялись в направлении предполагаемого дефекта. Поиск дефекта вдут путем возвратно-поступательного перемещения ПЭП вдоль контролируемой зоны, непрерывно поворачивая его на угол 10-30º (рис. 67). Скорость перемещения ПЭП не должна превышать 100 мм/с, а шаг сканирования – 2-3 мм.
Рис. 67 Схема сканирования ручным ПЭП поверхности катания головки рельса при уточнении координат обнаруженного дефекта
Признаком обнаружения дефекта является появление звукового сигнала и возникновение на экране дефектоскопа импульса, перемещающегося по развертке при движении ПЭП или срабатывание стрелочного индикатора. Однако, эти признаки могут быть вызваны импульсами, отраженными от неровностей на поверхности рельса. Для установления истинной причины срабатывания звукового индикатора дефектоскопа следует определить координаты отражателя и сопоставить результаты измерения и осмотра поверхности рельса.
Если внешние причины, которые могут вызвать ложные срабатывания, отсутствуют, то необходимо измерить: условный размер по длине рельса ΔL, условную высоту ΔН, условную ширину ΔХ и минимальную условную чувствительность КУмин. На основании результатов этих измерений сделать окончательный вывод о наличии или отсутствии дефекта (рис. 68).
Рис. 68 Измерение характеристик обнаруженного дефекта
Некоторые признаки дефектов в головке рельса
| Характер дефекта | Условный размер по длине рельса ΔL, мм | Условная высота дефекта ΔН, мм | Дополнительные признаки |
| Зарождающийся дефект второй группы | 8-12 | <5 | Индикация эхо-сигнала при направлении акустической оси ПЭП вдоль рельса |
| Развитый дефект второй группы | >12 (12 – 30) | >5 | Индикация сохраняется при перемещении ПЭП поперек рельса |
| Дефекты кода 11 или 30Г | >12 | 2 - 3 | Иногда эхо-сигнал принимается при проходе ПЭП только с одной стороны |
Кроме измерения координат обнаруженного дефекта необходимо обращать внимание и на визуальные признаки:
· Темные продольные полосы с желобом глубиной 1-3 мм на поверхности катания и местное уширение головки до 90 мм свидетельствуют о наличие вертикальной трещины кода 30В.2. При значительном развитии этой трещины наблюдается осыпание окалины и наличие узкой красноватой полоски в зоне сопряжения головки с шейкой со стороны рабочей грани;
· Тонкие продольные или поперечные трещины на верхней или боковой поверхности головки свидетельствуют о наличии дефектов кода 10.1-2, 27.1-2 или 30Г.1-2;
· Выщербины на головке рельса (дефекты кодов 11.1-2, 17.1-2,0 24 и 25) могут являться очагом зарождения поперечной трещины кода 21.1-2;
· Впадины на поверхности головки одновременно на обеих нитях пути (пробуксовка колес локомотивов при наличии в них видимых трещин) требуют тщательного дефектоскопирования ручным ПЭП и принятия соответствующего решения о возможности дальнейшей эксплуатации рельса.
Принцип выявления и определения размеров дефекта 21.2Н. Как показывает практика, из нескольких сотен обнаруженных дефектов кода 21 в 60% случаев площадь трещин не превышает 10-15% площади сечения головки рельса. В соответствии с НТД/ЦП-1-93 в том случае, когда внутренняя трещина кода 21.2 не выходит на поверхность, а границы ее – за середину головки, допускается установка на поврежденное место на рельсах типа Р65 и Р75 шестидырных накладок с четырьмя болтами так, чтобы середина накладки совмещалась с дефектом. При этом отверстия для двух средних болтов не сверлятся во избежание развития дефекта в их сторону (рис. 69).
Рис. 69 установка накладок на дефектный участок рельса
Шестидырные накладки не допускается устанавливать в том случае, если дефект расположен на расстоянии менее 2,5 м от торца рельса (плети) или если он расположен ближе 12,5 м от уже имеющегося дефекта взятого в накладки. Дефект, на котором установлены накладки, именуется в дальнейшем как дефект 21.2Н, а сам рельса является дефектным. До замены рельса в звеньевом пути или окончательного восстановления рельсовой плети бесстыкового пути, выполняемых в плановом порядке, дефект 21.2Н подвергается систематическому визуальному контролю и периодическому (по утвержденному графику) дефектоскопированию. Установка накладок снижает скорость развития дефекта за счет повышения жесткости рельса в рассматриваемом сечении.
Если поперечная внутренняя трещина дефекта 21.2Н в процессе эксплуатации распространилась со стороны рабочей грани головки за ее середину (за вертикальную ось симметрии) или вышла на поверхность рельса, то такой рельс заменяется без промедления.
Для принятия решения о возможности установки накладки на обнаруженный дефектный рельс необходимо точно установить местонахождение дефекта подлине рельса и правильно определить размер поперченной трещины. Для точного установления местонахождения дефекта по длине рельса головку рельса озвучивают с двух сторон от дефекта с поверхности катания и с боковой нерабочей грани (рис. 70). Границы дефекта определяют путем последовательного перемещения наклонного ПЭП по поверхности катания от внутренней грани головки к наружной с шагом 2-3 мм (рис. 71).
Рис. 70 Уточнение координат дефекта кода 21.2Н с поверхности катания и с боковой нерабочей грани головки рельса
Рис. 71 Уточнение размеров дефекта кода 21.2
Если внутренняя граница дефекта располагается на расстоянии 35 мм и менее от боковой рабочей грани головки рельса, то площадь сечения трещины не более 25-30% от площади сечения головки рельса (рис. 72).
Рис. 72 Зависимость минимальной площади сечения трещины от положения внутренней границы дефекта относительно боковой рабочей грани головки рельса
При этом обнаруженную трещину в головке рельса можно отнести к дефекту 21.2Н и оставить в пути, предварительно усилив дефектное сечение накладками.
В случае обнаружения в плети двух дефектов кода 21 на расстоянии менее 12,5 м ставить накладки на дефектные мест запрещается.
Принцип контроля головки рельса зеркальным методом. В ультразвуковых дефектоскопах нового поколения Авикон-01 и в совмещенном (ультразвуковом и магнитном) вагоне-дефектоскопе с аппаратурой Авикон-03, в модернизированных дефектоскопах Поиск-10ЭРА и Поиск-10-2Н для контроля головки рельса используется зеркальный метод. Исходя из условий надежного обнаружения поперечных трещин в головке рельса выбраны основные параметры системы из двух ПЭП:
· Углы ввода как первого, так и второго ПЭП α1=α2=58º;
· Углы разворота как первого, так и второго ПЭП γ1=γ2=34º в сторону рабочей грани головки рельса;
· Расстояние между двумя ПЭП В=50±2мм.
При этом механическая конструкция типовых акустических блоков остается неизменной. Один из прямых ПЭП из схемы исключается. Второй прямой ПЭП переставляется в первую ячейку первого по ходу движения тележки акустического блока. В освободившиеся ячейки устанавливаются два наклонных ПЭП α=58º, развернутых в сторону рабочей грани головки рельса и направленных по ходу движения дефектоскопной тележки. При этом третий по ходу движения дефектоскопной тележки ПЭП только излучает ультразвуковые колебания, а второй только принимает их. Совместно они реализуют зеркальный метод контроля (рис. 73).
При практической реализации зеркального метода один из преобразователей системы, как правило, работает в совмещенном режиме (излучает и принимает ультразвуковые колебания) и реализует обычную схему прозвучивания головки рельса. Второй ПЭП ультразвуковые колебания не излучает и включен только на прием (прослушивание) сигналов из определенной, потенциально наиболее опасной с точки зрения образования дефектов, зоны головки рельса. При этом для ПЭП, работающего только на прием сигналов, можно устанавливать большую чувствительность, так как помех в данном канале значительно меньше, чем в обычном.
Рис. 73 Изменение традиционной схемы прозвучивания съемных дефектоскопов при реализации зеркального метода контроля головки рельса: а – до модернизации; б – после введения зеркального метода
Эффективность зеркального метода позволила предусмотреть его в дефектоскопах нового поколения. Применение этого метода также перспективно и в автоматизированных установках для контроля сварных рельсов на РСП и в пути, так как в них характерными дефектами являются поперечные трещины и непровары, ориентированные поперек рельса.
Формирование сигналов от типовых дефектов в головке рельса. К наиболее опасным дефектам в головке рельса относятся поперечные трещины кодов 21.1-2, 20.1-2, 26.3 и продольные кодов 30В.1-2 и 30Г.1-2. Процесс формирования эхо-сигналов от этих дефектов сложен. Эхо-сигналы образуются за счет отражений ультразвуковой волны от краев трещины во все стороны, в том числе и к ПЭП. Волны, отраженные от плоскости трещины, меняют направление своего распространения в какую-либо одну сторону и вероятность их возвращения к ПЭП под нужным углом практически нулевая. Отражение ультразвуковой волны для поперечных трещин происходит от их верхних и нижних кромок (рис. 74), а для продольной – от ближайшей к ПЭП и самой дальней кромок (рис. 75).
Рис. 74Формирование эхо-сигналов от вертикальной поперечной трещины
Рис. 75 Формирование эхо-сигналов от продольной горизонтальной трещины
Продольная горизонтальная трещина в головке рельса при определенных условиях может быть обнаружена зеркально-теневым методом с помощью прямого ПЭП в том случае, если она частично или полностью перекрывает проекцию шейки рельса в головку (рис. 76).
Рис. 76 Формирование эхо-сигналов от продольной горизонтальной трещины при озвучивании головки рельса прямым ПЭП
От горизонтально расположенной трещины происходит многократное переотражение ультразвуковых колебаний, задержка между соседними эхо-сигналами определяется глубиной залегания трещины. При определенной глубине залегания трещины один из многократно переотраженных импульсов может попасть в строб донного сигнала. Если его амплитуда при этом превысит чувствительность приемника, то он будет принят за донный сигнал, следовательно, такая трещина зеркально-теневым методом обнаружена не будет. Чтобы не допустить пропуска горизонтальных трещин, залегающих на глубине до половины высоты рельса от поверхности катания, при контроле зеркально-теневым методом необходимо анализировать возможные эхо-сигналы во временном интервале между зондирующим импульсом и донным сигналом.
Регулярным видом несплошности головки рельса является его торец в болтовых стыках. Эхо-сигналы формируются только теми лучами, которые отражаются от углов поверхности головки рельса и его торца от верхнего и нижнего углов (рис. 77).
а) б) в)
Рис. 77 Формирование эхо-сигналов от торца рельса а «наезжающем» канале при нахождении ПЭП от него: а – на большом расстоянии; б – на среднем расстоянии; в – на малом расстоянии
При формировании эхо-сигналов, отраженных от торца рельса, от одного угла формируется не одна пачка импульсов, а несколько. Это объясняется тем, что при движении ПЭП один и тот же отражатель несколько раз пересекает его диаграмму направленности и озвучивается лучами, прошедшими различные пути. В результате при переходе отражателя из одного участка диаграммы направленности ПЭП к другому, задержка эхо-сигнала скачком изменяется и формируется новая пачка импульсов.
Формирование от одного отражателя нескольких пачек эхо-сигналов является одой из основных особенностей каналов контроля головки рельса, отличающих их от каналов шейки и подошвы.
Контроль шейки и подошвы рельса
Принцип контроля шейки и подошвы рельса в зоне основного металла. Зона основного металла рельса – это зона между болтовыми или сварными стыками. На 1000 метров бесстыкового пути приходится 960 м зоны основного металла, 34 м зоны сварных стыков, 6 м зоны болтовых стыков (рис. 78).
Рис. 78 Основные зоны рельсового пути
Наиболее характерными дефектами шейки рельса с ее продолжением в подошву рельса являются:
· Расслоение шейки (код 50.2);
· Трещина в зоне сопряжения головки с шейкой рельса (код 52.2);
· Поперечные трещины в шейке рельса (код 55).
Характерными дефектами подошвы рельса являются:
· Волосовины, выколы части подошвы (код 60);
· Трещины и коррозия подошвы рельса (код 69).
Кроме перечисленных дефектов в зоне основного металла встречаются также:
· Коррозия шейки (код 59);
· Трещины и выколы подошвы (дефекты кодов 62 и 65);
· Поперечные изломы (дефекты кодов 70 и79).
Несмотря на то, что дефекты в рассматриваемой зоне достаточно редки, некоторые из них весьма опасны и могут привести к изломам рельсов с непредсказуемыми последствиями. Очень опасным дефектом является коррозия в подошве рельса (код 69). Изломы рельсов по дефекту 69 происходят под прокладкой (между подошвой рельса и подкладкой) после значительной наработки рельсов в пути (после пропуска 300 млн т брутто груза). Очаг излома зарождается в средней части подрельсовой прокладки в процессе старения и разрушения резиновых прокладок (в средней части) и значительном их увлажнении (при абсорбировании влаги разрушенным материалом). Наличие пыли металлической руды, угля, минеральных удобрений, горных пород инициирует коррозию металла при увлажнении.
В эксплуатируемых съемных дефектоскопах для контроля зоны шейки и продолжения ее в головку и подошву рельса применяют зеркально-теневой метод ультразвукового контроля, реализуемый с помощью прямого ПЭП, работающего в совмещенном режиме (рис. 79).
Рис. 79 Реализация зеркально-теневого метода при сплошном контроле рельсов
При этом анализируется амплитуда донного сигнала, находящегося по времени в строб-импульсе. О наличии дефекта судят по уменьшению амплитуды донного сигнала ниже заданного порога.
Коэффициент выявляемости дефектов в рельсах определяется отношением амплитуды донного сигнала над дефектом Uд к амплитуде донного сигнала на бездефектном участке Uо
Кд = Uд / Uо.
Рис. 80 Коэффициент выявляемости дефектов: а – код 55, б – код 50
В зависимости от ориентации и размера дефекта коэффициент выявляемости Кд может иметь значения от 0 (при полном перекрытии ультразвукового пучка) до 0,6 (при частичном перекрытии ультразвукового пучка) (рис. 80).
Уменьшение амплитуды донного сигнала и срабатывание звукового индикатора дефектоскопа может произойти не только из-за наличия дефекта в
рельсе, но и из-за других факторов,которые являются помехами для зеркально-теневого метода, таких как:
· Нарушение акустического контакта (попадание грязи или песка под скользящую поверхность блока ПЭП);
· Изменение отражающих свойств донной поверхности (коррозия подошвы рельса);
· Локальное изменение структуры металла (например, сварной стык);
· Непараллельность поверхности (вмятина на поверхности рельса от удара инструментом);
· Поперченное смещении ПЭП.
Для установления истинной причины срабатывания звукового индикатора необходимо:
· При наличии грязи – очистить поверхность катания головки рельса и протереть поверхность скольжения блоков ПЭП;
· Повторить проезд дефектоскопа по регистрируемому участку, определить и отметить мелом границы возникновения и пропадания сигнала;
· Внимательно осмотреть это место по всему периметру рельса;
· Измерить минимальную условную чувствительность, при которой сигнал в телефонных наушниках еще появляется;
· Произвести контроль подозреваемого участка ручным ПЭП с целью определения условных размеров и координат дефекта;
· В зависимости от причины срабатывания звукового сигнала записать результаты в записную книжку или в журнал учета работы с выпиской соответствующего уведомления сопровождающему дорожному мастеру;
· Выполнить маркировку дефектного рельса несмываемой светлой краской. Если по результата контроля рельс не отнесен к остродефектным, то при каждой последующей проверке этого участка необходимо более тщательно следить за его состоянием.
Зеркально-теневой метод, являющийся основным методом для обнаружения дефектов в зоне шейки рельса и продолжения ее в головку и подошву рельса, обладает рядом преимуществ:
· Позволяет обнаруживать дефекты кодов 50 и 60, не выявляемые эхо-методом;
· Сигнализирует оператору дефектоскопной тележки о нарушении акустического контакта и центровки искательной системы.
К недостаткам данного способа контроля являются:
· Ненадежность обнаружения поперечных трещин в подошве рельса (код 69);
· Срабатывание индикаторов при проходе зон сварных стыков рельсов и участков с незначительной коррозией подошвы рельса;
· Малая информативность и невозможность определения глубины залегания дефекта;
· Пропуск дефектов, расположенных на определенной глубине из-за попадания многократно-отраженных эхо-сигналов зону строб-импульса.
Учитывая перечисленные недостатки зеркально-теневого метода с прямым ПЭП в современных дефектоскопах и автомотрисах для контроля шейки и подошвы рельса дополнительно используют эхо-метод с прямым ПЭП и эхо-метод с двумя наклонными ПЭП (α=38º или α=45º), что существенно повышает достоверность контроля.
Для одновременной реализации эхо- и зеркально-теневого методов с помощью прямого ПЭП используют искатель, работающий в раздельно-совмещенном режиме (одна пьезопластина является излучателем ультразвуковых колебаний, другая – приемником). Сигналы, поступившие на приемную пьезопластину обрабатываются раздельно, так как при контроле эхо-методом признаком обнаружения дефекта является превышение амплитудой эхо-сигнала порогового уровня в заданном временном интервале, а при зеркально-теневом методе, наоборот, уменьшение амплитуды сигнала ниже порогового уровня (рис. 81).
Рис. 81 Обнаружение дефекта кода 52.2 одновроеменно эхо- и зеркально-теневым методами с помощью раздельно-совмещенного ПЭП
Сочетание двух методов – эхо- и зеркально-теневого, анализ соотношений амплитуд донного и эхо-сигналов от обнаруженного дефекта с учетом координат залегания отражателя повышает достоверность и надежность контроля.
Принцип формирования сигналов от типовых дефектов в шейке и подошве рельса в зоне основного металла. Рассмотрим процесс формирования сигналов при прохождении ПЭП над дефектами в шейке рельса.
При прохождении прямого ПЭП над дефектом кода 50.1-2 амплитуда донного сигнала падает; если амплитуда донного сигнала упадет ниже порога, определяемого чувствительностью приемника, то сработает звуковой индикатор и данный дефект будет обнаружен зеркально-теневым методом (рис. 82).
Рис. 82 Формирование сигналов прямым ПЭП над дефектом 50.1-2
Дефект кода 52.1-2 обнаруживается зеркально-теневым методом при достаточном глубоком проникновении трещины в шейку рельса. В головке рельса образуются многократные переотражения сигнала от трещины. При попадании одного из переотраженных сигналов в строб донного сигнала возможен пропуск дефекта.
Дефект кода 55 вызывает существенное ослабление амплитуды донного сигнала при прохождении над ним прямого ПЭП. Таким образом дефект данного кода хорошо обнаруживается зеркально-теневым методом. Кроме ослабления донного сигнала прохождение ПЭП над таким дефектом сопровождается появлением эхо-сигналов, отраженных от краев трещины (рис. 83).
Рис. 83 Формирование сигналов прямым ПЭП над дефектом 55
Также эхо-методом при наклонном вводе акустических колебаний возможно обнаружение ряда дефектов пятой и шестой групп, таких как расслоение шейки рельса (код 50), продольные и поперечные трещины в шейке (код 55), трещины в шейке в зоне сварного стыка (код 56), коррозия подошвы (код 69) и другие.
Контроль болтового стыка
Ультразвуковой контроль рельсов в зоне болтового стыка. Болтовой стык подвергается значительным воздействиям, вызываемым ударами колес при проходе стыковых зазоров. Особенно высокие напряжения возникают на кромках болтовых отверстий. Трещины, проходящие через болтовые отверстия, всегда начинаются у поверхности отверстия и идут по шейке под углом около 45º к продольной оси рельса. В результате развития такой трещины возможен выкол куска головки рельса длиной, примерно равной высоте рельса, что может привести к сходу подвижного состава.
В настоящее время из всех дефектных рельсов, изымаемых из пути, около 45% снимается из-за обнаружения в них трещин, развивающихся от болтовых отверстий, а из всех изломов рельса около 50% происходит из-за дефекта 53.1. Кроме трещины от болтовых отверстий (код 53.1) в зоне болтового стыка встречаются следующие дефекты кодов: 38.1 – трещины, вызванные приваркой рельсовых соединителей, 30Г.1 – горизонтальное расслоение головки рельса, 3В.1 – вертикальное расслоение головки рельса, 50.1 – расслоение шейки, 52.1 – продольная трещина в шейке под головкой. Рельсы с перечисленными дефектами в зоне болтового стыка независимо от размеров дефекта относят к остродефектным.
Во всех эксплуатируемых съемных дефектоскопах для обнаружения дефектов в зоне болтового стыка используют зеркально-теневой метод с прямым ПЭП, работающим в совмещенном режиме (рис. 84).
Рис. 84 Схема прозвучивания типового двухниточного дефектоскопа с парой прямых ПЭП для обнаружения дефектов в шейке и продолжении ее в головку и подошву рельса
При прохождении дефектного сечения происходит уменьшение амплитуды донного сигнала ниже заданного уровня и срабатывание звукового индикатора дефектоскопа. Срабатывание звукового индикатора происходит при прохождении над каждым болтовым отверстием и стыковым зазором. Для упрощения контроля зоны болтового стыка А.К. Гурвичем в 1961 году была предложена схема «ультразвуковой калибр», реализуемая с помощью одновременно включаемых в один дефектоскопический канал двух прямых ПЭП. Расстояние между преобразователями выбрано больше диаметра бездефектного болтового отверстия, над которым всегда будет регистрироваться донный импульс, так как отверстие не перекрывает оба ультразвуковых пучка. При наличии трещины полностью или частично перекрываются оба луча, что приведет к уменьшению или полному исчезновению донного импульса, а, следовательно, к срабатыванию звукового индикатора (рис. 85).
Рис. 85 Работа схемы ультразвуковой калибр при: а – болтового отверстия с трещиной (дефект кода 53.1), б – зоны основного металла, в – бездефектного отверстия
Схема «ультразвуковой калибр» внедрена во всех съемных дефектоскопах. Она включается при проходе болтового стыка нажатием кнопки «Болтовой стык». Недостатками данной схемы прозвучивания являются: ложные срабатывания звуковых индикаторов при проходе болтовых отверстий с овальным профилем из-за одновременного перекрытия ультразвуковых лучей обоих ПЭП (рис. 86); схема «ультразвуковой калибр» обеспечивает выявление только тех дефектов кода 53.1, размер проекции которых на поверхность катания выходит за проекцию болтового отверстия более, чем на 10 мм, при этом реальная длина трещины может превышать 30 мм, т.е. трещины на ранней стадии развития не выявляются (рис. 87).
Рис. 86 Ложное срабатывание дефектоскопа при озвучивании болтового отверстия с овальным профилем
Рис. 87 Дефект 1 не будет обнаружен съемным дефектоскопом, т.к. гарантируется обнаружение только тех дефектов кода 53.1, у которых проекция на поверхность катания выходит за проекцию болтового отверстия более, чем на 10 мм
На дефектоскопах с электронно-лучевой трубкой для контроля зоны болтовых стыков может быть предусмотрена более совершенная схема прозвучивания, реализующая с помощью наклонных ПЭП (α=38º, γ=0º) эхо-метод контроля. Длительность развертки устанавливается таким образом, чтобы имелась возможность одновременно наблюдать на экране дефектоскопа эхо-сигнал от подошвы рельса и от болтового отверстия. Для этого включают режим «по слоям», выбирая параметры контролируемого слоя таким образом, чтобы эхосигналы от стенки болтового отверстия появлялись в начальной зоне экрана (рис. 88).
Рис. 88 Озвучивание зоны болтового стыка дефектоскопом Рельс-6
По мере перемещения тележки над стыком последовательно появляются эхо-сигналы от болтовых отверстий, вызывая срабатывание звукового индикатора. При озвучивании первого от стыка отверстия (при направлении движения ПЭП, противоположном направлению излучения ультразвуковых колебаний) сигнал от подошвы появляется в правом конце экрана, а после его исчезновения в левом конце (в начале экрана) появляется эхо-сигнал от болтового отверстия. Причем чувствительность дефектоскопа настраивают таким образом, чтобы эхо-сигнал от подошвы исчезал при появлении эхо-сигнала от отверстия.
Если в болтовом отверстии есть трещина, развивающаяся вверх и вправо, а излучение ПЭП направлено вниз и вправо, то на экране ЭЛТ с правой стороны от сигнала от стенки отверстия (ближе к концу развертки экрана) появляется эхо-сигнал от трещины (рис. 89).
Если же трещина развивается вниз и влево, а излучение ПЭП направлено вниз и вправо, то на экране ЭЛТ с правой стороны от эхо-сигнала от отверстия появляется эхо-сигнал от трещины. По мере перемещения ПЭП формируются взаимно накладывающиеся амплитудные огибающие эхо-сигналы от трещины и болтового отверстия (рис. 90).
Рис. 89 Эхо-сигналы от стенки болтового отверстия и от трещины, развивающейся вверх и вправо
Рис. 90 Эхо-сигналы от стенки болтового отверстия и от трещины, развивающейся вниз и влево
Такое представлении эхо-сигналов на экране дефектоскопа позволяет увидеть трещину, а не только надеяться на звуковой индикатор.
Этот способ обладает рядом недостатков:
· Угол ввода луча α=58º не оптимален для обнаружения дефектов кода 53.1, которые преимущественно распространяются под углом около 45º относительно горизонтальной оси рельса;
· Диаграмма направленности (ширина ультразвукового луча на глубине нахождения отверстия) имеет недостаточный угол раскрытия, чтобы обеспечить надежное одновременное озвучивание стенки отверстия и любой трещины кода 53.1
С целью расширения диаграммы направленности наклонного ПЭП в ультразвуковых вагонах-дефектсокопах и в автомотрисах дефектоскопных АМД-1 и АМД-3 используют пьезопластины, площади которых уменьшены по сравнению с площадью традиционной пьезопластины диаметром 12 мм на 30-40% (рис. 91).
Рис. 91 Расширение диаграммы направленности ПЭП путем уменьшения размера пьезопластины
Принцип формирования сигналов от типовых дефектов в зоне болтового стыка. При контроле рельсов прямым ПЭП возможна одновременная реализация зеркально-теневого и эхо-импульсного методов ультразвуковой дефектоскопии. В большинстве случаев одновременно с пропаданием донного сигнала во временной зоне между зондирующим и донным импульсом появляется эхо-сигнал, отраженный от дефекта.
Рассмотрим формирование сигналов при прохождении ПЭП над бездефектным болтовым отверстием с идеально гладкими стенками. При прохождении ПЭП над отверстием происходит пропадание донного сигнала протяженностью, примерно равной диаметру болтового отверстия. Прохождение ПЭП над отверстием сопровождается также появлением отраженных от его стенок эхо-сигналов.
На рисунке 92 показан процесс формирования сигнала при прохождении прямого ПЭП над идеальным болтовым отверстием и отверстием сравнительно малого диаметра, аналогичного отверстию от контактного соединителя.
На рисунке 93 показан процесс формирования сигналов при прохождении прямым ПЭП бездефектного болтового стыка с шестью болтовыми отверстиями и с двумя отверстиями от контактных соединителей.
Рис. 92 Формирование сигнала при прохождении прямого ПЭП над отверстиями: а – эхо-сигналы от болтового отверстия; б и в – повторные отражения от болтового отверстия; г – эхо-сигналы от отверстия малого диаметра; д – повторное отражение от отверстия малого диаметра
Рис. 93 Формирование сигнала при прохождении прямым ПЭП болтового стыка: а, б, в – отражения от болтовых отверстий; г, д – отражения от левого отверстия контактного соединителя; е, ж, з – отражения от правого отверстия контактного соединителя
Рассмотрим процесс формирования сигналов при прохождении ПЭП над болтовым отверстием с трещиной при различных ее размерах и ориентации. Протяженность пропадания донного сигнала от отверстия с трещиной равна сумме его диаметра и проекции трещины на поверхность сканирования. Таким образом, увеличение протяженности пропадания донного сигнала по сравнению с бездефектным болтовым отверстием может служить признаком наличия в нем трещины.
Формирование сигналов при прохождении прямого ПЭП над болтовыми отверстиями с трещинами различной ориентации демонстрируется на рис. 94, 95.
Рис. 94 Формирование сигналов при прохождении прямого ПЭП над болтовыми отверстиями с трещинами различной ориентации: а, б, в – отражения от болтовых отверстий; г – отражения от наклонных трещин; д – отражения от горизонтальных трещин
Рис. 95 Формирование сигналов при прохождении прямым ПЭП болтового стыка с двумя дефектными отверстиями и двумя отверстиями от контактных соединителей: а, б, в – отражения от болтовых отверстий; г, д – отражения от наклонной и горизонтальной трещин; е, ж – отражения от правого и левого отверстий от контактных соединителей
При обнаружении дефектов кода 53.1 более эффективными являются наклонные ПЭП с углами ввода α=45º, γ=0º. При равномерном движении наклонного ПЭП над отверстием формируется пачка импульсов с изменяющейся амплитудой и задержкой. Причем характер этих изменений зависит от соотношения направлений движения ПЭП и максимума его излучения. На рисунке 96 показано формирование сигналов при равномерном движении «наезжающего» наклонного ПЭП над отверстиями разных диаметров (ПЭП называют «наезжающим», если направление максимума излучения ПЭП совпадает в направлением его движения), а на рисунке 97– при одновременном движении «наезжающего» и «отъезжающего» наклонных ПЭП (ПЭП называют «отъезжающим», если направление максимума излучения ПЭП не совпадает с направлением его движения).
Рис. 96 Формирование сигнала при прохождении наклонного «наезжающего» ПЭП над бездефектными отверстиями разных диаметров
Рис. 97 Формирование сигнала при одновременном прохождении «наезжающего» и «отъезжающего» наклонных ПЭП над бездефектными отверстиями разных диаметров
На рисунке 98 показано формирование эхо-сигналов в наклонных каннах при прохождении ими болтовых отверстий с трещинами различной ориентации.
а) б)
в) 
г)
Рис. 98 Формирование сигналов при прохождении болтового отверстия: а – с трещиной, направленной вверх и вправо, «наезжающим» наклонным ПЭП; б – с трещиной, направленной вверх и влево, «отъезжающим» наклонным ПЭП; в – с трещиной, направленной горизонтально влево, «наезжающим» наклонным ПЭП; г – с трещиной, направленной горизонтально вправо, «отъезжающим» наклонным ПЭП
Из приведенных рисунков видно, что трещины в болтовых отверстиях, развивающиеся верх и вправо, могут быть обнаружены только «наезжающим» наклонным ПЭП, а вверх и влево – только «отъезжающим». При этом эхо-сигнал от трещины обладает задержкой большей, чем эхо-сигнал от стенки болтового отверстия. Аналогично можно показать, что трещины, развивающиеся вниз и вправо, могут обнаруживаться только «отъезжающими», а вниз и влево – только «наезжающими» наклонными ПЭП. Трещины, развивающиеся горизонтально вправо могут быть обнаружены только «отъезжающими», а горизонтально влево – только «наезжающими» наклонными ПЭП. Поскольку разность задержек эхо-сигналов от стенок болтового отверстия и горизонтально расположенных трещин мала, то эти сигналы могут сливаться. Поэтому обнаружение таких трещин затруднено.
Дата добавления: 2022-01-22; просмотров: 239; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!