Документация. Основной НТД в России по УЗ-контролю рельсов - ГОСТ 18576-85. Он распространяется на основ­ные типоразмеры рельсов, применяемые на железных дорогах и в метрополитенах; устанавливает методы УЗ-контроля для выявления в головке, шейке и зоне про­должения шейки в подошву рельсов внут­ренних дефектов: расслоений, флокенов, раковин, сосредоточенных ликваций, тре­щин, дефектов электроконтактной сварки. Стандарт не устанавливает методы УЗ - контроля наплавки. Подробное изложение современных методик контроля рельсов в процессе эксплуатации содержится в мо­нографии [226].

Для понимания принятой терминоло­гии на рис. 3.85 указаны элементы конст­рукции рельса и их названия. Рельсы про­ходят контроль на рельсопрокатных и вы­борочно на рельсосварочных предприяти­
ях, а также периодически во время экс­плуатации в путевых условиях. В произ­водственных условиях на предприятиях рельсы подвергаются УЗ - и магнитному контролю. В эксплуатационных условиях - УЗ-, магнитному, визуальному контролю и контролю на слух после удара типовым молотком. Несмотря на многократный контроль, рельсы остаются причиной ~ 30 % крушений поездов.

Все возможные типы дефектов в рельсах четко классифицированы по их местонахождению, природе, внешнему виду, причинам возникновения, влиянию на прочностные свойства рельса. Остро­дефектные рельсы подлежат немедленной замене. За менее опасными дефектами устанавливают систематическое наблюде­ние. При обнаружении трещин, не выхо­дящих на поверхность, дефектный участок усиливают накладками.

Аппаратура и образцы. УЗ-конт - роль рельсов выполняется с помощью им­пульсного дефектоскопа с ПЭП или ЭМА - преобразователями. Универсальные де­фектоскопы для этой цели употребляют редко. Обычно контроль рельсов в пути ведут специализированными дефектоско­пами, приспособленными для выполнения ряда стандартных операций. Это смонти­рованные на специальной тележке двух­ниточные дефектоскопы типа "Рельс-5", "Поиск-2", "Поиск-1 ОЭ"; однониточные дефектоскопы типа "Рельс-4", "УРДО-3". Для контроля сварных соединений рель­сов применяют дефектоскопы "Рельс-6". Весьма совершенным средством ручного контроля рельсов является многоканаль­ный двухниточный дефектоскоп типа "Авикон-01" (рис. 3.86).

Высокопроизводительные средства контроля - это дефектоскопные авто­мотрисы АМД-01 и АМД-02 с аппарату­рой "Поиск-20" и регистратором "Сарос"; УЗ-вагоны-дефектоскопы с аппаратурой "Поиск-6" и "Поиск-бЭ"; вагоны-дефек­тоскопы с магнитной и УЗ-аппаратурой - комплексом "Авикон-03".

Основная рабочая частота, на кото­рой ведется УЗ-контроль, 2,5 МГц. Руч­ные дефектоскопы должны иметь атте­нюатор со ступенями ослабления < 2 дБ. Допускается применять дефектоскопы без аттенюатора с проверкой чувствительно­сти по СО, не требующим калиброванного изменения коэффициента усиления, или дефектоскопы без аттенюатора с системой автоматической настройки и поддержания чувствительности.

Часто к дефектоскопам, не имеющим аттенюатора, подключают имитатор де­фектов - вспомогательный прибор, выра­батывающий под действием зондирующе­го импульса дефектоскопа свой импульс, подобный эхосигналу от дефекта. Этот импульс можно перемещать по линии раз­вертки и изменять его амплитуду атте­нюатором имитатора. Подводят импульс имитатора к измеряемому импульсу де-

Рис. 3.86. Съемный двухниточный дефектоскоп

фектоскопа и, приравнивая амплитуду импульса имитатора к амплитуде изме­ряемого импульса, измеряют амплитуду последнего.

При контроле необходимы также СО для настройки и проверки работы дефек­тоскопа. Комплект СО включает в себя образцы СО-1, СО-2 и СО-3 по ГОСТ 14782-86, рассмотренные в разд. 2.2.1.3, или же образцы СО-IP и CO-ЗР. Их сле­дует применять при контроле эхометодом и совмещенной схеме включения ПЭП на частоту > 1,5 МГц. В остальных случаях для проверки основных параметров аппа­ратуры и контроля должны использовать­ся СОП.

Стандартный образец СО-1Р (рис. 3.87) применяют для определения условной чувствительности вместо СО-1. Так же, как СО-1, он должен быть изго­товлен из органического стекла марки ТОСП с акустическими свойствами по ГОСТ 14782-86. В образце выполняют шесть боковых цилиндрических отверстий диаметром 10 мм. Они заменяют боковые цилиндрические отверстия диаметром 2 мм в СО-1. Отверстиями следует поль-

зоваться, располагая преобразователь на верхней и нижней поверхностях образца. Соответственно около каждого отверстия приведены две цифры.

Цифры около отверстий говорят о том, какому отверстию в СО-1 оно соот­ветствует. Каждая цифра указывает глу­бину расположения центра соответст­вующего отверстия диаметром 2 мм в СО-1 относительно верхней поверхности ввода этого образца, которое заменяется отверстием диаметром 10 мм при положе­нии преобразователя на верхней или ниж­ней поверхности СО-IP. Например, отвер­стие 45/15 в СО-IP, расположенное на глубине 125 мм, заменяет отверстия на глубинах 45 и 15 мм в СО-1.

Диаметр отверстий увеличен по сравнению с СО-1, но увеличена также высота образца, т. е. путь от преобразова­теля до отверстия. Эти два фактора ком­пенсируют друг друга с учетом большого затухания УЗ в органическом стекле. Удовлетворительная компенсация дости­гается на частоте 2,5 МГц для преобразо­вателя с углом призмы 35°. Однако на
других частотах и при других углах приз­мы амплитуды эхосигналов от отверстий в образце СО-IP будут отличаться от СО-1. В подобных ситуациях первичным счита­ют СО-1.

Важная акустическая характеристика образцов из органического стекла - коэф­фициент затухания в материале. Ее прове­ряют по следующему признаку: амплиту­да третьего донного импульса по толщине образца должна отличаться от амплитуды соответствующего импульса в исходном образце не более чем на ±2 дБ. Допускает­ся применять образцы из органического стекла, в которых это требование не удов­летворяется, но к такому образцу, как от­мечалось в разд. 2.2.1.3, должен прила­гаться аттестат-график, по которому мож­но сопоставить амплитуды сигналов для исходного и аттестуемого образцов.

Аттестат-график строят, определяя разность в децибелах между эхосигналами от отверстий диаметром 2 мм в исходном и аттестуемом образцах СО-1 с помощью преобразователя определенного типа. Из­мерения ведут по двум отверстиям, распо-

ложенным на минимальном и максималь­ном расстояниях от поверхности ввода. За опорную точку (0 дБ) принимают макси­мальный эхосигнал от отверстия диамет­ром 6 мм на глубине 44 мм от СО-2. Точки строят в системе координат, как на рис. 3.88. Далее соединяют прямой линией точки, соответствующие каждому образ­цу-

На рис. 3.88 в качестве примера при­веден аттестат-график для некоторого СО-1, который по затуханию не отвечал исходному СО-1. Штриховой линией обо­значен график для исходного СО-1, а сплошной - график, по которому следует определять поправку к условной чувстви­тельности, обусловленную несоответстви­ем затухания УЗ в применяемом образце исходному образцу СО-1. Пример исполь­зования аттестат-графика: отверстие № 50 в аттестуемом образце в действительности соответствует отверстию № 45 в исходном образце. Заметим, что чем больше угол ввода ПЭП, тем меньшую условную чув­ствительность можно реализовать с его помощью.

Стандартный образец СО-ЗР (рис. 3.89) заменяет образцы СО-2 и СО-3

S

о

_ я и «

б °

я о

S' к

S'

s

C5

Я

я

о

я

о

по ГОСТ 14782-86. Образец должен быть изготовлен из стали марки 20 с теми же акустическими свойствами, как СО-2. Его применяют для определения: условной чувствительности, мертвой зоны, погреш­ности глубиномера, местоположения точ­ки выхода, угла ввода УЗ-колебаний, ши­рины основного лепестка диаграммы на­правленности, коэффициента преобразо­вания при контроле рельсового металла или близкого к нему по акустическим свойствам. На боковых и рабочих поверх­ностях образца должны быть выгравиро­ваны риски, проходящие через центр чет­верть окружности и по оси рабочей по­верхности. На боковую поверхность об­разца наносят шкалу значений угла ввода луча 40 ... 70 через 5°, построенную в со­ответствии с уравнением

I = 44tga.

Нуль шкалы должен совпадать с осью, проходящей через центр отверстия диаметром 6 мм перпендикулярно к рабо­чей поверхности образца. Значение 65° на шкале углов ввода луча а должно совпа­дать с риской, проходящей через центр окружности цилиндрической поверхности.

Подготовка к контролю. Поверх­ность рельса, с которой ведется контроль (поверхность ввода) при использовании ПЭП, должна быть очищена от отслоив­шейся окалины, грязи, льда и покрыта слоем контактирующей жидкости. В слу­чае применения ЭМА-преобразователя она должна быть очищена от отслоившей­ся окалины и грязи. В качестве контакти­рующей жидкости используют воду, ми­неральные смазочные материалы, раствор спирта в воде и спирт. Чистота поверхно­сти и состав контактирующей жидкости должны быть указаны в технической до­кументации на контроль.

При подготовке аппаратуры, а также периодически в процессе контроля следу­ет проверять основные параметры метода и аппаратуры. Частоту УЗ-колебаний, по­ложение точки выхода, направление аку­стической оси, угол ввода, погрешность глубиномера, мертвую зону и лучевую разрешающую способность проверяют, как было рекомендовано в разд. 2.2.4. ГОСТ 18576-85 рекомендует способ про­верки частоты, более удобный чем ГОСТ 14782-86. Вместо пазов переменной глу­бины в СО-4 применяются пересекающие­ся риски, выполненные на поверхности, противоположной поверхности ввода, расстояние до которых от преобразователя изменяется при его перемещении вдоль рисок. Благодаря этому достигаются дос­таточно большие амплитуды эхосигналов при любых углах ввода наклонного пре­образователя. Однако необходимого по­вышения точности таким способом дос­тичь невозможно, поскольку в оценках,
приведенных в разд. 2.2.4.2, не учитывал­ся такой фактор, как малость амплитуд при несоответствии угла ввода преобразо­вателя углу образца.

Условная чувствительность - наибо­лее важный параметр. Ее при контроле эхометодом на частоте > 1,5 МГц чаще всего устанавливают по образцу СО-1 или СО-IP. Образец из органического стекла легок, и настройка по нему не требует на­личия аттенюатора. Чувствительность де­фектоскопа с преобразователем должна быть такой, чтобы индикатор (т. е. автома­тический сигнализатор дефектов - АСД) срабатывал от эхосигнала, полученного от заданного отверстия в СО-1 (или СО-1Р; рис. 3.87). Определенная таким образом условная чувствительность Ку называет­ся условной чувствительностью в милли­метрах.

Например, при сплошном контроле головки рельса преобразователем с углом ввода 60° условную чувствительность нужно установить так, чтобы индикатор срабатывал от отверстия на глубине 35 мм в СО-1. При этом, естественно, он будет также срабатывать от отверстий на мень­шей глубине. Такую условную чувстви­тельность обозначают Ку = 35 мм. Если

контроль выполняется преобразователем с углом ввода 50°, то приблизительно такая же условная чувствительность будет соот­ветствовать Ку = 45 мм, поскольку пре­образователь имеет меньший угол ввода и путь УЗ-волн в образце из оргстекла коро­че. Как видим, аттенюатор или имитатор дефектов при такой настройке не нужны.

Заметим, что если контроль выполня­ется не на частоте 1,8 МГц, а на частоте > 2,5 МГц, а условную чувствительность настраивают с помощью СО-IP, то чувст­вительность дефектоскопа будет завы­шенной. Удобство использования СО-1Р вместо СО-1 обусловлено тем, что эхосиг - налы от отверстий на глубине 35 или 40 мм в СО-1 располагаются за пределами строб-импульса, выделяющего зону воз­можного нахождения дефекта в головке рельса, поэтому для настройки дефекто­скопа приходится перемещать строб - импульс по линии развертки, чтобы сна­чала выделить эхосигналы от СО-1, а за­тем - зону развертки, где могут появиться эхосигналы от дефектов.

Условную чувствительность можно также настраивать по образцу СО-2 или CO-ЗР, если дефектоскоп имеет аттенюа­тор или имитатор дефектов. Регулируя чувствительность прибора, добиваются получения эхосигнала от отверстия диа­метром 6 мм на глубине 44 мм, а затем чувствительность повышают аттенюато­ром на заданное число децибелов Ку.

Условную чувствительность по СО-2 или CO-ЗР Ку , выражаемую разностью в

децибелах между показанием аттенюатора при данной настройке дефектоскопа и по­казанием, при котором цилиндрическое отверстие диаметром 6 мм в СО фиксиру­ется индикаторами дефектоскопа, назы­вают условной чувствительностью в де­цибелах. Между условной чувствительно­стью по СО-1 в миллиметрах (IfJ в мм) и условной чувствительностью по СО-ЗР (или СО-2) в децибелах (Ку в дБ) сущест­вует прямая связь. Она показана на рис. 3.88 в виде шкал на оси ординат слева и справа.

Рассмотрим последовательность вы­полнения настройки дефектоскопа на за­данную условную чувствительность в де­цибелах. Например, требуется настроить дефектоскоп с преобразователем с углом ввода а = 60° на условную чувствитель­ность Ку = 16 дБ по СО-ЗР. Нужно уста­новить преобразователь на СО-ЗР и, пере­мещая его по поверхности ввода, выбрать такое положение, при котором амплитуда эхосигнала от отверстия диаметром 6 мм на глубине 44 мм будет наибольшей. При этом необходимо обращать внимание на

Работа звукового
индикатора

Звуковой индикатор
не срабатывает, так как А*=2<3

Рис. 3.90. Влияние размера дефекта на его выявляемость эхометодом при А' = 3

то, чтобы эхосигнал был именно от отвер­стия диаметром 6 мм, а не от нижнего угла образца. Обычно эхосигнал от нижнего двугранного угла образца на развертке всегда отстоит дальше от зондирующего импульса, чем эхосигнал от отверстия. Дополнительный признак - точка ввода преобразователя - должна находиться около отметки 60°. Еще один дополни­тельный признак - эхосигнал от двугран­ного угла - изменяет свою амплитуду при пальпировании.

Не меняя положения преобразовате­ля, какими-либо регуляторами чувстви­тельности устанавливают амплитуду эхо - сигнала на стандартный уровень. При этом кнопка аттенюатора "16 дБ" (в де­фектоскопе УД2-12 или ему подобном) должна быть нажата. Снимают преобразо­ватель с образца и отжимают эту кнопку. Чувствительность повысилась на 16 дБ, дефектоскоп настроен на заданную услов­ную чувствительность.

Условную чувствительность при кон­троле ЗТ-методом, как отмечалось в разд. 2.3.3, определяют значением ослаб­ления донного сигнала на бездефектном участке рельса, вызываемого моделью дефекта. Количественной характеристи­кой обнаруживаемости дефекта является
коэффициент выявляемое™ для ЗТ - метода, т. е. Ку = U0 - Um, где U0 - ампли­туда выбранного донного сигнала (перво­го, второго, и-го) в децибелах; Um - ам­плитуда того же донного сигнала, но ос­лабленного дефектом.

При подготовке к контролю ЗТ- методом находят донный сигнал на безде­фектном участке рельса (или на образце, параметры которого указаны в техниче­ской документации на контроль). Умень­шают донный сигнал на заданное количе­ство децибелов (это значение и составляет условную чувствительность). Выделяют импульс, соответствующий донному сиг­налу, строб-импульсом АСД и настраива­ют порог срабатывания АСД так, чтобы импульс вызывал появление светового или звукового сигнала.

Очевидно, что чувствительность де­фектоскопа тем больше, чем больше вели­чина Ку, и выявляемость дефектов тем лучше, чем больше (по абсолютному зна­чению) условная чувствительность. На­пример, дефект малого размера обнаружи­вается при Ку > 0,4, а дефект большего размера - при Ку > 0,2.

Минимальный условный размер де­фекта ALmin, фиксируемый при заданной скорости контроля, измеряется следую­
щим образом. При реализации как эхо-, так ЗТ-методов индикаторы дефектоскопа обычно срабатывают не мгновенно после появления (или исчезновения - при ЗТ- методе) однократного эхосигнала, а толь­ко после приема определенного, заранее заданного числа N эхосигналов (рис. 3.90) или пропадания N донных сигналов. Это позволяет исключить ложные срабатыва­ния индикаторов дефектоскопа от всякого рода кратковременных помех.

Число N характеризует инерцион­ность индикатора. Скорость сканирования v не должна превышать значения, при ко­тором за время озвучивания дефектов, подлежащих выявлению, на регистратор поступит > N сигналов от каждого дефек­та. При установленных значениях скоро­сти сканирования v, частоте посылок зон­дирующих импульсов F, инерционности индикатора N дефектоскопом будут фик­сироваться только те дефекты, условная протяженность AL вдоль рельса которых будет равна или превышать

=N/F.

Например, если при контроле рельса дефектоскопной тележкой N = 3 импуль­сам, F= 1000 Гц, v = 1,0 м/с,

AL = 3-1/1000 = 0,003 м = 3 мм.

Методики контроля. При контроле рельсов в пути применяются разные мето­дики контроля головки, шейки, части по­дошвы, сварных соединений и болтовых соединений. Обычно система искателей дефектоскопа снабжена набором преобра­зователей, позволяющим одновременно контролировать все элементы рельса по различным схемам.

Контроль головки рельса. Головка является наиболее нагруженной зоной рельса. Особенно большие нагрузки испы­тывает участок головки рельса со стороны рабочей грани, так как именно на него передается силовое воздействие колес подвижного состава. В результате возни­кают контактно-усталостные трещины. На снижение прочности и живучести рельсов

Рис. 3.91. Схема контроля головки рельса

влияют также дефекты заводского проис­хождения, наиболее опасны из которых поперечные трещины в виде темных и светлых пятен, так как они могут привести к хрупкому излому рельса под проходя­щим составом (поездом). Началом образо­вания такого дефекта может стать также продольная трещина, развитие которой вызывает отслоение металла.

Практикой установлено, что про­дольные трещины, как правило, возника­ют на выкружке рабочей грани и распро­страняются в глубь головки рельса на 5 ... 11 мм. От этого дефекта на глубине расположения продольной трещины раз­вивается усталостная поперечная трещи­на. В месте сварки поперечная трещина может начать развиваться в головке на любой глубине, в зависимости от распо­ложения дефекта сварки. Таким образом, поперечная трещина - наиболее часто встречающийся и наиболее опасный де­фект головки.

Для выявления таких дефектов в го­ловке рельсов во всех эксплуатируемых дефектоскопах используют эхометод с преобразователем с углом ввода а = 60° (точнее, а = 58°). При этом для более пол­ного озвучивания всей зоны головки рель­са ПЭП поворачивают относительно про­дольной оси рельса на угол у = 32 ... 34° (угол разворота) в сторону рабочей грани (рис. 3.91).

Процесс распространения и отраже­ния УЗ-колебаний в головке рельса при таком вводе является очень сложным. Ка­ждый из лучей диаграммы направленности

ПЭП вводится в головку под своим углом и распространяется по своей сугубо инди­видуальной траектории. Для иллюстрации на рис. 3.92 рассмотрено распространение и переотражение в головке рельса трех лучей: центрального, совпадающего с на­правлением максимального излучения, и двух боковых, находящихся на противо­положных сторонах диаграммы направ­ленности ПЭП.

Такой процесс распространения по­казывает, что УЗ-лучи, хотя изначально их вводят в сторону рабочей грани, после одно - или двукратного переотражения от внутренних стенок головки переходят на нерабочую грань головки и далее распро­страняются по всему сечению головки рельса. Это существенно для УЗ-вагонов - дефектоскопов и дефектоскопных авто­мотрис, где зона фиксации эхосигналов от дефектов достигает 160 ... 230 мкс.

В дефектоскопных тележках зона временной селекции составляет всего лишь 65 мкс. В ней фиксируются только те сигналы, которые формируются УЗ - лучом, претерпевшим однократное отра­жение от подголовочной грани рельса. Поперечные трещины в головке рельса обнаруживаются, как правило, не прямым, а однократно отраженным от нижней гра­ни головки рельса УЗ-лучом. При этом на начальном участке зоны селекции в пре­делах 40 ... 45 мкс от зондирующего им­
пульса возможно появление эхосигналов от неровностей на нижней грани (полке) головки рельса, а в конце зоны селекции (в пределах 80 ... 90 мкс) - от микротре­щин на рабочей выкружке головки. Де­фектоскопные тележки такие отражения фиксировать не могут.

В зависимости от преимущественно­го направления движения поездов по дан­ному участку пути поперечные трещины в головке рельса могут иметь отклонения от вертикальной ориентации до 15 ... 18°. Для надежного обнаружения дефектов различной ориентации в съемных двухни­точных дефектоскопах при контроле го­ловки рельса используют два идентичных преобразователя, направленных по и про­тив хода движения поездов. Поэтому ис­кательные системы всех двухниточных дефектоскопов содержат пару противопо­ложно направленных наклонных ПЭП, излучающих УЗ-колебания в рельс под углом ввода а = 58° и развернутых в сто­рону рабочей грани на угол у = 34° отно­сительно продольной оси рельса.

Для обнаружения поперечных тре­щин в головке рельса во многих дефекто­скопических системах зарубежных фирм, например Sperry Rail Service (США), при­меняют наклонный преобразователь с уг­лом ввода а = 70°, направленный вдоль продольной оси рельса, т. е. с углом разво­рота у = 0°. При этом за счет большого
угла озвучивания дефект фиксируется на значительном участке пути, т. е. условная протяженность компактного дефекта AL - 100 ... 200 мм по длине рельса.

Экспериментальная проверка такой схемы на рельсах с реальными дефектами показала, что ПЭП с а = 70° эффективен при обнаружении сильно развитых (пло­щадью 50 ... 80 % площади головки рель­са) поперечных трещин, заходящих в про­екцию шейки рельса. Такая схема из 17 дефектов обнаружила только восемь тре­щин. В то же время с помощью применяе­мой в России описанной выше схемы все дефекты были найдены с обеих сторон весьма уверенно. Таким образом, преобра­зователь с а = 70° и у = 0° целесообразно использовать только как дополнительную схему контроля для выявления сильнораз­витых поперечных трещин.

Многие поперечные дефекты со зна­чительным развитием отражают УЗ-ко - лебания лишь верхней и нижней кромками (блестящие точки). Признаком обнаруже­ния такого дефекта служит на экране де­фектоскопа импульс, перемещающийся по развертке при движении ПЭП (для дефек­тоскопа "Поиск - 10Э"), или срабатывание стрелочного индикатора (для дефектоско­пов "Рельс-5" и "Поиск-2").

Если поперечная внутренняя трещи­на 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. В других случаях дефектный уча­сток усиливают накладками и подвергают периодическому повторному контролю.

Как показал опыт контроля двухни­точными дефектоскопами с помощью приведенной ранее основной схемы про - звучивания, бывает пропуск поперечных трещин, размеры которых превышают половину площади сечения головки рель­са. Это объясняется тем, что сильно разви­тый дефект по сравнению с дефектом на ранней стадии развития имеет поверх-

Рис. 3.93. Распространение лучей в головке рельса при контроле зеркальным методом

ность, практически зеркальную для отра­жения У 3-волны частотой 2,5 МГц. Ос­новной поток акустических волн, подчи­няясь закону зеркального отражения, к излучателю-приемнику не возвращается. Только незначительная часть упругих ко­лебаний, диффузно рассеиваясь на краях трещины, может вернуться к ПЭП.

Для обнаружения таких трещин раз­работан зеркальный метод контроля, со­гласно которому на поверхность катания головки рельса на расстоянии В от излу­чающего преобразователя устанавливают второй преобразователь, принимающий переотраженные УЗ-колеба-ния. Путь УЗ - лучей при этом показан на рис. 3.93. Как видно, этот метод подобен эхозеркально­му методу контроля сварных соединений, но вместо отражения от дна используется отражение от нижней грани головки рель­са. При этом амплитуда принятых вторым ПЭП эхосигналов намного выше, чем ам­плитуда сигналов, диффузно рассеянных на краях трещины и принятых первым ПЭП.

В результате многочисленных экспе­риментов по обнаружению реальных де­фектов и моделей трещин в головке рельса с помощью зеркального метода и системы из двух ПЭП определены следующие его основные параметры: углы ввода как пер­вого, так и второго ПЭП 58°; углы разво­рота как первого, так и второго ПЭП 34° в сторону рабочей грани головки рельса, рас­стояние между двумя ПЭП В = 50 ± 2 мм.

Контроль шейки и подошвы рельса. Наиболее характерными дефектами шейки рельса с ее продолжением в подошву рельса являются: расслоение шейки, тре­щина в зоне сопряжения головки с шейкой рельса, поперечная трещина в шейке, во­лосовины, выколы части подошвы, тре­щины и коррозия подошвы, коррозия шейки, трещины и выколы подошвы, по­перечные изломы.

В эксплуатируемых съемных дефек­тоскопах "Рельс-5", "Поиск-2" и "Поиск - 10Э" для контроля зоны шейки и продол­жения ее в головку и подошву рельса применяют ЗТ-метод, реализуемый с по­мощью прямого ПЭП, работающего в со­вмещенном режиме. Искательные системы дефектоскопов имеют два прямых преоб­разователя. Первый по ходу движения прямой ПЭП (основной) служит для сплошного контроля рельсов, второй (до­полнительный) подключается специаль­ной кнопкой и образует вместе с основ­ным "УЗ-калибр" (см. ниже). При этом анализируется амплитуда донного сигна­ла, находящегося по времени в заранее выставленном стробирующем импульсе. Ручкой "Тип рельса" дефектоскопа доби­ваются совмещения строб-импульса с донным сигналом для рельса контроли­руемого типоразмера.

Для настройки чувствительности ам­плитуду донного сигнала на бездефектном участке рельса уменьшают до уровня сра­батывания звукового индикатора, а потом увеличивают чувствительность (отжима­ют кнопки аттенюатора) на 14 дБ, что бу­дет соответствовать настройке на чувстви­тельность, равную коэффициенту выяв­ляемое™ 0,2.

ЗТ-метод является единственным, по­зволяющим обнаруживать дефекты в виде вертикальных продольных расслоений, существенно рассеивающих УЗ-колеба - ния, но практически не отражающих вол­ну в направлении к ПЭП. Причины рас­сеяния продольной волны на вертикаль­ном дефекте пояснены на рис. 2.94. Де­фект типа трещины в зоне сопряжения головки и шейки рельса обнаруживается ЗТ-методом при достаточно глубоком проникновении трещины в толщу шейки рельса, обеспечивающим необходимое для обнаружения дефекта ослабление донного сигнала. При этом, так же как при гори­зонтальной трещине в головке рельса, об­разуются многократные переотражения сигнала от трещины. При попадании од­ного из переотраженных сигналов в строб донного сигнала возможен пропуск де­фекта.

Крайне необходимо своевременно обнаруживать в подошве рельса попереч­ные дефекты коррозионного происхожде­ния, которые часто служат причиной раз­рушения. С учетом этого проводят модер­низацию дефектоскопов "Поиск - 10Э". Один (или оба) из наклонных ПЭП с уг­лом ввода а = 58° заменяют наклонным ПЭП с а = 45°, развернутым вдоль про­дольной оси рельса (у = 0°).

При изложенной схеме прозвучива - ния наклонными преобразователями не контролируются зоны головки и шейки рельса, что является ее существенным не­достатком. Возможен одновременный анализ зоны подошвы и зоны шейки рель­са. Для этого достаточно уменьшить время задержки стробирующего импульса (вре­мя начала строба) до 40 мкс, а время окончания строба оставить равным 190 ... 200 мкс.

Контроль рельса в зоне болтового стыка. Болтовой стык подвергается зна­чительным воздействиям, вызываемым ударами колес при проходе стыковых за­зоров. Особенно высокие напряжения воз­никают на кромках болтовых отверстий. Надрывы, полученные при сверлении, и коррозия ускоряют процесс трещино обра­зования. Трещины, проходящие через бол­товые отверстия, всегда начинаются у по­верхности отверстия и обычно идут по-

шейке под углом ~ 45° к продольной оси рельса. В результате развития такой тре­щины с торца выкалывается кусок головки рельса длиной, примерно равной высоте рельса, что может привести к сходу под­вижного состава.

Для упрощения контроля зоны бол­тового стыка А. К. Гурвичем была пред­ложена схема "УЗ-калибр", реализуемая с помощью одновременно включаемых в один дефектоскопический канал двух прямых ПЭП. При проходе болтового стыка с помощью кнопки "Канал-2" пря­мых ПЭП к основному ПЭП подключается дополнительный. Расстояние между пре­образователями выбрано несколько боль­ше диаметра бездефектного болтового
отверстия (рис. 3.94). При этом последнее не перекрывает одновременно оба УЗ- луча, и над таким болтовым отверстием всегда будет регистрироваться донный импульс. Наличие трещины полностью или частично перекрывает оба луча, что приводит к резкому уменьшению или полному исчезновению донного импульса, а следовательно, к срабатыванию индика­тора.

Недостаток системы "УЗ-калибр" в том, что прямые ПЭП, озвучивающие зону болтового стыка, обеспечивают обнару­жение только тех дефектов, проекции ко­торых на поверхность катания выходят за проекцию болтового отверстия более чем на 10 мм. Если направление развития тре­
щины близко к вертикальному, то ее про­екция на поверхность катания может быть небольшой, в то время как реальная длина трещины может превышать 30 мм.

Более надежный способ обнаружения трещин, распространяющихся от болтово­го отверстия, - наблюдение за эхосигна- лами от отверстия и возможных трещин с помощью эходефектоскопа и наклонного преобразователя с углом ввода а = 38° в процессе перемещения преобразователя. При наличии трещины на экране появля­ются два эхосигнала: от отверстия и от трещины. Они наблюдаются одновремен­но или один за другим при движении пре­образователя. Такая схема контроля бол­товых стыков реализована в скоростных средствах контроля. Реализация ее в съем­ных дефектоскопах затруднена, так как существенно усложняет и замедляет рабо­ту дефектоскописта.

Дефектоскописту легче определить наличие трещины, если два эхосигнала (от отверстия и трещины) наблюдаются одно­временно. Это, однако, зависит от того, от какой точки отверстия начинается трещи­на и в каком направлении она распростра­няется. Удобный способ обнаружения трещин реализован в дефектоскопе "Ави - кон-01", снабженном двухлучевым преоб­разователем с углами ввода 41 и 49°.

Перспективные схемы контроля рельсов. Г. Я. Дымкиным предложен спо­соб возбуждения низкочастотных (~ 100 кГц) УЗ-волн в головке рельса с помощью на­клонного преобразователя с углом ввода 44° и размером пьезоэлемента ~ 60 мм. При этих условиях волна в головке при­ближается к типу стержневых волн. Она распространяется вдоль рельса на значи­тельные расстояния (8 ... 17 м) и позволя­ет выявлять дефекты по длине рельса в несколько метров или даже десятков мет­ров из одной или двух позиций преобразо­вателя, избегая тем самым необходимости непрерывного сканирования рельса. Чув­ствительность определяют по сигналу от торца рельса с последующим повышением

чувствительности до заданного уровня.

В [425, с. 732/270] также предложено применять для контроля железнодорож­ных рельсов волны, подобные распро­страняющимся в стержнях. Их рекоменду­ется возбуждать колесами движущегося со скоростью 50 км/ч поезда, а датчики, при­нимающие эхосигналы от излома в рель­сах, - укреплять на самих рельсах.

А. К. Гурвичем и А. А. Марковым предложено использовать при контроле рельсов эффект Доплера. Оказалось, что целесообразно применять непрерывное излучение, однако вследствие ограничен­ной диаграммы направленности и посто­янного движения преобразователя на вхо­де дефектоскопа будут образовываться импульсы. При скорости движения 15 м/с доплеровское смещение частоты составит 15 кГц. Эхометод на базе эффекта Допле­ра по сравнению с обычным эхометодом обладает более высокой помехозащищен­ностью благодаря концентрации энергии эхосигналов в узком спектре частот и су­щественно большей мощности полезных эхосигналов.

В [428, докл. 3.05] дан сравнитель­ный анализ результатов контроля одно­именных участков рельсов в пути, выпол­ненного различными дефектоскопически­ми средствами. Предложено представлять сигналы от разных каналов в виде единой картины дефектов на изображении попе­речного сечения рельса. Чтобы исключить наложение сигналов от разных каналов, разработан способ изображении попереч­ного сечения рельса, но без сведения сиг­налов от разных каналов к единой коор­динате. Необходимо обеспечить возмож­ность изменения масштабов как по гори­зонтали, так и по вертикали; одновремен­ного представления результатов контроля, полученных в разное время; запоминания результатов и т. д. С этой целью создана компьютерная программа по унифициро­ванному представлению информации.