25. Дефекты головки рельса. Ввод узк в головку рельса

Головка является наиболее нагруженной зоной рель­са. Особенно большие нагрузки испытывает участок го­ловки рельса со стороны рабочей грани, так как именно на этот участок передается силовое воздействие колес подвижного состава (рис. 52). В результате возника­ют контактно-усталостные трещины кодов 11, 21. При проходе колес с большими ползунами или выбоинами, вследствие буксования или юза, а также из-за ударов по рельсу (инструментом) в головке рельса могут появить­ся трещины (код дефектов 24 и 25), способные привести к хрупкому излому, особенно при низких температурах. На снижение прочности и живучести рельсов влияют и дефекты заводского происхождения кодов 10, 17, 20, ЗОГ, ЗОВ.*

Наиболее опасными из названных дефектов являют­ся поперечные трещины в виде темных (21.1-2) и свет­лых (20.1-2) пятен, так как они могут привести к хруп­кому излому рельса под проходящим составом (поездом).

Началом образования дефекта (код 21) является, как правило, продольная трещина, развитие которой приво­дит к отслоению металла (код дефекта 11).

Практикой установлено, что продольные трещины, как правило, возникают на выкружке рабочей грани и распространяются в глубь головки рельса на 5-11 мм.

Полный перечень возможных дефектов в головке и других сечениях рельсов, их классификацию, причины появления и разви­тия - см. в НТД/ЦП-1-93 и НТД/ЦП-2-93.

Рис. 52. Основные дефекты в головке рельса

Для выявления дефектов в головке рельсов в дефектоскопах используют эхо-импуль­сный метод с пьезоэлектрическим преобразователем (ПЭП) с углом ввода ультразвукового луча а = 60° (а= 58°).

ПРИМЕЧАНИЕ: При более точном подсчете угла ввода луча резонатора с призмой из органического стек­ла с углом β = 45°, угол ввода УЗ луча в сталь состав­ляет α = 58°, что подтверждается и практическими из­мерениями, но в литературе часто этот угол округляют до 55° или 60°.

При этом для прицельного озвучивания зоны голов­ки рельса со стороны ее рабочей грани ПЭП поворачива­ют относительно продольной оси рельса на угол γ = 32— 34° (рис. 53).

Рис. 53. Углы ввода (α) и разворота (γ) ультразвуковых колебаний в головку рельса

Процесс распростране­ния и отражения ультразву­ковых колебаний в каналах контроля головки рельса, в отличие от прямого и на­клонных каналов контроля шейки, является очень сложным и зависящим в существенной мере от множества факторов: степени износа рельса, вида и ориентации несплошности в головке, погрешностей в установке углов ввода ультразвуковых колебаний и разворота ПЭП относительно оси рельса и т. д. Причиной это­го является сложность профиля головки рельса и многократность переотражений ультразвуковой волны при ее распространении до отражателя (дефекта) и обратно к ПЭП (рис. 54).

Рис. 54. Процесс распространения УЗ колебаний вдоль головки рельса

Зеркальный метод контроля головки рельса

При основной схеме прозвучивания головки рельса (эхо-импуль­сный метод), иногда имеются случаи пропус­ка поперечных трещин, размеры которых превышают половину площади сечения головки рельса (50% и бо­лее)! Это объясняется тем, что сильно развитый дефект, По сравнению с дефектом на ранней стадии развития, имеет поверхность, практически зеркальную для ультра­звуковой волны частотой 2,5 МГц. Основной поток аку­стических колебаний, подчиняясь закону зеркального отражения, переотражается от плоскости дефекта и к излучаемому ПЭП не возвращается (рис. 55). Только незначительная часть упругих колебаний, диффузно рассеиваясь на краях трещины, может вернуться к излу­чаемому ПЭП.

Рис. 55. Зеркальное отражение ультразвуковых

колебаний от сильно развитой поперечной трещины

с гладкой поверхностью в головке рельса

Для обнаружения таких трещин предлагается на поверхность катания голов­ки рельса на расстоянии В от основного ПЭП устано­вить второй ПЭП, осуществляющий только прием пере­отраженных ультразвуковых колебаний (так называемый пассивный приемник). При этом амплитуда принятых вторым ПЭП эхо-сигналов намного выше, чем амплиту­да сигналов, диффузно рассеянных на краях трещины и принятых первым ПЭП (рис. 56).

Рис. 56. Прием зеркально отраженных от плоско­сти поперечной трещины ультразвуковых колебаний вторым ПЭП (дополнительным пассивным приемни­ком). 1 — активный ПЭП, излучающий и принимающий ультразвуковые колебания; 2 — пассивный (дополни­тельный) ПЭП, только принимающий ультразвуковые

колебания

Впоследствии этот метод назвали зеркальным методом контроля головки рельса.

ПРИМЕЧАНИЕ: Впервые этот метод обнаружения де­фектов второй группы в головке рельсов применен при раз­работке метода ультразвукового контроля с непрерывным излучением упругих колебаний и выделением сигналов на основе эффекта Доплера, где разделение излучателя и при­емника весьма желательно.

В результате многочисленных экспериментов по об­наружению реальных дефектов и моделей трещин в го­ловке рельса с помощью системы из двух ПЭП опреде­лены следующие ее основные параметры (рис. 57):

Рис.57. Основные параметры системы из двух ПЭП, реализующих зеркальный метод контроля головки рельсов

- углы ввода как 1-го, так и 2-го ПЭП α₁=α₂= 58°;

- углы разворота как 1-го, так и 2-го ПЭП γ₁=γ₂= ⁼34^о в сторону рабочей грани головки рельса;

- расстояние между двумя ПЭП В = 50±2 мм.

Указанные параметры выбраны как исходя из усло­вия надежного обнаружения поперечных трещин в головке рельсов, так и из условия простоты реализации схемы уже имеющимися на железных дорогах резонато­рами (ПЭП) в действующих двухниточных дефектоско­пах (РЕЛЬС-5, Поиск-2 и Поиск-10Э).

При этом механическая конструкция типовых акус­тических блоков остается неизменной. Один из прямых резонаторов (ПЭП α = 0°) из схемы исключается. Вто­рой прямой резонатор переставляется в первую ячейку первого по ходу движения тележки акустического блока. В освободившиеся ячейки устанавливаются два наклон­ных ПЭП (α = 58°), развернутых в сторону рабочей гра­ни головки рельса и направленных по ходу движения дефектоскопной тележки. Совместно они реализуют зер­кальный метод контроля. Четвертый по схеме резонатор, также как и третий, реализует традиционную схему прозвучивания типа «змейка» эхо-методом (рис. 58).

Рис. 58. Изменение традиционной схемы прозвучивания

съемных дефектоскопов при реализации зеркального метода

контроля головки рельса: а — до модернизации; б — после

введения зеркального метода

ПРИМЕЧАНИЕ: Изъятие второго прямого резонатора приводит к исключению схемы «ультразвуковой калибр». Однако, как показывает практика, это не снижает эффективности контроля рельсов дефектоскопной тележкой-

Изложенную модернизацию схемы прозвучивания на практике впервые реализовали на Горьковской желез­ной дороге. Так как при этом вносятся некоторые изме­нения и в электрическую схему дефектоскопа ПОИСК-10Э (добавляется дополнительная плата временного селек­тора, а в одном из каналов прямого ПЭП выключается генератор зондирующих колебаний), то модернизирован­ный дефектоскоп получил название ПОИСК-10Э-2Н (два наклонных ПЭП). Впоследствии ОАО «Радиоавионика» по заказу МПС РФ приступило к централизованной модернизации дефектоскопов ПОИСК-10Э. При этом дефектоскоп с дополненным зеркальным каналом полу­чил наименование ПОИСК-10ЭРА (РА - «Радиоавио-Ника»).