Становление рельсовой дефектоскопии.

Первые рельсовые съемные дефектоскопы для контроля обеих нитей пути, которые стали широко применяться на железных дорогах, появились в пятидесятые годы двадцатого века. В результате большой работы, выполненной научными работниками Всесоюзного научно-исследоательского института железнодорожного транспорта, Уральского филиала академии наук СССР и Сибирского физико-технического института в творческом содружестве с работниками производства были созданы и внедрены следующие типы дефектоскопов:

-съемные дефектоскопы на переменном магнитном поле ДС-13м и РДП-56;

-съемный дефектоскоп на постоянном магнитном поле МРД-52;

-съемные импульсные ультразвуковые дефектоскопы УРД-52, УРД-58;

-скоростной вагон-дефектоскоп на постоянном магнитном поле.

Действие дефектоскопа РДП-56 также было основано на использовании индуктивных вихревых токов, возникающих под действием переменного магнитного поля в поверхностных слоях рельса. Основным элементом дефектоскопа являлось искательное устройство, которое представляло собой плоский электромагнит, состоящий из катушки с расположенными внутри неё двумя стальными сердечниками, и охватывающую электромагнит плоскую катушку. Катушка электромагнита, питаемая переменным током, называлась генераторной, а охватывающая - искательной. Оси искательной и генераторной катушек должны были быть взаимно перпендикулярны, ось генераторной катушки располагалась параллельно поверхности катания, по оси рельса. Переменный ток, протекающий через генераторную катушку, возбуждал переменное магнитное поле внутри катушки и в окружающем её пространстве, большая часть магнитных линий замыкалась через рельс, искательная катушка при этом пронизывалась потоком обоих полюсов электромагнита так, что суммарный ток через неё был близок к нулю. Возникшие вихревые токи создавали свое электромагнитное поле, направленное противоположно основному полю. Результирующее поле электромагнита и вихревых токов воздействовало на искательную катушку, причем вследствие их симметрии наводимая ЭДС была близка к нулю. Несплошность вызывала перераспределение магнитных силовых линий, что нарушало симметрию и в искательной катушке, появлялась ЭДС. Сигналы, возникающие в искательной катушке, усиливались по напряжению и преобразовывались в предупредительные сигналы.

Магнитный рельсовый дефектоскоп типа МРД-52, также являлся съемным двухниточным дефектоскопом, предназначенным для контроля рельсов, лежащих в пути. Над каждой рельсовой нитью между колесами тележки дефектоскопа помещался постоянный магнит. Этим магнитом рельс намагничивается в продольном направлении. Магнитное поле над поверхностью головки намагниченного рельса воспринималось искательным устройством. Напряжение, возникающее на его выходе, поступало на усилительное устройство дефектоскопа, которое помещались на средней части рамы тележки в аппаратном ящике, где так же находились источники питания анодных цепей и цепей накала. Наличие дефектов в рельсах отмечалось звуковым сигналом в телефонах и отклонением стрелки миллиамперметра. Работа дефектоскопа производилась при средней скорости пешехода – 3-4 км/ч.

В 1952 году впервые в мировой практике для массового контроля рельсов в зоне болтового стыка стали применять зеркально-теневые ультразвуковые дефектоскопы УРД-52, а в1956 году для контроля рельсов по всей длине - ультразвуковые рельсовые дефектоскопы, работающие также по зеркально-теневому методу УРД-56, УРД-58.

Однониточный дефектоскоп УРД-52 являлся контрольным устройством для проверки тех участков рельсовой колеи, где применение магнитных дефектоскопов не обеспечивало надежных результатов. С его помощью обнаруживались следующие виды дефектов в стыковой части рельсов в соответствии с классификацией дефектов рельсов: 52; 55; 53; 30Г, 30В, 20, 21. Действие дефектоскопа УРД-52 основывалось на периодической посылке кратковременных ультразвуковых колебаний в рельс с поверхности катания и приеме отраженных колебаний от подошвы рельса. Ультразвуковые колебания высокой частоты образовывались в результате пьезоэффекта пластинки, изготовленной из титаната бария. Возбуждение механических колебаний в пьезоэлементе происходило за счет импульсов тока, создаваемых с помощью триатрона и накопительного конденсатора. Импульсы тока повторялись около 100 раз в секунду и столь же раз возбуждались ультразвуковые колебания в пьезоэлементе. Продолжительность электрических колебаний контура составляла 5-7 мкс при частоте колебаний 2,7 МГц. Дойдя до подошвы, рельса ультразвуковые колебания отражались обратно в сторону поверхности катания. Часть возвратившихся к поверхности катания ультразвуковых колебаний попадала снова на пьезоэлемент, и на его обкладках под воздействием ультразвуковых колебаний появлялись электрические импульсы.

Ультразвуковой дефектоскоп УРД-58 служил для сплошной проверки обеих нитей пути, исключая зону сварных стыков. Он работал по зеркально-теневому методу. В соответствии с классификацией дефектов рельсов дефектоскоп УРД-58 выявлял следующие типы дефектов в рельсах, уложенных в путь: продольные вертикальные расслоения в шейке или головке рельса над шейкой, расположенные по продольной оси рельса и с отклонением от неё ±5 мм, протяженностью 10 мм и более (дефекты типов 30В.1-2 и 50.1-2), а также трещины от волосовин в подошве рельса (дефект типа 60.1-2) глубиной от 3 мм и протяженностью более 10 мм, расположенные под шейкой рельса; горизонтальные расслоение металла или трещины в любом месте шейки рельса, заходящие в неё не менее, чем на 7,5 мм (дефекты типов 52.1-2 и 55.1-2), протяженностью более 10 мм; внутренние горизонтальные расслоения в головке рельса, развивающиеся с боковой грани, расположенные над шейкой и заходящие в её продолжение в головке не менее чем на 7,5 мм (дефект типа 30Г.1-2); в зоне болтовых стыков выявлялись также трещины в головке в месте приварки рельсовых соединителей (дефект типа 38.1) и наклонные трещины от болтовых отверстий (дефект типа 53.1), длина проекции которых выходит за проекцию болтового отверстия более чем на 10 мм; поперечные трещины в виде темного и светлого пятен, расположенные в головке рельса над шейкой (развитые дефекты типов 20.1-2 и 21.1-2). Все отмеченные дефекты выявлялись и в стыковой части рельса. Частота ультразвуковых колебаний составляла 2,5 МГц, частота посылок импульсов ультразвуковых колебаний – 250-300 Гц.

Позднее были разработаны и внедрены однониточные рельсовые дефектоскопы УРД-63, УРДО-3, которые применялись в основном для вторичного контроля рельсов по показаниям вагонов-дефектоскопов и магнитных съемных дефектоскопов. Их также использовали самостоятельно для контроля рельсов в труднодоступных местах (мосты, тоннели, крановые пути и др.). Контроль можно было производить по ЗТМ или эхо-методу. Согласно классификации дефектов рельсов с помощью этих дефектоскопов можно было обнаруживать следующие виды дефектов: продольные вертикальные расслоения в шейке или головке над шейкой, расположенные по продольной оси рельса и смещенные от неё на ± 5 мм, протяженностью 10 мм и более (дефекты типов 30В.1-2 и 50.1- 2), а также трещины от волосовин в подошве рельса (дефект типа 60.1-2) глубиной от 3 мм и протяженностью более 10 мм, расположенные над шейкой; горизонтальные расслоения металла или трещины в любом месте шейки, заходящие в неё не менее чем на 7,5 мм (дефекты типов 52.1-2 и 55.1-2), протяженностью более 10 мм; внутренние горизонтальные расслоения в головке, развивающиеся с боковой грани, расположенные над шейкой и заходящие в её продолжение в головке не менее чем на 7,5 мм (дефект типа 30Г.1-2); перечисленные дефекты в зоне болтовых стыков выявлялись в том случае, если длина проекции дефекта выходила за проекцию болтовых отверстий более чем на 10 мм; в зоне болтовых стыков обнаруживались трещины в головке из-за приварки рельсовых соединителей (дефект типа 38.1) и наклонные трещины от болтовых отверстий (дефект типа 53.1), длина проекции которых выходили за проекцию болтового отверстия более чем на 10 мм; поперечные трещины в виде темного и светлого пятен, расположенные в головке, над шейкой и в боковой грани головки диаметром не менее 12 мм; (дефекты типа 26.3) в головке при контроле сварных стыков. Частота ультразвуковых колебаний в дефектоскопах УРД-63 и УРДО-3 составляла 2±0,3МГц, частота посылок импульсов ультразвуковых колебаний – 300-1000 Гц.

В шестидесятые годы двадцатого века, были созданы и нашли широкое применение ультразвуковые дефектоскопы типа УЗД-НИИМ-2(5), для контроля сварных стыков, УЗД-НИИМ-6М, первый ультразвуковой дефектоскоп многоцелевого назначения для сплошного контроля рельсов пути. Первой моделью ультразвукового дефектоскопа многоцелевого назначение был – УЗД-НИИМ-6М. Этим прибором можно было контролировать основной металл, зону болтовых стыков одновременно двух рельсовых нитей, сварные стыки. В дефектоскопе впервые был использован ЗТМ с применением второго донного сигнала, “ультразвуковой калибр” для контроля болтовых стыков рельсов, стрелочный индикатор для непосредственного отсчета координат дефектов, имитатор дефектов для безэталонной настройки чувствительности дефектоскопа.

В соответствии с классификацией дефектов рельсов дефектоскопом УЗД-НИИМ-6М выявлялись следующие типы дефектов в рельсах, уложенных в путь: продольные вертикальные расслоения в шейке рельса или в головке над шейкой, расположенные на продольной оси рельса и с отклонением от неё ± 5 мм, протяженностью 10 мм и более (дефекты типа 30В.1-2 глубиной более 5 мм и 50.1-2 ); трещины от волосовин в подошве рельса (дефекты 60.1-2) глубиной от 5 мм и протяженностью более 10 мм, расположенные по продольной оси шейки рельса; горизонтальные расслоения металла или трещины в любом месте шейки рельса, заходящие в неё не менее чем на 7,5 мм (дефекты типов 52.1-2 и 55.1-2) протяженностью более 10 мм; внутренние горизонтальные расслоения в головке рельса, развивающиеся с боковой грани, расположенные над шейкой и заходящие в её продолжение в головке не менее чем на 7,5 мм (дефект типа 30Г.1-2). Перечисленные дефекты в зоне болтовых стыков выявлялись в том случае, если длина проекции, дефекта выходила за проекцию болтовых отверстий более чем на 10 мм; в зоне болтовых стыков обнаруживались также трещины в головке в местах приварки рельсовых соединителей (дефект типа 38.1) и наклонные трещины от болтовых отверстий (дефект типа 53.1), длина проекций которых выходила за проекцию болтового отверстия более, чем на 10 мм.; поперечные трещины в виде темного и светлого пятен, расположенные в головке рельса над шейкой со стороны рабочей грани (дефекты типа 20.1-2 и 21.1-2), диаметром более 12 мм; в сварных стыках рельсов дефекты площадью 25 мм² и более (дефекты типов 26.3, 56.3 и 66.3). Дефектоскопы типа УРД-52, УРД-58, УРД-63, УРДО-3, ДУК-13ИМ, ДУК-66ПМ, УЗД-НИИМ-6М, МРД-52, МРД-66, РДП-56 и магнитный вагон-дефектоскоп составляли единый дефектоскопический комплекс первого поколения (ДК-I).

Обобщение опыта эксплуатации ультразвуковых приборов для контроля рельсов (УЗД-НИИМ-6М, ДУК-13ИМ и УРДО-3), а также результатов научных исследований позволило сформулировать требования к агрегатированному комплексу съемных рельсовых дефектоскопов и в 1979 году был начат выпуск комплекса из трех дефектоскопов.

Конструктивной основой комплекса являлся двухканальный дефектоскопический блок, выполняющий основные функции по генерированию и приему сигналов, их обработке и индикации. Дефектоскопы агрегатированного комплекса были разработаны на единой элементной базе, использовались типовые узлы. Комплекс включал в себя приборы для сплошной проверки рельсов в пути (Рельс-5), выборочного контроля отдельных сечений (Рельс-4) и сварных стыков (Рельс-6). Во всех приборах основным индикатором являлся звуковой (телефонные наушники). Кроме этого индикатора в дефектоскопах “Рельс-5” был предусмотрен стрелочный индикатор координат дефекта, а в дефектоскопе “Рельс-6” – осциллографический. Отличительной особенностью в приборах комплекса было то, что громкость звукового сигнала изменялась в зависимости от амплитуды эхо-сигналов. Это существенно упрощало определение координат и повышало помехозащищенность процесса контроля. Например, при возвратно-поступательном перемещении преобразователя по рельсу прослушивалось характерное нарастание и спад громкости звука. Единичные импульсы выделялись звуковым индикатором как помехи.

Дефектоскоп “Рельс-5” (УД-12УР) работал одновременно по эхо- и ЗТМ, был предназначен для выявления дефектов рельсов, обнаруживаемых прибором УЗД-НИИМ-6М. “Рельс-5” отличался от известных приборов по ряду технических и эксплуатационных характеристик.

Однониточный дефектоскоп “Рельс-4” был предназначен для выявления эхо-импульсным и зеркально-теневым методом ультразвукового контроля дефектов в основном металле и болтовых стыках рельсов, а так же для вторичного контроля участков рельсов по показаниям вагонов-дефектоскопов. Дефектоскоп обнаруживает те же дефекты, что и “Рельс-5”.

В настоящее время неразрушающий контроль рельсов в пути осуществляется дефектоскопическим комплексом второго поколения (ДК-II), базирующимся на съемных ультразвуковых дефектоскопах типа Поиск и магнитных или ультразвуковых вагонах-дефектоскопах.

Ультразвуковой дефектоскоп Поиск-2 (УД-12УРМ) является модернизированной моделью ультразвукового дефектоскопа “Рельс-5”, появился он в середине семидесятых годов двадцатого века и предназначается для ультразвукового контроля обеих нитей железнодорожного пути по всей длине с целью обнаружения дефектов типоразмеров: 20.1-2, 20.2, 21.1-2, 24.2, 25.2, 27.2, 30Г.1-2, 30В.1-2, 38.1, 50.1-2, 52.1-.2, 53.1-2, 55.1-2, 60.1-2, 70, 74, 79. Прозвучивание каждой нитки пути осуществляется двумя блоками, в состав каждого из которых входит по одному прямому и одному наклонному пьезоэлектрическому преобразователю (ПЭП). Таким образом, для контроля обеих ниток пути используются четыре блока, содержащие восемь ПЭП.

Для контроля рельсов в дефектоскопе реализованы два метода УЗД:

-контроль головки рельса производится эхо-методом с использованием наклонных ПЭП с углом ввода 57°, предусмотрена возможность разворачивать наклонного ПЭП в горизонтальной плоскости для выявления дефектов различной ориентации и устанавливать его в трех различных положениях: акустическая ось ПЭП вдоль рельса и с разворотом на 34° влево или вправо;

-контроль шейки рельса её продолжения в головку и в подошву осуществляется зеркально-теневым методом с использованием прямых ПЭП;

-для обнаружения дефектов, развивающихся от болтовых отверстий, используются два прямых ПЭП, расположенных на расстоянии, незначительно превышающем максимальный размер болтового отверстия, и срабатывание звукового индикатора возможно только при наличии в болтовом отверстии дефекта, проекция которого выходит на поверхность катания на 10 мм и более за проекцию болтового отверстия;

-для дефектоскопии сварного стыка и отдельных сечений рельса используется ручной ПЭП 50° или 60°, при этом координаты дефекта и его ориентация оцениваются по стрелочному индикатору. Звуковые сигналы каналов зеркально-теневого и эхо-метода разделены по тональности. Сигналы каналов ЗТМ – низкого тона, сигналы каналов эхо-метода – высокого тона. Контроль основного металла и болтовых стыков производится в процессе движения дефектоскопа со скоростью до 4 км/ч.

Дефектоскоп Поиск-10Э построен по такой же функциональной схеме, что и Поиск-2. Отличительной особенностью ультразвукового дефектоскопа Поиск-10Э является ЭЛТ. Кроме того, в Поиске-10Э предусмотрен калиброванный аттенюатор для наклонных ПЭП, в то время как у Поиска-2 предусмотрен калиброванный аттенюатор только для прямых ПЭП. Схема прозвучивания дефектоскопа Поиск-10Э такая же, что и у дефектоскопа Поиск-2.

В настоящее время происходит интенсивное внедрение дефектоскопического комплекса третьего поколения (ДК-III), основывающегося на ультразвуковых дефектоскопных автомотрисах с контактным способом ввода ультразвуковых колебаний, как первичного средства контроля, и ультразвуковых съемных дефектоскопах типа Поиск-10Э.

Вводимые в эксплуатацию новые средства дефектоскопии: микропроцессорные съемные ультразвуковые дефектоскопы типа РДМ-2 и Авикон-01 позволяют выявлять на 8 типоразмеров дефектов больше по сравнению с эксплуатируемыми дефектоскопами типа Поиск. РДМ-2, Авикон-01, автомотрисы и вагоны-дефектоскопы, на базе ультразвуковых и магнитных методах НК, составляют дефектоскопический комплекс четвертого поколения (ДК-IV).

Так же завершается внедрение микропроцессорных ультразвуковых дефектоскопов с непрерывной регистрацией результатов контроля и дефектоскопных совмещенных компьютеризированных автомотрис, с частичной заменой типовых пьезопреобразователей на электромагнитоакустические для бесконтактного ввода ультразвуковых колебаний, направленное на дальнейшее повышение надежности контроля рельсов (дефектоскопический комплекс пятого поколения (ДК-V).