Admin

Об эффективности контроля шейки рельса мобильными средствами

МОСЯГИН В.В., канд. техн, наук, начальник отдела методов и средств неразрушающего контроля АО «Радиоавионика», ШИЛОВ М.Н., канд. техн, наук, директор научно-технического комплекса средств неразрушающего контроля АО «Радиоавионика», МАХОВИКОВ С.П., директор научно-технического центра мобильных средств НК АО «Радиоавионика», РЫБАКОВ В.Н., ОАО «Российские железные дороги», Южно-Уральская железная дорога, начальник вагона по диагностике объектов инфраструктуры

Аннотация. Ежегодно свыше 30 % изломов рельсов происходят по дефектам шейки рельса, не выявляемым средствами сплошного контроля. В статье рассмотрено несколько технических решений по обнаружению таких дефектов ультразвуковыми методами, которые используют современные мобильные средства диагностики. Показан также подход к перспективным средствам на базе искательных систем скольжения и качения.
Ключевые слова: дефектоскопия рельсов, неразрушающий контроль, дефект, ультразвуковой контроль, мобильные средства диагностики.
Растущие скорость и интенсивность движения поездов на российских железных дорогах влекут за собой необходимость повышения скорости ультразвуковой диагностики рельсов на наличие внутренних трещин.
Эффективность системы контроля рельсов подтверждается ежегодным своевременным обнаружением и заменой около 36—40 тыс. дефектных рельсов [1|. Больше всего дефектов приходится на наиболее нагруженную часть — головку рельса (64 %). В шейке выявляется 31 % дефектов, в подошве — 5 %.
У внезапных изломов рельсов обратная статистика: 40 % происходит вследствие дефектов в подошве (значительная часть из них — в неконтролируемой зоне — перьях подошвы), 37 % — вследствие дефектов в шейке, 23 % — дефектов в головке.


Очень опасны трещины в шейке (рис. 1), поскольку они могут привести к выколу куска рельса и сходу поезда.
За последние годы наша компания по своей инициативе и по предложениям с железных дорог внедрила несколько усовершенствований в выпускаемые мобильные средства контроля с аппаратурой АВИ КОН-ОЗМ для повышения эффективности обнаружения дефектов в шейке рельса.
Контроль переотражением ультразвука от подошвы рельса. Выявлению дефектов в зоне болтовых стыков часто препятствует «подлет» искательной системы мобильного средства контроля после удара о незначительную «ступеньку» в стыковом зазоре. В статье [2] рассмотрен один из возможных вариантов контроля зоны между первыми болтовыми отверстиями в болтовом стыке, позволивший по данным эксплуатации снизить количество непроконтро-лированных участков.
Использование наклонных каналов с углом ввода 22°. В 2016— 2017 гг. на Забайкальской и других дорогах региона возникла серьезная проблема, связанная с увеличением количества изломов рельсов по трещинам в шейке в зоне сварных стыков (дефект 56.3). При этом трещины развивались (см. рис. 1, а) под пологим углом к горизонту (15— 25°) и не все из них могли быть обнаружены штатными средствами контроля.
При сплошном контроле шейки рельса используются, как правило, три пьезоэлектрических преобразователя (ПЭП): прямой с углом ввода а = 0° и два наклонных с углами ввода а = 42° (или 40—45°), ориентированных в противоположные стороны. При ширине диаграммы направленности ±(7—9)° целевой сектор в диапазоне углов 15—25° к горизонту, в котором и развиваются указанные выше дефекты, оказывается непрозвученным под оптимальными углами.
Мы предложили усилить базовую схему прозвучи-вания вагонов-дефектоскопов дополнительными ПЭП с малым углом ввода а. С учетом законов трансформации волн значение было выбрано до первого критического (а = 22°). При этом в рельсе с наибольшей интенсивностью распространяется продольная волна, которая лучше реагирует на оптимально расположенную плоскость трещины [3].
Данный вариант эхо-метода (с применением наклонного ввода) показал свою эффективность на моделях дефектов, имитирующих трещины разной степени развития и ориентации в шейке рельса на испытательном участке Октябрьской дирекции инфраструктуры (вагон-дефектоскоп СВД-494).


При поддержке Дирекции диагностики и мониторинга инфраструктуры ОАО «РЖД» в схему прозвучивания пяти поставленных мобильных диагностических комплексов МДК-496-500 ПЭП введены дополнительные ПЭП с углом ввода 22° (рис. 2).
Первые проезды нового вагона-дефектоскопа с улучшенной схемой по Забайкальской дороге подтвердили эффективность применения новых каналов — обнаружено несколько опасных трещин в шейке рельса, не доступных ранее.
По данным специалистов эксплуатируемого на Южно-Уральской дороге МДК-496 (вагон-дефектоскоп № 148), при помощи преобразователей с углом ввода 22° нередко обнаруживаются опасные трещины в шейке рельса (рис. 3).
Результаты свидетельствуют о том, что опасные трещины в шейке рельса в сварном стыке обнаруживаются именно по одному из каналов 22°, хотя иногда признаки дефекта наблюдаются также в каналах 42 и 0°.
Как показал опыт эксплуатации МДК № 148 (496), каналами 22° успешно обнаруживаются и трещины от болтовых отверстий с дефектом 53.1 (рис. 4). Сигналы от трещины можно наблюдать также по каналу с углом 42° однократно отраженным от подошвы ультразвуковым лучом («42х»), что дополнительно повышает достоверность контроля.
«Пассивное» дублирование каналов с углом ввода 42°. Специалисты других железных дорог, эксплуатирующие МДК-497-500 и не имеющие острой проблемы с дефектом 56.3, развивающимся под пологим углом к горизонту, предложили ввести взамен ПЭП 22° дублирующие ПЭП 42° (рис. 5).
Если при этом основной канал оказывается временно неработоспособным, например из-за скола защитного протектора в первом по ходу блоке преобразователей (1, см. рис. 5), то сигналы зарегистрирует дублирующий преобразователь, расположенный в следующем блоке (2, см. рис. 5).
Положительные отзывы об эксплуатации такой схемы поступили от Санкт-Петербургского РЦДМ. За счет использования дублирующих каналов удается значительно сократить количество непроконтролиро-ванных участков.
Использование удвоения каналов. В связи с ростом требований к скорости сканирования необходимо повысить частоту отправки ультразвуковых колебаний в рельс, максимальное значение которой ограничено, так как излученные колебания должны распространиться под углом до подошвы рельса и затем вернуться обратно.
Для реализации требования скорости сканирования до 120 км/ч на диагностических комплексах инфраструктуры (ДКИ-501-515) применяется специальное удвоение каналов контроля шейки рельса (рис. 6).

Скользящие друг за другом ПЭП 1 и ПЭП 2 формируют пачки сигналов, которые с помощью программной обработки складываются в одну результирующую, существенно (в два раза) увеличивая количество принимаемых от отражателей (дефектов) импульсов. Специальные программно-аппаратные технические решения [4] исключают взаимные акустические влияния ПЭП 1 и ПЭП 2 в зоне конструктивных элементов рельсов.
Совместное применение колесной искательной системы и системы скольжения. Одной из перспектив развития ультразвуковой диагностики рельсов на ОАО «РЖД» является использование колесных искательных систем [5]. В отличие от систем скольжения колесный преобразователь плавно прокатывается по неровностям поверхности катания рельса, в том числе по стыковым зазорам при наличии «ступенек», обеспечивая более качественный акустический контакт.


В настоящее время по заказу ОАО «РЖД» завершается монтаж оборудования на современном вагоне-дефектоскопе СВД-К, на одной ходовой тележке которого размещена традиционная искательная система скольжения, а на другой — колесная искательная система. Обе системы съема информации управляются дефектоскопическим комплексом АВИ КОН-ОЗМ, содержащим 56 ультразвуковых каналов.
Первые опытные проезды показали высокую эффективность: при расшифровке сигналов контроля оператор может мгновенно переключаться между дефектограммами колесной и скользящей систем, а также настроить отображение дорожек регистрации по своему усмотрению, используя каналы из обеих систем.
Например, можно отобразить каналы базовой схемы прозвучивания от системы скольжения (70° по оси, 58, 42 и 0°), дополнив их дорожками каналов от ультразвуковых колес (70° со смещением от продольной оси рельса, 42 и 0°), как представлено на рис. 7. За счет применения двух разных систем ввода ультразвуковых колебаний ожидается повышение вероятности обнаружения дефектов в шейке и других частях сечения рельса, включая зоны первых болтовых отверстий в болтовых стыках.
Другие решения. В последние годы экипажи вагонов-дефектоскопов (СВД, МДК, ДКИ) активно предлагают усовершенствования штатных схем прозвучивания с учетом специфики образования дефектов в пределах своего полигона. Так, на Северо-Кавказской дороге схема прозвучивания поступившего в эксплуатацию вагона-дефектоскопа МДК-500 была сразу изменена, что повысило эффективность обнаружения дефектов и снизило количество ложных пачек сигналов на дефектограмме. Изменения заключались в перестановке преобразователей в пределах блоков и развороте в сторону «от центра лыжи».
Заключение. Современные требования к безопасности перевозок, условия эксплуатации мобильных средств диагностики и специфика работы в разных регионах диктуют необходимость постоянного совершенствования схем прозвучива-ния, ультразвуковой аппаратуры, систем съема и обработки информации, а также повышения компетенций экипажей средств контроля.
Успешной работе способствуют политика руководства ОАО «РЖД», сотрудничество производителей средств контроля, научных институтов и, безусловно, специалистов по диагностике ОАО «РЖД».

Список источников

1. Рословец А.А. Диагностика и мониторинг пути: современное состояние и перспективы // Путь и путевое хозяйство. 2017. № 11. С. 2—7.
2. Повышение качества ультразвукового контроля бол
товых стыков мобильными средствами / В.В. Мосягин, С.А. Похоруков, С.П. Маховиков, С.А. Пономарев // Путь и путевое хозяйство. 2023. № 2. С. 28—30. - EDN NGMOLL.
3. Применение продольных волн при наклонном вводе ультразвуковых колебаний для повышения эффективности дефектоскопии рельсов / А.А. Марков, В.В. Мосягин, С.Л. Молотков, Г.А. Иванов // Контроль. Диагностика. 2021. Т. 24. № 8 (278). С. 4-13. DO1 10.14489/td,2021.08. pp.004-013. - EDN KIWZRY.
4. Пат. № 2715885 РФ G01N 29/04. Способ высокоскоростного ультразвукового контроля рельсов/ В.В. Мосягин, С.А. Васильев, С.П. Маховиков; патентообладатель ОАО Радиоавионика; № 2019125071: заявл. 06.08.2019: опубл. 04.03.2020. - EDN GMWGOP.
5. Мосягин В.В., Марков А.А. Повышение выявляемое™ дефектов в рельсах со значительным износом // Путь и путевое хозяйство. 2014. № 4. С. 15-17. — EDN SCOTXD

IMPROVING THE EFFICIENCY OF ULTRASONIC INSPECTION OF RAIL BY MOBILE MEANS

Mosyagin Vladimir — Ph.D., Head of the Department techniques and devices of railway NDT, Radioavionica Corporation. Saint-Petersburg, Russia, mosyagin@radioavionica.ru
Shilov Maxim — Ph.D., Director of the scientific and technical complex of non-destructive testing means, Radioavionica Corporation. Saint-Petersburg, Russia.
Makhovikov Sergey — Director of the Scientific and Technical Center for Mobile Non-Destructive Testing Radioavionica Corporation. Saint-Petersburg, Russia.
Rybakov Valery — Head of the carriage for diagnostics of infrastructure facilities JSC «Russian Railways», v.rybakov@list.ru
Abstract. Annually more than 30 % of real fractures occur due to rail web defects that are not detected by the continuous ultrasonic testing in operation. The authors have considered several technical solutions to the detection of defects in the web of rails by ultrasonic inspection techniques. These solutions are implemented in modern diagnostic railcars. An approach to promising diagnostic railcar based on sliding and rolling search systems is also shown.
Keywords: rail flaw detection, non-destructive testing, defect, ultrasonic testing, mobile diagnostic tools.

__________________
Телеграм-канал ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНИК