Применение поверхностных волн для контроля железнодорожных рельсов
Аннотация
В статье приведены результаты эксперимента по выявлению несплошностей в рельсе Р65, причём дефекты расположены на поверхности, противоположной поверхности, на которой установлен преобразователь. Показано, что дефекты уверенно обнаруживаются на фоне структурного шума.
Ключевые слова: неразрушающий контроль, ультразвуковые методы, поверхностные волны, экспресс-контроль.
Ультразвуковой неразрушающий контроль поверхностными волнами не получил широкого применения в связи с физическими ограничениями (малая глубина прозвучивания, требование к качеству поверхности). К тому же там, где можно использовать рэлеевские волны, этот метод зачастую заменяют более дешёвыми магнитными методами.
В настоящее время поверхностные волны используют для ограниченного числа изделий, таких как, например, детали после окончательной обработки, калиброванные продукты и др., так как затухание поверхностных волн кроме ослабления в материале объекта обуславливается ещё и микронеровностями поверхности, следами грязи, смазки и т.п. [1]
Трещины, чтобы быть обнаруженными поверхностными волнами, должны быть незаполненными, то есть если трещина имеет выход наружу, то в результате заполнения смазкой или водой она может быть и не обнаружена.
Но в тоже время можно обнаруживать подповерхностные трещины, не выходящие наружу, в отличие, например, от капиллярного метода [2].
В условиях производства имеет большое значение производительность контроля. Ультразвуковая дефектоскопия с помощью объёмных волн, а также вихретоковый контроль требуют сканирования всей поверхности. Эта операция требует больших затрат времени. Волнами Рэлея можно охватить большую площадь контролируемого объекта не перемещая преобразователь. Ввиду малого затухания поверхностных волн они распространяются на большое расстояние, это позволяет проводить дискретное сканирование протяжённых объектов с большим шагом, что минимизирует временные затраты. Использование поверхностных волн для контроля объектов сложной формы позволит получить ощутимый экономический эффект, особенно это актуально для объектов, находящихся в эксплуатации.
Контроль в процессе эксплуатации требует портативности, долгого времени работы от аккумуляторов без подзарядки, малого веса и некоторых других специфичных для конкретных областей применения свойств приборов.
С этой точки зрения применение магнитных методов ограничено из-за их громоздкости и энергоёмкости, а применение ультразвукового контроля поверхностными волнами, напротив, предоставляет огромные возможности – при гораздо меньших энергозатратах и сравнительно малых габаритах он позволяет вести всестороннее исследование образца с высокой скоростью.
Техническая реализация ультразвуковых методов сравнительно проста, если рассматривать аналогичные портативные приборы для магнитного и вихретокового контроля.
С целью показать перспективность контроля поверхностными волнами был проведён эксперимент по выявлению различных несплошностей в объекте контроля. В качестве объекта контроля был выбран рельс Р65, в сечении которого есть много непараллельных плоскостей, которые трудно контролировать объёмными волнами, радиусов кривизны, куда установка преобразователя является проблемой.
Для проверки работоспособности метода в данном случае мы будем контролировать перо рельса и шейку при помещении преобразователя на шейку рельса.
Для возбуждения поверхностной волны требуется безграничное полупространство, которое на практике не встречается. При этом рэлеевская волна локализована в тонком поверхностном слое толщиной 
. При ограниченной толщине в объекте контроля будет возбуждаться квазирэлеевская волна, распределение смещений в которой аналогично рэлеевской, с той разницей, что волна будет переходить с одной грани объекта на другую [3]. Переход осуществляется при разности фаз составляющих волн, кратной 
. Глубина существования волны Рэлея зависит от её фазовой скорости и частоты, следовательно, её можно использовать для контроля объектов различной толщины. Поэтому выберем частоту преобразователя исходя из того, что контролировать будем изделие толщиной до 20 мм, при этом глубина проникновения рэлеевской волны должна быть не менее 10 мм, чтобы максимально снизить вероятность пропусков. Таким образом, длина рэлеевской волны в материале объекта контроля должна быть 
мм, для выполнения условий существования и минимизации вероятности пропуска дефектов. Тогда выберем серийно выпускаемый преобразователь с рабочей частотой 400 кГц – П121-0,4-90-ПР. Длина волны составит 7,5 мм.
В ходе эксперимента по выявлению несплошностей использовался дефектоском УД2-102 ПЕЛЕНГ с каналом 400 кГц, преобразователь П121-0,4-90-ПР, кусок рельса Р65 длиной 1,1 м, в шейке которого сделаны 2 отверстия диаметром 6 мм и 3 пропила в подошве, которые показаны на рис.1.
Результаты показаны на рисунках ниже.
Дефекты в подошве:
Рис.1 Искусственные дефекты в подошве
Рис.2 Установка преобразователя на рельс под углом
Сигнал, соответствующий этому положению преобразователя:
Рис.3 Сигнал при установке под углом
Рис.4 Установка преобразователя на рельс прямо
Соответствующая развёртка, с выделенными сигналами показана ниже:
Рис.5 Сигнал при установке прямо
По результатам эксперимента можно сделать выводы:
- Дефекты типа сверления и пропила в рельсе могут быть обнаружены эхо-методом поверхностными волнами при помещении преобразователя на шейку, даже если они находятся в перьях.
- Влияние смазки и мелких поверхностных дефектов при дефектоскопии поверхностными волнами на сравнительно низких частотах невелико, и не мешает различению полезного сигнала на фоне помех.
- Дефектоскопия поверхностными волнами в ряде случаев может быть эффективным методом экспресс-контроля протяжённых объектов, которые имеют форму, не подходящую для контроля нормальными волнами (непараллельные грани, радиусы кривизны, клиновидные сечения).
Литература
- 1.Ультразвуковой контроль материалов: Справ. изд. Й. Крауткремер, Г. Крауткремер; пер. с нем. – М.: Металлургия, 1991, 752 с. 2.Неразрушающий контроль: Справочник: В 7 т. Под общ. ред. В.В. Клюева. Т. 3: Ультразвуковой контроль / И.Н. Ермолов, Ю.В. Ланге. – М.: Машиностроение, 2004. – 864 с.: ил.
3.Викторов И.А. Звуковые поверхностные волны в твёрдых телах. М.: Наука, 1981.