Съемные дефектоскопы по принципу действия искательного устройства делят на электромагнитные и ультразвуковые.
Метод магнитного рассеяния, получивший на железнодорожном транспорте широкое распространение, основан на явлении перераспределения магнитных силовых линий, вызванных дефектом внутри рельса или на его поверхности. Если намагнитить проверяемый рельс, то при отсутствии дефекта через любое сечение рельса будет проходить одинаковое количество магнитных силовых линий. Наличие дефекта приводит к понижению магнитной проводимости, силовые линии отклоняются и образуют местное поле рассеивания.
На рис. 164 приведена схема намагничивания рельса электромагнитом, на сердечнике 1 которого находятся намагничивающие катушки 2, соединенные с источником тока. Замкнутые силовые линии магнитного поля пересекают поверхность рельса и проходят через него. В этом случае лучше всего обнаруживаются поперечные трещины, преграждающие путь линиям магнитного поля.
Рис. 164. Схема намагничивания рельса 250
Рис. 165. Схема дефектоскопа, работающего по принципу вихревых токов:
а —обычные пути вихревых токов; б —пути вихревых токов, искаженные трещиной в рельсе
Для обнаружения продольных трещин нужно намагничивать рельс в поперечном направлении.
В дефектоскопах может быть использован также другой вид намагничивания — циркулярный (бесполюсный), при котором силовые линии располагаются вокруг рельса.
Если поле постоянное, то силовые линии распределяются по всему сечению рельса, что позволяет выявить внутренние дефекты. При переменном поле намагничивается только поверхностный слой металла и выявляются дефекты, выходящие на поверхность рельса.
Широко используют метод вихревых токов, называемый также индукционным. Этот метод основан на законе электромагнитной индукции: переменное магнитное поле возбуждает в контролируемом изделии вихревые токи, обтекающие изделие по замкнутым кольцеобразным путям. Переменное магнитное поле создается при помощи приставной намагничивающей катушки, питающейся от источника переменного тока (обычно лампового генератора).
Схема простейшего рельсового дефектоскопа, работающего по принципу вихревых токов, создающих вторичное магнитное поле, приведена на рис. 165. Электромагнит состоит из намагничивающей катушки 1, надетой на сердечник 2. Под полюсами электромагнита расположены искательные катушки 5, подключенные к измерительному прибору 4. При передвижении электромагнита вдоль рельса вместе с ним перемещаются результирующее магнитное поле и вихревые токи. Встречая на своем пути трещину, вихревые токи огибают ее вследствие нарушения электрического контакта, и это отражается на показании измерительного прибора.
Для выявления дефектов в рельсах используют также ультразвук (частота колебаний более 16— 20 кгц). Скорость распространения ультразвука в стали равна 5 170 м/сек.
Рис. 166. Блок-схема дефектоскопа РДП-56
Рельсовый дефектоскоп РДП-56 работает по принципу возбуждения вихревых токов в рельсе, контролируемых по изменению величины электродвижущей силы в искательной катушке.
В дефектоскоп входят следующие основные узлы (рис. 166): искательное устройство 1 для каждой нити пути, в которое входят генераторная ГК и искательная ИК катушки;
генератор Г, служащий для преобразования постоянного тока батареи в переменное с частотой 550 Гц, собранный на одной радиолампе и питающий генераторные катушки обоих искателей;
усилитель У для каждой нити пути, предназначенный для усиления по напряжению сигналов, возникающих в искательной катушке;
сигнальное устройство для каждой нити пути, состоящее из телефона Т и миллиамперметра mA, предупреждающего дефектоскописта звуком и отклонением стрелки о наличии дефекта в рельсе;
блок питания П, состоящий из одного щелочного накального аккумулятора и одной сухой анодной батареи для снабжения энергией накальной и анодной цепей генератора и усилителя.
Все оборудование смонтировано в общем аппаратном ящике, установленном на четырехосной тележке, которая перемещается по рельсам вручную со скоростью 2— 3 км/ч. Общий вес дефектоскопа 50 кг, габаритные размеры 1 750 χ 840 χ 750 мм.
Дефектоскоп обнаруживает одновременно по обеим рельсовым нитям дефекты в виде изломов и трещин, выходящих на поверхность головки или шейки рельса за пределами стыковых накладок.
Ультразвуковой рельсовый дефектоскоп УРД-52 предназначен для обнаружения скрытых дефектов в зоне рельсового стыка по всей высоте рельса в пределах полосы шириной 18 мм. Дефектоскоп смонтирован на легкой четырехколесной тележке.
Действие дефектоскопа типа УРД-52 основано на периодической посылке кратковременных ультразвуковых колебаний в рельс с поверхности катания и приема отраженных от подошвы рельса колебаний.
Ультразвуковые колебания высокой частоты образуются пьезоэлементом, изготовленным из титаната бария. Механические колебания в пьезоэлементе возбуждаются за счет импульсов тока, создаваемых при помощи тиратрона и накопительного конденсатора. Тиратрон отличается от вакуумной электронной радиолампы тем, что баллон его наполнен смесью инертных газов, ионы которых являются носителями электрических зарядов, поэтому внутреннее сопротивление тиратрона значительно меньше, чем у вакуумных ламп.
Схема дефектоскопа включает следующие пять блоков (рис. 167): генератор, создающий высокочастотные электрические импульсы для возбуждения в пьезоэлементе ультразвуковых колебаний и одновременно напряжения развертки для получения осциллограммы на экране индикатора;
излучатель-приемник ультразвуковых колебаний, представляющий собой пьезоэлемент, смонтированный в корпус (щуп);
приемник, усиливающий и детектирующий сигналы, возникающие на обкладках пьезоэлемента, для улучшения видимости импульсов на экране индикатора;
Рис. 167. Блок-схема дефектоскопа УРД-52
электронно-лучевой индикатор (на схеме показаны начальный а и донный б импульсы и линия развертки в);
блок питания (аккумуляторная батарея, силовой трансформатор и вибропрерыватель).
При работе дефектоскопа ультразвуковые импульсы колебаний от пьезоэлемента распространяются внутри рельса через шейку и подошву, отражаются от границы подошвы рельса и воздуха и воспринимаются на поверхности катания головки тем же пьезоэлементом, в котором ультразвуковые колебаний вновь превращаются в электрические.
Электрические колебания от приемника передаются в электронно-лучевой индикатор, где они видны на экране в виде пик. Расстояние между начальным и отраженным импульсами на экране соответствует в определенном масштабе высоте проверяемого рельса, учитывая, что ультразвук проходит по рельсу два раза (до подошвы и обратно).
При наличии в рельсе трещины отраженные колебания отклоняются и не попадают на пьезоэлемент, поэтому на экране пик пропадает. Таким образом, исчезновение отраженного импульса или появление другого сигнала, расположенного левее донного отражения, свидетельствует о наличии дефекта в рельсе.
Ультразвуковой рельсовый дефектоскоп УРД-58 работает по тому же принципу, что и УРД-52 и предназначен для проверки рельсов не только в стыке, но и по всему их протяжению. Число импульсов составляет 200 в минуту, что обеспечивает контроль рельсов с максимальной скоростью 2—3 км/ч.
Непрерывное прозвучивание рельса осуществляется пьезоэлементом, имеющим диаметр 12 мм. Изменение величины ультразвуковой энергии, отраженной от подошвы рельса, отмечается звуковым сигналом и отклонением стрелки миллиамперметра. Дефектоскоп получает питание от аккумуляторной батареи напряжением 6 в.
Все приборы смонтированы на четырехосной тележке. Между колесами над рельсами расположены искатели, состоящие из центрирующих устройств, лыж с защитной подкладкой из плексигласа и пьезоэлементов.
Передача ультразвуковых колебаний в плексигласовую подкладку происходит через слой автола или другого минерального масла. Подкладка имеет толщину 4 мм и рассчитана на проверку до 100 км пути. После износа до 2,5 мм подкладку заменяют новой.
Рис. 168. Блок-схема однониточного дефектоскопа УРД-63:
1 — блокинг-генератор; 2 — блок задержки;
3 —усилитель-детектор; 4 — блок совпадений; 5 — индикатор; 6— блок питания;
7 —наушники; 8—плоский искатель; 9 — призматический искатель
Для лучшего акустического контакта при работе дефектоскопа рельсы смазываются водой, поступающей из бачка к патрубкам, расположенным впереди каждой лыжи. В зимнее время для этой цели применяют 30%-ный раствор технического спирта. Расход смачивающей жидкости составляет около 1,5 л на 1 км пути.
Ультразвуковой однониточный дефектоскоп УРД-63 основан на использовании импульсного эхо-метода обнаружения поперечных трещин в боковой грани головки рельсов при помощи призматического искателя, излучающего продольные ультразвуковые колебания с частотой 1,8 мгц.
В УРД-63, кроме призматического, установлен плоский искатель, предназначенный для сквозного прозвучивания рельса по всей его высоте и работающий по теневому методу. При помощи плоского искателя, который создает ультразвуковые колебания с частотой 2,5 мгц, обнаруживаются только те дефекты, которые расположены в прямоугольнике, ограниченном толщиной шейки и высотой рельса.
Нужный искатель включает механик в зависимости от характера выявляемых дефектов.
Блок-схема дефектоскопа приведена на рис. 168. Блокинг- генератор вырабатывает импульсы частотой 400 Гц, которые подаются на керамические пьезоэлементы искателей и возбуждают в них колебания. Весь дефектоскоп собран на транзисторах. Питание он получает от батареи аккумуляторов, состоящей из семи элементов. Общее потребление тока 10—13 ма при напряжении 8 в. Запас энергии в аккумуляторах на 8—10 ч работы дефектоскопа.
Дефектоскоп смонтирован в виде полой трости, внутри которой расположены все блоки и источник питания. Рукоятки регулировки находятся на панели в верхней части дефектоскопа. В нижней части трости имеются центрирующее устройство и искательная лыжа, в которой вмонтированы два призматических и один плоский искатель. В ручке находятся гнезда для подключения батареи, телефонов и штуцер, идущий к водяному баку и подающий воду для смачивания рельсов во время работы. Бак емкостью 6 л помещается за спиной механика. Малые габариты и небольшой вес (2,25 кг без бака) позволяют использовать однониточный дефектоскоп на грузонапряженных участках, где работа со съемными дефектоскопными тележками затруднена; в горных районах, тоннелях и на рельсосварочных предприятиях.
Магнитные дефектоскопы МРД работают по принципу выявления поля рассеяния при помощи искателя, который реагирует на разность постоянных магнитных полей, действующих в соседних точках над головкой намагниченного рельса.
Дефектоскопы типа МРД-52, МРД-62 и МРД-66 состоят из лампового генератора с усилителями мощности, двух искательных устройств, установленных на металлических лыжах и двух резонансных усилителей для проверки двух рельсовых нитей одновременно.
В анодную цепь лампы усилителя включены миллиамперметры, обмотка поляризационного реле, через контакты которого включен телефон. Усилительные и генераторные лампы получают питание от аккумуляторных батарей напряжением 2,5 в.
Вся аппаратура смонтирована на четырехколесной тележке (рис. 169). Между колесами тележки над каждой рельсовой нитью помещается постоянный магнит, который намагничивает рельс в продольном направлении. Создаваемое над поверхностью головки рельса магнитное поле воспринимается искательным устройством. Напряжение, возникающее на выходе искательного устройства, поступает в усилительное устройство дефектоскопа. При наличии дефекта в рельсе стрелка миллиамперметра отклоняется, а в наушниках возникает звуковой сигнал. Дефектоскоп перемещают по пути вручную со скоростью 3—4 км/ч} им выявляют поперечные трещины в головке рельса, находящиеся на глубине до 4 м.
Дефектоскопы для контроля сварных стыков и рельсов, снятых с пути.
Специализированные ультразвуковые дефектоскопы типа УЗД-НИИМ-5 УЗД-НИИМ-5А, УЗД-НИИМ-6М, УЗД-59, УЗД-60 служат для выявления внутренних дефектов в сварных соединениях рельсов.
Рис. 169. Магнитный дефектоскоп МРД-52: 1 — рама; 2 — искатели; 3 — корпус
Сварные стыки рельсов проверяют прозвучиванием металла шва, улавливанием отражений импульсов ультразвуковых колебаний и определением координат отражающей поверхности. При этом применяют наклонные щупы, чтобы обеспечить направление ввода колебаний на плоскость сварного шва, близкое к перпендикулярному.
Ультразвуковой дефектоскоп УЗД-НИИМ-5 состоит из дефектоскопа и выпрямителя, скомплектованных в один или два блока. Для определения координат расположения дефектов имеется электронный глубиномер. Наличие дефекта определяют по загоранию лампочки, расположенной на щупе, по появлению звукового сигнала в телефонных наушниках и импульса на экране электроннолучевой трубки.
В комплект прибора входят щупы трех видов:
прямой, который служит для прозвучивания рельса продольными волнами; призматический с углом падения волны 30, 40 и 50° для прозвучивания рельса поперечными волнами и призматический с углом падения волны 61° для прозвучивания поверхностной волной.
Питается дефектоскоп от сети переменного тока напряжением 36, 127 и 220 в или от аккумуляторной батареи напряжением 12 в.
Дефектоскопы УЗД-59 и УЗД-60 несколько отличаются габаритными размерами и весом (соответственно 10 и 9 кг) и представляют собой одноблочные приборы, работающие только от сети переменного тока. Эти дефектоскопы снабжены прямым щупом и призматическими щупами с углами призмы 30, 40, 50 и 61°.
Для проверки рельсов, снятых с пути, применяют ультразвуковой дефектоскоп УДМ-1М, имеющий комплект плоских и призматических излучателей и позволяющий выявлять дефекты контактноусталостного происхождения в начальной стадии их зарождения.