Проблемы обеспечения акустического контакта в зоне болтовых стыков.
Марков А.А., директор НТК СНК, Гараева В.С., старший инженер
Статья опубликована в журнале «Путь и путевое хозяйство», №12, 2008 г ., стр. 15-17.
Развернутая длина главных путей России превышает 125 тысяч километров, из них протяженность стыкового пути – около 60 % главных путей. Не смотря на то, что происходит постепенный переход на бесстыковой путь (ежегодно порядка 3000 км), протяженность стыкового пути остается значительной. Высокие динамические воздействия колес подвижного состава вследствие отступления от норм содержания как пути (большие зазоры и просадки стыка), так и ходовых частей грузовых вагонов, являются причиной возникновения в болтовых стыках различных дефектов. Наиболее распространенные дефекты в зоне болтового стыка приведены в таблице 1.
Помимо дефектов в зоне болтовых стыков имеют место и конструктивные изменения стыковых скреплений:
- разбитые болтовые отверстия;
- срез стыкового болта на конце рельса;
- сильная затяжка болтовых стыков в процессе эксплуатации приводит к усталостному вертикальному разрыву не только шейки, но и накладок.
На сегодняшний день для ультразвукового контроля рельсов на железных дорогах широко используются дефектоскопы класса АВИКОН (-01, -01МР, -11), РДМ (-2, -22) и АДС-02.
Таблица 1.
Дефекты в зоне болтового стыка
|
Вид дефекта |
Код дефекта по НТД/ЦП-1,2,3-93 |
Фото дефекта |
Примечания |
|
Смятие головки на концах рельсов |
17.1 |
--- |
--- |
|
Поперечные трещины в головке в виде светлых и темных пятен и изломы из-за них |
21.1, 27.1 |
|
Процесс развития трещины в стыках происходит значительно быстрее. |
|
Продольные трещины в головке рельса |
30В.1, 30Г.1 |
|
--- |
|
Продольные трещины и выколы из-за них в местах перехода головки в шейку с торца рельса |
52.1 |
|
--- |
|
Трещины в шейке от болтовых отверстий |
53.1 |
|
Эти дефекты считаются одними из наиболее опасных, что вызвано, во-первых, сложностью их обнаружения в большинстве случаев из-за малости размеров трещин (менее 10 мм ), а, во-вторых, при изломе рельса образуется до 10 кусков на 1 м. |
|
Трещины в шейке рельса |
50.1, 55 |
--- |
--- |
Качество сплошного ультразвукового контроля рельсов зависит, в первую очередь, от наличия стабильного акустического контакта, а также от конструкции акустической системы (искателя), его параметров настройки, состояния поверхности катания рельса, температуры окружающей среды, скорости контроля и т.д. В свою очередь, основным параметром, по которому сегодня можно судить о качестве акустического контакта, а, следовательно, и эффективности проведенного ультразвукового контроля рельсов, является наличие донного сигнала от подошвы рельса в канале прямого ПЭП.
Согласно телеграмме С-272 ЦП МПС в случае отсутствия акустического контакта оператор должен:
- произвести визуальный осмотр боковых граней головки рельса с предварительной их зачисткой;
- измерить условную протяженность потери донного сигнала с обязательным использованием ручных искателей;
- при отсутствии поперечной трещины и условной протяженности горизонтального подповерхностного расслоения более 70 мм дефекту присваивать код 30Г.1-2.
Если невозможно соблюдение одного из требований, участок будет отнесен к контроленепригодным.
Однако вторичный контроль в зоне болтового стыка затруднен из-за его конструктивных особенностей. Основными элементами болтовых стыков являются накладки и стыковые болты с гайками и упругими шайбами. В связи с чем даже в бездефектном болтовом стыке происходит многократное срабатывание звукового индикатора дефектоскопа при прохождении над болтовыми отверстиями и стыковым зазором. Оператор в этот момент должен быть особенно внимателен, суметь правильно определить причину возникновения сигнала. Чтобы провести полноценный визуальный осмотр в зоне болтового стыка, необходимо снять накладки, что зачастую вызывает технологические сложности и требует затрат времени.
Следует также отметить, что на данный момент отсутствует единый для всех дорог документ, четко и обоснованно определяющий критерий оценки качества акустического контакта, контроленепригодных участков и непроконтролированных болтовых отверстий. А действующие телеграммы и временные указания часто содержат противоречащую друг другу информацию.
Существующие схемы прозвучивания позволяют выявлять на железных дорогах России до 55-57 тысяч опасных дефектов в рельсах в год. Однако случаются и изломы, в основном в зоне болтового стыка. Основная причина – нестабильный акустический контакт, который может быть вызван:
- наличием поверхностных или внутренних дефектов;
- конструктивными отражателями;
- смещением относительно центра рельса искательной системы;
- отсутствием контактной жидкости;
- грязью, наледью на поверхности катания.
А при сплошном контроле зоны болтовых стыков сюда следует добавить также и конструктивные неисправности пути (таблица 2).
Таблица 2.
Конструктивные неисправности пути в зоне болтового стыка, влияющие на качество акустического контакта
|
Вид конструктивной неисправности пути |
Фрагмент дефектограммы |
Фото дефекта |
Примечание |
|
Ступеньки |
|
|
--- |
|
Стыковые зазоры |
|
|
Обладая большой инерционностью, искательная система при перемещении с одного конца рельса на другой оставляет непроконтролированным существенный участок, размеры которого зависят от скорости контроля. |
|
Смятие головки рельсов у торцов |
|
|
Измененный профиль рельса не позволяет произвести озвучивание поверхности катания в зоне торца рельса в полном объеме. |
|
Выкрашивание металла на конце рельса |
Неровная поверхность контролируемого изделия не обеспечивает ввод ультразвука по всей поверхности катания в зоне торца рельса. | ||
С целью оценки качества акустического контакта и выявления количества не проконтролированных болтовых стыков были проанализированы дефектограммы съемных и мобильных средств рельсовой дефектоскопии.
Примем за качественно прописанный болтовой стык такую запись на В-развертке (рис. 5), когда имеются пачки сигналов от всех отверстий в наклонных каналах (наезжающем и отъезжающем) контроля шейки (450), стабильный акустический контакт, пропадание донного сигнала над болтовыми отверстиями одинаковой величины, а пропадание донного сигнала на стыковом зазоре менее 40 мм. Данное значение пропадания донного сигнала было выбрано с учетом ЦП 774 п. 3.1.10, согласно которого при величине стыкового зазора более 35 мм движение закрывается. В качестве примера (рис. 5) взят фрагмент дефектограммы из проезда совмещенного вагона-дефектоскопа с дефектоскопическим комплексом «Авикон-03М». Аналогичного качества должны быть все записи болтовых стыков.
При подсчетах учитывались стыки на дефектограммах только с хорошим качеством записи (четкие, ровные пачки сигналов) и в зоне болтового стыка, и на остальных участках, где наблюдалось:
- пропадание донного сигнала более 40 мм (рис.6);
Проведенный нами анализ дефектограмм различных дефектоскопных тележек (малые скорости контроля), в ходе которого было проанализировано 16457 стыков, показал, что контроль 10-20% болтовых стыков с качественной на первый взгляд записью не был полноценным. Подсчет производился из расчета по 20 файлов с различных участков пути и дорог для каждого средства контроля, протяженность одного файла порядка 4 км. Результаты приведены в таблице 3, где латинскими буквами А-D обозначены дефектоскопные тележки различных фирм производителей (наиболее распространенные на сети дорог ОАО «РЖД»).
Таблица 3.
Количество недостоверно проконтролированных стыков при контроле дефектоскопными тележками
|
Съемное средство контроля (группа) |
Значение, %, рассчитываемого показателя при контроле | |
|
летом |
зимой | |
|
А |
10 |
18 |
|
В |
15 |
26 |
|
С |
17 |
37 |
|
D |
22 |
35 |
При этом:
- не прописано первое болтовое отверстие каналами контроля шейки (450) – 32%;
- пропадание ДС более 40 мм – 9%;
- одновременно и пропадание донного сигнала и не проконтролировано первое болтовое отверстие - 59%.
Как видно из таблицы 3, приведенный показатель при сплошном ультразвуковом контроле в зимнее время почти в 2 раза больше, чем в летние месяцы. Видимо это связано с тем, что величина стыковых зазоров меняется в зависимости от колебания температуры рельсов. А большие стыковые зазоры увеличивают силу воздействия колеса на стык, что приводит к большому выходу дефектов. Превышение конструктивной величины зазоров влечет за собой ограничение скоростных режимов.
Для мобильных средств неразрушающего контроля рельсов значение приведенного показателя еще больше и достигает 45% (таблица 4, римскими цифрами I-III обозначены мобильные средства различных фирм производителей). Контроль осуществляется на высоких скоростях, искательная система, обладает большей инерционностью по сравнению с искательной системой съемного дефектоскопа – все это отрицательно сказывается на качестве проводимого контроля.
Согласно технологии контроля рельс съемными дефектоскопами, зона болтового стыка должна быть проверена дважды, при этом озвучивание торцов рельсов при повторном проходе более полное за счет лучшего акустического контакта (рельс уже хорошо смочен контактной жидкостью).
Таблица 4.
Количество недостоверно проконтролированных стыков при контроле мобильными средствами
|
Мобильное средство контроля |
Значение показателя |
|
Группа I |
43 % |
|
Группа II |
38 % |
|
Группа III |
45 % |
При контроле мобильными средствами контролировать качество акустического контакта, центровки искательной системы сложнее, отсутствует возможность проведения вторичного контроля, особенно с использованием ручных ПЭП.
Следует отметить, что анализировались записи только главных путей, где техническое состояние рельсов и уровень содержания пути гораздо лучше, чем на приемоотправочных и станционных путях. Зона стрелочных переводов – зона повышенной опасности (с точки зрения возникновения дефектов), где тоже имеются болтовые стыки, также не учитывалась нами.
Как видно, существующие системы скольжения не очень эффективны для обеспечения стабильного акустического контакта в зоне болтовых стыков. За рубежом достаточно давно используются альтернативные искательные системы, основанные на методе качения, – колесные искательные системы. Конструкция системы представляет собой полое колесо, внутри которого закреплены ультразвуковые преобразователи, а все пространство между преобразователями и оболочкой колеса заполнено специальной жидкостью.
Для исследования возможностей такой системы фирмой ОАО «Радиоавионика» спроектирована и собрана подобная система, реализующая схемы прозвучивания и углы ввода, принятые в ОАО «РЖД». Результаты, полученные на контрольном тупике с искусственными дефектами, показали преимущества метода качения. В частности, прохождение колесной системы через рельсовые соединения, в том числе со «ступенькой», производится без потери акустического контакта. ОАО «Радиоавионика» на выставке «Транспортная инфраструктура и путевые машины - 2008» в г. Калуга представило макет двухниточного дефектоскопа с колесной искательной системой.
С целью дальнейшего повышения достоверности ультразвукового контроля рельсов целесообразно и на Российских железных дорогах внедрить альтернативные колесные искательные системы.