Применение поверхностных ультразвуковых волн для обнаружения контактно-усталостных трещин в поверхности катания

A L Bobrov; K I Goncharov

doi:10.22213/2413-1172-2024-3-62-69

Authors

A. L. Bobrov Siberian State Transport University
K. I. Goncharov Siberian State Transport University

DOI:

https://doi.org/10.22213/2413-1172-2024-3-62-69

Keywords:

testing sensitivity, fatigue cracks, ultrasonic testing, surface waves

Abstract

The integrity and durability of rails plays a key role in train safety. However, the interaction of the rail head surface with the wheels of the rolling stock leads to high damage to these areas. The surface of the rail head is subject to the greatest damage, in which fatigue cracks develop on the surface with subsequent development. Timely detection of fatigue cracks in the rolling surface is possible using the ultrasonic technique using surface waves. To do this, the work investigated the sensitivity of a surface ultrasonic wave to obstacles in the surface of rails in the form of extended grooves, notches of finite length and known depth, as well as real cracks. The studies were carried out using the pulse-echo method at frequencies of 1.25, 1.8, 2.5, 4 MHz. Research has shown that surface waves are sensitive to surface fatigue cracks. The amplitude of the reflected pulses depends on the wavelength and the depth of crack propagation. The influence of the distance to fatigue cracks and the orientation angle of the transducer relative to the rail axis on the sensitivity of the surface wave to these defects was also studied. The results obtained allow us to conclude that the use of surface ultrasonic waves makes it possible to detect fatigue cracks in the crack surface. Thus, the use of the pulse-echo technique and surface wave converters makes it possible to detect contact fatigue cracks in the rail head, which can be used to eliminate them in a timely manner. The determination of their depth by amplitude is influenced by many factors, which are difficult to take into account in real conditions.

Author Biographies

A. L. Bobrov, Siberian State Transport University

DSc in Engineering, Associate Professor

K. I. Goncharov, Siberian State Transport University

Post-graduate

References

Акустические волны в материалах и элементах конструкций с дефектами, неоднородностями и микроструктурой : монография / М. С. Аносов, А. М. Антонов, А. В. Бочкарев [и др.]. Нижний Новгород : Нижегородский государственный технический ун-т им. Р.Е. Алексеева, 2021. 311 с.

Глухов А. А., Сторожев В. И. Анализ модели распространения поверхностных рэлеевских волн в функционально-градиентном ортотропном полупространстве с приграничной локализованной зоной неоднородности // Журнал теоретической и прикладной механики. 2023. № 2 (83). С. 26-38. DOI: 10:24412/0136-4545-2023-2-26-38

Косачёв В. В., Гандурин Ю. Н., Муравьёв С. Е. Неразрушающий контроль параметров шероховатости и нарушенного слоя свободной поверхности анизотропного твердого тела на основе поверхностных акустических волн // Физика твердого тела. 2012. Т. 54, № 10. С. 1983-1987. DOI: https://doi.org/10.1134/S1063783412100198

Перелыгина А. Ю., Конюхов В. Ю., Балановский А. Е. Исследование распространения трещины в поверхностном белом слое рельсовой стали // Вестник Донского государственного технического университета. 2020. Т. 20, № 2. С. 125-136. DOI: 10.23947/1992-5980-2020-20-2-125-136

Шелухин А. А. Оценка реальной чувствительности приемочного ультразвукового контроля рельсов // Дефектоскопия. 2020. № 11. С. 17-27. DOI: 10.31857/S0130308220110020

Статистическая модель оценки надежности систем неразрушающего контроля на основе решения обратных задач / А. Е. Александров, С. П. Борисов, Л. В. Бунина [и др.].Russian Technological Journal, 2023, vol. 11, no. 3, pp. 56-69. DOI: 10.32362/2500-316X-2023-11-3-56-69

Kou L. (2022) A Review of Research on Detection and Evaluation of the Rail Surface Defects. Acta Polytechnica Hungarica, vol. 19, no. 3, pp. 167-186. DOI: 10.12700/APH.19.3.2022.3.14

Mićić M., Brajović L., Lazarević L., Popović Z. (2023) Inspection of RCF rail defects - Review of NDT methods. Mechanical Systems and Signal Processing, vol. 182. Available at: https://doi.org/10.1016/j.ymssp.2022.109568 (accessed: 06.06.2024).

Бояркин Е. В., Пичугина А. А., Черкашина А. Г. Особенности выявления дефектов в головке рельса волнами Рэлея // Фундаментальные и прикладные вопросы транспорта. 2024. № 1 (12). С. 5-11. DOI: 10.52170/2712-9195_2024_1_5

Palmer S., Dixon S., Edwards R., Jian X. (2015) Transverse and longitudinal crack detection in the head of rail tracks using Rayleigh wave-like wideband guided ultrasonic waves: Proc. of SPIE - The International Society for Optical Engineering, vol. 5767, pp. 70-73.

Дымкин Г. Я., Кириков А. В., Бондарчук К. А. Иммерсионный контроль объектов криволинейного профиля поверхностными ультразвуковыми волнами // Дефектоскопия. 2022. № 8. С. 25-35. DOI: 10.31857/S0130308222080036

Исследование выявляемости поверхностных плоскостных дефектов ультразвуковым методом с применением волн Рэлея / Н. П. Алешин, Н. В. Крысько, С. В. Скрынников, А. Г. Кусый // Дефектоскопия. 2021. № 6. С. 26-34. DOI: 10.31857/S0130308221060038

Murav’ev V.V. Len’kov S.V., Tapkov K.A. (2019) In-production nondestructive testing of internal stresses in rails using acoustoelasticity method.Russian Journal of Nondestructive Testing, vol. 55, no. 1, pp. 8-14. DOI: https://doi.org/10.1134/S1061830919010078

Муравьев В. В., Тапков К. А. Оценка остаточных напряжений в дифференцированно термоупрочненных рельсов акустическим методом : монография. Ижевск : Изд-во УИР ИжГТУ имени М. Т. Калашникова, 2023. 156 с.

Марков А. А., Иванов Г. А. Исследование способа обнаружения продольных трещин в головке рельса // Вестник ИжГТУ имени М. Т. Калашникова. 2019. Т. 22, № 4. С. 46-56. DOI: 10.22213/2413-1172-2019-4-46-56

Возможности ручного вихретокового контроля для измерения глубины контактно-усталостных трещин поверхности катания рельсов / С. П. Шляхтенков, Д. Б. Некрасов, С. В. Палагин [и др.] // Дефектоскопия. 2023. № 4. С. 37-45. DOI: 10.31857/S0130308223040036

Изучение механизмов питтинга, споллинга и других контактно-усталостных дефектов в рельсах. Часть 5. Классификация контактно-усталостных повреждений железнодорожных рельсов / В. Н. Цвигун, Е. А. Шур, С. В. Коновалов [и др.] // Вестник горно-металлургической секции Российской академии естественных наук. Отделение металлургии. 2015. № 35. С. 147-173.

Кузнецова Н. В.Статистический анализ изъятий рельсов с контактно усталостными видами дефектов // Внедрение современных конструкций и передовых технологий в путевое хозяйство. 2021. Т. 17, № 17. С. 41-47.

Оценка организационно-технологической надежности производственного процесса шлифования рельсов на основе имитационного моделирования / А. С. Ильиных, В. А. Аксёнов, Е. О. Юркова, А. В. Матафонов // Вестник Сибирского государственного университета путей сообщения. 2019. № 4 (51). С. 40-45.

Образование дефектов контактно-усталостного характера на внутренних нитях кривых малого и среднего радиусов / В. С. Коссов, О. Г. Краснов, М. Г. Акашев, Н. М. Никонова // Путь и путевое хозяйство. 2023. № 7. С. 13-18.