СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЛОКАЛЬНЫХ ДЕФЕКТОВ ПОВЕРХНОСТИ КАТАНИЯ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНЫХ РЕЛЬСОВ
METHOD OF DETERMINING LOCAL DEFECTS OF RAILS ROLLING SURFACE

Изобретение может быть использовано для диагностики состояния поверхности катания головки железнодорожных рельсов, выражающейся в выявлении единичных и групповых протяженных усталостных и закалочных трещин, отслоений и выкрашиваний металла, смятия и бокового износа головки.
Известен способ контроля состояния рельсового пути (патент RU 2123445, В61К 9/08, Е01В 35/00 от 12.07.1995), состоящий в определении угловых колебаний и координаты букс колесной пары. Определяют координаты точек касания левого и правого колес колесной пары и просадку каждой рельсовой нити выражают в виде разности вертикальных координат точки касания колеса, соответствующих двум моментам времени.
Также известен способ оценки состояния рельсового пути на основании измерений акустико-эмиссионных сигналов (патент RU 2437090 С1, G01N 29/14 от 20.12.2011 г), согласно данному способу формируются усредненная, бальная оценка состояния участка рельсового пути на основании измерений акустико-эмиссионных сигналов снимаемых с буксовых узлов подвижного состава.
Недостатками данных способов являются возможность выполнения лишь обобщенной оценки состояния поверхности рельса, без определения геометрических размеров и локализации места расположения отдельных дефектов на участке пути.
Цель изобретения - повышение достоверности и оперативности диагностики состояния рельсового пути, возможность локализации дефектов, повышение уровня безопасности движения на транспорте.
Сущность способа заключается в измерении значения выброса всех максимальных амплитуд сигналов акустической эмиссии в полосе частот от 30 кГц до 300 кГц в равные последовательные промежутки времени с частотой выборки от 500 мкс до 0,1 мкс от датчиков (преобразователей) устанавливаемых на корпусе правой и левой буксы колесной пары локомотива или вагона и определении длины поврежденного участка (сколы, раковины, трещины) поверхности катания рельса формуле [1]
где: Sd - длина дефектного участка поверхности катания рельса, м;
V - линейная скорость колесной пары подвижного состава, м/с;
выб
t - длительность выброса всех максимальных амплитуд сигналов акустической эмиссии при прохождении колесной пары поврежденного участка поверхности катания рельса, с.
Колесная пара при движении по рельсовому пути в исправном техническом состоянии взаимодействует с головкой рельса, при этом плотность потока генерируемой энергии q, определяется выражением [2]
v
где  - скорость относительного движения м/с;
ρ - плотность материала;
λ и μ - коэффициенты Лямэ;
- напряжение среза, возникающее в результате взаимодействия поверхностных слоев в момент времени;
р
v
ƒ (t) - взаимное давление контактирующих поверхностей.
Причинами, вызывающими сигналы акустической эмиссии соответственно формуле [2] являются:
изменения напряжения среза, возникающее в результате взаимодействия поверхностных слоев колесной пары и рельса;
изменения контактного давления поверхностей колесной пары и рельса;
дефекты поверхности катания головки рельса;
шероховатость взаимодействующих поверхностей;
рельсовые стыки.
При взаимодействии контактирующих поверхностей в зоне колесо-рельс происходит деформация областей, находящихся в контакте. Энергия Е, выделяемая при этом регистрируется в виде сигналов акустической эмиссии определяемая выражением [3].
выб
где t - длительность выброса всех максимальных амплитуд сигналов акустической эмиссии, с;
А - амплитуды сигналов.
s(t) - акустико-эмиссионные сигналы, регистрируемый датчиком прибора или комплекса;
u(t) - функция, описывающая форму сигналов АЭ.
Из выражения [3] можно заключить, что амплитуды АЭ сигналов определяется равенством [4]
При отсутствии дефектов на поверхности катания рельса сигналы акустической эмиссии, описываемые выражениями 1-3 будут минимальны и иметь вид уровня фона фиг. 1.
Возникновение дефектов поверхности катания головки рельса приводит к изменению фактических пятен контакта в зоне колесо-рельс и их характеристик, интенсивному образованию абразивных частиц износа выбросу больших амплитуд сигналов акустической эмиссии и увеличению времени выброса амплитуд.
k
k
j
При образовании дефекта на поверхности элемента излучается акустико-эмиссионный импульс амплитудой А, величина которого пропорциональна величине повреждения ΔS По числу n и величине таких импульсов можно судить об относительных размерах поврежденной площади Sn [5].
где Sp - величина площади контакта.
При наличии дефектов на поверхности катания рельса сигналы акустической эмиссии описываемые выражениями 1-5 будут иметь вид фиг. 2.
ф
Для исключения помех акустико-эмиссионных сигналов, вызванных прохождением стыков рельсов выполняется фильтрация одиночных акустико-эмиссионных сигналов возникающих на частотах ƒ, пропорциональных скорости линейного перемещения и обратно пропорционально длине рельса.
где: ƒф - частота фильтрации акустико-эмиссионных сигналов, вызванных помехами от стыков рельсового пути, Гц;
V - линейная скорость колесной пары подвижного состава, м/с;
Lp - длина рельса, м;
В соответствие с Правилами технической эксплуатации железных дорог РФ, утвержденных Приказом Минтранса России от 21 декабря 2010 г. №286 (приложение 1) и Инструкцией по текущему содержанию железнодорожного пути ОАО «РЖД» ЦП-774 от 01.07.2000 г. (классификация дефектов рельсов) минимально допускаемая длина локального дефекта на поверхности головки рельса должна составлять не более 25 мм, а на участках высокоскоростного обращения не более 15 мм.
Таким образом, выявление и определение длины локальных дефектов рельсов являются критерием определения их технического состояния и допуска движения поездов по участку.
Способ определения локальных дефектов поверхности катания железнодорожных рельсов при подключении измерительного устройства амплитуд сигналов акустической эмиссии к ПК и цифровой обработке данных автоматизирует процесс измерения на скоростях от 5 до 300 км/час и позволяет передавать данные в диспетчерский пункт железной дороги с целью своевременного реагирования на дефектные участки пути, предотвращая тем самым аварийные ситуации.
Область применения - железнодорожный транспорт, метрополитен, промышленный и городской транспорт.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Фиг. 1. Акустико-эмиссионный сигнал при движении по рельсу не имеющего дефектов поверхности катания. Отображает характер акустико-эмиссионных сигналов и их амплитуду, фиксируемую измерительными устройствами при движении колесной пары по бездефектному участку железнодорожного рельса.
Фиг. 2 Акустико-эмиссионный сигнал при движении по рельсу, имеющему локальный дефект поверхности катания. Отображает характер акустико-эмиссионных сигналов, их амплитуду и длительность, фиксируемую измерительными устройствами при движении колесной пары по участку железнодорожного рельса имеющему локальный дефект.