СПОСОБ ОЦЕНКИ НЕСУЩЕЙ СПОСОБНОСТИ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНЫХ ОПОР
METHOD FOR ASSESSING BEARING CAPACITY OF RAILWAY PILLARS

Изобретение относиться к методам неразрушающего контроля, а именно к акустическим методам, и может найти применение для оценки несущей способности железобетонных опор.
Опоры контактной сети, мачты светофоров относятся к наиболее ответственным элементам системы энергоснабжения железных дорог. От их надежности и состояния зависит обеспечение бесперебойности энергоснабжения и безопасность движения поездов.
Железобетонные опоры в условиях эксплуатации подвергаются воздействию не только механических нагрузок, но и воздействию токов, стекающих с рельсов через арматуру (электрокоррозия). Наиболее опасны повреждения на границе заделки опор в фундаменты или непосредственно в грунт. В этой зоне возникают максимальные механические напряжения, которые могут приводить к катастрофическому разрушению опоры.
Известен способ (Сергеев Н.А. Современный метод обследования контактной сети. Локомотив, 1997, №4, стр. 36-37), в соответствии с которым ударом слесарного молотка по опоре возбуждают в ней колебания, записывают колебания на магнитную ленту через приставленный к опоре микрофон, передают результаты записи на компьютер и анализируют внешний вид записи. Если колебания имеют форму биений, то считают опору дефектной.
Этот способ является недостаточно достоверным и широкого распространения не получил.
Известен способ (Указания по техническому и ремонту железобетонных опорных конструкций контактной сети, М., Транспорт, 1984, стр. 43-47), в соответствии с которым возбуждают низкочастотные колебания и вычисляют логарифмический декремент колебаний, по величине которого судят о состоянии подземной части опоры. Однако достоверность этого способа недостаточна, поскольку логарифмический декремент колебаний опоры определяется не только наличием или отсутствием трещин в подземной части опоры, но и качеством бетона, условиями заделки стойки в фундамент, ее жесткостью и качеством самого фундамента.
Известен виброакустический метод диагностики подземной части железобетонных опор контактной сети (Указания по техническому обслуживанию и ремонту опорных конструкций контактной сети, г. Москва, 2003 г., стр. 65-69). Для проведения измерений этим методом на опору устанавливают два пьезокерамических акустических датчика, низкочастотный и высокочастотный. Опору, тем или иным способом, приводят в колебания, определяют логарифмические декременты этих колебаний и по величине их отношения, сравнивая его с нормированным, судят о состоянии подземной части опоры.
Недостаток этого метода состоит в большой трудоемкости предлагаемого способа возбуждения низкочастотных колебаний. Для их возбуждения используют устройство, состоящее из сбрасывающего приспособления, троса и рычага. Трос одним концом закрепляется на опоре на высоте 3-4 м, а другим концом - на сбрасывающем приспособлении, закрепленном на рычаге. Поворотом рычага трос натягивается, срабатывает сбрасывающее приспособление и опора приходит в режим свободных колебаний. В связи с трудоемкостью такого способа низкочастотные колебания часто получают раскачкой опоры вручную. Во-первых, при этом трудно достигнуть необходимой амплитуды колебаний, а во-вторых, разные операторы проводят раскачку неодинаково и до разной амплитуды, что ведет к разбросу данных и уменьшает их достоверность.
Наиболее близким, и принятым за прототип, является способ контроля физического состояния железобетонных опор со стержневой напрягаемой арматурой, заключающийся в том, что на опору устанавливают акустический датчик, регистрируют акустическую эмиссию (АЭ), сравнивают ее с ранее полученной, по результатам сравнения судят о техническом состоянии опоры, при этом, на опору устанавливают акселерометр, акустический датчик и акселерометр устанавливают на границе заделки опоры в фундамент или в грунт, на опоре закрепляют вибратор и подвергают опору нагрузке, изменяющейся по амплитуде и частоте, на первоначальном этапе определяют резонансную частоту опоры, на данной резонансной частоте регистрируют амплитуду колебаний опоры, суммарную энергию АЭ, количество импульсов АЭ, скорость счета импульсов АЭ от возникающих и развивающихся дефектов, образующихся под воздействием колебаний опоры на резонансной частоте за определенный период времени, полученные результаты заносят в персональный компьютер под номером опоры, на последующих этапах строят графики изменения амплитуды колебаний опоры и параметров АЭ на ранее установленной резонансной частоте, по характеру изменения значений регистрируемых параметров судят о физическом состоянии опоры, фундамента, о жесткости закрепления опоры в фундаменте или грунте, о надежности закрепления оборудования на опоре и принимают решение об устранении выявленных дефектов, или замене опоры, или усилении крепления оборудования на опоре. (Патент RU 2108876, заявка №2013101964 от 16.01.2013 г., МПК G01M 7/00).
Недостаток данного способа состоит в том, что проведение исследований проводится на резонансных частотах опоры, что может привести к ускоренному разрушению конструкции опоры и появлению и развитию новых дефектов и регистрацию АЭ от данных дефектов, что приводит к снижению достоверности получаемой информации при оценке физического состояния железобетонной опоры, не позволяющей определить критически опасную опору и своевременную ее замену. Однократное нагружение опоры вибрацией на резонансной частоте опоры не позволяет получить высокую достоверность о физическом состоянии опоры. Это обусловлено тем, что АЭ регистрируется как от вновь образующихся дефектов, так и от взаимодействия существующих дефектов которые в основном и показывают уровень физического состояния опоры. Кроме этого, бетон сильно поглощает, сигналы АЭ, и установка датчиков преобразования сигналов АЭ непосредственно на бетон, значительно снижает уровень сигналов АЭ и как следствие, достоверность информации о физическом состоянии опоры.
Задачей предлагаемого способа является повышение безопасности движения железнодорожного движения.
Технический результат, достигаемый в процессе решения поставленной задачи, заключается в повышении достоверности получаемой информации при оценке физического состояния железобетонной опоры, позволяющей определить критически опасную опору и своевременную ее замену.
Технический результат достигается способом оценки несущей способности железобетонных опор, заключающимся в том, что на опору, на границе заделки опоры в фундамент устанавливают датчик преобразования сигналов акустической эмиссии (АЭ), на опоре закрепляют вибратор, и подвергают опору нагрузке вибрацией изменяющейся по частоте, регистрируют суммарную энергию АЭ, полученные результаты заносят в персональный компьютер под номером опоры, на последующих этапах нагружения опор вибрацией, контролируют изменения суммарной энергию АЭ, по характеру изменения значений суммарной энергию АЭ судят о физическом состоянии опоры, и принимают решение о замене опоры, при этом на границе заделки опоры в фундамент с четырех сторон опоры приклеивают четыре металлические прокладки толщиной 0,2-0,5 мм, на них устанавливают датчики преобразования сигналов АЭ с магнитными держателями, вибратор закрепляют на высоте 1,2-1,8 м, дважды, с промежутком не менее 1,0 минуты проводят нагружение опоры вибрацией с плавно изменяющейся частотой от 0 до 35 Гц, проводят сравнение величин суммарной энергии АЭ от первого и второго раза нагружения опоры вибрацией с величиной критического уровня суммарной энергией АЭ полученной ранее, путем статистической обработки серии рабочих опор одного типа, имеющих дефекты, при нагружения вибрацией плавно изменяющейся частотой от 0 до 35 Гц, при этом, если полученная величина суммарной энергии АЭ от первого раза и второго раза нагружения опоры вибрацией превышает величину критической суммарной энергии АЭ, а отношение величин суммарной энергии АЭ полученной от первого и второго раза нагружения опоры вибрацией больше единицы более чем на 10%, такую опору относят к условно опасной и принимают решение о контроле с периодичностью 90-100 дней, если при последующих, не менее четырех, контрольных двухразовых нагружениях, величина суммарной энергии АЭ полученная от первого раза и второго раза нагружения опоры вибрацией превышают величину критической суммарной энергии АЭ и отношение величины суммарной энергии АЭ полученной от первого и второго раза нагружения опоры вибрацией, показывает, каждый раз, возрастание данного параметра по сравнению с предыдущим показателем более чем на 10%, то такие опоры относят к критически опасным и принимают решение о замене опоры. Кроме этого, перед тем как дважды, с промежутком не менее 1,0 минуты, провести контрольные нагружения опоры вибрацией, проводят установочное нагружение опоры вибрацией с плавно изменяющейся частотой от 0 до 35 Гц в течении 7-8 минут, с включенной аппаратурой, после чего проводят протяжку крепления вибратора к опоре.
Повышение достоверности получаемой информации при оценке физического состояния железобетонной опоры, позволяющей определить критически опасную опору и своевременную ее замену, достигается за счет следующих факторов. На границе заделки опоры в фундамент с четырех сторон опоры приклеивают четыре металлические прокладки толщиной 0,2-0,5 мм на них устанавливают датчики преобразования сигналов АЭ с магнитными держателями, Это позволяет получать более четкие сигналы АЭ. Вибратор закрепляют на высоте 1,2-1,8 м и дважды, с промежутком не менее 1,0 минуты проводят нагружение опоры вибрацией с плавно изменяющейся частотой от 0 до 35 Гц. Авторами экспериментально установлено, что наиболее точную информацию о несущей способности железобетонной опоры можно получить, если нагружать опору вибрацией, изменяющейся и возрастающей по частоте, при этом частота должна включать резонансную частоту опоры. Практически все железобетонные опоры имеют частоту в указанном диапазоне. Сравнение величин суммарной энергии АЭ от первого и второго раза нагружения опоры вибрацией с величиной критического уровня суммарной энергией АЭ полученной ранее, путем статистической обработки серии рабочих опор одного типа, имеющих дефекты, при нагружения вибрацией плавно изменяющейся частотой от 0 до 35 Гц. Полученная величина суммарной энергии АЭ от первого раза и второго раза нагружения опоры вибрацией должна превышать величину критической суммарной энергии АЭ. Это обязательное условие, но не достаточное, что бы принять решение о замене опоры. Необходимо, чтобы выполнялось ряд дополнительных условий. Если отношение величин суммарной энергии АЭ полученной от первого и второго раза нагружения опоры вибрацией больше единицы и более чем на 10%, такую опору относят к условно опасной опоре и принимают решение о контроле с периодичностью 90-100 дней. Второе дополнительное условие определяют из последующего дополнительного контроля. Должно пройти не менее четырех, контрольных двухразовых нагружений, при этом величина суммарной энергии АЭ полученная от первого раза и второго раза нагружения опоры вибрацией должна превышать величину критической суммарной энергии АЭ и отношение величины суммарной энергии АЭ полученной от первого и второго раза нагружения опоры вибрацией, должны показывать каждый раз, возрастание данного параметра по сравнению с предыдущим показателем более чем на 10%. Такие опоры относят к критически опасным опорам, по ним принимают решение о замене опоры. Кроме этого, перед тем как дважды, с промежутком не менее 1,0 минуты провести контрольные нагружения опоры вибрацией, проводят установочное нагружение опоры вибрацией с плавно изменяющейся частотой от 0 до 35 Гц в течении 7-8 минут, с включенной аппаратурой, после чего проводят дополнительную протяжку крепления вибратора к опоре. Подвижной состав железнодорожного транспорта является мощным источником избыточного давления и разряжения головной воздушной волны, возникающей при его движении. Воздушная волна оказывает заметное воздействие на усталостное разрушение объектов, в частности на разрушение железобетонных опор контактной сети со стержневой напрягаемой арматурой, опор высоковольтно-сигнальных линий автоблокировки железных дорог, железобетонных мачт перегонных светофоров и светофоров переездного сигнала железных дорог, а также фундаменты на которых они установлены, находящиеся в непосредственной близости от железнодорожного полотна. Помимо этого, подвижной состав железнодорожного транспорта является и источником вибрации. Вибрация в широком частотном диапазоне передается, видоизменяясь, через рельсовые пути на шпалы и далее в грунт, окружающие здания, элементы верхнего и нижнего строения железнодорожного пути. Длительное воздействие переменных напряжений, в совокупности с вибрационным воздействием, приводят к постепенному накоплению напряжений, приводящих к образованию трещин в бетоне, отслаиванию арматуры от бетона и в итоге к разрушении. Данный процесс зарождения и развития дефектов длительный, т.е. можно говорить о разрушении опор как о разрушении при циклической усталости. Способность материла опоры противостоять усталостным явлениям - является его выносливостью. Вес железобетонной опоры создает ощутимые статические нагрузки на нижнюю часть опоры, которая находится в фундаменте опоры. Сочетание постоянной статической нагрузки и периодической вибрационной могут приводить к катастрофическому разрушению фундаментов. Участок опоры, наиболее вероятного накопления повреждений, расположен на границе заделки опоры с фундаментом или с поверхностью грунта, поэтому здесь предлагается устанавливать четыре датчика регистрации параметров АЭ. Это позволит контролировать физическое состояние опоры. Поскольку процесс накопления повреждений, приводящих к разрушению опор, длительный, мажет длиться не один год, то необходимо вести постоянный периодический контроль физического состояния опор с интервалом в 90-100. Чтобы сократить количество исследований предлагается периодически, с указанным периодом, контроль проводить для условно опасных опор.
Такой периодический контроль должен выявлять динамику изменения свойств железобетонной опоры. Перед контрольными исследованиями, при частоте воздействия на опору от 0 до 35 Гц, проводится установочное нагружение опоры вибрацией. Установочное нагружение опоры вибрацией в течении 7-8 минут позволяет проверить работоспособность аппаратуры, убедится в надлежащем креплении вибратора на опоре, получить высокую достоверность о физическом состоянии опоры. Это обусловлено тем, что АЭ регистрируется как от вновь образующихся дефектов, которые и показывают уровень физического состояния опоры, так от трения уже образовавшихся ранее частиц, которые не оказывают влияния на динамику образования микродефектов. Кроме этого, бетон сильно поглощает, сигналы АЭ, и установка датчиков преобразования сигналов АЭ непосредственно на бетон, значительно снижает уровень сигналов АЭ и как следствие, достоверность информации о физическом состоянии опоры. Безусловно, способ оценки должен быть, с одной стороны, кратковременным, с другой, достаточным, чтобы получить необходимую информацию для анализа. В дальнейшем, при повторных обследованиях, при идентичных воздействия на опору, получаемые контролируемые параметры по мере эксплуатации опор должны возрастать это позволит прогнозировать заблаговременную подготовку по замене опор, а также спрогнозировать остаточный ресурс железобетонной опоры. Аппаратная реализация способа показана на фиг. 1. Устройство содержит: 1 - бензиновый инверторный генератор переменного тока (220 В, 50 Гц) типа BS 1000 i; 2 - программируемый регулятор тока типа Е2-МИНИ; 3 - вибратор тира ИВ-99Е. Система регистрации и обработки АЭ информации типа СДС 1004, которая включает: 4 - системный четырех канальный блок; 5 - четыре предварительных усилителя; 6 - четыре резонансных датчика типа RS-150SM с магнитными держателями; 7 - персональный компьютер (ПК) с программным обеспечением для регистрации и обработки АЭ информации. Кроме этого, в состав устройства входит специальная арматура для крепления вибратора на контролируемой опоре и металлические накладки приклеенные к опоре. Способ реализуется следующим образом. Вибратор крепится на исследуемой опоре. Собирается схема, как показано на фиг. 1. Проводится проверка настройки основных параметров АЭ каналов на ПК. Запускается система в режиме накопления данных. На информационной панели начинает отображаться текущее время тестирования. Запускается работа вибратора в режиме изменения частоты. По истечении определенного времени измерения вращение вибратора останавливается. Данные по основным параметрам АЭ диагностируемой опоры сохраняются в памяти компьютера в файле с номером опоры. Производится анализ параметров АЭ.