СПОСОБ МОНИТОРИНГА ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ РЕЛЬСОВОГО ПУТИ
METHOD OF MONITORING TECHNICAL RAIL TRACK STATE

Изобретение относится к неразрушающему контролю технического состояния рельсовых путей в процессе движения подвижного состава.
Известен «Акустический способ обнаружения неисправности рельсового пути в процессе движения состава по железной дороге» по патенту РФ №2126339, МПК В61К 9/10, опубл. 20.02.1999 г., при котором в рельсы передают акустический сигнал, принимают отраженный сигнал, а по времени распространения акустических сигналов к месту неисправности и обратно определяют его координату. Сигналы передают и принимают посредством пьезоэлектрических преобразователей (ПЭП), установленных на подшипниках скольжения, соосно закрепленных на валу колесной пары, при этом передачу и прием акустических сигналов осуществляют попеременно.
В описании к патенту №2126339 раскрыто также устройство для осуществления способа. Устройство содержит передающий и приемный преобразователи, размещенные внутри кожухов, закрепленных на внешней поверхности подшипников, надетых на вал колесной пары. Зазор между внутренней поверхностью подшипников и поверхностью вала колесной пары заполнен иммерсионной жидкостью, предназначенной для создания акустического контакта между пьезопластиной ПЭП и колесной парой. В точках соприкосновения колес с рельсами происходит передача акустической энергии в рельсы, а также прием отраженных от дефектов рельсового пути сигналов. Передающий ПЭП связан с генератором электрических колебаний ультразвуковой частоты, а приемный ПЭП - с системой обработки сигналов.
Основной недостаток известных способа и реализующего его устройства отмечен в описании к патенту самим автором изобретения: «с помощью пьезоэлектрических преобразователей непросто передать в рельсы достаточную мощность для преодоления, по крайней мере, 200-метрового отрезка пути». Непосредственный контакт пьезопластины ПЭП с рельсом через тонкий слой акустической смазки (что было бы наиболее выгодно энергетически) при движении состава невозможен, а передача (и прием) акустических колебаний через относительно толстый слой иммерсионной жидкости, применяемой в патенте, связана со значительными потерями акустической энергии и необходимостью использования специальных уплотнительных элементов. Малая площадь контакта «колесо-рельс» усугубляет названный недостаток. Загрязненная поверхность рельса является дополнительным фактором, ухудшающим передачу энергии звуковых колебаний. Необходимость передачи акустических колебаний от неподвижной к подвижной (и наоборот, - при приеме отраженного акустического сигнала) части акустического тракта: пьезопластина ПЭП - протектор - подшипник скольжения - слой иммерсионной жидкости - вал колесной пары - колесо, чрезмерно усложняет конструкцию устройства, реализующего известный способ.
Известен также акустический способ обнаружения неисправности рельсового пути по патенту РФ №2511644, МПК G01N 29/04, В61К 9/10, опубл. 10.04.2014 г., согласно которому так же, как и в решении по патенту №2126339, в рельсы передают акустический сигнал, принимают отраженный сигнал, а по времени распространения акустических сигналов к месту неисправности и обратно определяют его координату, причем передачу и прием акустических сигналов осуществляют попеременно.
В отличие от способа по патенту №2126339 в качестве «дарового» источника мощности акустических сигналов используют энергию, выделяемую при ударном взаимодействии колесных пар с межрельсовыми стыками. Прием отраженных от дефектных участков рельсового пути сигналов осуществляют так же, как и в патенте №2126339: пьезоэлектрическими преобразователями, установленными на подшипниках скольжения, расположенных на валу колесной пары.
Данный способ обнаружения неисправности рельсового пути является наиболее близким аналогом по совокупности существенных признаков к заявляемому способу мониторинга технического состояния рельсового пути.
Известный способ позволяет более эффективно передавать энергию акустических колебаний в рельсы, обеспечивая их «прозвучивание» на большие расстояния по сравнению с изобретением по патенту №2126339, однако в приемном канале недостатки, обусловленные малой площадью контакта «рельс-колесо» и применением иммерсионной жидкости, через которую отраженный сигнал передается на пьезопластину ПЭП, не устранены, что снижает надежность обнаружения дефектов пути. Относительно низкая надежность известного способа обусловлена также тем, что излучение и прием сигналов производят «от стыка к стыку». Сигнал от дефекта, находящегося на расстоянии от состава порядка нескольких километров бесстыкового участка пути, принимается практически мгновенно (скорость распространения звука в стальном рельсе составляет около 6000 м/с), но подвижной состав проходит это расстояние за определенное время, в течение которого обстановка на пути может измениться (например, на рельсах может появиться посторонний предмет и т.п.).
Поскольку в прототипе в качестве источника акустического сигнала используют удар колесной пары на межрельсовом стыке, использовать известный способ можно лишь на стыковых (звеньевых) рельсовых путях. На бесстыковом рельсовом пути (или бесстыковом участке пути длиной в перегон) использование известного способа невозможно. Это существенно ограничивает область применения данного технического решения.
Заявляемое изобретение решает задачу создания универсального способа мониторинга технического состояния рельсового пути, лишенного вышеперечисленных недостатков аналогов.
Техническим результатом изобретения является расширение функциональных возможностей и повышение надежности способа мониторинга технического состояния рельсового пути.
Указанный технический результат достигается тем, что в способе мониторинга технического состояния рельсового пути, при котором в рельсы передают акустический сигнал, отраженный сигнал принимают акустическими датчиками, обрабатывают сигнал с помощью системы обработки сигналов, и, по результатам анализа полученных данных, судят о состоянии рельсового пути, согласно изобретению в качестве источника акустического сигнала используют деформационную волну, возникающую в рельсе при движении подвижного состава, при этом прием отраженных сигналов осуществляют непрерывно в движении состава, а в качестве акустических датчиков используют электромагнитно-акустические преобразователи.
Использование в заявляемом способе мониторинга технического состояния рельсовых путей установленных на подвижном составе электромагнитно-акустических преобразователей в сочетании с использованием в качестве источника акустического сигнала подвижного состава, деформирующего рельс в процессе движения, обеспечивают надежное функционирование системы мониторинга в условиях как звеньевого, так и бесстыкового рельсовых путей. Бесконтактный и непрерывный прием и анализ отраженных от дефектов пути акустических сигналов в процессе движения подвижного состава позволяет оперативно, с большим опережением, оценивать обстановку на путях и принимать корректирующие действия, исключающие аварийные ситуации.
Изобретение, охарактеризованное указанными выше совокупностями существенных признаков, на дату подачи заявки не известно в Российской Федерации и за границей и отвечает требованиям критерия "новизна".
Изобретение может быть реализовано промышленным способом с использованием известных технических средств, технологий и материалов и соответствует требованиям критерия "промышленная применимость".
Заявителем не выявлены технические решения, имеющие признаки, совпадающие с совокупностью отличительных признаков предлагаемого способа и обеспечивающие достижение заявляемого технического результата, в связи с чем можно сделать вывод о соответствии изобретения условию патентоспособности "изобретательский уровень".
Предлагаемое изобретение иллюстрируется графическими материалами, где
- на фиг. 1 представлен локомотив с размещенными на нем элементами системы мониторинга, реализующей предлагаемый способ;
- на фиг. 2 показан выносной элемент на фиг. 1 (схематичное изображение электромагнитно-акустического преобразователя, взаимодействующего с рельсом);
- на фиг. 3 представлен один из возможных вариантов блок-схемы системы обработки сигналов.
Система мониторинга, реализующая предлагаемый способ, установлена на подвижном составе, предпочтительно на локомотиве (см. фиг. 1), и содержит акустические датчики 1, выполненные в виде электромагнитно-акустических преобразователей (ЭМАП), связанных с системой обработки сигналов (фиг. 3). ЭМАП 1, закрепленный на ходовой части тележки локомотива (на фиг. 2 узел крепления не показан), включает магнитную систему в виде постоянного магнита 2 и приемную катушку 3, установленную с зазором относительно верхней поверхности рельса 4. Минимальная величина зазора определяется конструктивными особенностями системы и условиями эксплуатации, а максимальная - необходимой чувствительностью датчика.
Система обработки сигналов выполнена в виде усилителя 5, вход которого соединен с ЭМАП 1, а выход через фильтр низких частот 6 подключен к аналого-цифровому преобразователю (АЦП) 7. Выход АЦП 7 через последовательно соединенные полосовой фильтр 8, блок быстрого преобразования Фурье (БПФ) 9 и пороговое устройство 10 подключен к устройству 11 отображения информации.
Способ мониторинга технического состояния рельсового пути реализуется при работе системы следующим образом.
При движении подвижного состава в рельсе возникает деформационная волна, являющаяся источником акустических колебаний, распространяющихся в направлении движения состава со скоростью 6000 м/с. Встречая на пути препятствие в виде неоднородности рельсов, в частности, вызванной их коррозией, трещинообразованием или соприкосновением с рельсами колесных пар другого подвижного состава и т.п., волна частично (а в случае излома рельса - полностью) отражается от неоднородности. Отраженный акустический сигнал, несущий информацию о возможном дефекте пути, распространяясь по рельсу в обратном направлении навстречу движущемуся составу, достигает соответствующего (левого или правого) ЭМАП 1. При взаимодействии акустических колебаний материала рельса 4 с магнитным полем магнитной системы 2 в рельсе наводятся вихревые токи, которые, в свою очередь, индуцируют ЭДС в приемной катушке 3 ЭМАП (так называемое обратное ЭМА-преобразование). Далее эквивалентный электрический сигнал с выхода катушки 3 поступает на вход системы обработки сигналов, где усиливается, преобразуется в цифровую форму с помощью АЦП 7 и через полосовой фильтр 8 поступает на вход блока БПФ 9, который может быть выполнен в виде специализированного процессора БПФ, где подвергается быстрому преобразованию Фурье для получения амплитудно-частотной характеристики спектра измеренного сигнала. При превышении допустимых пороговых значений сигналов, заложенных в памяти устройства 10, характерных для определенных типов дефектов рельсов, сигналы поступают на вход устройства отображения информации (дисплей) 11.
Использование в заявляемом способе мониторинга технического состояния рельсовых путей установленных на подвижном составе однонаправленных ЭМА-преобразователей, функционирующих в режиме приема отраженных от неоднородностей акустических сигналов, в сочетании с использованием в качестве источника акустического сигнала самого подвижного состава, деформирующего рельс в процессе движения, позволяют надежно и с высокой степенью вероятности выявлять дефекты как звеньевого, так и бесстыкового рельсового пути, а зная скорость движения поезда и время прихода отраженного сигнала, рассчитать расстояние от неоднородности и определить время сближения подвижного состава с потенциально опасным участком пути. Бесконтактный и непрерывный прием и анализ акустических сигналов в процессе движения подвижного состава позволяет исключить характерные для аналогов «мертвые зоны», остающиеся вне «поля зрения» системы мониторинга в режиме реального времени.
Реализующая способ система мониторинга характеризуется минимальным составом элементов и отсутствием движущихся (вращающихся) частей в тракте приема-передачи акустических колебаний. Исключается использование контактных жидкостей. Не предъявляется никаких требований к чистоте поверхности рельса, поскольку ЭДС индуцируется непосредственно в приемной катушке ЭМАП. По сравнению с точечным контактом колеса с рельсом, затрудняющим прием отраженного акустического сигнала в прототипе, приемная катушка ЭМАП, выполняемая преимущественно плоской и многовитковой, имеет гораздо большую площадь «сцепления» с верхней поверхностью рельса, что гарантирует более устойчивый прием сигнала посредством электромагнитного контакта.
Таким образом, заявляемое изобретение обеспечивает достижение технического результата, заключающегося в расширении функциональных возможностей и повышении надежности способа мониторинга технического состояния рельсового пути.