Способ прогнозирования развитий аномалий в головке рельсов
METHOD FOR PREDICTION OF DEVELOPMENT OF ANOMALIES IN RAIL HEAD

Способ прогнозирования развитии аномалий в головке рельсов относится способам и средствам неразрушающего контроля материалов и может быть использован для оценки состояния рельсов, с целью своевременного принятия мер по устранения проблем.
Известно, что наибольшее (до 70%) количество опасных дефектов в рельсовом пути возникает головке рельса [1], что определяет актуальность изобретения.
Дефекты могут иметь различные: форму, размеры, ориентацию, [1, 2] что затрудняет их обнаружение и оценку.
Дефектоскопия осуществляется путем перемещения поисковых средств по рельсовому пути различными транспортными устройствами (вагонами, автомотрисами, тележками) [3, 4].
Дефектоскопия осуществляется различными техническими средствами:
1. Магнитно-динамическими (МД), в том числе многоканальными.
2. Ультразвуковыми (УЗ), как правило, многоканальными.
3. Вихретоковыми (ВТ), применяемыми не часто из-за малой глубины обнаружения дефектов.
Каждое из средств обладает свойственными ему возможностями, особенностями применения, достоинствами и недостатками, а на результаты зондирований влияет множество случайных факторов.
Совершенствование дефектоскопических средств привело к возможности их применения на высокоскоростных транспортных средств, двигающихся со скоростями до 80 км/час и выше, что не требует длительного занятия рельсовых путей и позволяет повысить частоту проездов и вероятность обнаружения дефектов, а значит безопасность движения. В результате рельсовые пути дефектоскопируются несколько раз в месяц (от 20 до 60 раз в год [3]).
Результатами зондирований являются сигналы s от дефектоскопических средств, свидетельствующие об аномалии в головке рельса. Под аномалиями здесь и далее понимаются нарушения состояния головки рельсов (потенциальные дефекты), которые по [3] относят к «подозрительным» сечениям рельсов, на дефектограммах которых имеются сигналы от дефектов, не позволяющие однозначно оценить степень их опасности (см. стр. 10 [3]).
Указанные сигналы представляют оператору и сохраняют в виде развертки А (на координатной плоскости: «амплитуда - время распространения УЗ колебаний) и/или развертки типа В («время распространения УЗ колебаний - время движения преобразователя») в некотором окне наблюдения, соответствующему небольшому участку пути, на котором принимаются сигналы от искомого дефекта [4, 5].
Для оценки, сигналы s в соответствии с нормативными документами Российских железных дорог [6], как правило, сравниваются с двумя уровнями:
ш
- шума S, позволяющему исключить из дальнейшего рассмотрения сигналы помех с малой амплитудой;
оп
- дефекта S, при котором аномалию следует считать опасным дефектом с принятием соответствующих мер.
Такой анализ может проводиться автоматически и оперативно отображаться на экране оператора в процессе перемещения дефектоскопических средств.
Все сигналы s, полученные в процессе зондирований, сохраняются с привязкой к продольным координатам рельсового пути для последующего анализа в диагностической лаборатории. Для решения задачи привязки необходимо:
- определить текущую координату дефектоскопических средств на рельсовом пути с использованием: систем глобальной навигации (GPS, ГЛОНАС и т.п.), датчика скорости и одометра, сигналов от конструктивных элементов рельсового пути (стыкам, рельсовым подкладкам и т.д.) и других способов для достижения точности позиционирования до уровня дискретности зондирований головки рельса, например, 2 мм;
- совместить результаты зондирований s всеми каналами, пространственно разнесенных средств дефектоскопии, к поперечным сечениям рельса (развертка В по всем каналам в режиме «Сведение в единое сечение» [4]).
Лабораторный анализ результатов зондирований сопряжен с существенными трудозатратами.
Известен мобильный дефектоскопический комплекс [7] (патент RU 2438903), которое предполагает наличие различных средств дефектоскопии железнодорожной инфраструктуры. В данном решении содержатся принципиальные воззрения на мобильный диагностический комплекс с множеством диагностируемых параметров.
Недостатками способа [7] являются:
1) отсутствие технических решений множества конкретных задач дефектоскопии из-за декларативно-рекламного характера патента;
2) диагностический комплекс предназначен для высокоскоростной дефектоскопии, а для анализа использует только результаты текущих зондирований, без учета предыдущих.
Известен способ оценки аномалий в головке рельса [8] (Патент RU 2446971), заключающийся в том, что, зондируют ее, перемещая дефектоскопические средства по рельсовому пути и оценивая полученные сигналы, обнаруживают аномалии и регистрируют их с привязкой к координатам рельсового пути. Полученные результаты зондирований анализируют оперативно и в лабораторных условиях, причем эти действия выполняет оператор на основе опыта.
Недостатком этого способа является субъективный характер оценки аномалий, зависящий от опыта оператора, его внимательности и т.п.
Наиболее близким к заявляемому способу оценки аномалий в головке рельса является способ [9] (Патент RU 2521095), заключающийся том, что, зондируют ее, перемещая дефектоскопические средства по рельсовому пути и оценивая полученные сигналы, обнаруживают аномалии и регистрируют их с привязкой к координатам рельсового пути. Полученные результаты зондирований анализируют оперативно и в лабораторных условиях. Способ предполагает использование многоканальных УЗ и МД средств дефектоскопии, указывается целесообразность их совместного анализа. Кроме того, указывается на необходимость сохранения результатов зондирований в «диагностической карте» с последующим анализом оператором.
Недостатком этого способа является субъективный характер оценки аномалий, зависящий от опыта оператора, его внимательности и т.п. Многоканальность средств дефектоскопии предполагает учет сигналов каждого канала, измерение его параметров (до 5 параметров каждого сигнала) и их анализ для оценки степени опасности обнаруженных аномалий. Это существенно усложняет обработку сигналов и их оценку при принятии решений.
Таким образом, общими недостатками известных авторам способов оценки аномалий в головке рельса являются:
1) отсутствие объективных критериев для оценки сигналов от аномалий, кроме мгновенных амплитуд принятых сигналов в разных каналах, что приводит к необходимости визуальной оценки результатов дефектоскопии опытными операторами и препятствует автоматизации процесса обработки результатов зондирований;
2) отсутствие конкретных способов совместного учета результатов последовательных проездов участков рельсового пути дефектоскопическими средствами.
Для решения указанных проблем в способе прогнозирования развитей аномалии в головке рельсов, заключающемся том, что, зондируют их, перемещая дефектоскопические средства по рельсовому пути и оценивая полученные сигналы, обнаруживают аномалии и регистрируют их с привязкой к координатам рельсового пути, дополнительно по результатам зондирований формируют интегральный параметр каждой аномалии, при последующих зондированиях оценивают динамику изменения интегрального параметра аномалии, прогнозируют перспективы развития аномалии и планируют ремонтные мероприятия.
Существенными отличиями заявляемого способа прогнозирования развития аномалий в головке рельсов являются следующие.
По результатам зондирований формируют S - интегральный параметр каждой аномалии. Интегральный параметр является, например, числом, объединяющим аномальные сигналы в единую скалярную величину, позволяющую оценить степень их опасности и другие характеристики, в том числе в автоматическом режиме.
В прототипе интегральная оценка S не используется.
При последующих перемещениях дефектоскопических средств по данному рельсовому пути (через определенный временной интервал, определяемый графиком периодического контроля) повторяют зондирования с получением интегральной оценки S аномалии.
В прототипе также предусмотрены последовательные проезды по рельсовому пути с целью дефектоскопии, но с получением только амплитуд сигналов аномалий (без интегральной оценки S аномалии).
Сравнивают интегральные параметры S текущих и ранее найденных аномалий, что позволяет определить динамику их изменений.
В прототипе также предусмотрена возможность сравнения «новых» сигналов зондирований со «старыми» - предыдущими, по результатам сравнений делают некоторую оценку и заменяют «старые» сигналы на «новые». Таким образом, оценка результатов проводится на ограниченном временном интервале.
Оценивают динамику изменения интегрального параметра S каждой аномалии и прогнозируют перспективы развития каждой аномалии, что позволяет заранее определить сроки достижения ею критических значений.
В прототипе прогнозирование не предусмотрено.
Планируют ремонтные мероприятия, что позволяет принять соответствующие упреждающие меры. Плановые работы (установка усиливающих дефектное сечение накладок, изъятие участка рельса и т.п.) по восстановлению целостности пути до достижения критического размера дефекта гораздо дешевле, чем немедленное восстановление остродефектного рельса.
В прототипе предусмотрена лишь реакция на обнаруженные дефекты.
Техническим результатом использования заявляемого способа прогнозирования аномалий в головке рельсов является возможность предопределения развития аномалий до возникновения критических ситуаций, требующих немедленного вмешательства, в том числе в автоматическом режиме.
Заявляемый способ прогнозирования развития аномалий в головке рельсов иллюстрируют следующие графические материалы:
Фиг. 1. Алгоритм (упрощенный) работы заявляемого способа при прогнозировании развития аномалий.
Фиг. 2. Пример интегральной оценки многоканальной УЗ дефектоскопии.
Фиг. 3. График прогнозирования развития аномалий.
Рассмотрим возможность реализации заявляемого способа.
На вагон, автомотрису, автомобиль или любую подвижную единицу на рельсовом ходу устанавливают многоканальные дефектоскопические средства одного или нескольких типов (МД, УЗ и т.п.), обеспечивая простоту их крепления, электромагнитную совместимость и другие обстоятельства. Перемещают дефектоскопические средства по рельсовому пути, обеспечивая диагностику головки на всей дистанции рельсового пути.
ш
Алгоритм работы заявляемого способа приведен на Фиг. 1. В соответствии с алгоритмом зондируют рельс (его головку), для чего излучают возбуждающие и принимают соответствующие отраженные от возможных дефектов сигналы s. При этом, различными средствами навигации, рассмотренными выше, определяют текущие координаты средств дефектоскопии на рельсовом пути с учетом скорости перемещения, относительного положения и т.п. Частоту (периодичность) зондирования головки рельса в процессе сканирования выбирают для достижения требуемой разрешающей способности по длине рельсового пути, например, через каждые 2 мм. На первом этапе проводится фильтрация сигналов s путем сравнения их с шумовым порогом S. Сигналы s, принятые по различным каналам многоканального дефектоскопа и превышающие по амплитуде шумовой порог, свидетельствуют о возможном наличии аномалий в головке рельса, и отображаются в виде развертки типа А, которую сложно наблюдать в оперативном режиме.
На втором этапе производится приведение результатов измерений s к поперечному сечению рельса с формированием развертки В, которая отображается оператору оперативно в ходе перемещения, и сохраняется для последующего анализа.
При наличии известных признаков сигналов от дефекта (наклонные пачки сигналов) осуществляется формирование интегральной оценки дефектного сечения. При отсутствии таких признаков (например, одновременное появление сигналов во всей временной зоне от электромагнитных помех) сигналы относят к «случайным» и исключают из дальнейшего рассмотрения.
Таким образом, при анализе сигналы s необходимо разделить на (Фиг. 1):
1. «Случайные», которые, следует исключить из рассмотрения, т.к. по косвенным признакам они не относятся сигналам от дефектов (например, сигналы от кратковременных электромагнитных помех - возникают во всем временном интервале одновременно, в отличие от сигналов от отражателей, сдвигающиеся по временной шкале по мере движения ЭАП).
2. «Опасные или ОДР по [2]» - у которых интегральная оценка выше порогового значения, свидетельствующая о необходимости немедленной реакции.
3. «Подозрительные» по [2] - которые не являются сигналами от опасных дефектов, но требуют более пристального внимания при последующих диагностических проездах.
В соответствии с этими очевидными правилами указанные операции диференцации сигналов проводится оперативно в процессе движения средств дефектоскопии.
инт
На третьем этапе формируется и запоминается для последующего анализа интегральная S оценка сигналов s, принятых различными средствами и их каналами зондирования. Эта задача может решаться различными способами:
- по всем средствам зондирования;
- по каждому каналу определенного средства зондирования;
- по группам средств зондирования.
инт
м
мi
В случае одноканальной МД дефектоскопии, в качестве S может выступать амплитуда ΔS - размах сигнала аномалии. При наличии нескольких - n МД каналов с сигналами ΔS можно использовать усредненную сумму:
УЗ
д
д
Сигналы каждого УЗ канала, реализующих методы отражения (эхо метод и зеркальный методы контроля), как отмечено в [5], можно описать как минимум четырьмя параметрами: условная высота ΔS и условная длительность ΔL сигнала, амплитуда U (коэффициент k выявляемости) и глубина залегания h отражателя. Например, для системы, состоящей из n=6 УЗ каналов, озвучивающих головку рельса, суммарно формируется 24 измеряемых параметра. Естественно оперировать таким количеством параметров при анализе сигналов, особенно при многократных инспекциях (проездах), весьма проблематично.
При этом развертка типа В, имеет вид, показанный на Фиг. 2б. Каналы УЗ дефектоскопии отличаются направленностью. Их можно сгруппировать по принципу «наезжающий» - «отъезжающий», но по общей плоскости зондирования и по другим принципам.
В качестве примера на Фиг. 2а показана схема прозвучивания головки 1 рельса с поперечным дефектом 2, озвучиваемым по мере сканирования шестью (n=6) электроакустическими преобразователями (ЭАП): «наезжающими» №3, 4 и 5, и «отъезжающими» №6, 7 и 8 с разными углами ввода УЗ колебаний в металл рельса. В соответствии с известными техническими решениями [4] регистрация сигналов от каждого ЭАП осуществляется в отдельную зону («дорожку») регистрации. Причем, с целью экономии площади дефектограмм 9, сигналы от так называемых «одноименных» ЭАП (под одинаковыми углами, но по- и против движения, например ЭАП 3 и 6) регистрируются на одну общую дорожку. Вследствие разнонаправленности озвучивания дефекта 2 на дефектограмме 9 формируются группы в виде пачки сигналов в виде наклонных линий разной ориентации (см., например, пачки сигналов 3р и 6р на Фиг. 2б) и могут быть визуально (и программно) различимыми.
УЗi
УЗi
В рассматриваемом примере, для формирования интегрального параметра выбирается наиболее информативный параметр пачки эхо-сигналов от возможного дефекта - условная высота ΔS пачки сигнала (Фиг. 2 б), которая измеряется в мкс (или в условных единицах). В отличие от принятого в качестве основного параметра в [6] условной протяженности ΔL (в мм) данный параметр не зависит от погрешности (проскальзывания) одометра. Выбор ΔS еще обусловлен тем, что при наличии группы сигналов (т.н. дробленой пачки) от анализируемого сечения можно просуммировать значения их параметров и получить единый параметр сигналов от конкретного канала.
УЗi
инт
УЗi
Физически изображения наклонных пачек сигналов с параметрами ΔS на развертке типа В представляют количество эхо-сигналов с амплитудами выше порогового уровня, полученными от отражателя в пределах диаграммы направленности ЭАП в процессе сканирования искательной системой (ЭАП №№3 - 8 на Фиг. 2). Сумма всех сигналов, полученных от дефекта со всех возможных сторон множеством преобразователей, в определенной мере отражает степень развитости и потенциальной опасности дефекта. Эту суммарную величину можно использовать в качестве интегральной оценки S дефекта при многоканальном сканировании. Операции измерения параметров ΔS, их суммирование и получение усредненных параметров  могут быть автоматизированы.
УЗi
инт
Таким образом, каждая из групп принятых отраженных сигналов может быть оценена в виде ее условной высоты - ΔS. Тогда в качестве интегральной оценки S может выступать усредненная сумма объединенных групп сигналов
инт
Достаточно частые проезды (на грузонапряженных участках до 5 раз в месяц) дефектоскопическими средствами по дистанциям рельсового пути позволяют оценить динамику развития аномалии во времени Т, которая заключается в аппроксимации полученных при каждом инспекционном проезде интегральных оценок S, например, линейным полиномом (Фиг. 3), с использованием метода наименьших квадратов, дающим несмещенную оценку случайных составляющих с минимальной дисперсией. На Фиг. 3 по горизонтальной оси показаны порядковые номера инспекционных проездов дефектоскопического средства по участку пути, содержащему аномальные сечения D и G в головке рельсов 1 при анализе сигналов контроля по приведенному выше алгоритму (Фиг. 1).
инт
оп
D
оп
G
Полученный полином позволяет выполнить прогноз развития (Фиг. 1) интегральной оценки аномалии S, т.е. время достижения дефектного (опасного для дальнейшей эксплуатации) уровня S. Например, для аномалии D перспектива развития S достаточно отдаленная (благоприятная для дальнейшей эксплуатации участка пути), а для аномалии G опасный уровень S дефекта интегральной оценки S может быть достигнут достаточно скоро и уже после 25-го инспекционного проезда (Фиг. 3) необходимо запланировать упреждающие (ремонтные) работы. Состав и объем ремонтных работ зависит от многих внешних факторов: грузонапряженности и пропущенного тоннажа, типа рельсового пути (звеньевой или бесстыковой) участка с обнаруженными аномалиями и в предмет заявки не входит.
Приведенная выше последовательность формирования интегрального параметра при многоканальном ультразвуковом контроле приведена в качестве примера, доказывающего реализуемость предлагаемого способа. В общем случае, при формировании обобщающего параметра могут использоваться и другие параметры сигналов. Например, в дополнение к условной высоте можно учитывать и значения амплитуд каждого эхо-сигнала. При суммировании параметров можно дополнительно ввести коэффициенты значимости каналов (к примеру, сигналы зеркальных каналов с большей вероятностью могут свидетельствовать о развитых дефектах, чем сигналы от эхо-каналов).
Аналогичным образом можно получить обобщающий интегральный параметр для нескольких методов контроля: например, магнитного и ультразвуковых методов. В любом случае параметры отдельных методов должны быть нормированы, с помощью соответствующих коэффициентов определены значимость каждого метода, и получено числовое значение, объединяющее аномальные сигналы в единую скалярную величину. По этой величине оценивается степень опасности аномального сечения и отслеживается динамика развития аномалии при многократном (периодическом) контроле.
Анализ множества дефектограмм и последующего развития событий с рельсами показывает, что скорость развития поперечных (наиболее опасных) трещин в головках рельсах значительно выше, чем продольных. В результате оценка скорости развития дефекта в головке рельса позволяет, в том числе определить ориентацию дефекта.
Таким образом, заявляемый способ может быть реализован и позволяет оценить аномалии в голове рельсов и определить перспективы их развития. Плановые ремонтные работы оказываются существенно более дешевыми, чем аварийное изъятие дефектных рельсов из пути.
Источники информации:
1. Шур Е.А. Повреждения рельсов. - М: Интекст, 2012. - 192 с.
2. Инструкция «Дефекты рельсов. Классификация, каталог и параметры дефектных и остродефектных рельсов». Утв. ОАО «РЖД» распоряжением №2499 р от 23.10.2014. - 140 с.
3. Положение о системе неразрушающего контроля рельсов и эксплуатации средств рельсовой дефектоскопии в путевом хозяйстве железных дорог ОАО «РЖД» (утв. распоряжением ОАО «РЖД» от 26.07.2017 г. №1471/р).
4. Марков А.А., Кузнецова Е.А. Дефектоскопия рельсов. Формирование и анализ сигналов. Книга 2. Расшифровка дефектограмм. С-Пб.: Ультра Принт. 2014.
5. Марков А.А., Кузнецова Е.А. Дефектоскопия рельсов. Формирование и анализ сигналов. Книга 1. Основы. - СПб.: КультИнформ-Пресс, 2010. 290 с.
6. Положение о расшифровке результатов НК рельсов (расп. ОАО «РЖД» от 09.01.2018 №ЦДИ-1/p). Изменения в Положение (от 29.05.2018 №ЦДИ-558/p).
7. RU 2438903.
8. RU 2446971.
9. RU 2521095.