СПОСОБ ОЦЕНКИ ЗАПАСА УСТОЙЧИВОСТИ БЕССТЫКОВОГО ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ПУТИ
METHOD FOR ASTIMATING STABILITY MARGIN OF CONTINUOUS WELDED RAILWAY TRACK

Изобретение относится к области контроля состояния железнодорожного полотна, в частности к неразрушающим методам контроля напряженного состояния участков рельсовых плетей бесстыкового железнодорожного пути, вызываемого изменениями температуры. Может быть использовано для оценки запаса устойчивости бесстыкового железнодорожного пути.
Уровень техники известен из системы контроля перемещений рельсовой плети железнодорожного пути, содержащей транспортное средство, снабженное регистрирующим устройством и бесконтактными датчиками, установленными с возможностью обнаружения и анализа расположения рабочих меток, нанесенных на рельсовую плеть и на подкладку маячной шпалы (патент на изобретение RU №2174082, заявка: №2000127662 от 08.11.2000, МПК B61K 9/08).
Недостатком известной системы является то, что контроль деформации рельсовой плети бесстыкового пути осуществляется только по меткам, расположенным на рельсовой плети (на верхней части подошвы рельсовой плети) и на репере (на подкладке «маячной» шпалы), что является недостаточным для получения достоверных результатов и исключения ложного срабатывания системы, и, кроме того, в известном устройстве анализу подвергаются метки, нанесенные краской, что также не способствует повышению достоверности результатов.
Известен способ определения состояния рельсошпальной решетки эксплуатируемого железнодорожного бесстыкового пути, преимущественно ее продольно-поперечной устойчивости под действием в ней продольных сжимающих температурных сил, заключающийся в том, что путеизмерительными средствами непрерывно измеряют кривизну рельсовых плетей в плоскости пути, периодически измеряют температуру этих же плетей при помощи бесконтактных температурных датчиков, определяют по формуле средние значения продольных сжимающих каждую рельсовую плеть сил, непрерывно определяют по формуле силы, стремящиеся сдвинуть шпалы поперек пути, сравнивают значения последних с допускаемыми их значениями для данного участка пути (патент RU №2038441, заявка: 5045651 от 21.04.1992, МПК Е01В 35/00).
К недостаткам способа следует отнести следующие:
- использование для определения сил значений кривизны, отнесенной к расстоянию между осями соседних шпал, т.е. мгновенных значений кривизны, ввиду того, что из-за солидарной работы всех элементов рельсошпальной решетки и жесткости рельсов в плоскости пути невозможны поперечные деформации (искривления) на таком расстоянии (до 0,5 м) при нагревании рельсов.
- необходимо иметь систему контроля за продольными силами в рельсах бесстыкового пути, чтобы вовремя обнаруживать опасные отступления от установленного температурного режима, особенно в случаях возникновения на пути мест с избыточными сжимающими силами.
Известен способ контроля рельсовых плетей бесстыкового железнодорожного пути, включающим регистрацию температуры рельсовой плети при укладке ее в путь и после проведения ремонтных работ, контроль за усилием затяжки гаек клеммных и закладных болтов и за продольными подвижками (угоном) плетей по смещениям контрольных сечений рельсовой плети относительно "маячных" шпал, проведение мероприятий по устранению угона, превышающего допустимые нормы, при этом выявляют участки напряженного состояния рельсовой плети, для этого на рельсовой плети в сечениях с интервалом 50-500 метров определяют текущее значение температуры плети, интенсивность генерируемого шума Баркгаузена, определяют фактическое значение механических продольных напряжений по графику зависимости интенсивности шумов Баркгаузена от механических продольных напряжений полученной при калибровке анализатора интенсивности магнитных шумов Баркгаузена, при этом калибровку анализатора шумов Баркгаузена проводят на образцах вырезанных из рельсовой стали, причем калибровочный образец подвергается осевому сжатию или осевому сжатию и продольному изгибу от усилия осевого сжатия, при построении калибровочной зависимости интенсивность магнитных шумов Баркгаузена оценивают в относительных единицах определяемых как отношение разности показаний анализатора к их сумме, полученной при измерении интенсивности магнитных шумов Баркгаузена в двух взаимно перпендикулярных направлениях, одно из которых должно совпадать с направлением приложения нагрузки при калибровке анализатора и направлением продольной оси рельса при измерении на рельсе, полученные значения напряжений и температуры наносят на расчетную зависимость значений напряжений в рельсе от температуры рельсовой плети, определяют разность между измеренными напряжениями и расчетными напряжениями и по величине разности напряжений на расчетной зависимости определяют отклонение температуры закрепления от ее нормативного значения и в случае ее превышения проводят работы по введению бесстыкового пути в нормируемый температурный режим (патент RU №2251114, заявка: 2012157562 от 27.12.2012, МПК Е01В 35/12). Данное техническое решение принято в качестве прототипа.
К недостаткам данного способа следует отнести следующие:
- сложность реализации способа,
- необходимость иметь калибровочную зависимость интенсивности шумов Баркгаузена,
Интенсивность шумов Баркгаузена определяется не только напряженным состоянием материала, но и многими другими свойствами, такими как структура материала, наличие поверхностных дефектов, намагниченность и другими свойствами. Поэтому чтобы точно определить механические напряжения в данном сечении железнодорожной плети, необходимо иметь калибровочную зависимость для каждого сечения плети, где производится определение интенсивности шумов Баркгаузена, что практически невозможно.
Задачей заявляемого технического решения является повышение безопасности движения железнодорожного движения.
В процессе решения поставленной задачи достигается технический результат, заключающийся в повышении оценки запаса устойчивости бесстыкового железнодорожного пути, вызываемого изменениями температуры рельсовой плети, по сравнению с оптимальной температурой закрепления плети.
зф
Указанный технический результат достигается способом оценки запаса устойчивости бесстыкового железнодорожного пути, включающим регистрацию температуры рельсовой плети при укладке ее в путь, а также после проведения ремонтных работ, выявление участков напряженного состояния рельсовой плети, для этого на рельсовой плети в сечениях с интервалом 50-500 метров определяют текущее значение температуры плети и интенсивность генерируемого шума Баркгаузена в рассматриваемом сечении пути, интенсивность магнитных шумов Баркгаузена оценивают в относительных единицах, определение фактической температуру закрепления плети, при этом текущее значение температуры плети и интенсивность генерируемого шума Баркгаузена, определяют при различных значениях температуры плети не менее двух раз: первый раз при температурах плети, которая меньше температуры укладки плети, и второй раз при температурах выше температуры укладки плети, по значениям интенсивности шума Баркгаузена, полученным при температурах плети, которая меньше температуры укладки плети, получают уравнение растяжения плети, по значениям интенсивности шума Баркгаузена, полученным при температурах плети, которая выше температуры укладки плети, получают уравнение сжатия плети, определяют расчетным путем фактическую температуру закрепления плети t в рассматриваемом сечении, решая систему двух уравнений:
,
,
где: 1 - уравнение зависимости интенсивности шума Баркгаузена И(у) от температуры рельса t(x) при температурах меньше температуры укладки плети,
2 - уравнение зависимости интенсивности шума Баркгаузена И(у) от температуры t(x) при температурах выше температуры укладки плети,
1
2
1
2
1
А=(И-И) - где И и И - интенсивность шумов Баркгаузена, полученных при первом и втором измерениях, при температуре рельса меньше температуры укладки плети, у.е.
1
p2
p1
p1
p2
B=(t-t) - где t и t - температура рельса в рассматриваемом сечении пути при первом и втором измерениях при температуре рельса меньше температуры укладки плети °С,
1
p1
2
p2
1
C=(t*И-t*И) - число свободного члена в уравнении зависимости интенсивности шума Баркгаузена от температуры рельса при температурах меньше температуры укладки плети,
2
4
3
3
4
А=(И-И) - где И и И - интенсивность шумов Баркгаузена, полученных при третьем и четвертом измерениях, при температуре рельса выше температуры укладки плети, у.е.,
2
p4
p3
p3
p4
В=(t-t) - где t и t - температура рельса в рассматриваемом сечении пути при третьем и четвертом измерениях при температуре рельса выше температуры укладки плети °С,
2
p3
4
p4
3
С=(t*И-t*И) - число свободного члена в уравнении зависимости интенсивности шума Баркгаузена от температуры рельса при температурах выше температуры укладки плети,
у
p
зф
зф3
y
факт
определяют фактическое повышение температуры рельсовой плети [Δt]=(t-t) над фактической температурой закрепления плети t, полученное значение сравнивают с нормируемым допускаемым повышением температуры рельсовых плетей относительно температуры их закрепления в рассматриваемом сечении пути [Δt], по полученной разности судят о температурном запасе устойчивости в рассматриваемом сечении бесстыкового пути. Кроме этого, интенсивность генерируемого шума Баркгаузена определяют одновременно с определением текущего значения температуры рельса, текущее значение температуры рельса и интенсивность генерируемого шума Баркгаузена определяют на шейке рельса с двух сторон, затем вычисляют среднее значение.
Контроль температурного режима работы бесстыкового железнодорожного пути производится при проходе путеизмерительной техники, а также натурном осмотре и промере многих параметров, определяющих текущее состояние железнодорожной плети. Определяют текущее состояние неровностей геометрии рельсовой колеи в плане, длину волны и амплитуду неровностей, состояние скреплений (моменты затяжки, силы прижатия клемм), состояние балластной призмы (размеры плеча, полнота балластной призмы в шпальных ящиках). Предлагаемый способ позволит в совокупности с данными параметрами бесстыкового пути значительно повысить точность оценки запаса устойчивости бесстыкового железнодорожного пути.
Предлагаемый способ оценки запаса устойчивости бесстыкового железнодорожного пути основан на методе изменения интенсивности шумов Баркгаузена в зависимости от величины механических напряжений. Структурные изменения, происходящие в рельсовых сталях при термической обработке, а также в процессе эксплуатации, влияют на интенсивность шумов Баркгаузена, что позволяет использовать метод шума Баркгаузена для неразрушающего контроля механических напряжений в рельсовой цепи. Наличие упругих внутренних напряжений материала рельсовой плети, их значения и характер распределения оказывают влияние на то, каким образом домены определяют для себя ось легкого намагничивания и как они ориентируются по отношению друг к другу, определяют интенсивность генерируемого шума Баркгаузена.
Авторами разработано устройство, позволяющее получать линейные зависимости интенсивности шумов Баркгаузена при деформации сжатия и деформации растяжения. При этом при увеличении деформации сжатия интенсивность шумов Баркгаузена снижается, а при увеличении деформации растяжения, интенсивность шумов Баркгаузена возрастает.
зф
у
p
зф
зф
y
факт
Бесстыковой путь согласно действующим указаниям по укладке пути должен закрепляться при оптимальных температурах, которые приведены в табл. П. 2.1 в «Инструкции по устройству, укладке, содержанию и ремонту бесстыкового пути», утвержденной Распоряжением ОАО «РЖД» №2788р от 29 декабря 2012 г.) Для Дальневосточной дирекции инфраструктуры эта температура составляет 35±5°С. Железнодорожная плеть при нагреве атмосферным воздухом и лучами солнца до температуры, равной оптимальной температуре укладки (35°С) находится в растянутом состоянии, а выше оптимальной температуры закрепления плети (35°С) находится в сжатом состоянии. Таким образом, достаточно определить интенсивность генерируемого шума Баркгаузена при различных значениях температуры плети не менее двух раз, при температурах плети меньше температуры закрепления плети и не менее двух раз при температурах выше температуры закрепления плети, по значениям интенсивности шума Баркгаузена, полученным при температурах плети меньше температуры укладки плети, получить уравнение растяжения плети, по значениям интенсивности шума Баркгаузена, полученным при температурах плети выше температуры укладки плети, получить уравнение сжатия плети. Фактическую температуру закрепления плети t в рассматриваемом сечении определяют расчетным путем, решая систему из двух полученных уравнений. Чтобы оценить запас устойчивости бесстыкового железнодорожного пути, достаточно определить фактическое повышение температуры рельсовой плети [Δt]=(t-t) над фактической температурой закрепления плети t и сравнить полученное значение с нормируемым допускаемым повышением температуры рельсовых плетей относительно температуры их закрепления в рассматриваемом сечении пути [Δt]. По полученной разности можно судить о температурном запасе устойчивости в рассматриваемом сечении бесстыкового пути.
Исключить вероятность выброса пути возможно, если вовремя провести мероприятия по снижению напряжений в рельсовой плети. Такая работа проводится, если известно напряжение сжатия в рельсовой плети и температура, при которой определено напряжение сжатия и температура укладки плети. Точно определить механические напряжения в рельсовой плети - задача сложная. Предлагается достаточно простой в исполнении, не требующий длительного времени в исполнении, без определения абсолютных значений механических напряжений в плети способ контроля температурного режима работы бесстыкового железнодорожного пути, позволяющий получать результаты, имеющие высокую достоверность.
Предлагаемый способ реализуется следующим образом.
По паспорту плети определяется оптимальная температура рельсовых плетей при закреплении в железнодорожном пути. Исследовали железнодорожное полотно, уложенное на ст.Комсомольск Дальневосточной железной дороги. По сведениям из паспорта плеть длиной 1030 м закреплялась при температуре 30°С. Интенсивность шумов Баркгаузена определяли прибором УКБП, разработанным в ООО «НТЦ Информационные Технологии». Температуру рельса определяли термометром контактным ТК-5.06. Контроль температурного режима работы бесстыкового железнодорожного пути проводили первый раз при температуре атмосферного воздуха (19°С-21°С) с 8-00 до 12-00 час, температура левой и правой плетей в процессе контроля находились в пределах 23°С-29,5°С, и второй раз при температуре атмосферного воздуха (30-32)°C с 13-00 до 15-00 час, температура плетей находилась в пределах (37°С-49°С). Определение интенсивности шумов Баркгаузена определяли в центре криволинейного участка плети (пикет 6-7). Интенсивность генерируемых магнитных шумов Баркгаузена оценивали в относительных единицах, определяли дважды при различных текущих значениях температуры плетей в одних и тех же сечениях плети, один раз при температуре ниже оптимальной температуры закрепления плети (23°С и 28°С,) второй раз при температуре выше оптимальной температуры закрепления плети (38°С и 49°С). Результаты измерений для правой ветви представлены в таблице №1.
Уравнение зависимости интенсивности шума Баркгаузена от температуры рельса при температурах меньше температуры укладки плети и выше температуры укладки плети с учетом полученных данных имеют вид
,
,
зф
ШБ
Решением данного уравнения являются х=t=39,15°C; у=И=0.329 у.е.
Графическое решение для полученной системы уравнений представлено на рис. 1. Здесь 1 - зависимость интенсивности шума Баркгаузена от температуры рельса при температурах меньше температуры укладки, 2 - зависимость интенсивности шума Баркгаузена от температуры рельса при температурах выше температуры укладки плети, 3 - разность температур при температурах рельса меньше температуры укладки, 4 - разность интенсивностей шума Баркгаузена при температурах рельса меньше температуры укладки, 5 - разность интенсивностей шума Баркгаузена при температурах рельса выше температуры укладки, 6 - разность температур при температурах рельса выше температуры укладки, 7 - точка пересечения графиков 1 2, соответствует реальной температуре закрепления плети.
По оценке запаса устойчивости бесстыкового пути можно воспользоваться рекомендациями которые изложены в работе Овчинникова Д.В. ««Определение запаса устойчивости бесстыкового пути с учетом его фактического текущего состояния», Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук, Самара 2014 г.»:
a) «зеленая зона» - снижение величины максимально допустимых превышений температур относительно температуры закрепления не превышает 10°С, то есть:
факт
[Δty]-[Δty]≤10,°С.
Устойчивость бесстыкового пути при указанных значениях величины запаса устойчивости полностью обеспечивается.
b) «желтая зона» - снижение величины максимально допустимых превышений температур относительно температуры закрепления находится в пределах:
факт
10<[Δty]-[Δty]≤15,°С.
Устойчивость бесстыкового пути при указанных значениях величины запаса устойчивости обеспечивается частично, то есть данные участки требует принятия мер по устранению отступлений в плановом порядке.
c) «оранжевая зона» - снижение величины максимально допустимых превышений температур относительно температуры закрепления находится в пределах:
факт
15<[Δty]-[Δtу]≤20,°С.
Бесстыковой путь при указанных значениях величины запаса устойчивости приближается к предотказному состоянию, поэтому данные участки рассматриваются как потенциально опасные по критерию обеспечения устойчивости.
d) «красная зона» - снижение величины максимально допустимых превышений температур относительно температуры закрепления превышает величину 20°С, то есть:
факт
[Δty]-[Δty]>20,°С.
Устойчивость бесстыкового пути при указанных значениях величины запаса устойчивости не обеспечивается, то есть на данных участках необходимо незамедлительно принять меры по устранению отступлений от норм содержания пути в плане и содержания балластной призмы.
Предлагается достаточно простой в исполнении, не требующий длительного времени в исполнении, без определения абсолютных значений механических напряжений в плети способ контроля температурного режима работы бесстыкового железнодорожного пути, позволяющий получать результаты, имеющие высокую достоверность.