СПОСОБ ДИАГНОСТИРОВАНИЯ СОСТОЯНИЯ ЭЛЕКТРОИЗОЛИРУЮЩИХ ЭЛЕМЕНТОВ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ ШПАЛ
METHOD OF DIAGNOSING CONCRETE SLEEPER INSULATOR STATE

Изобретение относится к железнодорожной автоматике и телемеханике и может быть использовано при техническом обслуживании рельсовых цепей.
Известен способ контроля состояния электрической изоляции железобетонной шпалы, согласно которому измеряют напряжение между рельсами над контролируемой шпалой и напряжение между рельсом и одним из закладных болтов противоположного рельса, а затем находят их отношение делением результатов второго измерения на напряжение между рельсами. Если это отношение равно или меньше определенной величины, в зависимости от типа используемого измерительного прибора, то считается, что сопротивление изоляции железобетонной шпалы находится в норме [1, с.202-203]. Способ этот не дает никакой информации об исправности изоляции, так как контролируемые сопротивления изоляции при этом образуют делитель напряжения. Контролировать необходимо абсолютные значения сопротивлений изоляции, а отношение напряжений на делителе зависит от отношения сопротивлений этого делителя, а не от абсолютных значений этих сопротивлений.
Известен также способ контроля одностороннего пробоя изоляции железобетонной шпалы, когда измеряют ток утечки через шпалу при попеременном закорачивании закладных болтов на свой рельс. По величине измеряемого тока судят об исправности или неисправности изолирующих элементов соответствующего закладного болта [1, с.203]. Способ этот позволяет контролировать только случаи одновременной неисправности электроизолирующих элементов закладных болтов у обоих рельсов и не позволяет контролировать состояние электроизолирующей прокладки, устанавливаемой под подкладку рельса.
Целью изобретения является обеспечение возможности как профилактического диагностирования состояния каждого из электроизолирующих элементов железобетонной шпалы, так и определения, при чрезмерном снижении электрического сопротивления шпалы, какой из этих элементов вышел из строя.
Это достигается тем, что для обеспечения процесса диагностирования состояния элементов, определяющих уровень электрической изоляции другого рельса от шпалы, дополнительно измеряют токи через нижние и верхние изолирующие элементы каждого из двух закладных болтов другого рельса, вычисляют сопротивление каждого из этих элементов делением напряжения между рельсами на ток через соответствующий изолирующий элемент закладного болта, вычисляют токи утечки через каждый закладной болт делением напряжения между рельсами на сумму сопротивлений нижнего и верхнего электроизолирующих элементов соответствующего закладного болта, вычисляют сопротивление электроизолирующей прокладки, устанавливаемой под подкладку, делением напряжения между рельсами на разность тока утечки через шпалу с составляющими этого тока через закладные болты, а затем сравнением найденных значений сопротивлений электроизолирующих элементов с допускаемыми их значениями делают заключение о неисправности тех элементов, сопротивление которых оказывается меньше допускаемых значений.
На чертеже показана, для пояснения сущности разработанного способа, схема установки рельсов на железобетонной шпале с элементами электрической изоляции, а также указаны измеряемые токи и напряжения.
Рельсы 1 и 2 крепятся к железобетонной шпале 3 рельсовыми скреплениями, включающими в себя закладные болты 4, 5 и 6, 7, с помощью которых рельсы 1 и 2 крепятся к металлическим подкладкам соответственно 8 и 9, а также закладные болты 10, 11 и 12, 13, посредством которых металлические подкладки соответственно 8 и 9 крепятся к шпале 3.
Бетон отличается относительно большой электропроводностью, поэтому необходимая величина электрического сопротивления железобетонной шпалы между рельсами и по отношению к земле обеспечивается специальными электроизолирующими элементами.
Электрическую изоляцию металлических подкладок 8 и 9 от шпалы 3 обеспечивают прокладки повышенной упругости соответственно 14 и 15. Закладные болты 10, 11 и 12, 13 изолируются электрически от подкладок 8 и 9 изолирующими втулками соответственно 16, 17 и 18, 19. Электрическая изоляция закладных болтов 10, 11 и 12, 13 от бетона и струн 20 металлической арматуры шпалы обеспечивается пластмассовыми вкладышами-пустотообразователями соответственно 21, 22 и 23, 24.
В процессе эксплуатации под действием механических усилий от рельсов и загрязнения шпалы токопроводящими веществами электрическое сопротивление шпалы 3 между рельсами 1 и 2 уменьшается, что может приводить к отказам в работе рельсовых цепей.
Под действием механических усилий, передаваемых от рельсов 1 и 2 через закладные болты 10, 11 и 12, 13 на стенки вкладышей-пустотообразователей 21, 22 и 23, 24, стенки эти продавливаются и их изолирующие свойства теряются. В результате часто уже в течение первого года эксплуатации железобетонной шпалы происходит короткое замыкание нижней части закладных болтов на бетон шпалы 3 или на струны 20 ее металлической арматуры.
Загрязнение верхней поверхности шпалы 3 токопроводящими материалами вызывает ухудшение ее электрических свойств, часто приводит к перекрытию выступающих вверх кромок изолирующих прокладок 14 или 15, а также к перекрытию изолирующих втулок 10, 11 и 12, 13 грязным токопроводящим мокрым снегом или токопроводящей грязью, образованной материалами, используемыми для смазки рельсов. При выяснении причин отказов рельсовых цепей из-за чрезмерного снижения сопротивления изоляции рельсовой линии появляется необходимость диагностики состояния раздельно каждого из электроизолирующих элементов железобетонной шпалы.
На чертеже рассматривается случай диагностики состояния элементов, обеспечивающих электрическую изоляцию рельса 2 от шпалы 3.
Дифференцированное (раздельное) измерение токов утечки через одну из половин железобетонной шпалы или через одну из частей изоляции закладного болта обеспечивается подключением миллиамперметра параллельно этой части шпалы или болта и за счет этого закорачиванием той части изоляции, которая не должна влиять на результаты измерения.
21П
Например, при подключении миллиамперметра между рельсом 2 и закладным болтом 12 закорачивается изолирующая втулка 18, так как миллиамперметр имеет очень маленькое собственное сопротивление. Поэтому при этом подключении через миллиамперметр будет течь ток I, величина которого определяется только величиной сопротивлений вкладыша-пустотообразователя 23 и слоя бетона между ним и струнами 20 металлической арматуры шпалы.
Слои бетона между стенками вкладышей-пустотообразователей 21, 22, 23, 24 и ближайшими к ним струнами 20 металлической арматуры железобетонной шпалы 3 относительно тонкие. Поэтому псевдоемкостью бетона и определяемой ей емкостной проводимостью для токов утечки можно пренебречь и считать сопротивление этого слоя бетона чисто активным. Также чисто активным можно считать и электрическое сопротивление бетона между прокладками 14, 15 и струнами 20 металлической арматуры [2].
Ток утечки  в рельс 1 из рельса 2 через металлическую арматуру разделяется в элементах скрепления рельса 2 на ток  через закладной болт 12, ток  через закладной болт 13 и ток  через изолирующую прокладку 15. Для осуществления предлагаемого способа диагностирования состояния электроизолирующих элементов железобетонной шпалы необходимо измерение напряжения  между рельсами 1 и 2 над контролируемой шпалой 3, общего тока утечки  через изоляцию контролируемой части шпалы под рельсом 2, а также поочередное измерение токов  и , протекающих через вкладыши-пустотообразователи 23 и 24, устанавливаемые в нижних частях закладных болтов соответственно 12 и 13, и токов  и  через электроизолирующие втулки 18 и 19, устанавливаемые в верхних частях закладных болтов соответственно 12, 13.
Судить о том, исправны ли все элементы, обеспечивающие электрическую изоляцию рельса 2 от железобетонной шпалы, только по величине общего тока утечки  нельзя. Например, при пробитой, на струны 20 арматуры шпалы 3, изоляции вкладышей-пустотообразователей 23, 24 в нижней части одного или обоих закладных болтов 12 и 13 этот ток  будет очень мал, если при этом будут исправны электроизолирующие втулки соответственно 18 и 19.
Используя результаты измерений, вычисляют следующие параметры:
Электрическое сопротивление изоляции в нижней части закладного болта 12
где  - сопротивление электроизолирующего вкладыша-пустотообразователя 23 закладного болта 12;
2Б1
R - сопротивление бетона между струнами 20 арматуры и нижней частью закладного болта 12. Электрическое сопротивление втулки 18 в верхней части закладного болта 12
Электрическое сопротивление изоляции в нижней части закладного болта 13
где  - сопротивление электроизолирующего вкладыша-пустотообразователя 24 закладного болта 13;
2Б2
R - сопротивление бетона между струнами 20 арматуры и электроизолирующим вкладышем-пустотообразователем 24 закладного болта 13.
Электрическое сопротивление втулки 19 в верхней части закладного болта 13
Используя найденные значения сопротивлений, вычисляют ток утечки через закладной болт 12
и ток утечки через закладной болт 13
2БП
2Пр
2Б3
После этого вычисляется величина электрического сопротивления R цепи между рельсом 2 и струнами 20 арматуры, по которой протекает ток утечки  через изолирующую прокладку 15 с сопротивлением R, устанавливаемую под подкладку 9, и слой бетона с электрическим сопротивлением R между прокладкой 15 и струнами 20 арматуры шпалы
2Б1
2Б2
2Б3
2Б1
2Б2
2Б3
Величина электрического сопротивления прослоек бетона R; R и Rне превышает одной-двух сотен Ом, в то время как величина включенных последовательно с ними электрических сопротивлений вкладышей-пустотообразователей 23, 24 и изолирующей прокладки 15 при их исправности должна находиться в пределах сотен килоом. Поэтому наличие этих сопротивлений бетона R; R и R не является помехой для достоверного определения исправности или неисправности изоляции соответствующих вкладышей-пустотообразователей и прокладок под подкладку.
Таким образом, путем несложных измерений и элементарных вычислений с использованием закона Ома находятся истинные значения сопротивлений всех изолирующих элементов неисправной части железобетонной шпалы. Вычисленные значения сопротивления электроизолирующих элементов железобетонной шпалы сравнивают с соответствующими их минимально допустимыми значениями. Неисправным считается тот элемент, фактическое электрическое сопротивление которого меньше нормативного вследствие того, что изоляция этого элемента или пробита, или зашунтирована загрязняющими электропроводными грязью, мокрым снегом и т.п.
Для проверки исправности элементов, обеспечивающих электрическую изоляцию железобетонной шпалы 3 от другого рельса 1, выполняются точно такие же операции, начиная с измерения тока утечки через струны 20 арматуры шпалы 3 из рельса 1 в рельс 2.
Следовательно, предложенный способ позволяет использованием нескольких дополнительных несложных измерительных и вычислительных операций раздельно диагностировать состояние всех электроизолирующих элементов железобетонной шпалы. Предложенный способ, по сути, является способом неразрушающего контроля состояния элементов железобетонных шпал.
Эксперименты с использованием предложенного способа по диагностированию состояния электроизолирующих элементов эксплуатируемых на магистральных железных дорогах железобетонных шпал подтвердили достоверность контроля текущего состояния этих элементов и вполне достаточную для практических целей точность определения величины сопротивления контролируемых элементов.
Литература
1. Устройства СЦБ. Технология обслуживания. - М.: Транспорт, 1999. - 433 с.
2. Брылеев A.M., Кравцов Ю.А., Шишляков А.В. Устройство и работа рельсовых цепей. - М.: Транспорт, 1978. - 334 с.