СПОСОБ ДИАГНОСТИКИ РЕЛЬСОВОГО ПУТИ
METHOD OF TRACK DIAGNOSTICS

Изобретение относится к контрольно-измерительным устройствам для проверки состояния железнодорожного полотна с применением для отображения нескольких физических величин общего экрана и может быть использовано при комплексной диагностике рельсовых путей разнообразными приборами, например, в вагонах дефектоскопах.
Железные дороги являются сложными инженерно-техническими объектами с повышенной ответственностью за безопасность перевозок. Объектами контроля рельсовых путей являются:
- рельсы - на предмет наличия внутренних дефектов, повреждений головок и остряков, изменения геометрии рельсового пути и т.п.;
- шпалы - на предмет их посадки, разрушений и т.п.;
- подстилающая подушка рельсового пути - на предмет нарушения плотности, возникновения промоин, полостей и т.п.;
- контактная сеть электроснабжения - на предмет провисания проводов, состояния поддерживающих элементов и т.д.
Для контроля над указанными элементами используются ультразвуковые, магнитные, лазерные, радиолокационные, оптические, механические и другие методы неразрушающего контроля и соответствующие приборы. Каждый из измерительных приборов содержит средства измерения, обработки, хранения и отображения результатов. Контроль состояния рельсовых путей не должен существенно влиять на перевозки, что приводит к необходимости создания высокоскоростных, универсальных измерительных средств, осуществляющих всесторонний контроль состояния рельсового пути. Автоматические средства диагностики, как правило, не обеспечивают требуемый уровень достоверности, в результате чего возникают высокие вероятности «ложных тревог» и (или) пропуска дефекта. Но сегодняшний день наибольшую достоверность обеспечивают автоматизированные способы, основанные на взаимодействии измерительных устройств с оператором. При этом возможны два способа оценки полученных результатов:
- оперативный - позволяющий быстро обнаружить дефекты в процессе измерений и адекватно отреагировать на критическое состояние рельсового пути;
- лабораторный - предполагающий сохранение результатов измерений рельсового пути и их последующую обработку.
Известен способ диагностики рельсового пути [1], предполагающий ультразвуковую (УЗ) дефектоскопию рельсов, заключающийся в излучении УЗ зондирующих сигналов, приеме отраженных сигналов, обнаружении дефектов, сохранении результатов измерений, их отображении и аналие. Для оперативного анализа результатов зондирований используют:
1. А-скан - отображение временной зависимости амплитуд сигналов, полученных в ходе одного зондирования.
2. В-скан - отображение зависимости амплитуд сигналов, отраженных от дефектов, полученных по длине рельса.
3. Отображение обнаруженных дефектов на поперечных и продольных сечениях рельса.
Первые два способа отображения не наглядны, утомительны для восприятия и требуют высокой квалификации оператора. Третий способ более нагляден, но требует одновременного наблюдения за четырьмя проекциями рельса при зондировании двух рельсов одновременно.
Известен способ диагностики рельсового пути [2], также предполагающий использование УЗ методов дефектоскопии, с применением многоканальной схемы, что еще более затрудняет оперативный контроль состояния рельсового пути.
Общим недостатком способов [1] и [2] является ограниченные функциональные возможности по диагностике рельсового пути - только УЗ дефектоскопия рельсов.
Наиболее близким к заявляемому является способ диагностики рельсового пути [3], заключающийся в том, что приборы измерения разных параметров рельсового пути устанавливают на транспортное средство, которое перемещают вдоль рельсового пути, измеряют текущее положение и скорость перемещения приборов, указанными приборами периодически измеряют параметры рельсового пути, обнаруживают дефекты и определяют их координаты относительно соответствующего прибора, сохраняют результаты измерений, оперативно и после окончания обследования участка рельсового пути анализируют их и принимают решение о состоянии рельсового пути.
Недостатком этого способа является то, что разнообразные измерительные приборы, установленные на транспортном средстве, рассматриваются по отдельности. Однако результаты измерений обладают единством по расположению, взаимовлиянию, скорости перемещения и объектам исследования. Учет этого единства при установке, организации измерений и анализе результатов позволит повысить качество диагностики рельсового пути.
Объединение множества измерительной аппаратуры в вагоне дефектоскопе позволяет производить диагностику рельсового пути быстрее и дешевле. При установке и организации работы измерительных приборов следует учитывать их взаимовлияние, в частности электромагнитную совместимость. Периодичность измерения приборами должна выбираться из скорости движения транспортного средства для достижения требуемой разрешающей способности. Оперативный контроль состояния рельсового пути при наличии большого количества разнородной измерительной аппаратуры требует либо большого количества операторов (в способе [3] предполагается наличие 5 операторов), либо расшифровку результатов приходится проводить после окончания измерений, что снижает оперативность контроля. Кроме того, дефекты в разных элементах железной дороги зачастую связаны друг с другом, а некоторые дефекты обнаруживаются разными методами. В этих условиях целесообразно свести результаты измерений всех датчиков вместе, отобразить и анализировать их совместно.
Возможность заявляемого способа наиболее просто проследить на многоканальном УЗ дефектоскопе [2], фиг.1. Для уменьшения взаимовлияния и конструктивных особенностей измерителя электроакустические преобразователи (ЭАП), расположенные на поверхности катания, фиг.1-1, являющиеся по сути дела самостоятельными приборами, направляются в разные стороны - по ходу движения, в обратную сторону, перпендикулярно поверхности катания и т.д. В результате, например, отверстие болтового соединения рельсов сначала будет обнаружено передним УЗ преобразователем, направленным по ходу движения в положении a, после отражения от подошвы рельса, затем этот объект будет обнаружен тем же УЗ преобразователем в положении b. Затем соответствующие УЗ преобразователи обнаружат отражения c, d и e. При обычном способе обработки, отображения и анализа результаты измерений относятся к разным моментам времени, а оператор получит изображение фиг.1-2, из которого трудно понять, что обнаруженные отражатели относятся к одному и тому же объекту. Заявляемый способ предполагает, что все результаты измерений задерживаются так, чтобы обнаруженные отражатели свелись к одному поперечному сечению рельса. Таким образом, источники отражений a, b, c, d и e окажутся совмещенными, фиг.1-3, что позволят легко определить характер источника отражения.
Заметим, что совмещение результатов измерений электроакустическими преобразователями требует учета скорости их перемещения. Скорость перемещения влияет и на периодичность зондирований рельса, чтобы обеспечить требуемую разрешающую способность диагностики.
Задачей, решаемой заявляемым способом, является повышение качества диагностирования рельсового пути за счет соответствующей организации совместной работы измерительных приборов и объединения результатов, полученных от разных приборов, отображения их в удобной форме и совместного анализа.
Существенными отличиями заявляемого способа являются следующие:
синхронизация периодов измерений приборами со скоростью перемещения транспортного средства позволяет добиться требуемой разрешающей способности по каждому из приборов, а также исключить избыточные измерения при малых скоростях.
В прототипе вопрос синхронизации измерений не рассматривается.
Разнесение пространственно и (или) по времени работы приборов позволяет исключить или снизить их взаимовлияние. Пространственное разнесение предполагает установку приборов и соответствующих датчиков на расстояниях или направлениях, уменьшающих их влияние друг на друга. Например, в УЗ дефектоскопах направления пьезоэлектрических преобразователей выбираются так, чтобы исключить (снизить) интерференцию и дифракцию УЗ сигналов. Георадары, магнитные и УЗ измерители способны в значительной степени влиять друг на друга, так что помимо пространственного разнесения для решения проблемы электромагнитной совместимости приходится прибегать к временному разнесению моментов зондирования за счет соответствующей централизованной синхронизации.
В прототипе не рассматриваются вопросы совместимости приборов.
Задержка мгновенных результатов измерений всех приборов с учетом относительного положения и скорости перемещения приборов так, чтобы они относились к одним и тем же поперечным сечениям рельсового пути, позволяет получить сведения о дефектах, обнаруженных в указанном сечении всеми приборами. Пространственное совмещение этой информации позволяет анализировать интегральную информацию о дефектах и выявить взаимосвязь между ними.
В прототипе вопрос совместного анализа информации о дефектах не рассматривается.
Оперативная сигнализация об обнаружении дефекта, например, звуковая, позволяет привлечь внимание оператора к возникшему событию, поскольку длительное наблюдение за результатами измерений приводит к быстрой утомляемости оператора и возможности пропуска дефекта.
В прототипе отсутствует такая возможность.
Отображение в виде 3D изображения текущего отрезка рельсового пути и дефектов, обнаруженных в его поперечных сечениях всеми приборами, позволяет объединить все результаты измерений в понятный оператору образ.
В прототипе предполагается контроль оператором за результатами измерений каждым прибором по отдельности.
Оперативное решение о состоянии рельсового пути принимают одним оператором на основе анализа указанного изображения.
В прототипе предполагается использование 5 операторов.
Таким образом, заявляемый способ предполагает централизованное управление комплексом измерительных приборов и совместную обработку результатов по сравнению с прототипом и обеспечивает более высокое качество диагностики рельсового пути.
Заявляемый способ иллюстрируют следующие графические материалы:
Фиг.1 - схема обнаружения объекта при УЗ зондировании рельса, где ЭАП - электроакустические преобразователи многоканального УЗ дефектоскопа 1.
Фиг.2 - структурная схема устройства, реализующего заявляемый способ, где:
1 - многоканальный УЗ дефектоскоп,
2 - магнитный измеритель дефектов рельсов,
3 - подповерхностный георадар,
4 - датчик текущего положения,
5 - приемно-передающие устройства,
6 - сервер,
7 - запоминающее устройство,
8 - монитор.
Фиг.2-3d изображение отрезка рельсового пути, где
9 - дефект, обнаруженный УЗ дефектоскопом,
10 - подповерхностная промоина, обнаруженная георадаром.
Рассмотрим возможность реализации заявляемого способа на примере диагностики рельсового пути с использованием вагона дефектоскопа, содержащего, фиг.2, многоканальный УЗ дефектоскоп 1, магнитный измеритель рельсов 2, подповерхностный георадар 3 и датчик текущего положения 4 с соответствующими приемо-передающими устройствами (ППУ) 5. Каждый диагностический прибор ставит своей целью измерение соответствующих параметров железной дороги и создается соответствующей организацией или группой специалистов, которые решают задачу автономного проведения соответствующих измерений, оценку состояния по заданному параметру, обнаружения, отображения и диагностики дефекта. Для решения этой задачи они имеют собственные технические средства измерения, оценки и отображения результатов. Задача заявляемого способа состоит в обеспечении их комплексного использования. Каждый из измерительных приборов 1, 2 и 3 предполагает выработку зондирующих сигналов, получение и обработку полученных откликов и содержит компьютер. Все компьютеры через последовательный интерфейс соединены с сервером 5, снабженным внешним запоминающим устройством 6 с базой данных железнодорожного пути и монитором 7. База данных содержит сведения о геометрии рельсового пути, местоположении стыков, стрелок и т.п., а также о некритических дефектах, обнаруженных в предыдущих измерениях. Электроакустические преобразователи (ППУ 5) многоканального УЗ дефектоскопа 1 устанавливаются в задней части вагона дефектоскопа в подвесном блоке. Катушки магнитного измерителя 2 (ППУ 5) располагаются на оси колес вагона дефектоскопа в его передней части. Антенны подповерхностного георадара 3 (ППУ 5) располагаются в передней части вагона дефектоскопа. Такое расположение ППУ 5 выбирается исходя из электромагнитной совместимости, т.е. уменьшения их взаимовлияния. При установке измеряются параметры относительного положения ППУ 5. Датчик текущего положения 4 содержит аппаратуру GPS и измеритель пути «от колеса» с соответствующими ППУ 5. Предварительное определение положения вагона дефектоскопа осуществляет аппаратура GPS. Точная привязка производится периодически в сервере 5, например, путем обнаружения электромагнитным измерителем 2 характерных точек, в частности болтовых соединений рельсов, и их сопоставления с базой данных рельсового пути. Между точными привязками измерение положения производится «от колеса». По данным текущего положения в сервере 5 вычисляется скорость перемещения вагона дефектоскопа.
При перемещении вагона дефектоскопа в сервере 5 определяют периодичности формирования зондирующих сигналов в каждом из измерительных устройств 1-3 исходя из требований по их разрешающей способности и скорости перемещения вагона дефектоскопа. В сервере 6 формируют сигналы запуска соответствующих измерительных устройств с учетом возможности взаимовлияния зондирующих или ответных сигналов. Каждое из измерительных устройств 1-3 по сигналу от сервера 6 вырабатывает зондирующие сигналы, получает и обрабатывает полученные отклики. При этом обнаруживаются дефекты рельсового пути и определяются их координаты относительно соответствующих ППУ 5. Полученная информация, в том числе и сами сигналы, полученные каждым ППУ 5, передается в сервер 6, где сохраняются, а информация о дефектах привязывается к абсолютным координатам рельсового пути и связывается с поперечными сечениями рельсового пути. Таким образом, сведения о дефектах задерживаются в сервере. Данные о дефектах, обнаруженных на отрезке рельсового пути всеми измерителями, формируются после окончания работы на этом отрезке всеми измерительными устройствами 1-3. При наличии дефекта подается звуковой сигнал, привлекающий внимание оператора к устройству отображения. Информация о дефектах отображается на мониторе 7, который позволяет наблюдать 3D изображение, фиг.3, текущего двухнитевого отрезка рельсового пути с отметкой дефектов, обнаруженных всеми измерительными устройствами. На экране также могут отображаться координаты, характеристики дефекта и другая информация. На фиг.3 видно, что трещина 8 в головке рельса, обнаруженная ультразвуковым дефектоскопом, может быть вызвана промоиной 9 в подушке рельсового пути. Таки образом, заявляемый способ позволяет одному оператору оперативно наблюдать, оценивать обнаруженные дефекты и устанавливать взаимосвязь между ними.
Таким образом, заявляемый способ позволяет в оперативном режиме одним оператором производить наблюдение, анализ и оценку состояния рельсового пути, что позволяет повысить качество диагностики, а следовательно, безопасность железных дорог.
Источники информации
1. Марков А.А., Шпагин Д.А. Ультразвуковая дефектоскопия рельсов. 2-е изд. перераб. и доп. - СПб: Образование и культура, 2008.
2. Патент RU 2227911. Способ многоканального УЗ контроля рельсов.
3. RU 2066645. МОБИЛЬНЫЙ КОНТРОЛЬНО-ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЙ ДИАГНОСТИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС.