Способ контроля поверхности катания железнодорожных колес в движении
METHOD FOR TESTING THE ROLLING SURFACE OF RAILWAY WHEELS IN MOTION

Изобретение относится к области технической диагностики и неразрушающего контроля, и может быть использовано для контроля за состоянием колесных пар вагонов в ходе движения железнодорожного состава.
р
Известен способ обнаружения дефектов поверхности катания колес железнодорожного состава в движении (см. патент РФ №2480711, МПК G01B 7/34), заключающийся в том, что на измерительном участке прямолинейного пути на рельс устанавливают тензодатчики, в процессе движения колесной пары по измерительному участку регистрируют сигналы одновременно со всех тензодатчиков, по которым судят о наличии дефекта поверхности катания, при этом тензодатчики устанавливают симметрично парами, по сигналам с тензодатчиков определяют симметричные и асимметричные деформации шейки рельса, по превышению симметричными деформациями порога селекции, устанавливаемого в 3-4 раза выше уровня собственных шумов измерительной аппаратуры, задают номер колесной пары, равным единице, на измерительном участке длиной не менее двух длин окружности круга катания нового колеса определяют скорость движения поезда для определения полосы частот, в которой проводят частотную фильтрацию симметричных деформаций, и при каждом последующем превышении фильтрованными симметричными деформациями порога селекции регистрируют следующую колесную пару, затем проводят частотную фильтрацию асимметричных деформаций в полосе частот, определяемой частотой свободных колебаний рельса, регистрируют максимумы асимметричных деформаций на каждой паре тензодатчиков, при совпадении максимумов на соседних парах тензодатчиков их сравнивают с порогом регистрации дефекта ε, определяемым по формуле
-1
где ξ=120 млн/с - коэффициент;
d
h - максимальная глубина допускаемого дефекта, мм;
D - диаметр нового колеса, мм;
V - скорость поезда, м/с,
и при превышении этого порога бракуют регистрируемую колесную пару.
Недостатком данного способа является зависимость достоверности результатов от эксцентричной нагрузки для колес с дефектом поверхности катания, за счет анализа колебательных процессов в рельсах, вызванных изгибающими моментами. В случае, когда расположение дефекта близко к центру поверхности катания колеса, изгибающий момент принимает значение, близкое к нулю, что приводит к ошибочным результатам контроля и недобраковке. В случае, когда расположение дефекта смещено на край поверхности катания колеса, значение изгибающего момента значительно возрастает, что приводит к ошибочной оценке влияния дефекта на рельс и перебраковке.
Наиболее близким техническим решением к заявляемому является способ контроля поверхности катания колес железнодорожного состава в движении (см. патент РФ №2625256, МПК G01B 7/34), заключающийся в том, что на измерительном участке прямолинейного пути на рельс устанавливают тензодатчики, в процессе движения колесной пары по измерительному участку регистрируют сигналы со всех тензодатчиков, по которым судят о наличии дефектов, при этом определяют симметричные деформации, по превышению симметричными деформациями порога селекции, устанавливаемого в 3-4 раза выше уровня собственных шумов измерительной аппаратуры, задают номер колесной пары равным единице и при каждом последующем превышении симметричными деформациями порога селекции контролируют следующую колесную пару, определяют скорость движения поезда для определения полосы частот, в которой проводят частотную фильтрацию симметричных деформаций, при этом тензодатчики устанавливают парами симметрично с двух сторон шейки рельса на середине его высоты, таким образом, чтобы их зоны чувствительности пересекались, задают пороговое значение силы воздействия колеса на рельс, в процессе движения колесной пары по измерительному участку регистрируют локальные минимумы симметричных деформаций на двух соседних парах тензодатчиков, определяют скорость движения поезда, по которой определяют нижнюю границу частоты фильтрации, проводят фильтрацию симметричных деформаций, определяют продольную координату колеса на рельсе, по которой фиксируют моменты входа колеса в зону чувствительности и выхода из нее, в зоне чувствительности определяют значение силы от колеса на рельс по значениям фильтрованных симметричных деформаций и эталонных деформаций и при превышении на любой паре тензодатчиков порогового значения силы, устанавливаемого равным половине максимально допустимой динамической осевой нагрузки на рельс, колесную пару бракуют.
Недостатком данного способа является то, что в нем не учитываются предыдущие результаты контроля каждой колесной пары, следовательно, невозможно отслеживать ее состояние в процессе эксплуатации. Другим недостатком является то, что система определяет наличие дефекта, но не использует эту информацию, для установки скоростного режима, с целью предотвращения динамического воздействия дефекта на рельс.
Основной задачей изобретения является снижение динамического воздействия дефектов колеса на рельс путем усовершенствования контроля поверхности катания колес вагонов железнодорожного транспорта.
кp
cp
кp
cp
кp
Поставленная задача решается за счет того, что в способе контроля поверхности катания колес железнодорожного состава в движении, заключающемся в том, что на измерительном участке пути на рельс парами симметрично с двух сторон шейки рельса на середине его высоты устанавливают тензодатчики, таким образом, чтобы их зоны чувствительности пересекались, задают пороговое значение F силы колеса на рельс, в процессе движения колесной пары по измерительному участку, регистрируют локальные минимумы симметричных деформаций на двух соседних парах тензодатчиков, по превышению симметричными деформациями порога селекции, устанавливаемого в 3-4 раза выше уровня собственных шумов измерительной аппаратуры, задают порядковый номер колесной пары равным единице и при каждом последующем превышении симметричными деформациями порога селекции контролируют следующую колесную пару, определяют скорость движения поезда, по которой определяют нижнюю границу частоты фильтрации, проводят фильтрацию симметричных деформаций, определяют продольную координату колеса на рельсе, по которой фиксируют моменты входа колеса в зону чувствительности и выхода из нее, в зоне чувствительности определяют значение силы от колеса на рельс по значениям фильтрованных симметричных деформаций и эталонных деформаций, при этом измерительную систему подключают к сети Интернет для связи с базой данных, оборудуют универсальным цифровым радиоканалом для отправки сообщений в систему автоматической локомотивной сигнализации и располагают после участков, на которых железнодорожный состав совершает маневр «разгон-торможение», определяют колесную пару, у которой значение средней силы от колеса на рельс превышает на любой паре тензодатчиков ее пороговое значение, устанавливаемое равным половине максимально допустимой динамической осевой нагрузки на рельс, как колесную пару с дефектом, устанавливают пороговое значение Т относительного количества проездов для каждой колесной пары, у которой был обнаружен дефект по формуле: Т=100% - 50% ⋅ где F - сила воздействия колеса на рельс, F - критическое значение силы, для колесных пар, у которых средняя сила воздействия на рельс F превышает F, определяют номера вагонов, в базу данных передают информацию о порядковых номерах колесных пар, номерах вагонов, которым принадлежат дефектные колесные пары и значение силы от колес на рельс, для каждого колеса фиксируют количество записей в базе данных для проездов, в которых был обнаружен дефект и общее количество записей, рассчитывают их процентное соотношение и, при превышении этого соотношения порогового значения, колесную пару бракуют и устанавливают ограничение скорости для подвижного состава.
На фиг. 1 приведена блок-схема реализации способа контроля поверхности катания железнодорожных колес в движении.
Способ реализуется следующим образом.
кp
На сети железных дорог выделяют участки, на которых железнодорожный состав совершает маневр «разгон-торможение». После каждого участка по длине не менее длины окружности колеса на рельс устанавливают тензодатчики парами симметрично с двух сторон шейки рельса на середине его высоты таким образом, чтобы зоны их чувствительности пересекались. Тензодатчики ориентируют вертикально. Устанавливают пороговое значение силы F, действующей от колес железнодорожных транспортных средств на рельс, равное половине максимальной допустимой динамической осевой нагрузки на рельс. Устанавливают порог селекции в 3-4 раза выше уровня собственных шумов измерительной аппаратуры. В процессе движения колесной пары по измерительному участку регистрируют сигналы со всех тензодатчиков, при этом определяют симметричные деформации. Регистрируют превышение симметричными деформациями порога селекции и устанавливают порядковый номер колесной пары равным единице, и при каждом последующем превышении симметричными деформациями порога селекции контролируют следующую колесную пару. Регистрируют локальные минимумы симметричных деформаций и определяют их моменты времени. По разности времен, в которые наблюдаются локальные минимумы на соседних парах тензодатчиков n и (n+1), определяют скорость движения. По скорости движения поезда определяют нижнюю границу полосы частот. При обнаружении локального минимума на (n+1)-й паре тензодатчиков определяют координату колеса на рельсе относительно 1-й пары тензодатчиков. По координатам колеса обнаруживают моменты времени входа колеса в зону чувствительности и выхода из нее. В зоне чувствительности (n+2)-й пары тензодатчиков по значениям фильтрованных симметричных деформаций определяют значение силы от колеса на рельс и, при превышении на любой паре тензодатчиков порогового значения силы, колесную пару отмечают, как дефектную (фиг. 1, блок 4). Определяют номера вагонов. Устанавливают пороговое значение Т относительного количества проездов колесной пары, у которой был обнаружен дефект (фиг. 1, блок 5). В базу данных передают информацию о порядковых номерах колесных пар, номерах вагонов, которым принадлежат дефектные колесные пары и силе от колеса на рельс (фиг. 1, блок 3). Определяют относительное количество проездов, в которых на колесной паре был обнаружен дефект (фиг. 1, блок 8). При превышении этого значения порогового, колесную пару бракуют (фиг. 1, блок 9) и устанавливают ограничение скорости для подвижного состава (фиг. 1, блок 10).
Пример. Заявляемый способ был реализован при проходе грузового подвижного состава по диагностическому участку, расположенному на испытательном кольцевом железнодорожном пути АО «ВНИИЖТ», протяженностью 6 км, с постоянным радиусом кривизны 956 м.
На участке пути протяженностью 3,5 м установили на шейку рельса тензодатчики на высоте от основания подошвы 83 мм. Тензодатчики ориентировали с использованием специального шаблона вертикально с погрешностью не более ±5°. Тензодатчики устанавливали парами симметрично с двух сторон шейки рельса и равномерно распределяли вдоль рельса через 0,5 м. Всего на рельс установили 7 пар тензодатчиков. Пороговое значение критической силы, действующей от колес подвижного состава на рельс, устанавливалось согласно допускаемой погонной нагрузки 168 кН/м на железнодорожный путь от тележки [см. ГОСТ Р 55050-2012 Железнодорожный подвижной состав. Нормы допустимого воздействия на железнодорожный путь], равной максимально допустимой динамической нагрузке:  Регистрация симметричных вертикальных деформаций проводилась с использованием комплекса микропроцессорной быстродействующей тензометрической системы «Динамика-3», зарегистрированного в Государственном реестре средств измерений под номером №66973-17. На расстоянии 10 м до первой пары тензодатчиков устанавливали устройство обнаружения приближения поезда к измерительному участку, сигнал с которого поступал в измерительный комплекс. Систему подключали к сети Интернет для связи с базой данных и оборудовали универсальным цифровым радиоканалом для отправки сообщений в систему автоматической локомотивной сигнализации (АЛСР). Рядом с участком контроля устанавливали видеокамеру для записи видео движения поезда для распознавания номеров вагонов. Испытательный подвижной состав контролировали системой 76 раз на скоростях от 40 до 65 км/ч. При каждом проезде подвижного состава по измерительному участку определяли моменты времени, в которых наблюдаются локальные минимумы симметричных деформаций на 7 парах тензодатчиков. Порядковый номер колесной пары определяли подсчетом локальных максимумов на первой паре тензодатчиков. По разности времени на каждой паре тензодатчиков определяли среднюю скорость движения поезда. Проводили низкочастотную фильтрацию симметричных деформаций с нижней границей частоты, выбираемой в зависимости от скорости движения колеса. Определяли среднюю силу, действующую от колеса на рельс по формуле:
i
0
0
0
0
cp
кp
2
-1
где n - количество проездов колесной пары по измерительному участку, ε -фильтрованные симметричные деформации, ε - эталонные деформации, определяемые экспериментально при перемещении вагона с известной осевой нагрузкой F=105 кН со скоростью 2 км/ч: ε=15⋅ехр(- 52⋅х) млн, в зависимости от расстояния между парой тензодатчиков и колесом при известной осевой нагрузке F. Результаты, полученные после каждого проезда подвижного состава по измерительному участку, записывали в базу данных. При превышении средней силы от колеса на рельс F порогового значения F, колесную пару отмечали в базе данных как дефектную.
Результаты 76 проездов колесных пар с дефектом по измерительному участку приведены в табл.1.
cp
кp
cp
кp
Затем рассчитывалось пороговое значение Т относительного количества проездов для каждой колесной пары, у которой был обнаружен дефект по формуле:  где F - средняя сила воздействия колеса на рельс, F - критическое значение силы (см. столбец 6 в табл.1), при превышении средней силы воздействия на рельс F (см. столбец 4 в табл.1) F. Для каждого колеса в базе данных фиксировали количество записей для проездов, в которых был обнаружен дефект и общее количество записей, рассчитывали их процентное соотношение и, при превышении этого соотношения порогового значения, колесную пару браковали и АЛСР отправляли сообщение об ограничении скорости движения поезда до 40 км/ч (см. столбец 4 в табл. 1).
В результате было проконтролировано 280 колесных пар, из них 27 с дефектами, 5 из которых были забракованы по превышению порогового значения Т (табл. 1, строки 7, 9, 19, 20, 22)
В предлагаемом способе, в отличие от прототипа, учитываются причины возникновения дефектов за счет расположения участков контроля после участков, на которых поверхность катания колеса подвергается динамическим нагрузкам. Расположение нескольких участков контроля и последующая отправка результатов в единую базу данных позволяют оценить текущее состояние поверхности катания колеса исходя из частоты обнаружения дефекта в процессе эксплуатации. Также способ позволяет контролировать скоростной режим железнодорожного состава и, следовательно, снижать динамическое воздействие дефектов на рельс.
Преимуществом данного способа по сравнению с прототипом является то, что он устанавливает ограничение скорости подвижного состава при обнаружении дефектов, с целью предотвращения дальнейшего распространения дефекта и снижения его динамического воздействия на рельс, и записывает результаты контроля каждой колесной пары в базу данных. Это позволяет постоянно отслеживать состояние колесной пары в процессе эксплуатации.