Способ оценки динамической жёсткости рельсового пути и устройство для его реализации
METHOD OF ESTIMATING DYNAMIC RIGIDITY OF TRACK AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретение относится к области контроля и оценки состояния рельсового пути.
Надежность реализации перевозочных процессов средствами железнодорожного транспорта зависит от многих факторов, связанных с оценкой технического состояния не только подвижных средств, но и состояния рельсового пути. Этим вопросам уделяется постоянное внимание, разработаны соответствующие технологии и регламенты, что нашло отражение в современных научно-технических разработках [1].
В последующие годы большое внимание уделяется разработкам, обеспечивающим возможности осуществления транспортных перевозок в условиях повышенных скоростей, нагрузок на ось и использование тяжеловесных составов, что инициирует поиск и разработку способов и средств обеспечения условий безопасности эксплуатации сложных технических систем. К их числу относятся и вопросы надлежащего состояния рельсового пути. При всей разработанности многих аспектов контроля состояния рельсового пути и существующих технологиях оценки состояния рельсового полотна в вопросах оценки динамической жесткости пути еще не достигнут должный уровень детализации представлений об особенностях динамических состояний рельсового полотна при действии периодических внешних воздействий, формирующих специфические и отличающиеся от статических нагрузок просадки в точках контакта колесо-рельс.
Известны технологии оценки и диагностики состояния рельсового полотна, позволяющие вести определение текущих характеристик и ранжирование рельсового полотна по баллам.
Динамическая жесткость пути в отличие от статической определяется при учете действия периодической составляющей внешнего воздействия. Совместное действие двух силовых факторов постоянного и знакопеременного (в частном случае - гармонического) воздействия обладает спецификой, которая может проявляться в значительном увеличении просадки рельсового пути в определенной локальной зоне по сравнению сое статической нагрузкой.
В процессе патентного поиска выявлен ряд изобретений-аналогов.
Известен способ оценки состояния железнодорожного пути [Ромен Ю.С., Клебанов Я.М., Бородин B.C., Гасанов А.И. «Способ оценки состояния железнодорожного пути», патент №2394120, МПК Е01В 35/00, приоритет 10.07.2010], заключающийся в том, что в процессе движения вагона при определенной скорости измеряют положение рельсовых нитей, положение пути по уровню и в плане, ширину рельсовой колеи. Перед поездкой закладывают в ЭВМ математическую модель взаимодействия оцениваемого пути и экипажа при требуемой скорости его движения, одновременно с параметрами положения рельсовой колеи измеряют неровности на рабочей поверхности рельса, модуль упругости подрельсового основания и коэффициенты демпфирования и жесткости в сцеплениях вагонов. В процессе движения вагона посредством решения системы алгебраических и дифференциальных уравнений математической модели, описывающей взаимодействие экипажа и железнодорожного пути, вычисляют коэффициент устойчивости рельсошпальной решетки поперечному сдвигу, коэффициент безопасности по вползанию гребня колеса на рельс, динамическую ширину рельсовой колеи, основные напряжения в кромках подошвы и головки рельса, тензор контактных напряжений рельса, продольные силы, обусловленные угоном пути, сопоставляют эти величины с допусками. Достигается получение более достоверных данных о состоянии железнодорожного пути.
Недостатками данного изобретения являются достаточно сложная математическая модель со множеством коэффициентов, что затрудняет обработку конечных результатов, а также отсутствие измерения продольной динамической жесткости рельсового пути.
Известен способ [Семашко Н.А., Васин В.В., Емельянов Е.Н., Конаков А.В., Фадеев B.C., Чигрин Ю.Л., Штанов О.В., Ободовский Ю.В., Паладин Н.М. «Способ измерения путеизмерительным вагоном жесткости рельсового пути», патент №2437090, МПК G01N 29/14, приоритет 20.12.2011], сущность которого заключается в том, что осуществляют прием, регистрацию и оценку параметров сигналов акустической эмиссии во время движения тележки железнодорожного вагона, проведение оцифровки акустических сигналов, анализ спектра акустических сигналов, их обработку, при этом преобразователи акустической эмиссии системы СДС1008 устанавливают на предварительно зачищенные неподвижные элементы вагонной тележки, не имеющей износа в целом или ее отдельных узлов и являющейся «эталонной», с «правой» и «левой» стороны по два с каждой стороны, подключают преобразователи акустической эмиссии к предварительным усилителям, которые располагают рядом с преобразователями, подключают предварительные усилители к системному блоку системы СДС1008 и портативному компьютеру, прогоняют тележку железнодорожного вагона на различных скоростях и режимах движения с различной степенью загрузки вагона по кольцевому и прямолинейному железнодорожным участкам, являющимися «эталонными участками», имеющие нормативные обобщенные показатели состояния рельсовой колеи, регистрируют спектральные параметры акустической эмиссии от преобразователей акустической эмиссии, полученные данные считают «эталонными» для каждого участка рельсового пути, затем вагон с «эталонной тележкой» прогоняют по исследуемым железнодорожным путям, регистрируют спектральные параметры акустической эмиссии на исследуемых участках железнодорожного пути, анализируют и сравнивают полученные данные с «эталонными», по результатам анализа и сравнения оценивают состояние железнодорожного пути. Технический результат: обеспечение возможности получения быстрой и достоверной оценки состояния рельсового пути.
К недостаткам данного изобретения можно отнести сложность обработки сигналов акустической эмиссии и отсутствие средства для измерения продольной динамической жесткости рельсового пути.
Также известно изобретение, представляющее собой способ измерения путеизмерительным вагоном жесткости рельсового пути [Боронахин A.M., Гупалов В.И., Казанцев А.В. «Способ измерения путеизмерительным вагоном жесткости рельсового пути», патент №2240244, МПК Е01В 35/00, приоритет 20.11.2004], заключающийся в том, при прохождении фиксированных точек пути каждой из четырех колесных пар путеизмерительного вагона измеряют поперечный уровень рельсовой колеи и силы, действующие на левые и правые буксы колесных пар. По полученной информации с использованием аналитических соотношений определяют среднюю жесткость рельсовой колеи в указанных точках и отклонение жесткости рельсовых нитей от среднего значения жесткости колеи. Данный способ позволяет измерять жесткость рельсового пути путеизмерительным вагоном при любых скоростях движения.
Недостатками рассматриваемого способа являются сложная для обработки математическая модель, а также отсутствие измерения продольной динамической жесткости рельсового пути.
За прототип выбирается способ определения коэффициента относительной жесткости основания железнодорожного пути и рельса и устройство для его реализации [Григорьев В.П., Дюков Г.Н., Князев Н.А., Шейнман Л.Е. «Способ определения коэффициента относительной жесткости основания железнодорожного пути и рельса и устройство для его реализации», патент №2116400, МПК Е01В 35/12, B61K 9/08, приоритет 27.07.1998], заключающийся в том, что регистрируют электрический сигнал при прогибе рельса под каждой тележкой вагонов состава, каждый раз определяют по меньшей мере два расстояния между датчиком и опорной точкой ближнего к датчику колеса тележки, при которых наблюдаются нулевые значения прогиба рельса, и по данным о полученных расстояниях при воздействии всех тележек вагонов состава определяют среднее значение и дисперсию искомого коэффициента. Устройство содержит датчик прогиба рельса, регистратор прогиба рельса, последовательно соединенные вычислитель коэффициента относительно жесткости основания пути и рельса и индикатор значения искомого коэффициента. Устройство также содержит измеритель расстояния между датчиком и опорной точкой ближнего к датчику колеса тележки, при которых наблюдаются нулевые значения прогиба рельса, и блок управления устройством. Изобретения обеспечат оперативное определение в реальном масштабе времени при движении состава упомянутого коэффициента.
Недостатками данного изобретения являются отсутствие учета особенностей деформации рельсового пути от всего состава и доля влияния на динамическую жесткость, а также отсутствие внимания к измерению продольной динамической жесткости рельсового пути.
Задачей изобретения является оценка динамической жесткости рельсового пути в стационарном состоянии.
Способ оценки динамической жесткости рельсового пути, содержащий регистрацию прогиба рельса с помощью датчиков под нагрузкой, отличающийся тем, что прогиб рельса осуществляют в заданных местах в стационарном состоянии, нагружая рельсы с помощью вибровозбудителя инерционного типа по параметрам, близким к создаваемым транспортными средствами, фиксируют уровень прогиба в контакте колесо-рельс с обеих сторон колесных пар, сопоставляют с предыдущими замерами и дают оценку динамической жесткости.
Устройство для реализации способа оценки динамической жесткости рельсового пути, содержащее специально закрепленный на железнодорожной платформе вибрационный вибровозбудитель инерционного типа, создающий с помощью регулируемого привода по частоте вращения элементов инерционное возбуждение, отличающийся тем, что привод вибратора имеет автономное устройство и обеспечивает необходимое изменение частот внешнего возмущения, имеет систему одновременного параллельного измерения и фиксации сигналов об уровне динамических просадок в контакте колесо-рельс с обеих сторон колеи. Суть изобретения поясняется чертежами.
На фиг. 1, а-в приведена принципиальная схема устройства для определения динамической жесткости со следующими обозначениями: колесные пары 1, 2, 3, 4, опорная поверхность 5, виброакселлерометры 6, 7, 8, 9, четырехосная железнодорожная платформа 10, ложемент 11, растяжки 12, 13, 14, 15, 16, 17, грузовой автомобиль 18, рама автомобиля 19, вращательные элементы 20, 21, 22, ложемент 23, вертикальные опорные стенки 24, 25, неуравновешенные пригрузы 26, 27, 28, 29, подшипниковые узлы 30, 31, 32, 33, ложементы 34, 35, 36, 37.
На фиг. 2 представлена упрощенная расчетная схема для определения динамической жесткости.
Фиг. 3 иллюстрирует структурную схему исходной системы по фиг. 1
На фиг. 4 приведены амплитудно-частотная характеристика системы на фиг. 2
Изобретение реализуется по следующей схеме.
Предлагаемое изобретение является способом определения динамической жесткости в контакте рельс-колесо, что достигается путем формирования внешнего периодического воздействия гармонической формы, создаваемого специальным вибратором. Работа вибратора обеспечивает передачу силового воздействия в точку контакта колесо-рельс, что измеряется с помощью датчиков. Сигналы с датчиков передаются в запоминающее устройство и фиксируются (например, с помощью шлейфового многоканального осциллографа).
Для возбуждения колебаний используется система привода колес автомобиля. С помощью автомобиля, размещенного на платформе четырехосного грузового вагона, создаются вибрации посредством инерционных вибровозбудителей инерционного типа. Частота вибраций реализуется коробкой скоростей автомобиля.
Предлагаемое изобретение предназначено для определения динамических жесткостей рельсового пути в точках контакта колесо-рельс при разных сочетаниях параметров внешнего возмущения. Такой подход в случае интеграции данных может давать детализированную информацию о динамических свойствах рельсового пути в развертке по частотам внешних воздействий и распределении свойств по длине исследуемого ими инспектируемого участка.
1
2
1
2
1
2
1
2
1
2
1
2
1
2
1
2
Предлагаемый способ реализуется с помощью специальной технической системы в виде четырехосной железнодорожной платформы 10, диски колесных пар 1, 3 имеют контакты с опорной поверхностью 5 (рельсовым полотном) в тт. А, А. На противоположной стороне платформа (на параллельном рельсе) аналогичные точки обозначены соответственно А', А'. При измерениях динамической жесткости могут также учитываться (это делается в случае необходимости) контактные точки, обозначенные, как тт. В, В (на параллельном рельсе - соответственно - В', В'). Для измерения параметров колебаний в упомянутых тт. А, А, В, В (А', А', В', В') используются датчики-виброакселерометры 2, 4, 7, 9. Аналогичные датчики устанавливаются на параллельной стороне платформы. Таким образом динамическое состояние платформы описывается изменениями 8 параметров, которые записываются одновременно параллельно на шлейфовом осциллографе.
Внешнее возбуждение создается специальным устройством, в основе которого используется грузовой автомобиль 18, установленный передней частью (без колес) на ложементе 11, 12 и закрепляемый на платформе 10.
Фиксация корпуса автомобиля на ложементе 11 обеспечивается растяжками 12, 13. В целях обеспечения безопасности на торце платформы устанавливается вертикальная стенка, от продольных смещений рама автомобиля закрепляется растяжкой 14. Вертикальная стенка платформы при этом может также укрепляться растяжками 15, 16, 17 по схожей схеме. Рама автомобиля 19 с закрепленным задним мостом также стабилизируется растяжками.
Устройство для возбуждения вибраций имеет в качестве основы два вращательных элемента 20, 21, установленных в подшипниках на ложементе 23. Элементы 20, 21 представляют собой вагонные оси, диски которых имеют специальные бандажи, покрытые слоем резины (по примеру танковых катков). Движущий элемент 22 представляет собой специальный диск с ободом, покрытым резиной (как показано на фиг. 1, в). Также диск закрепляется с обеих сторон заднего моста автомобиля. Соответствующий прижим элементов вращательной системы обеспечивается растяжками 15, 16.
Двигатель автомобиля, коробка передач, карданный вал и задний мост обеспечивают возможности работы инерционного вибровозбудителя. Возмущение создается с помощью неуравновешенных пригрузов 26, 27, 28, 29, расположенных так, что оси приближены к дискам колесных пар для равномерного распределения вибрационных нагрузок на оба рельса (то есть с обеих сторон рельсовой колеи). Колесные пары помещены в подшипниковые узлы 30, 31, 32, 33, закрепленные в ложементах 34, 35, 36, 37 для устранения возможных зазоров.
Работа системы, в целом, производится в стационарном режиме, то есть в режиме остановки движения платформы, что дает более точные результаты по сравнению с измерениями при движении всего состава поезда. Интервал между остановками определяется особенностями динамического состояния пути и другими обстоятельствами, имеющими значение для оценки уровня обеспечения безопасности движения. В качестве вибрационного возбудителе может использоваться и другое техническое устройство, позволяющее получить требуемые динамические характеристики.
Теоретическое обоснование способа определения динамической жесткости рельсового полотна в контакте рельс-колесо
Упрощенная схема взаимодействия элементов механической колебательной системы, рассматриваемой как расчетная схема взаимодействия экипажа с рельсовым полотном, приведена на фиг. 2. Эта схема отображает основные особенности динамических свойств специального устройства для измерения динамической жесткости при использовании специальной вибрационной установки.
2
1
2
Предполагается, что массоинерционные элементы mi и т отображают инерционные свойства экипажа и приведенные характеристики рельсового пути. Жесткости k и k также отображают приведенные жесткости рельсового пути в точке контакта «рельс-колесо», а также приведенной жесткости элементов вибрационной системы. Внешняя сила в исходной системе (рис. 1) формируется инерционным возбудителем (Q).
Для составления математической модели используется формализм Лагранжа II рода [2]. Выражения для определения кинетической и потенциальной энергий имеют вид
Система линейных дифференциальных уравнений второго порядка с постоянными коэффициентами, соответствующая представлениям о малых колебаниях системы относительно положения статического равновесия, после использования преобразований Лапласа примет вид
где p=jω - комплексная переменная, значок <-> над переменной означает ее изображение по Лапласу [3].
Для построения системы уравнений (3), (4) используется метод преобразований Лапласа при нулевых начальных условиях.
Структурная схема системы (или структурная математическая модель) представлена на фиг. 3.
В соответствии со структурной схемой на фиг. 3 передаточные функции системы имеют вид
где
является характеристическим частотным уравнением системы.
1. Оценка динамических свойств системы
Из выражения (6) следует, что на частоте возмущения
реализуется режим динамического гашения колебаний, при котором выполняется условие
1
дин
При этом движение массоинерционного элемента m по координате  что следует из (5) при подстановке в него значения со , определяемого из выражения (8). Физический смысл выражений (5), (6) заключается в том, что отношения  и  отображают динамическое свойство механической колебательной системы, определяемое как «динамическая податливость», что соответствует представлениям о величине динамического смещения на единицу силового воздействия. Обратная величина по отношению к «динамической податливости» называется динамической жесткостью и соответствует в физическом смысле представлениям о величине силы, приходящейся на реализацию единичной меры смещения.
2. По координате  свойства «динамической жесткости» могут быть рассмотрены при использовании выражения (5) после его инверсии, что приводит, по существу, к рассмотрению свойств частотного характеристического уравнения (7). Минимальная динамическая жесткость, таким образом, будет совпадать с частотами собственных колебаний системы.
Из уравнения (7) следует, что
На фиг. 4 приведены обобщенные амплитудно-частотные характеристики системы (АЧХ)
Точки (1) и (2) на фиг. 4 соответствуют частотам собственных колебаний системы. В этих точках динамическая жесткость системы будет минимальной, а смещения по координатам  будут максимальными.
Точка (3) на фиг. 4 соответствует режиму динамического гашения колебаний. На этой частоте по координате  будет проявляться нулевая податливость или максимальная жесткость. В этом случае движение по координате  обнуляется; что касается координаты  то движение будет происходить на минимальном уровне.
Таким образом наличие в рассмотренном выше случае формирования внешних воздействий переменной частоты и фиксацией параметров по контакту рельс-колесо дает возможности на обследуемом участке рельсового пути с определенным дискретным распределением параметров получить сводную картину динамических свойств участка пути и прогнозировать развитие его динамического состояния с целью повышения уровня безопасности движения транспортных средств.
Приведенная схема носит упрощенный характер, поскольку не учтен ряд важных факторов, связанных с распределенностью параметров системы, не учитываются силы трения, а внешнее воздействие рассматривается в форме гармонической функции. Вместе с тем, если иметь в виду фиксацию внимания на наличии резонансных эффектов, возникающих на определенных частотах внешнего возмущения, то это можно рассматривать как первоначальный этап построения метода вибрационной диагностики динамического состояния эксплуатируемых участков рельсового пути в условиях интенсивного динамического нагружения.
Список использованных источников
1. Том 49. Безопасность ЖД
2. Елисеев С.В. Прикладная теория колебаний в задачах динамики линейных механических систем / С.В. Елисеев, А.И. Артюнин. - Новосибирск: Наука, 2016. - 459 с.
3. Елисеев С.В. Прикладной системный анализ и структурное математическое моделирование (динамика транспортных и технологических машин: связность движений, вибрационные взаимодействия, рычажные связи): монография / С.В. Елисеев; отв. ред. А.И. Артюнин. - Иркутск: ИрГУПС, 2018. - 692 с.