СПОСОБ ОБНАРУЖЕНИЯ ДЕФЕКТОВ ПОВЕРХНОСТИ КАТАНИЯ КОЛЕС ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНЫХ ТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВ В ДВИЖЕНИИ
METHOD TO DETECT DEFECTS OF ROLLING SURFACE OF RAILWAY VEHICLES IN MOTION

Изобретение относится к технической диагностике и может быть использовано для обнаружения дефектов поверхности катания колес железнодорожных транспортных средств в движении.
Известен способ обнаружения дефектов поверхности катания колес в движении, заключающийся в том, что перед проведением контроля на шейку рельса над серединой каждой шпалы на измерительном участке бесстыкового пути симметрично с двух сторон рельса устанавливаются пары тензодатчиков, ориентированных вертикально. Пропускают подвижной состав с бездефектными колесами по измерительному участку пути и регистрируют сигналы с тензодатчиков, определяют деформации шейки рельса, вызванные вертикальной силой. Наличие дефекта определяют по превышению амплитудными значениями деформаций, вызванных вертикальной силой, более чем в 1,8 раза превышающих среднее значение деформаций, возникающих при прохождении бездефектных колес (Степанова Л.Н., Бехер С.А., Кочетков А.С. Использование тензометрии для контроля колес грузового вагона в движении // Контроль. Диагностика. 2008, №8, С.19-23, принят за аналог).
В известном способе сигналы с тензодатчиков, вызванные осевой нагрузкой и связанные с воздействием дефекта поверхности катания, находятся в близких частотных диапазонах, поэтому их сложно отделить друг от друга. В связи с этим высока вероятность пропуска дефектов типа коротких неровностей.
Наиболее близким к предлагаемому решению является способ обнаружения дефектов поверхности катания железнодорожных колес в движении, основанный на регистрации и сравнении с заданными предельными параметрами вертикальных динамических сил, возникающих при взаимодействии дефектных колес подвижного состава и пути. При этом участок пути длиной, равной периметру колеса, разбивают на три и более измерительные зоны одинаковой длины. Количество зон задают таким образом, чтобы колеса от соседних осей проходящего подвижного состава на данном участке пути не попадали одновременно в одну зону. На рельсах над каждой шпалой участка пути устанавливают тензодатчики и измеряют силы реакции шпал. Дополнительно устанавливают тензодатчики на концах каждой измерительной зоны и измеряют продольный изгиб рельса. При достижении колесной парой измерительной зоны, со всех тензодатчиков регистрируют сигналы, по которым определяют вертикальную силу, передаваемую от колеса на верхнее строение пути во время прохождения колеса по измерительной зоне. Вычисляют динамический коэффициент, равный отношению величины динамической силы к статической силе, которую определяют по медиане вертикальной силы. Наличие дефекта в колесе определяют по превышению динамическим коэффициентом заданного уровня. Номер дефектной колесной пары определяют подсчетом количества пройденных по измерительному участку колесных пар (Обнаружение некруглости колес // Железные дороги мира. 2003, №8, С.64-68, принят за прототип).
Данный способ позволяет проводить браковку колес в движении по степени негативного воздействия дефектов на путь и возникновения дополнительных динамических сил при взаимодействии дефектного колеса с рельсом.
Недостатком способа, принятого за прототип, является необходимость изменения длины измерительных участков для контроля железнодорожных транспортных средств разных типов с различным межосевым расстоянием. Другим недостатком способа является высокая вероятность пропуска дефекта, связанная с тем, что тензодатчики используются для измерения вертикальных сил, при этом в способе не анализируется влияние боковых сил и эксцентриситета приложения вертикальной силы. Достоверность результатов контроля данного способа низкая, так как динамический коэффициент, используемый в критерии браковки, не учитывает колебательные процессы, вызванные ударным воздействием колеса с дефектом на рельс.
При разработке заявляемого способа обнаружения дефектов поверхности катания колес железнодорожных транспортных средств в движении была поставлена задача повышения достоверности обнаружения дефектов за счет регистрации и анализа колебательных процессов в рельсах, измерения деформаций, вызванных вертикальными силами и изгибающими моментами, уменьшения влияния состояния пути на результаты контроля.
p
Поставленная задача решается за счет того, что предлагается способ обнаружения дефектов поверхности катания колес железнодорожных транспортных средств в движении, 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, причем 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 и регистрируют при этом максимумы асимметричных деформаций на каждой паре тензодатчиков и при совпадении максимумов на соседних парах тензодатчиков, их сравнивают с порогом регистрации дефекта ε, определяемым по формуле:
-1
где ξ=120 млн/с - коэффициент;
∂
h - максимальная глубина допускаемого дефекта, мм;
D - диаметр нового колеса, мм;
V - скорость поезда, м/с,
и при превышении этого порога регистрируемую колесную пару бракуют.
Qm
c
ρ
p
На фиг.1 схематично изображен фрагмент измерительного участка пути с тензодатчиками, где 1 - рельс; 2 - шпала; 3, 4 - пары тензодатчиков; 5 - колесо. На фиг.2а приведен график зависимости асимметричных деформаций шейки рельса от времени, на фиг.2б - его амплитудно-частотная характеристика при ударном воздействии на рельс. На фиг.3 изображен график зависимости симметричных деформаций от времени до фильтрации и после фильтрации при прохождении бездефектных колес, где ε - значение максимума симметричных деформаций от прохождения m-го колеса над парой тензодатчиков; ε - порог селекции симметричных деформаций для регистрации колесных пар. На фиг.4а приведен график зависимости фильтрованных симметричных деформаций от времени, на фиг.4б - график зависимости номеров контролируемых колесных пар от времени, на фиг.4в, г - график зависимости фильтрованных асимметричных деформаций на соседних парах тензодатчиков от времени в процессе контроля, где ε - порог селекции колесных пар; ε - порог регистрации дефекта.
0
0
Заявляемый способ был реализован при контроле грузовых вагонов в движении с колесными парами РУ1-950 и РУ1Ш-950 (диаметр нового колеса по кругу катания D=0,95 м). Контроль выполняли на участке прямолинейного бесстыкового пути Западно-Сибирской железной дороги. Плотность укладки шпал n=2000 шт./км, ширина шпал по верхнему основанию Н=0,2 м, рельсы типа Р65. Минимальная рассчитанная длина измерительного участка составила:
L=m·3,14·D=2,5·3,14·0,95=7,46 м,
0
где n - плотность укладки шпал, шт./км;
0
H - ширина шпалы по верхнему основанию, м;
m - коэффициент;
D - диаметр нового колеса, м.
На измерительном участке длиной 7,5 м над центрами каждой из 15 шпал на высоте Н=82 мм на шейку рельса были наклеены 30 пар тензодатчиков, ориентированных вертикально (фиг.1). Сигналы с тензодатчиков регистрировали с помощью быстродействующей тензометрической микропроцессорной системы «Динамика-1», зарегистрированной в Государственном реестре средств измерений под №32885-06.
По измерительному участку пропускали подвижной состав и одновременно регистрировали системой сигналы со всех тензодатчиков. По сигналам с тензодатчиков система определяла симметричные деформации, которые вычислялись в соответствии с формулой:
T
-1
где K - коэффициент тензочувствительности измерительной системы, млн/В;
n'
U - электрическое напряжение, регистрируемое системой на тензодатчике n-ной пары, расположенного с внутренней стороны рельса (фиг.1), мВ;
n''
U - - электрическое напряжение, регистрируемое системой на тензодатчике n-ной пары, расположенного с наружной стороны рельса (фиг.1), мВ.
При этом системой устанавливался порог селекции колесных пар в интервале времени от 1 до 2 с и превышающий в 3-4 раза уровень собственных шумов системы, определяемый ею по среднему квадратическому отклонению симметричных деформаций в соответствии с соотношением:
где W - количество измерений, выполненных системой за время от 1 до 2 с, по которым проводится вычисление среднего квадратического отклонения;
-1
- среднее значение симметричных деформаций, млн, определяемое по формуле:
Затем системой регистрировали сигнал симметричных деформаций, превышающий порог селекции, по которому в системе устанавливался номер колесной пары, равный единице. После этого по разности времен прохождения колеса над соседними тензодатчиками определялась скорость движения поезда, по которой определялись нижняя и верхняя границы полосы пропускания симметричных деформаций, при этом следующая колесная пара системой регистрировалась по превышению фильтрованными симметричными деформациями (см. фиг.3, фиг.4а, б) порога селекции, одновременно с этим определялись асимметричные деформации в соответствии с формулой:
B
T
n'
n''
ε=K·{U-U)/2,
T
соб
соб
соб
-1
где K - коэффициент тензочувствительности тензосистемы системы, млн/В, и проводилась их частотная фильтрация в диапазоне частот от 0,8·f, до 1,2·f, где f - собственная частота асимметричных колебаний рельса (см. фиг.2), затем системой регистрировались максимумы фильтрованных асимметричных деформаций на каждой паре тензодатчиков и при совпадении максимумов (фиг.4в, г) на соседних парах тензодатчиков определялся порог регистрации дефектов из выражения:
-1
где ξ=120 млн/с - коэффициент;
∂
h - максимальная глубина допускаемого дефекта, мм;
D - диаметр нового колеса, мм;
V - скорость поезда, м/с,
и при превышении фильтрованными асимметричными деформациями порога регистрации дефекта (фиг.4в, г) колесная пара браковалась.
Всего в результате контроля в 2 поездах обнаружено 8 дефектов, результаты контроля приведены в таблице 1.
Таблица 1
Результаты контроля колесных пар грузовых вагонов в движении
№ п.п. дефекта
№ колесной пар с головы состава
Максимум асимметричных деформаций, млн<sup>-1</sup>
№ пар тензодатчиков
скорость поезда, м/с
Размер дефекта, мм
1
8
196
6, 7
12
1,1
2
96
286
2, 3
11
1,6
3
152
262
7, 8
12
3,5
4
169
155
13, 14
13
1,3
5
231
198
2, 3
12
0,5
6
143
208
11, 12
12
0,8
7
69
160
6, 7
12
0,6
8
191
196
9, 10
13
0,7
Для подтверждения достоверности результатов контроля выполнен визуальный осмотр дефектных колесных пар после остановки на пункте технического обслуживания. Все дефекты, зарегистрированные предлагаемым способом, классифицированы как недопустимые, других недопустимых дефектов не обнаружено.
Заявляемый способ обнаружения дефектов поверхности катания колес железнодорожных транспортных средств в движении позволяет повысить достоверность обнаружения дефектов за счет регистрации и анализа колебательных процессов в рельсах, путем измерения симметричных деформаций, вызванных вертикальными силами, и асимметричных деформаций, вызванных изгибающими моментами. Проведенная частотная фильтрация в наиболее информативных диапазонах позволила уменьшить влияние состояния пути на результаты контроля.