УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ НАПРЯЖЕНИЙ В РЕЛЬСОВЫХ ПЛЕТЯХ

Полезная модель относится к области неразрушающего контроля и технической диагностики объектов, в частности к неразрушающему контролю напряженного состояния рельсовых плетей бесстыкового пути.
В прошлом железнодорожные пути в основном строились путем прикрепления дискретных участков рельсов к основному полотну дороги. Явным преимуществом, обеспечиваемым такой компоновкой, является то, что разница в тепловом коэффициенте расширения между металлическими рельсовыми секциями и полотном дороги поглощается механическими соединениями или зазорами, которые специально предусмотрены между соседними секциями при установке. К сожалению, такая конструкция вызывают серьезные проблемы при техническом обслуживании, и вызывает дополнительные проблемы, связанные с шумом и комфортом передвижения.
В течение последних трех десятилетий предпринимались усилия по устранению механических стыков на железнодорожных путях и переходу к непрерывным рельсовым плетям путем сварки или иного соединения вместе концов смежных секций рельсов, формируя структуру, называемую непрерывным рельсовым путем, или «CWR-путем». Технология, связанная с созданием трека CWR, хорошо известна из уровня техники. Поскольку все секции рельсов бесстыкового железнодорожного пути соединены, CWR-путь особенно чувствителен к изменениям температуры окружающей среды, приводящим к колебаниям в температуре рельсов и вызывающим внутри рельса продольные напряжения. Температура, при которой в рельсах отсутствуют напряжения, называется нейтральной температурой рельсов (RNT). Когда температура падает ниже RNT, в каждом сегменте рельсов бесстыкового железнодорожного пути создаются растягивающие продольные напряжения из-за большего теплового коэффициента расширения металлических рельсов относительно коэффициента нижележащего дорожного полотна. Если разница между пониженной температурой и RNT является экстремальной, растягивающие напряжения в рельсах потенциально могут достигать достаточной величины для того, чтобы фактически вызвать разрыв. Аналогично этому, когда температура поднимается выше RNT, внутри каждого из рельсов бесстыкового железнодорожного пути создаются сжимающие усилия. Если разница между повышенной температурой и RNT является экстремальной, сжимающие усилия в рельсах потенциально могут достигать достаточной величины, чтобы фактически вызывать коробление рельсового пути. Создание инструмента обнаружения напряженного состояния рельсовых плетей и его использование для управления процессом оптимального содержания рельсового пути предельно актуальная задача, решение которой позволит железнодорожному транспорту выйти на новые эксплуатационные рубежи с обеспечение высокого уровня безопасности движения.
Основными методами неразрушающего контроля CWR-пути являются метод тензометрии, рентгеновский метод, магнитные и акустические методы.
В настоящее время тензометрирование проводят в основном с помощью струнных тензометров и электротензометров. Метод электротензометрии является наиболее разработанным и широко применимым. Он основан на зависимости омического сопротивления проводника от его деформации. Но этот метод обладает рядом недостатков. Точечное определение напряжений на местах установки тензометрических датчиков, позволяет определить напряжения только в период между установкой датчиков и съемом информации с них, не учитывая напряжения, которые накопились в рельсах до установки датчиков. Кроме того, установление серии датчиков достаточно трудоемкая процедура, и сами датчики достаточно дорогостоящи.
Основа метода определения деформаций рентгеновским методом состоит в изменении атомных межплоскостных расстояний в соответствии с действующим упругим напряжением. Достоинство метода - высокая точность измерения микродеформаций (микронапряжений). Рентгеновский метод является самым непосредственным и позволяет проводить прямые измерения деформаций кристаллической решетки нагруженных деталей, то есть определять как остаточные, так и напряжения от действующей нагрузки. Недостатки - высокие требования к чистоте поверхности. Измерения проводят в приповерхностном слое до 0,1 мм, длительность процедуры измерений до нескольких десятков минут на одну точку, при измерении под разными углами необходимо выдерживать точное расстояние излучателя и приемника до объекта контроля. Кроме того, к недостаткам стоит отнести громоздкость оборудования, длительность процедуры измерений и сложность обработки их результатов.
Физической основой для разработки магнитных методов неразрушающего контроля является магнитоупругий эффект - изменение намагниченности тела под действием механических напряжений. При этом изменяются магнитная проницаемость, остаточная намагниченность, коэрцитивная сила, величина магнитострикции и другие магнитные характеристики, которые могут быть приняты в качестве информативных при исследовании напряженного состояния ферромагнитных материалов. Широко применяемый метод измерения шумов Баркгаузена основан на связи между намагничиванием ферромагнетика и величиной механических напряжений. Достоинства метода - оперативность и простота процедур измерений, относительно невысокие требования к подготовке поверхности области контроля. Недостатки метода - низкая чувствительность при измерениях на материалах с высокой твердостью, сильная нелинейность характеристики при деформациях сжатия, значительная погрешность при низких уровнях напряжений.
В настоящее время все большее распространение получают акустические методы контроля напряжений в твердых телах, основанные на использовании закономерностей распространения упругих волн в предварительно напряженных телах. Акустоупругий эффект состоит в том, что скорость звука (как продольных, так и сдвиговых волн) в упругих материалах изменяется, если материал подвергается воздействию напряжения. Наиболее распространены методы измерения напряжений, основанные на измерении скорости ультразвука, так как эти зависимости хорошо описаны теоретически в рамках нелинейной механики твердого тела, являются однозначными, более того, линейными.
При наклонном падении продольной волны из одной твердой среды в другую твердую среду, на границе раздела происходит отражение, преломление, трансформация (расщепление) волны. При увеличении угла падения продольной волны при некотором значении он достигает критического значения (критический угол), при котором преломленные продольные волны распространяются вдоль поверхности, не проникая в глубь среды. Такая продольно - подповерхностная волна называется головной или критической продольной волной.
Свойства головной волны:
скорость распространения равна скорости продольной волны,
головные волны не чувствительны к поверхностным дефектам,
головная волна быстро затухает.
Так как чувствительность головной продольной волны к напряжению выше, чем чувствительность поперечных волн, и головная волна не чувствительна к поверхностным дефектам ее удобно использовать в качестве инструмента для исследования напряжений в материалах.
Для продольной волны связь изменения напряжения упругого материала со скоростью волны выражается следующей формулой:
1
0
0
(c-c)/c=kσ,
1
0
где c - скорость продольной волны в материале с напряжением, с - скорость продольной волны в материале без напряжений, k - коэффициент акустоупругой связи, σ - напряжение в материале [Shu X., Ding, JX., Study of monitoring thermal stress in seamless welded rails with ultrasonic // IEEE International Conference on Mechatron-ics and Automations. - 2005. - Vols 1-4, Conference Proceedings - P. 541-544].
1
Соотношение между скоростью продольной волны c, расстоянием, которое проходит волна L и временем распространения t выражается формулой:
1
c=L/t.
Таким образом:
0
1
t/t-1=kσ,
1
где t - время прохождения продольной волной расстояния L в материале с напряжением;
0
t - время прохождения продольной волной расстояния L в материале без напряжения.
Таким образом, по времени распространения продольной волны можно судить о напряжении в материале.
По патенту RU 164233, публ. 20.08.2016, МПК G01N 29/04 известно устройство неразрушающего контроля напряженного состояния рельсовых плетей бесстыкового пути, содержащее импульсный лазер, выход которого через оптическое волокно связан с входом лазерно-ультразвукового преобразователя, комбинированный многофункциональный блок питания, систему обработки данных, две ортогонально расположенные призмы, выполненные с возможностью одновременного измерения скорости головной волны во взаимно перпендикулярных направлениях, каждая из призм по одной из граней посредством оптико-акустического генератора связана с оптической системой и оптоволокном, а по противоположной грани - с соответствующим ей широкополосным пьезоприемником, каждый из которых посредством соответствующего усилителя электрических сигналов связан с соответствующим входом двухканального аналого-цифрового преобразователя, который по входу и выходу связан с импульсным лазером и с системой обработки данных. По временам прихода импульсов, распространяющихся в ортогональных направлениях, определяют скорости ультразвука в этих направлениях в объекте контроля, а по разнице скоростей вдоль и поперек рельса определяют действующие напряжения. Недостатком устройства-аналога является сложность и дороговизна предлагаемой конструкции. Кроме того, так как точность измерения времени прихода головной волны зависит от длины пути, пройденному волной, погрешность измерения скорости головной волны, распространяющейся поперек рельса, будет высокой, а, следовательно, определение действующего напряжения недостаточно точным.
Наиболее близким аналогом по технической сущности предлагаемой полезной модели является устройство для детектирования напряжения, известное по заявке CN 112179540 A, МПК B61K 9/08, G01L 1/25, публ. 05.01.2021, которое выбрано в качестве прототипа для заявляемой полезной модели. Устройство-прототип содержит один датчик излучения ультразвука и, по меньшей мере, один датчик приема ультразвука, расположенные на одной прямой с возможностью непрерывного перемещения вдоль рельса. Кроме того, устройство прототип содержит блок обработки данных для измерения напряжения между излучающим и приемным датчиками или между любыми двумя приемными датчиками. Для определения напряжений используется головная волна. Измеряется время излучения сигнала и время приема сигнала головной волны. Напряжение в рельсе измеряют по разнице во времени передачи ультразвукового сигнала между датчиком излучения ультразвука и датчиком приема ультразвука по сравнению с опорным временем передачи между этими датчиками в отсутствии напряжений.
Известное устройство прототип может содержать также, по меньшей мере, два приемных датчика. Изменение напряжения, возникающего в рельсе между любыми двумя из по меньшей мере двух ультразвуковых приемных датчиков, может быть определено в соответствии с разницей во времени передачи ультразвукового сигнала головной волны между этими датчиками и опорным временем передачи между теми же двумя приемными датчиками.
Таким образом, может быть реализовано непрерывное обнаружение напряжения при продвижении вдоль рельса, и, также, может быть получено распределение напряжения по всей линии посредством использования серии приемных датчиков, ограниченное расстоянием, на котором ультразвуковая головная волна распространяется без затухания.
Однако известное устройство имеет недостатки. В случае одного приемного датчика точность измерения напряжения может быть недостаточной. В случае использования более одного принимающего датчика, не все датчики, расположенные на одной прямой при перемещении датчиков вдоль поверхности рельса будут надежно контактировать с рельсом, так как поверхность рельса не является абсолютно ровной, что существенно влияет на чувствительность измерительной системы и точность измерений.
Технической задачей, на решение которой направлена предлагаемая полезная модель, является более точное измерение напряжений, возникающих в рельсах, за счет соединения одного из датчиков приема ультразвукового сигнала с несущей рамой посредством пружины, что обеспечивает надежность контакта с поверхностью рельса и позволяет получить достаточный уровень принимаемого датчиком ультразвукового сигнала.
Указанный технический результат достигается тем, что в устройстве для измерения напряжений в рельсовых плетях, содержащее датчик излучения ультразвукового сигнала, два датчика приема ультразвукового сигнала головной волны, расположенные последовательно на поверхности катания рельса с возможностью перемещения вдоль рельса, и блок обработки данных, первый датчик приема ультразвукового сигнала головной волны, расположенный между датчиком излучения и вторым датчиком приема, соединен с несущей рамой посредством пружины, а второй жестко зафиксирован на раме, причем база измерений, являющаяся расстоянием между первым и вторым датчиками приема ультразвукового сигнала, выбирается не меньше расчетной минимальной базы измерений.
Полезная модель поясняется фигурой, на которой показана схема предлагаемого устройства, где обозначено
1 - датчик излучения ультразвуковой волны;
2 - первый датчик приема ультразвуковых волн;
3 - второй датчик приема ультразвуковых волн
4 - пружина;
5 - несущая рама;
6 - головная волна, распространяющаяся под поверхностью рельса;
7, 8, 9 - пьезопластины;
10 - поверхность рельса;
11, 12, 13 - протекторы из оргстекла;
14 - блок обработки данных;
0
L - расстояние между первым датчиком приема 2 и вторым датчиком приема 3 (база измерений);
1
L - расстояние между датчиком излучения 1 и датчиком приема 2;
2
L - расстояние между датчиком излучения 1 и датчиком приема 3.
Датчик излучения ультразвуковой волны 1, первый и второй датчик приема ультразвуковых волн 2 и 3 последовательно расположены на жесткой несущей раме 5, причем датчик излучения 1 и датчик приема 3 жестко закреплены на раме 5, а расположенный между ними датчик приема 2 соединен с несущей рамой 5 посредством пружины 4. Использование пружины 4 позволяет создать надежный контакт всех датчиков с поверхностью рельса 10, компенсируя неровности поверхности рельса 10. Продольная волна излучается датчиком излучения ультразвуковой волны 1 под таким углом, что образуется головная волна 6. Расстояние между первым датчиком приема 2 и вторым датчиком приема 3 является базой измерений Lo полезной модели. Датчик излучения ультразвуковой волны 1 работает в импульсном режиме. Работа датчиков излучения 1 и приема 2, 3 ультразвука основана на использовании обратного и прямого пьезоэффекта с использованием пьезопластин (7, 8, 9), помещенных в переменное электрическое поле. Между поверхностью рельса 10 и каждой пьезопластиной 7, 8, 9 расположены протекторы из оргстекла 11, 12, 13. Критический угол, под которым необходимо излучать звуковые волны для получения головной волны для контакта оргстекло-сталь, составляет 27,2°. Датчики электрически соединены с блоком обработки данных 14.
Измерение напряжения в предлагаемом устройстве основано на измерении времени пробега головной волны между датчиками. Использование для проведения измерений напряжений в рельсах головных волн обусловлено тем, что головные волны являются продольными и они не чувствительны к поверхностным дефектам рельсов.
Соотношение акустоупругости для продольной волны:
Для датчиков, расположенных на расстоянии L:
1
1
c=L/t,
0
0
c=L/t,
формула для расчета напряжения в материале выглядит следующим образом:
0
1
t/t-1=kσ,
1
0
1
0
где c - скорость продольной волны в материале с напряжением, с - скорость продольной волны в материале без напряжений, k - коэффициент акустоупругой связи, L - расстояние между датчиками, t - время распространения ультразвуковой волны в материале с напряжением, t - время распространения между теми же датчиками в отсутствии напряжений, σ - напряжение в материале.
Устройство для измерения напряжений в рельсовых плетях работает следующим образом.
Датчик излучения ультразвуковой волны 1 излучает продольную ультразвуковую волну, падающую на границу раздела двух сред оргстекло 11 - рельс 10 под критическим углом. При этом образуется головная волна 6, распространяющаяся вдоль поверхности рельса 10. Датчики приема 2 и 3 принимают ультразвуковые сигналы головной волны, преобразуя их в электрические. Полученные сигналы передаются в блок обработки данных 14, где по разнице во временах передачи ультразвуковых импульсов между датчиками приема 2 и 3 по сравнению с опорным временем передачи между этими датчиками, рассчитывается напряжение в рельсе 10.
Для датчиков приема 2 и 3, расположенных на расстоянии Lo уравнение акустоупругости выглядит следующим образом:
*
23
23
σ=1/k((t/t-1),
где
σ - напряжение в материале,
k - коэффициент акустоупругой связи,
23
t - время распространения головной ультразвуковой волны между вторым и третьим датчиками,
*
23
t - время распространения головной ультразвуковой волны между вторым и третьим датчиками в отсутствии напряжений, определяемое по формуле:
*
23
0
0
t=L/c,
0
0
где L - база измерений, а с - скорость распространения головной волны в материале рельса в отсутствии напряжений.
23
23
*
Таким образом, измеряя время распространения головной ультразвуковой волны между датчиками приема t и вычисляя время распространения головной ультразвуковой волны в материале рельса t в отсутствии напряжений получаем значение для напряжения в рельсах.
0
0
Минимальная база измерений L рассчитывается по точности, с которой необходимо измерить напряжение в рельсовых плетях. Расчеты, проведенные для стальных рельсов, показывают, что для достижения точности не ниже 25 Мпа, при условии, что точность измерений времени прохождения импульсов составляет 1÷5 нс, база измерений L составляет не менее 95 мм.
Использование базы измерений не меньше расчетной минимальной базы измерений позволяет проводить измерение напряжения с требуемой точностью.
В качестве пьезопластин могут использоваться пьезопластины ЦТС-19.
Предлагаемое устройство для измерения напряжений в рельсовых плетях можно использовать для измерений на определенном участке рельсов для статических измерений или перемещать вдоль рельса.
Использование пружины позволяет добиться надежного контакта всех датчиков с поверхностью рельса как в статичном режиме, так и при передвижении устройства вдоль рельса, что позволяет получить достаточный уровень принимаемого датчиком ультразвукового сигнала и повысить точность измерения напряжений.
0
Таким образом, использование пружины для надежного контакта датчиков с рельсом и выбор базы измерений L не менее расчетной минимальной базы позволяет добиться необходимой точности измерений напряжения в рельсах, то есть добиться требуемого технического результата.
В настоящее время в Институте проблем машиноведения РАН изготовлен опытный образец предлагаемого устройства и проведены его испытания, в результате которых установлено, что предлагаемое устройство позволяет измерять напряжение в рельсовых с высокой точностью (при этом случайная погрешность измерений не превышает 0,02%), а вариации позиционирования предлагаемого устройства практически не влияют на измеряемое время.