СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ СТЫКОВ РЕЛЬСОВОГО ПУТИ
METHOD FOR DEFINITION OF GEOMETRIC PARAMETERS OF RAILWAY JOINTS

Изобретение может быть использовано для контроля состояния и определения параметров стыков рельсового железнодорожного пути, выражающейся в определении расстояния между двумя смежными рельсами образующими стык.
Известны способы линейного измерения параметров железнодорожного пути с использованием путеизмерительной тележки, например, приведенный в технических условиях (2822.00.000 ТУ. Устройство для контроля рельсовой колеи, М.: Апрель, 2002 г.), согласно которому осуществляют прямые геометрические измерения рельсовых стыков посредством специализированных шаблонов.
Также контроль и проверку состояния пути обеспечивают вагоны-путеизмерители, осуществляющие измерение геометрических параметров рельсового пути в процессе движения. Такие вагоны оборудованы автоматической системой прямого измерения, состоящей из устройств (датчиков), предназначенных для непосредственного измерения контролируемых величин относительно измерительной базы.
Недостатком указанных способов прямых измерений является использование прямого механического контакта измерительных систем тележек или шаблонов с рельсами, что вызывает интенсивный абразивный износ данных измерительных элементов, что в результате приводит к искажению результатов контроля. Кроме того контроль рельсового пути методами прямого контактного замера ограничена скоростью 50 км/ч.
Цель изобретения - повышение достоверности и оперативности диагностики состояния стыков рельсового пути, повышение уровня безопасности движения на транспорте.
Сущность способа заключается в измерении значения выброса всех максимальных амплитуд сигналов акустической эмиссии в полосе частот от 30 кГц до 300 кГц в равные последовательные промежутки времени с частотой выборки от 500 мкс до 0,1 мкс от датчиков (преобразователей) устанавливаемых на корпусе правой и левой буксы колесной пары локомотива или вагона и определении расстояния между торцами рельс по формуле [1]
где: S - длина стыка, м;
V - линейная скорость колесной пары подвижного состава, м/с;
выб
t - длительность выброса всех максимальных амплитуд сигналов акустической эмиссии при прохождении колесной пары рельсового стыка, с.
Возможное относительное отклонение h торцов рельс стыка по высоте определяют по значительному увеличению - на 300-500% выброса максимальных амплитуд сигналов акустической эмиссии от уровня допустимого выброса стыка без отклонения h=0 рельс по высоте [2]
выб.макс
где А  - выброс максимальных амплитуд сигналов акустической эмиссии;
выб.доп
А  - выброс допустимых амплитуд сигналов акустической эмиссии.
выб.макс
выб
При прохождении рельсового стыка возникает выброс максимальных амплитуд сигналов акустической эмиссии А  и длительность импульсов t . На фиг. 1 представлена осциллограмма акустико-эмиссионного сигнала при движении по рельсовому стыку колесной пары.
Колесная пара при движении по рельсовому пути (фиг. 1) взаимодействует с головкой рельса, при этом плотность потока генерируемой энергии q, определяется выражением [3].
где ν - скорость относительного движения м/с;
ρ - плотность материала;
λ и μ - коэффициенты Лямэ;
- напряжение среза, возникающее в результате взаимодействия поверхностных слоев в момент времени;
p
f  (νt) - взаимное давление контактирующих поверхностей.
Причинами, вызывающими сигналы акустической эмиссии соответственно формуле [3] являются:
 изменения напряжения среза, возникающее в результате взаимодействия поверхностных слоев колесной пары и рельса;
 изменения контактного давления поверхностей колесной пары и рельса;
 дефекты поверхности катания головки рельса;
 шероховатость взаимодействующих поверхностей;
 рельсовые стыки.
При перекатывании колесной пары через стыковое соединение рельсов (рельсовый стык) происходит скачкообразное перемещение мгновенного центра вращения с отдающего конца рельса на принимающий. Это приводит к мгновенному изменению направления вектора скорости центра масс колесной пары за счет мгновенного возникновения вертикального вектора скорости. А мгновенное приложение вектора скорости - удар. Таким образом, при перекатывании колесной пары через рельсовый стык происходит ударное взаимодействие колеса и рельса.
α2
1
1
2
в
Непосредственно из фиг. 2 следует, что вектор скорости ЦМ до удара, перпендикулярен радиусу ЦМ- и обозначен через ν, а после удара - радиусу ЦМ-α, и обозначен через ν. Изменение произошло за счет возникновения вертикального вектора ν.
Определим величину этого вектора из заштрихованного треугольника , с учетом малости угла можно заменить  на  и в результате получим  где ν - поступательная скорость движения колесной пары по рельсовому пути;  - угол, образованный радиусами колеса, ограничивающими дугу, примерно равную расстоянию между точками касания
cm
Угол θ является суммой трех углов, зависящих от зазора между концами соседних рельсов, дополнительного износа концов рельсов и упругой деформации стыкового соединения под давлением колеса:
в
0
Для определения ударного импульса, возникающего в момент прохождения колесной парой стыкового соединения можно воспользоваться гипотезой A.M. Годыцкого - Цвирко, согласно которой количество движения, приобретаемое колесной парой за время удара, равно импульсу сил, сообщенному ей за это же время, т.е. mν - mν = s(t),
где m - масса колесной пары с учетом неоподрессоренных частей тележки;
0
ν - вертикальная скорость ЦМ до удара;
в
ν - то же после удара.
0
в
cm
Принимая ν = 0, получим s(t) = mν = mθν. По определению ударный импульс равен произведению силы удара на время ее действия, т.е. s(t)=P⋅t,
откуда
Энергия Е, выделяемая при этом регистрируется в виде сигналов акустической эмиссии определяемая выражением [3].
выб
где t - длительность выброса всех максимальных амплитуд сигналов акустической эмиссии, с;
А-амплитуды сигналов.
s(t)-акустико-эмиссионные сигналы, регистрируемый датчиком прибора или комплекса;
u(t)-функция, описывающая форму сигналов АЭ.
Из выражения [5] можно заключить, что амплитуды АЭ сигналов определяется равенством [6]
Способ определения геометрических параметров стыков рельсового пути при подключении измерительного устройства амплитуд сигналов акустической эмиссии к ПК и цифровой обработке данных автоматизирует процесс измерения на скоростях от 5 до 300 км/час и позволяет передавать данные в диспетчерский пункт железной дороги с целью своевременного реагирования на дефектные участки пути, предотвращая тем самым аварийные ситуации.
Область применения - железнодорожный транспорт, метрополитен, промышленный транспорт.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Фиг. 1. Осциллограмма акустико-эмиссионного сигнала при движении по стыку железнодорожного пути. Отображает характер акустико-эмиссионных сигналов и оценку их амплитуд фиксируемых измерительными устройствами при движении колесной пары по стыку железнодорожных рельсов.
Фиг. 2. Движение колесной пары по стыку рельсового пути. Отображает направление мгновенных векторов скорости и образующие углы при прохождении колесом стыка железнодорожных рельсов