Способ оценки стыковых зазоров рельсов железнодорожного пути
METHOD FOR ASSESSMENT OF EXPANSION GAPS FOR RAILS OF A RAILWAY TRACK

Изобретение относится к методам неразрушающего контроля материалов путем исследования магнитных полей рассеяния и может быть использовано при текущем содержании и техническом обслуживании железнодорожных (ж.д.) путей, в частности, путем оценки величин зазоров в болтовых стыках рельсов.
Безопасность движения поездов как по звеньевому, так и по «бесстыковому» рельсовому пути в значительной мере зависит от состояния болтовых стыков. Бесстыковой путь обычно состоит из сварных рельсовых плетей длиной 800 м и более, которые разделяются уравнительными пролетами (две, три или четыре пары разрядных рельсов длиной 12,5 м на обеих нитках пути, скрепленных болтовыми стыками), зонами стрелочных переводов и станционных путей [1, 2]. Концы бесстыковых рельсовых плетей, становятся «дышащими», т.е. могут изменить свою первоначальную длину при изменениях температуры окружающего воздуха. Кроме того, на бесстыковых путях могут находиться и места временного восстановления (при обнаружении дефекта участок рельсовой плети длиной 8-11 м вырезается и устанавливается временный рельс, соединяемый с рельсами плети с помощью болтовых стыков).
Несмотря на тенденцию перехода к бесстыковому пути (более 75% главных путей на сети дорог ОАО «РЖД» к 2022 г.), на рельсовых путях ж.д. сети содержатся более 9,5 млн. болтовых стыков.
Известно, что в холодное время года рельсы укорачиваются, а в жаркое время - удлиняются. В болтовых стыках рельсов при их укладке оставляют зазоры с тем, чтобы при изменении температуры рельсы могли изменить свою длину во избежание возникновения значительных температурных напряжений (летом - сжатия, зимой - растяжения).
При низких температурах для предупреждения изгиба или среза стыковых болтов зазоры в стыках не должны превышать 22 мм (при использовании рельсов длиной 25 м с диаметрами отверстий 36 мм) [1, 2].
При повышенных температурах (в летнее время) для боковой устойчивости звеньевого пути не допускается иметь более двух подряд нулевых зазоров для рельсов длиной 25 м и более четырех - при рельсах длиной 12,5 м. Неконтролируемые температурные расширения рельсовой плети (летом) могут привести к так называемому «выбросу» пути и к сходу подвижного состава с рельсов. По действующим нормам [1, 2] изменение зазоров более чем на 52 мм при трех уравнительных рельсах требует замены одного из них [3].
Периодическая оценка величин стыковых зазоров позволяет прогнозировать надежность рельсового пути и предотвратить нежелательные последствия при наступлении экстремальных и близких к ним температур [2, 4]. Таким образом, в зависимости от времени года существует два принципиально разных подхода к мониторингу состояния стыковых зазоров: при низких температурах нельзя допускать увеличение стыковых зазоров выше допустимого, а при высоких положительных температурах - уменьшение величин стыковых зазоров до нулевого значения. Значит, и подходы к оценкам искомой величины также могут быть разными.
Известен акустический способ обнаружения неисправностей рельсового пути [5], где по параметрам акустических импульсов, возникающих в результате механического удара колеса подвижной единицы о кромки болтового стыка рельсового пути, оценивают величину стыкового зазора. Известный способ сложен в реализации и обеспечивает низкую точность и достоверность оценки.
Известны способы и устройства видеорегистрации рельсового пути с помощью оборудования, установленного на диагностических вагонах путеизмерения [6] и дефектоскопии [7], с помощью которых, естественно, можно оценить и величины стыковых зазоров. Известен также способ обнаружения напряжений в рельсах [8], где одной из основных операций является определение стыкового зазора с помощью системы видеорегистрации болтовых стыков. Однако, зависимость получаемых результатов от климатических условий (снег, дождь, тени на рельсах от объектов инфраструктуры), грубые ошибки из-за наплывов (козырьков) металла на концах рельсов, а также сложность обработки видеосигналов обуславливают низкую достоверность и надежность известных технических решений.
Известны устройства [9, 10 и 11] и способы оценки стыковых зазоров с помощью вихретоковых преобразователей [12]. Известные способ и устройства требуют создания специальной аппаратуры, значительно зависят от положения датчиков относительно поверхности катания рельса и обладают низкой достоверностью и надежностью.
Известны способы обнаружения разрыва рельсов ж.д. пути (например, [13]), реализуемые с использованием электрических или оптоволоконных кабелей, укладываемых вдоль рельсов для обнаружения разрыва ж.д. пути. Однако эти способы требуют значительных первоначальных вложений и не обеспечивают возможность определения величин зазоров с требуемой точностью.
Известен способ обнаружения дефектов в рельсах магнитодинамическим методом неразрушающего контроля [14, 15] (в зарубежной литературе используется термин «MFL method» - метод вытеснения магнитного потока), заключающийся в возбуждении соответствующими средствами постоянного магнитного потока в рельсе и фиксации магнитного поля с помощью датчиков аномалий (индукционных катушек или датчиков Холла), установленных на участке рельса с постоянным магнитным потоком. При совместном перемещении указанных средств возбуждения и датчиков появляется возможность обнаружения аномалий магнитного поля в головке рельса, в частности, вызванных дефектами в головке рельсов и разрывами (болтовыми стыками) ж.д. пути.
Известен способ обнаружения разрыва рельсов ж.д. пути [16], при котором генерируют магнитное поле в рельсах, фиксируют рассеянное магнитное поле двумя датчиками, сдвинутыми относительно друг друга вдоль рельсов на определенное расстояние, и вычисляют дифференциальный сигнал с указанных датчиков. Недостатком известного способа, принятого за прототип, является ограниченная область применения, заключающаяся в отсутствии возможности определения и оценки величин стыковых зазоров уравнительных звеньев рельсового пути с требуемой достоверностью.
Задачей, решаемой предлагаемым способом, является повышение достоверности и надежности оценки величин стыковых зазоров ж.д. пути в широком диапазоне температур в автоматическом режиме.
Поставленная задача решается тем, что в способе оценки стыковых зазоров генерируют магнитное поле в рельсах, фиксируют рассеянное магнитное поле магниточувствительными датчиками, причем рельс намагничивают до уровня, близкого к магнитному насыщению с помощью системы намагничивания, обеспечивающей стабильный магнитный поток в рельсе, определяют зону болтового стыка, измеряют параметры сигнала, вызванного рассеянием магнитного поля в зоне зазора и по измеренным параметрам оценивают величину стыкового зазора. В частном случае, при отрицательных температурах окружающего воздуха, в качестве параметра сигнала преимущественно используют временной интервал между экстремумами сигнала от стыкового зазора. В другом частном случае, при положительных температурах окружающего воздуха, в качестве параметра сигнала преимущественно используют амплитуду сигнала от стыкового зазора.
Отличительными особенностями предлагаемого способа по сравнению с прототипом и уровнем техники являются:
1. Рельс намагничивают до уровня, близкого к магнитному насыщению с помощью специальной системы намагничивания, обеспечивающей стабильный магнитный поток в рельсе, например, известной по патентам [14, 15] с размещением электромагнитов на осях колесных пар двухосной тележки и использованием колес в качестве полюсов магнита. В отличие от прототипа, это позволяет уменьшить ложные показания при анализе аномальных участков с наплывом металла рельса с образованием «козырьков» в зоне стыкового зазора. В прототипе накладной магнит с определенным технологическим зазором полюса относительно поверхности катания не позволяет обеспечивать намагничивание исследуемой головки рельса на достаточную глубину, что снижает достоверность определения сигналов от стыковых зазоров (разрывов рельсового пути).
2. Использование системы намагничивания, обеспечивающей стабильный магнитный поток в контролируемых рельсах, повышает достоверность и надежность оценки величин стыковых зазоров. В прототипе используют накладной магнит, полюс которого находится на определенном расстоянии (40 мм в [16]) от поверхности катания рельса. В процессе движения системы из-за динамических воздействий величина этого технологического зазора будет флуктуировать, что приводит к искажению магнитного поля, возбуждаемого в поверхностном слое головки рельса, и к снижению достоверности и точности определения искомой величины. Кроме того, эксплуатация системы, где на незначительном расстоянии от поверхности катания рельса висит массивный объект (в прототипе - постоянный магнит), небезопасна и может привести к повреждению и полной неработоспособности способа на эксплуатируемых ж.д. путях.
3. Предварительное обнаружение зоны болтового стыка позволяет более точно определять стыковой зазор, повышает достоверность определения величин стыковых зазоров и снижает нагрузку на блок обработки, одновременно повышая производительность способа, т.к. на бесстыковых путях стыковые зазоры встречаются сравнительно редко (в основном, в зоне уравнительных пролетов). В прототипе процедура определения болтового стыка не предусмотрена, что приводит к необходимости мощной и непрерывной обработки всего поступающего на магниточувствительные датчики потока сигналов. При этом возможна как перебраковка, так и пропуск сигналов от болтовых стыков.
4. Измеряют параметры сигнала, вызванного рассеянием магнитного поля и по измеренным параметрам оценивают величину стыкового зазора. В общем случае для реализации способа достаточно использовать один датчик на каждый рельс, или же одну линейку датчиков Холла, установленную поперек головки рельса, что упрощает конструкцию устройства, реализующего предлагаемыйспособ, и повышает точность оценки. В прототипе для получения дифференциального сигнала требуется использование двух магниточувствительных датчиков. Это усложняет реализацию известного способа и снижает точность измерения, так как датчики разнесены по длине рельса и могут по-разному реагировать на динамические воздействия на них в зоне разрыва рельса.
5. В качестве измеряемого параметра используют расстояние между экстремумами сигнала от стыкового зазора, дающее достоверные данные при оценке значительных (до 50 мм) величин зазоров, что характерно для отрицательных температур воздуха (и рельсов), и может привести к срезу стыковых болтов и к нарушению целостности рельсового пути. В прототипе вопросы оценки величин зазоров болтовых стыков при низких температурах не рассматриваются.
6. Для малых величин стыковых зазоров (от 0 до ≈7 мм) в качестве измеряемого параметра используют амплитуду сигнала от стыкового зазора, чувствительную для малых значений. Этот параметр актуален в летних условиях, когда уменьшение величины стыкового зазора до нулевого значения ограничивает температурное расширение рельсов и может привести к нарушению геометрии (к выбросу) рельсового пути. В прототипе вопросы оценки величин стыковых зазоров вблизи нулевого значения не рассматриваются.
Таким образом, совокупность отличительных признаков заявляемого способа позволяет получить нужный технический результат: повышение достоверности и надежности оценки величин стыковых зазоров и, как следствие, повышение безопасности эксплуатации рельсового пути.
Реализация способа демонстрируется следующими иллюстративными материалами:
Фиг. 1. Характер изменения магнитного поля (фиг. 1b) и форма сигнала индукционного датчика (фиг. 1с), при прохождении намагничивающей системы с датчиком над зоной болтового стыка (фиг. 1a), где:
1 - контролируемый ж.д. рельс;
2 - зона болтового стыка с накладками 3 и стыковым зазором 4;
5 - сигнал от стыкового зазора 4 и реакции 6 и 7 от начала и от конца стыковых накладок 3 при фиксации их датчиками Холла (фиг. 1b) и индукционным датчиком (фиг. 1с)
Фиг. 2. Вид сигнала от стыкового зазора 4, где:
а - амплитуда (размах) сигнала;
w - ширина положительного выброса;
d - расстояние между экстремумами сигнала.
Фиг. 3. Результаты моделирования и экспериментальные зависимости параметров сигнала от величины стыкового зазора 4 во всем диапазоне измерений: фиг. 3а - результаты моделирования; фиг. 3b - экспериментальные зависимости.
Фиг. 4. Результаты моделирования и экспериментальные зависимости параметров сигнала от величины стыкового зазора 4 при малых величинах: фиг. 4а - результаты моделирования; фиг. 4b - экспериментальные зависимости.
Способ реализуется следующим образом. Мобильное дефектоскопическое средство с заданной скоростью перемещается по рельсовому пути. Электромагнитные катушки (соленоиды), установленные на осях колесных пар двухосной тележки (на фиг. не показаны) известным способом [14, 15], возбуждают постоянный магнитный поток на участках рельсов, расположенных между полюсами электромагнита (пятнами контакта колесных пар с рельсами). Магниточувствительные датчики (на фиг. не показаны), установленные на поверхности катания в межполюсном пространстве, воспринимают аномалии магнитного поля: дефекты и конструктивные элементы рельсового пути (стрелочные переводы, болтовые стыки и зазоры между соединяемыми рельсами, сварные швы и т.п.). Как правило, амплитуды сигналов от стыковых зазоров имеют большие значения по сравнению с сигналами от сварных стыков и потенциальных дефектов рельсов. По этому признаку и с использованием технических решений по патентам [14, 17, 18] удается с высокой достоверностью распознать сигналы от стыковых зазоров на фоне остальных сигналов.
В качестве магниточувствительных датчиков при реализации способа могут использоваться индукционные катушки; датчики Холла (единичные, в виде линеек или матрицы); тонкопленочные магниторезистивные датчики [19]. Индукционные датчики, как наиболее надежные для работы в широком диапазоне температур и простые в эксплуатации, предпочтительнее для реализации способа. При применении датчиков Холла поступающие сигналы предварительно необходимо подвергнуть операции дифференцирования.
В традиционных мобильных средствах дефектоскопии, реализующих MFL-метод [20], датчики устанавливаются на износостойкий немагнитный протектор (композитные материалы или нержавеющая сталь), скользящий по поверхности катания контролируемых рельсов. При этом обеспечивается постоянный зазор (на практике 2-4 мм) между измерительными датчиками и поверхностью рельса, что дополнительно повышает стабильность измеряемых параметров и не требует специальных технических решений, известных из уровня техники, по отслеживанию зазора между датчиком и поверхностью рельса. Так как степень прижатия датчиков к рельсу невелика, то эксплуатационные свойства протекторов обеспечивают контроль 1000 км рельсового пути и более без их замены.
В процессе сканирования рельсов в общем потоке сигналов, последовательно поступающих на магниточувствительные датчики, сигналы от болтовых стыков могут быть выделены по их характерным признакам: наличию сигналов (откликов 6 и 7 на фиг. 1b и 1с) от концов стыковых накладок 3 и сигнала 5 значительной амплитуды определенной формы (фиг. 1 и 2) от стыкового зазора 4 в середине между концами накладок [20 и 21]. Достоверность распознавания сигналов от болтовых стыков можно дополнительно повысить с использованием специальной обработки [22].
Зависимость отдельных параметров сигнала 5 от величины стыкового зазора предварительно оценена путем математического моделирования (фиг. 3а). Наблюдается почти линейная зависимость расстояний d между максимумами (экстремумами) двухполярного импульса 5 от величины стыкового зазора 4 (фиг. 1 и 2) в диапазоне зазоров от ≈7 до 30 мм. Результаты моделирования подтверждаются и экспериментальными исследованиями. Анализ величин более 180 стыковых зазоров (на скоростном участке ж.д. пути Москва - Санкт-Петербург) и сравнение их со значениями d на дефектограммах магнитного канала вагона-дефектоскопа, периодически курсирующего по этому перегону, убедительно показывает принципиальную возможность оценки искомого параметра по значению d (фиг. 3b). Вагон-дефектоскоп оснащен системой намагничивания, где электромагниты размещены на осях колесных пар, а полюсами электромагнита служат колеса двухосной тележки вагона фиг. 3а [14, 15, 21]. В общем случае система намагничивания, создающая стабильный магнитный поток в рельсе в процессе движения, может иметь и иную конструкцию (например, аналогичную [23]).
На зависимостях (фиг. 3) в области малых (от 0 до ≈7 мм) величин зазоров наблюдается зона неопределенности. По значению d (на фиг. 3а, в зоне, где d ≈10 мм) можно лишь сделать вывод, что стыковой зазор находится в области малых (≈ до 7 мм) значений. В условиях повышенных положительных температур эти знания для эффективного содержания рельсового пути по требованиям нормативных документов [1, 2] могут быть недостаточны.
Поиск дополнительных способов оценки малых величин стыковых зазоров по сигналам магнитного контроля показывают, что в этом случае, более информативной оказывается величина размаха (а - амплитуда) сигнала от зазора (фиг. 2). Как результаты математического моделирования (фиг. 4а), так и практические данные (фиг. 4b), полученные в указанных выше условиях, подтверждают этот вывод. Измеряя амплитуду сигнала от стыкового зазора, можно с достаточной для практики точностью оценить величину зазора в диапазоне от 0 до 7 мм.
Вопросы определения амплитуд а сигналов от стыкового зазора и расстояния d между экстремумами (при известной скорости движения диагностического средства) не представляют трудностей и выполняются известными радиотехническими способами.
Таким образом, в процессе движения мобильного диагностического средства, оснащенного системой намагничивания и магниточувствительными датчиками, из потока регистрируемых сигналов выделяются сигналы от зон болтовых стыков, определяются параметры сигналов от стыковых зазоров (расстояние между экстремумами и амплитуда сигнала) и по измеренным параметрам оценивают величины стыковых зазоров болтовых соединений рельсового пути. В условиях значительных отрицательных температур (ниже минус 20°С), из процедуры анализа можно исключить этап измерения амплитуд сигналов, дополнительно упрощая реализацию способа.
Высокая достоверность и надежность оценки стыковых зазоров заявленным способом обеспечивается использованием магнитного (MFL) контроля, основанного на генерации стабильного магнитного потока в контролируемом рельсе и фиксации рассеяний магнитного потока с помощью магниточувствительных датчиков с постоянным технологическим зазором между датчиком и поверхностью сканирования [14, 20-22].
Информация, полученная о величине стыковых зазоров, при дальнейшей цифровой обработке позволяет осуществить в автоматизированном виде:
- определение наличия двух и более стыков с нулевыми зазорами;
- оценку увеличения зазоров более чем на 52 мм при трехзвеньевых уравнительных пролетах;
- проводить мониторинг состояния стыковых зазоров и рельсового пути в процессе скоростного сканирования.
В настоящее время все эти операции, требуемые в нормативно-технической документации по текущему содержанию рельсового пути, в основном выполняются вручную.
Важно отметить, что предлагаемый способ реализуется без прерывания основной функции скоростного дефектоскопического средства: выявление поверхностных и внутренних дефектов в головке рельса методом вытеснения магнитного потока (MFL). Предложенные в заявке подходы реализуются путем введения дополнительной обработки текущих сигналов контроля, получаемых в процессе рабочего проезда мобильного средства по рельсовым путям. В дополнение к выявлению дефектов, реализация способа позволяет оценивать с достаточной для практики точностью величины зазоров в болтовых стыках рельсов ж.д. пути.
Источники
1. Инструкция по текущему содержанию железнодорожного пути. Распоряжение ОАО «РЖД» №2288/р от 14.11.2016.
2. Инструкция по укладке, содержанию и ремонту бесстыкового пути. Распоряжение ОАО «РЖД» №2544/р от 14.12.2016 (с изменениями от 09.09.2022).
3. Стоянкович Г.М., Пупатенко В.В. Температурные деформации в зоне уравнительных пролетов бесстыкового пути // Путь и путевое хозяйство. 2019, №6, с. 34-37.
4. Мелихов С.Н, Бондаренко А.А., Матвецов В.И. Попикетный контроль стыковых зазоров и температурная надежность звеньевого пути // Путь и путевое хозяйство. 2022, №8, с. 29-32.
5. RU 2511644.
6. RU 101851.
7. RU 2642687.
8. US 8934007.
9. RU 55716.
10. RU 2082640.
11. RU 2066646.
12. RU 2192982.
13. US 11130509.
14. RU 2696066.
15. RU 2707977.
16. US 2019/0086364.
17. RU 2652673.
18. DE 102004045457.
19. RU 2290654.
20. А. Марков, А. Антипов. Магнитная дефектоскопия рельсов. Новые возможности // LAP LAMBERT Academic Publishing RU. 2018. ISBN: 978-613-9-88764-4. 103 c.
21. Марков A.A., Кузнецова E.A. Дефектоскопия рельсов. Формирование и анализ сигналов. Книга 2. Расшифровка дефектограмм // СПб.: Ультра Принт, 2014. 332 с.
22. RU 2671368.
23. RU 2680103.