Устройство оценки и контроля динамического состояния верхнего строения пути в условиях интенсификации перевозочных процессов
DEVICE FOR ASSESSING AND MONITORING DYNAMIC STATE OF UPPER STRUCTURE OF TRACK IN CONDITIONS OF INTENSIFICATION OF TRANSPORTATION PROCESSES

Предлагаемое изобретение относится к железнодорожному транспорту и может быть применено при обследовании верхнего строения пути.
Развитие межрегиональных и международных технико-экономических связей в последние годы отличается большим динамизмом: вырастают скорости движения поездов и их веса, повышается и планируется для постоянного наращивания осевая нагрузка для грузовых вагонов в диапазонах 25-30 т/ось, что стимулирует поиск и разработку соответствующего комплекса конструктивно-технических мер, обеспечивающих безопасность таких процессов. Известны разработки в направлениях создания более мощных локомотивов, модернизации вагонного парка путем перехода к 6-осным вагонам, модернизируется верхнее строение пути; резко возросла средняя скорость пассажирских перевозок, что нашло отражение в научных публикациях отечественных специалистов Савоськина А.Н., Когана А.Я., Хусидова В.В., Данилова В.Н., Ромена Ю.С. и др. [1, 2].
Большое внимание уделяется совершенствованию подвижного состава, изучению особенностей взаимодействия подвижного состава в процессах движения с повышенными скоростями, а также в режимах торможения и др. Вместе с тем, повышение осевых нагрузок (до 30 т) в грузовых вагонах, реализация скоростных режимов оказывают большое влияние на формирование динамического состояния в контакте «колесо-рельс»; при увеличении осевых нагрузок и скоростей движения вагонов возрастают нагрузки на ось, связанные с динамическими процессами, происходящими с верхним строением пути, обладающем динамической жесткостью, которая не является постоянной и зависит от многих факторов. Вибрационные процессы в контакте «колесо-рельс» приводят к разрушению и изменению упруго-диссипативных свойств верхнего строения пути, что осложняется также влиянием погодных условий и многих других факторов.
Увеличение динамических нагрузок на верхнее строение пути может существенно увеличить нагрузки на ось колесной пары по сравнению с ее статическим регламентом (или статическими значениями).
Динамические нагрузки на ось зависят от параметров колебаний колесной пары, которые возникают как результат действия многих факторов: неровности рельсового пути (неравномерный износ); деформации полотна рельсового пути, вызванные изменениями физических свойств насыпи, на которой расположена рельсошпальная решетка; колебания вагона по вертикали, а также в продольном и поперечном направлениях. Вопросам оценки динамических состояний рельсового пути уделяется достаточно большое внимание.
В процессе патентного поиска выявлен ряд изобретений-аналогов.
Известно изобретение [Коган А.Я., Суслов О.А., Кажаев А.Н. «Способ оценки напряженно-деформированного состояния пути», 2659365, МПК В61К 9/08, Е01В 35/12, приоритет 29.06.2018], представляющее собой способ оценки напряженно-деформированного состояния пути, согласно которому в составе грузового поезда размещают диагностический грузовой вагон, оборудованный тензометрическими колесными парами, с помощью которых измеряют вертикальные и боковые силы, передающиеся от колес диагностического грузового вагона на рельсы. Дополнительно перед поездкой в бортовую систему управления грузовым поездом вводят параметры пути, зависящие от конструкции верхнего строения оцениваемого пути. Вертикальные и боковые силы измеряют для загруженного диагностического грузового вагона в диапазоне частот, определяемом с учетом спектра силовых составляющих, возникающих в контакте колеса с рельсом при прохождении диагностического грузового поезда по длинным неровностям пути, коротким неровностям пути и неровностям на поверхности катания рельса. Размещают в составе грузового поезда нагрузочное устройство, с помощью которого в реальном времени определяют модуль упругости пути. По измеренным в движении величинам вертикальных и боковых сил, модуля упругости и введенным перед поездкой параметрам пути определяют характеристики напряженно-деформированного состояния пути под диагностическим грузовым вагоном на эксплуатируемых участках любой протяженности с привязкой к конкретным сечениям пути с помощью устройства GPS навигации. В результате повышается точность и достоверность определения характеристик напряженно-деформированного состояния пути.
К недостаткам данного изобретения можно отнести достаточно сложную технологию проведения измерений и дальнейшую оценку результатов.
Известен способ и устройство оценки технического состояния инженерного сооружения [Елисеев С.В., Быкова Н.М., Большаков Р.С., Белялов Т.Ш., Выонг К.Ч., Мозалевская А.К., «Способ и устройство оценки технического состояния инженерного сооружения», 2617800, МПК В06 В1/10, G01M 7/06, приоритет 26.04.2017], заключающийся в том, что возбуждают гармонические колебания путем приложения периодического вибрационного возмущения в двух взаимно перпендикулярных плоскостях X и Y. При этом осуществляют передачу внешнего воздействия вибровозбудителем также перпендикулярно к плоскостям X и Y по оси Z, настройку периодического вибрационного воздействия производят путем изменения амплитуды и частоты колебаний рабочего органа, полученные результаты сравнивают с предыдущими замерами, после чего дают оценку технического состояния инженерного сооружения. Устройство содержит вибрационную машину с электродвигателем, вал которого связан с рабочим органом, снабженным вибраторами и возбуждающим колебания в двух взаимно перпендикулярных плоскостях X и Y. Корпус вибрационной машины жестко соединен с рабочим органом и с исследуемой конструкцией, вибрационная машина способна перемещаться и возбуждать колебания по оси Z с различной амплитудой и частотой.
К недостаткам можно отнести низкую мобильность представленного изобретения.
За прототип принимается изобретение [Запускалов В.Г., Маслов А.И., Егоров И.В., Артемьев Б.В., Ролик В.А., Волчков Ю.Е. «Способ оценки состояния железнодорожного пути с изолирующим стыком», 2567495, МПК Е01В 35/00, G06G 7/70, приоритет 20.03.2002], представляющее собой способ оценки состояния железнодорожного пути с изолирующим стыком, этот участок и вагонную тележку представляют посредством реализованных в электронно-вычислительной машине моделей, описывающих их взаимодействие, определяют перемещения элементов системы экипаж-путь, силы взаимодействия между этими элементами и напряжения в них, а также их изменения во времени, используют полученные в результате данные для формирования заключения относительно технического состояния пути, отличающийся тем, что используют параллельно две математические модели - статическую конечно-элементную модель участка пути с изостыком и динамическую, включающую в себя кроме участка пути с изостыком также вагонную тележку, причем конечно-элементное моделирование проводят в два этапа, так, что формирование облика динамической модели и определение ее параметров производят на основе результатов первого этапа конечно-элементного моделирования, а результаты моделирования динамического взаимодействия вагонной тележки с изостыком используют затем в качестве исходных данных для проведения второго этапа конечно-элементного моделирования; получают в результате картину напряженно-деформированного состояния в элементах изостыка и на основе полученных данных вырабатывают рекомендации по изменению или доработке конструкции изостыка, его элементов, жесткостных и других характеристик для обеспечения требуемого уровня надежности по запасу прочности и ресурсу.
К недостаткам изобретения можно отнести наличие достаточно сложных моделей для оценки состояния верхнего строения пути, а также отсутствие внимания к общим его динамическим характеристикам.
Задачей предлагаемого изобретения является оценка состояния верхнего строения пути в условиях интенсификации перевозочных процессов.
Устройство оценки и контроля динамического состояния верхнего строения пути в условиях интенсификации перевозочных процессов содержит измерительную систему, включающую датчики-виброметры на буксах колесных пар двух тележек выбранного для исследований вагона, сканер, установленный по центру вагона и соединенный с блоком управления и обработки информации системы для анализа, оценки и контроля параметров динамического состояния верхнего строения пути.
Суть изобретения поясняется чертежами.
На фиг. 1, а, б приведена принципиальная схема измерительной системы устройства, обеспечивающей действие устройства оценки и контроля для верхнего строения пути, реализуемого измерительной системой, которая оборудуется на основе загруженного грузового вагона. На фиг. 1, а представлена принципиальная схема грузового вагона - измерительной системы (вид сбоку). Позиция 1 соответствует размещению основного блока управления и обработки информации системы, в котором находятся источники питания, устройства для размещения информационных массивов. Датчики (виброметры), отображающие особенности вибрационных движений колесных пар, показаны на позициях 3, 4, 7, 8 (фиг. 1, а и б); на фиг. 1, б (вид сверху) датчики, расположенные на противоположной стороны вагона, обозначены 11, 12, 13, 14. Виброметры, записывающие вибрации грузового вагона как объекта в виде твердого тела (в вертикальном направлении) представлены позициями 2, 9 (фиг. 1, а и б); позиции 10, 15 отображают датчики, расположенные на противоположной стороне вагона (фиг. 1, б). На фиг. 1, а и б сканер, обеспечивающий фиксацию прохождения объекта над шпалой, обозначен позицией 5. Упомянутые датчики (виброметры) и сканер соединяются соответствующими коммуникациями.
Изобретение работает следующим образом.
Предлагаемое изобретение относится к решению проблем железнодорожного транспорта и позволяет продвинуться в задачах обеспечения безопасности перевозочных процессов на основе создания системы контроля и оценки динамического состояния рельсового пути по определенному графику осуществления замеров состояния пути в реальных условиях эксплуатации в пределах движения между оборотными депо (или определенных участков дороги).
Устройство оценки и контроля динамического состояния верхнего строения пути в условиях интенсификации перевозочных процессов ориентировано на прием данных об уровне вибраций подготовленного к перевозке груженного грузового вагона как средства получения информации. В частности, измеряются и записываются с помощью виброметров и аппаратуры колебания грузового вагона как твердого тела. Датчики устанавливаются по углам вагона с целью оценить уровень колебаний в продольных и поперечных направлениях. Одновременно записываются вибрации по колесным парам. Виброметры устанавливаются на каждой буксе (всего - 8 датчиков).
Для конкретной привязки применяемой виброметрической аппаратуры используется сканер, который крепится на раме вагона таким образом, что обеспечивается получение сигнала при прохождении каждой шпалы. Принципиальная схема измерительной системы приводится на фиг. 1, а, б (вид сбоку и сверху).
Работа измерительного комплекса (системы) обеспечивается использованием компьютера, обеспечивающего работу измерительного комплекса в автоматическом режиме.
Предлагаемое устройство оценки и контроля динамического состояния верхнего строения пути на обследуемом перегоне основано на получении информации об особенностях состояния специально подготовленного и загруженного грузового вагона в структуре грузового поезда, совершающего движение. Запись информации ведется в автоматическом режиме в течение всего времени следования поезда. В случае остановок измерительный комплекс может отключаться автоматически или через оператора, курирующего сбор информации о состоянии и уровне динамических воздействий при плановой записи параметров.
Предполагается, что в течение года такой измерительный комплекс включается в работу ежеквартально или чаще, в зависимости от прогнозных оценок состояния рельсовых путей, в целом. Сканер измерительного комплекса настраивается на подачу сигнала при прохождении каждой шпалы (или нескольких шпал), что дает возможность привязки информации о вибрациях на колесных парах. Колебания вагона и другие параметры можно «привязывать» к шпальной решетке, что локализует представления о месте расположения дефектов верхнего строения пути и закономерностях их расположения. Непрерывная запись параметров динамического состояния дает возможность построения соответствующего информационного банка, позволяющего вести контроль за динамическим состоянием верхнего строения пути (ВСП) в течение длительных циклов эксплуатации и прогнозирования условий безопасных перевозок в различные времена года. Данные, получаемые измерительным комплексом, со временем должны стать информационной основой стратегии и тактики перевозочных процессов. «Шпальная» привязка данных о динамическом состоянии системы локализует информацию и делает ее доступной для конкретизации требующих внимания недостатков ВСП.
Измерительная система настраивается перед выходом поезда на линию и включается в определенной заранее «знаковой зоне». Эта точка отсчета рассматривается как постоянная для всех последующих проверочных заездов.
Блок управления 1 обеспечивает также отключение системы при остановке поезда и его стоянке. Включение системы может производиться автоматически или через оператора, осуществляющего контроль за работой измерительной системы.
В предлагаемом изобретении предполагается возможность наложения на записи процессов тех моментов, которые связаны с прохождением встречного поезда, что формирует особенности формирования динамических состояний верхнего строения пути.
Источники информации
1. Чунин С.В., Шабуневич В.И., Савоськин А.Н. Экспериментальное исследование собственных частот и форм колебаний рельса // Вестник научно-исследовательского института железнодорожного транспорта. 2020. Т. 79. №3. С. 154-160.
2. Мугинштейн Л.А., Богданов В.М., Сухов А.В., Ромен Ю.С. Основные причины повышенного износа рельсов и гребней колесных пар грузовых вагонов // Железнодорожный транспорт. 2020. №7. С. 43-51.