СПОСОБ КОНТРОЛЯ РЕЛЬСОВЫХ ПЛЕТЕЙ БЕССТЫКОВОГО ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ПУТИ
CONTROL METHOD OF RAIL STRINGS OF CONTINUOUS WELDED RAILROAD TRACK

Изобретение относится к области контроля состояния железнодорожного полотна, в частности к не разрушаемым методам контроля напряженного состояния участков рельсовых плетей бесстыкового железнодорожного пути, вызываемого изменениями температуры. Может быть использовано для определения критических значений продольных напряжений сжатия, возникающих при повышении температуры рельсовых плетей по сравнению с температурой укладки рельсов в путь, которые могут создать опасность выброса пути.
Уровень техники известен из системы контроля перемещений рельсовой плети железнодорожного пути, содержащей транспортное средство, снабженное регистрирующим устройством и бесконтактными датчиками, установленными с возможностью обнаружения и анализа расположения рабочих меток, нанесенных на рельсовую плеть и на подкладку маячной шпалы (RU №2174082).
Недостатком известной системы является то, что контроль деформации рельсовой плети бесстыкового пути осуществляется только по меткам, расположенным на рельсовой плети (на верхней части подошвы рельсовой плети) и на репере (на подкладке «маячной» шпалы), что является недостаточным для получения достоверных результатов и исключения ложного срабатывания системы, и, кроме того, в известном устройстве анализу подвергаются метки, нанесенные краской, что также не способствует повышению достоверности результатов.
Известен способ определения состояния рельсошпальной решетки эксплуатируемого железнодорожного бесстыкового пути, преимущественно ее продольно-поперечной устойчивости под действием в ней продольных сжимающих температурных сил, заключающийся в том, что путеизмерительными средствами непрерывно измеряют кривизну рельсовых плетей в плоскости пути, периодически измеряют температуру этих же плетей при помощи бесконтактных температурных датчиков, определяют по формуле средние значения продольных сжимающих каждую рельсовую плеть сил, непрерывно определяют по формуле силы, стремящиеся сдвинуть шпалы поперек пути, сравнивают значения последних с допускаемыми их значениями для данного участка пути (RU №2038441).
При этом для расчетов и другого длительного использования определяют во время укладки или ремонта бесстыкового пути на каком-то участке (в границах каждой пары сварных плетей) или заменяют прежние исходные данные новыми и вводят в память бортовой вычислительной машины путеизмерительного вагона следующие исходные данные каждой пары рельсовых плетей: условный номер участка бесстыкового пути, координаты начала и конца участка (километр, пикет, расстояние начала и конца рельсовой плети от пикетного знака по ходу километров), площадь поперечного сечения рельсов, среднее расстояние между осями соседних шпал на этом участке, минимальную измеренную температуру рельсовых плетей при их закреплении в рельсовых скреплениях на участке.
К недостаткам способа следует отнести следующие:
- использование для определения сил значений кривизны, отнесенной к расстоянию между осями соседних шпал, т.е. мгновенных значений кривизны, ввиду того что из-за солидарной работы всех элементов рельсошпальной решетки и жесткости рельсов в плоскости пути невозможны поперечные деформации (искривления) на таком расстоянии (до 0,5 м) при нагревании рельсов.
Необходимо иметь систему контроля за продольными силами в рельсах бесстыкового пути, чтобы вовремя обнаруживать опасные отступления от установленного температурного режима, особенно в случаях возникновения на пути мест с избыточными сжимающими силами.
Известен акустический способ определения внутренних механических напряжений, заключающийся в том, что в исследуемый объект вводят импульсы ультразвуковых колебаний продольных и поперечных волн, принимают прошедшие через объект импульсы и измеряют времена их прохождения, по которым судят о величине напряжений, при этом излучающим преобразователем вводят два импульса ультразвуковых колебаний продольных волн и два импульса ультразвуковых колебаний поперечных волн под разными углами и принимают двумя приемными преобразователями прошедшие через объект импульсы на различных расстояниях от излучающего преобразователя, а величину напряжения определяют по формуле (RU №2057330).
Недостаток данного способа заключается в том, что его практически невозможно применить на рельсовой плети, у которого имеется лишь одна плоская поверхность - это подошва, длительность одного замера занимает много времени, что не позволяет проводить исследования на больших расстояниях.
Известен способ контроля рельсовых плетей бесстыкового железнодорожного пути, включающий регистрацию температуры рельсовой плети при укладке ее в путь и после проведения ремонтных работ, контроль за усилием затяжки гаек клеммных и закладных болтов и за продольными подвижками (угоном) плетей по смещениям контрольных сечений рельсовой плети относительно "маячных" шпал, проведение мероприятий по устранению угона, превышающих допустимые нормы, а при обнаружении в рельсовой плети опасного дефекта определение с помощью съемного ультразвукового дефектоскопа границы распространения внутренней трещины относительно рабочей грани головки рельса, место расположения дефекта по длине рельса, его устранение и восстановление рельсовой плети или установку на это место накладок в случае возможности оставления дефектного места в плети. В качестве "маячной" выбирается шпала, расположенная против пикетного столбика. Ее верх около рельса окрашивается яркой краской. Чтобы "маячная" шпала не смещалась, она должна быть всегда хорошо подбита, закладные болты на ней затянуты, типовые клеммы заменены клеммами с уменьшенной высотой ножек, а резиновые или резинокордовые прокладки - полиэтиленовыми или другими с низким коэффициентом трения. Оборудование "маячных" шпал и нанесение рисок производится сразу же после закрепления плетей на постоянный режим работы (Технические указания по устройству, укладке, содержанию, ремонту бесстыкового пути. - М.: Транспорт, 2000. Далее ТУ2000).
В данном способе имеется большое число ложных срабатываний системы и пропусков меток, так как на рельсах в процессе эксплуатации мелом записывают высоту подъемки (при выправке пути) и др. метки. На одних участках метки наносятся в створе с первой по ходу транспортного средства гранью подкладки, а на других с противоположной и датчики либо не получают сигнала на срабатывание, либо получают его, но с запаздыванием, что снижает надежность и достоверность работы системы.
Несмотря на постоянный периодический контроль за усилием затяжки гаек клеммных и закладных болтов, отследить время снижения затяжки гаек практически невозможно. Это обусловлено тем, что по бесстыковому пути достаточно прохождения нескольких составов с колесными парами, имеющими наплывы (навары) на ободах. Такие колеса при определенной скорости входят в резонансные колебания и создают значительные периодические ударные нагрузки на рельсы, которые передаются на скрепления и болты, и гайки. Такая вибрация приводит к самоотвинчиванию гаек, что может привести к нарушению установленного температурно-напряженного режима в плети и может привести к опасным концентрациям в плети растягивающих или сжимающих напряжений.
Применяемые в настоящее время «маячные шпалы» не обеспечивают достаточно точного контроля за величиной продольных сил.
Задачей заявляемого технического решения является повышение безопасности движения железнодорожного движения.
В процессе решения поставленной задачи достигается технический результат, заключающийся в повышении контроля состояния железнодорожного полотна, в частности контроля напряженного состояния участков рельсовых плетей бесстыкового железнодорожного пути, вызываемого изменениями температуры, в определении зон, где критические значения продольных сил сжатия, возникающих при повышении температуры рельсовых плетей по сравнению с температурой закрепления, могут создать опасность выброса пути.
Указанный технический результат достигается предлагаемым способом контроля рельсовых плетей бесстыкового железнодорожного пути, включающим регистрацию температуры рельсовой плети при укладке ее в путь и после проведения ремонтных работ, контроль за усилием затяжки гаек клеммных и закладных болтов и за продольными подвижками (угоном) плетей по смещениям контрольных сечений рельсовой плети относительно "маячных" шпал, проведение мероприятий по устранению угона, превышающего допустимые нормы, при этом выявляют участки напряженного состояния рельсовой плети, для этого на рельсовой плети в сечениях с интервалом 50-500 метров определяют текущее значение температуры плети, интенсивность генерируемого шума Баркгаузена, определяют фактическое значение механических продольных напряжений по графику зависимости интенсивности шумов Баркгаузена от механических продольных напряжений полученной при калибровке анализатора интенсивности магнитных шумов Баркгаузена, при этом калибровку анализатора шумов Баркгаузена проводят на образцах, вырезанных из рельсовой стали, причем калибровочный образец подвергается осевому сжатию или осевому сжатию и продольному изгибу от усилия осевого сжатия, при построении калибровочной зависимости интенсивность магнитных шумов Баркгаузена оценивают в относительных единицах, определяемых как отношение разности показаний анализатора к их сумме, полученной при измерении интенсивности магнитных шумов Баркгаузена в двух взаимно перпендикулярных направлениях, одно из которых должно совпадать с направлением приложения нагрузки при калибровке анализатора и направлением продольной оси рельса при измерении на рельсе, полученные значения напряжений и температуры наносят на расчетную зависимость значений напряжений в рельсе от температуры рельсовой плети, определяют разность между измеренными напряжениями и расчетными напряжениями и по величине разности напряжений на расчетной зависимости определяют отклонение температуры закрепления от ее нормативного значения и в случае ее превышения проводят работы по введению бесстыкового пути в нормируемый температурный режим.
Перемещения рельсошпальной решетки происходят по действием горизонтальных сил, эти перемещения происходят только во время движения поезда. Под каждым поездом эти перемещения в зависимости от величины горизонтальной силы составляют 0,1-1,0 мм, иногда меньше, иногда больше, но эти остаточные перемещения складываются. Особенностью рельсовой плети бесстыкового пути является то, что возникающие напряжения сжатия при нагреве солнечными лучами могут достигать, исходя из параметров рельса 82 см, порядка 200 ПМа, что соответствует силе сжатия порядка 160 тс. Такое явление возможно, в случае если скрепления создают прижатие рельса к шпале не менее 2,0 тс, что соответствует погонному сопротивлению скреплением, равным 2,5 тс/м, но при этом погонное сопротивление смещению шпал в балласте значительно меньше нормируемого, оно должно быть не менее 1,3 тс/м. С мая по декабрь месяцы, в периоды размораживания и замерзания балласта, сопротивление смещению шпал в балласте может достигать 0,7 тс/м. В этом случае при такой слабой устойчивости шпал в балласте и боковых усилиях от колесных пар, достигающих на прямых участках пути 6,0 тс, а в кривых 16,0 тс, под проходящим составом может произойти выброс пути.
Исключить вероятность выброса пути возможно, если вовремя провести мероприятия по снижению напряжений в рельсовой плети. Такая работа проводится, если известно напряжение сжатия в рельсовой плети и температура, при которой определено напряжение сжатия и температура укладки плети. Температура рельсовой плети определяется легко.
Определить механических напряжения в рельсовой плети задача сложнее. Метод определения должен быть достаточно простым в исполнении и кратковременным, полученные результаты механических напряжений должны иметь высокую достоверность.
Структурные изменения, происходящие в рельсовых сталях при термической обработке, а также в процессе эксплуатации влияют на интенсивность шумов Баркгаузена, что позволяет использовать метод эффекта Баркгаузена для неразрушающих механических напряжений в рельсовой цепи. При циклическом перемагничивании ферромагнитного образца измерительной катушке индуцируется сигнал, содержащий кроме дискретного спектра сплошной спектр, который и получил название шумов Баркгаузена. Наличие упругих внутренних напряжений в материале рельсовой плети, их значения и характер распределения, оказывающие влияние на то, каким образом домены определяют для себя ось легкого намагничивания и как они ориентируются по отношению друг к другу, определяют интенсивность генерируемого шума Баркгаузена, т.е. амплитуда магнитного шума зависит от внутренних напряжений в плети. Шумы Баркгаузена используются для контроля механических напряжений, толщины упроченного слоя, выявления шлифовальных прижогов, зон термического влияния и других физико-механических параметров ферромагнитных материалов и изделий при наличии корреляционной связи между шумами Баркгаузена и физико-механическими свойствами. Авторами установлено, что если калибровку анализатора шума Баркгаузена проводить на образцах, вырезанных из рельсовой стали, бывшей в эксплуатации, то достоверность линейной аппроксимации показаний анализатора от напряжения сжатия составляет не менее 0,97, а достоверность линейной аппроксимации зависимости относительного значения от напряжения сжатия составляет не менее 0,99. Поэтому предлагается способ при построении калибровочной зависимости интенсивность магнитных шумов Баркгаузена оценивать в относительных единицах, определяемых как отношение разности показаний прибора к их сумме полученной при измерении интенсивности магнитных шумов Баркгаузена в двух взаимно перпендикулярных направлениях, одно из которых должно совпадать с направлением приложения нагрузки при калибровке анализатора и направлением продольной оси рельса при измерении на рельсе. Калибровочная зависимость представлена на фиг.1.
В работе Карпова И.Г. «Обеспечение устойчивости бесстыкового пути в сложных условиях эксплуатации. Ддиссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук, Иркутск, 2012» получена прямая зависимость механических напряжений в рельсовой плети от температуры, представленная в на фиг.2, полученная расчетным путем и проверенная в реальных условиях. Используя полученную зависимость и текущие значения механических напряжений в рельсовой плети и температуру рельсовой плети, определяют необходимость проведения работ по введению бесстыкового пути в нормальный температурный режим.
2
Предлагаемый способ реализуется следующим образом. Из рельса, бывшего в употреблении, вырезается образец для калибровки, предпочтительней из шейки. Проводится калибровка анализатора шумов, например анализатора «ИНТРОСКАН», строится калибровочная зависимость (фиг.1). Проводятся работы по определению механических напряжений на рельсовых плетях железнодорожного пути. Температура укладки плети соответствовала 20°С.Определение механических напряжений проводили при температуре плети 30°С. В определяемых сечениях получены значения напряжений 30 и 40 МПа или 3 и 4 Кг/мм. Проведенный анализ показывает, что на участке, где получено значение 30 МПа, проводить никаких работ не следует, на участке, где получены значения 40 МПа, необходимо проводить работы по введению бесстыкового пути в нормируемый температурный режим. Необходимо также отметить, что наличие напряжений в рельсовой плети способствует ускоренному протеканию процессов деградации материала, наблюдаются такие явления деградации материала, как усталость, деформационное старение, эволюция дислокационной структуры, межкристаллитная коррозия, поэтому очевидна необходимость измерения уровня механических напряжений как можно чаще с целью возможности снятия напряжений. Содержание рельсовой плети в минимально напряженно-деформированном состояния позволит повысить ресурс железнодорожного полотна. Поэтому оценка напряженного состояния и основанных на нем критериев надежности работы бесстыкового пути позволяет оптимизировать условия эксплуатации рельсовой плети железнодорожного полотна.