СПОСОБ ДИАГНОСТИКИ РЕЛЬСОВОГО ПУТИ И СИНХРОНИЗАЦИИ РЕЗУЛЬТАТОВ ИЗМЕРЕНИЙ
METHOD OF DIAGNOSTICS OF RAILWAY AND SYNCHRONIZATION OF MEASUREMENT RESULTS

Способ диагностики рельсового пути относится к способам и средствам неразрушающего контроля материалов и может быть использован для повышения качества диагностики инфраструктуры рельсовых путей. Необходимость точного определения положения диагностического комплекса на рельсовом пути и синхронизации результатов измерений обусловлена следующими обстоятельствами:
- сравнивать результаты текущих и предшествующих измерений оперативно и в лабораторных условиях.
- позволяет быстро обнаружить и устранить выявленные дефекты ремонтной бригадой.
Известен способ диагностики рельсового пути [1], заключающийся в том, что диагностический комплекс, содержащий средства дефектоскопии и навигации перемещают по рельсовому пути, постоянно зондируют рельсовый путь средствами дефектоскопии, принимают ответные сигналы, которые сохраняют совместно с данными систем навигации в виде текущей диагностической базы данных рельсового пути, оперативно и в лабораторных условиях анализируют текущие сигналы средств дефектоскопии, сравнивают текущие сигналы средств дефектоскопии с соответствующими сигналами из диагностической базы данных предыдущих проездов, принимают решение о степени опасности и динамике развития дефектов, корректируют образцовую диагностическую базу данных по результатам текущей дефектоскопии.
В соответствии с [1] современные диагностические комплекса ставят своей целью обнаружение аномалий различных элементов рельсовых путей - от состояния балластного слоя, шпал, рельсов и их стыков, элементов крепления рельсов, геометрии пути, и т.п. В [1] приведен перечень диагностируемых параметров рельсового пути (до 120, который не реализован).
Высокая занятость рельсовых путей предъявляет к диагностическим комплексам требования по скорости перемещения - от 80 км/час и выше. В [1] обещают скорости перемещения дефектоскопических устройств до 250-300 км/час, что не подкреплено какими либо решениями.
Корректное сравнение результатов измерений требует их координатой привязки. В [1] предлагают использовать многодискретный синхронизатор, построенный на основе датчика пути и скорости, обеспечивающего привязку всех измеряемых параметров к «единой координате пути» и «географической координате».
Для осуществления точной привязки [1] «перед проездом подготавливают маршрут, в котором описывается, по каким направлениям и путям будет происходить контрольный проезд с замерами, используя базу данных, описывающую всю структуру направлений и путей», однако при движении диагностического комплекса может возникать необходимость смены направления движения, например, для пропуска скоростных поездов.
Таким образом, недостатком способа [1] является низкое качество координатной привязки диагностического комплекса и результатов дефектоскопических средств к рельсовому пути. Кроме того, способ [1] не готов к оперативному изменению направления движения диагностического комплекса через стрелочные переводы.
Наиболее близким к заявляемому является способ [2] диагностики рельсового пути и синхронизации результатов измерений, заключающийся в том, что диагностический комплекс, содержащий средства дефектоскопии и навигации перемещают по рельсовому пути, постоянно зондируют рельсовый путь средствами дефектоскопии, принимают ответные сигналы, которые сохраняют совместно с данными систем навигации в виде текущей диагностической базы данных рельсового пути, оперативно и в лабораторных условиях анализируют текущие сигналы средств дефектоскопии, сравнивают текущие сигналы средств дефектоскопии с соответствующими сигналами из диагностической базы данных предыдущих проездов, принимают решение о степени опасности и динамике развития дефектов, корректируют образцовую диагностическую базу данных по результатам текущей дефектоскопии.
В [2] указывается, что для координатной привязки результатов измерений могут использоваться способы:
1) системы глобальной навигации GPS, ГЛОНАСС и т.п., которые дают хорошую, но грубую точность позиционирования дефектоскопического средства (несколько метров при разумных затратах);
2) датчики скорости и одометр, погрешность которых из-за пробуксовок колес, их износа и т.п. может составлять до 10-20%;
3) километровые и пикетные столбы, отмечаемые, как правило, операторами вручную и дающие погрешность от 0,5 до 3,0 м;
4) шпалы и шпальные подкладки с периодичностью 42-56 см и точностью до сантиметров (обнаруживаются не уверенно);
5) стыки рельсов с периодичностью 12,5 или 25 м и точностью до нескольких миллиметров в точке стыка.
Последний вариант наиболее естественен и интересен, поскольку стыки рельсов (болтовых и сварных) надежно обнаруживаются магнитодинамическим (МД) методом и позволяют привязать результаты измерений диагностического комплекса непосредственно к рельсовому пути. В отличие от способов 1-3, которые можно рассматривать, как косвенные измерения.
Использование известных искусственных способов привязки к рельсовому пути с помощью установки специальных меток, оптических, магнитных и т.п. автоматически считываемых дефектоскопическим средством, отличает высокая стоимость подготовительных работ и затрат по содержанию.
Таким образом, в [2] предлагается использовать сигналы от конструктивных элементов рельсового пути (рельсовых подкладок, накладок, стыков) в качестве дополнительных относительных точек привязки. Это обстоятельство явилось основной идеей в [2].
Недостатком способа [2] являются ограниченные функциональные возможности, обусловленные следующими обстоятельствами:
1. Для обнаружения конструктивных элементов рельсового пути и координатной привязки используется только МД метод.
2. Для координатной привязки не используются стрелочные переводы - важнейший конструктивный элемент рельсовых путей.
Кроме того, во всех известных авторам аналогах не рассматривается возможность оперативного изменения маршрута (направления) движения диагностического комплекса при проезде через стрелочные переводы. Вместе с тем основные разработчики диагностических устройств согласны с тем, что анализ состояния рельсового пути текущих проездов следует вести с учетом результатов предшествующих проездов, что позволяет оценить динамику развития дефектов. В связи с этим возникает вопрос об облике базы данных рельсового пути и ее размерах.
Рассмотрим гипотетическую задачу. Пусть рельсовый путь длиной 100 км через каждый 10 км имеет стрелочные переводы по всем веткам. В результате получаем 1024 участка пути, каждый из которых длиной 100 км (общая длина - 102400 км). Если разбить пути на участки межстрелочных переводов, то получим 2048 участка длиной 10 км (общая длина - 20480 км), т.е. в 5 раз меньше, а значит и объем информации хранимой в базе данных. Таким образом, базу данных рельсового пути, содержащую результаты измерений всеми средствами дефектоскопии целесообразно хранить в виде базы данных участков пути между стрелочными переводами.
Задача координатной привязки дефектоскопического комплекса и результатов измерений к рельсовому пути парадоксальна: с одной стороны, протяженность рельсовых путей РФ составляет более ста тысяч километров, а требования по точности позиционирования диагностического комплекса могут составлять сантиметры и менее.
На сегодняшний день отсутствует стандарт - нормативно-технические требования (НТД) Российских железных дорог (ОАО «РЖД»), определяющий свойства базы данных дефектоскопии участков рельсового пути и требования по их формированию в составе средств диагностических устройств.
Эти характеристики определяет производитель и достоверность диагностического комплекса, например, [1] или [2]. Выработка требований и непосредственное создание такой базы является актуальной проблемой, особенно при объединении данных всех средств диагностики в единую базу для определения текущего состояния путевой инфраструктуры.
Топология рельсовых путей представляет собой граф, в узлах которого находятся стрелочные переводы - важнейший элемент рельсового пути. Элементы стрелочных переводов (остряки, контррельсы, крестовины и их сердечники и т.п.), а также окружающие их стыки являются характерными элементами рельсового пути, которые имеют определенные размеры и могут быть обнаружены средствами дефектоскопии. Эти конструктивные элементы могут быть использованы для привязки положения диагностического комплекса к рельсовому пути.
Таким образом, задачей решаемой заявляемым изобретением является повышение качества диагностики железнодорожной инфраструктуры за счет координатной привязки диагностического комплекса к стрелочным переводам, а также выбору из базы данных предыдущих измерений реального пути, по которому следует диагностический комплекс.
Для решения указанной задачи в способе диагностики рельсового пути и синхронизации результатов измерений, заключающемся в том, что диагностический комплекс, содержащий средства дефектоскопии и навигации перемещают по рельсовому пути, постоянно зондируют рельсовый путь средствами дефектоскопии, принимают ответные сигналы, которые сохраняют совместно с данными систем навигации в виде текущей диагностической базы данных рельсового пути, оперативно и в лабораторных условиях анализируют текущие сигналы средств дефектоскопии, сравнивают текущие сигналы средств дефектоскопии с соответствующими сигналами из диагностической базы данных предыдущих проездов, принимают решение о степени опасности и динамике развития дефектов, корректируют диагностическую базу данных по результатам текущей дефектоскопии, делят рельсовые пути и соответствующие им базы данных на участки между стрелочными переводами, средствами дефектоскопии обнаруживают стрелочные переводы, при первичном проезде участка рельсового пути сохраняют их метки совместно с данными дефектоскопии в диагностической базе данных рельсового пути, при последующих проездах используют обнаруженные стрелочные переводы для точного определения положения диагностического комплекса относительно меток стрелочных переводов в диагностической базе данных рельсового пути, средствами дефектоскопии определяют текущее направление движения диагностического комплекса по стрелочному переводу, которое используют для выбора из диагностической базы данных участка пути предыдущих проездов, соответствующего текущему направлению движения диагностического комплекса между стрелочными переводами.
Техническим результатом использования заявляемого способа является повышение качества диагностики железнодорожной инфраструктуры и ускорение производства ремонтных работ за счет точной привязки результатов измерений к рельсовому пути и маршрута перемещения диагностического комплекса. Кроме того, заявляемый способ формирует предложения для создания и структурирования базы данных рельсового пути, содержащей результаты измерений разнообразными дефектоскопическими средствами.
Основными проблемами при реализации заявляемого способа является необходимость обнаружения стрелочного перевода, определение его характерной точки (координатная привязка диагностического комплекса), например, остряка и определение направления движения диагностического комплекса через стрелочный перевод.
Для решения этой задачи могут использоваться известные способы и комплексы, например, механический способ определения положения остряков стрелочных переводов [3], заключающийся в том, что перемещая дефектоскопическое средство по рельсовому пути, измеряют вибрационные ускорения, создаваемые в дефектоскопическом средстве при его перемещении по стрелочному переводу, определяют положение остряков стрелочного перевода и текущее направление движения дефектоскопического средства.
Недостатком этого способа является его сложность, связанная с необходимостью установки средств навигационных измерений и их обработке, для оценки скорости бокового перемещения. При прямом движении транспортного средства этот способ не обнаруживает стрелочный перевод.
Известен оптический способ определения положения остряков стрелочных переводов [4], заключающийся в том, что перемещают дефектоскопическое средство по рельсовому пути, зондируют его средствами видеонаблюдения и определяют фактическое положение остряков стрелочного перевода и текущее направление движения дефектоскопического средства, основанный на сравнении видео изображений стрелочных переводов с известными их видами.
Недостаток такого способа связан со сложностями получения таких изображений в разных условиях (снег, темнота и т.п.) и трудоемкости сравнения видеоизображений.
Стрелочные переводы являются сложными элементами рельсового пути, содержащими ферромагнитные элементы: рамные рельсы, остряки, контррельсы, крестовины с сердечником, а также многочисленные сварные и болтовые стыки и т.п. Эти элементы стандартизированы по размерам и формам, а при принятии определенных технических решений могут быть обнаружены и позиционированы традиционными дефектоскопическими средствами рельсов: вихретоковыми (ВТ) [5], ультразвуковыми (УЗ) [6], или магнитодинамическими (МД) [7], стр. 251 (указанные элементы стрелочного перевода описаны в [7], на стр. 242).
При этом любой из обнаруженных элементов позволяет достаточно просто пересчитать его координаты к реперной точке, например, к остряку рельса, а также определить текущее направление движения диагностического комплекса.
Обнаружить стрелочный перевод при непрямом движении диагностического комплекса и определить направление движения диагностического комплекса может также миниатюрный модуль автономной навигации, имеющийся в любом современном смартфоне, например, MPU-9250 [8], содержащий гироскоп, акселерометр и магнитометр.
Таким образом, задачи обнаружения стрелочных переводов и направления движения диагностического комплекса через стрелочный перевод могут быть решены современными дефектоскопическими и навигационными средствами.
Заявляемый способ иллюстрируют следующие графические материалы:
Фиг. 1. Обнаружение стрелочного перевода УЗ дефектоскопом.
а) вид стрелочного перевода, где:
1 - остряк;
2 - рамный рельс.
б) сигналы многоканального УЗ дефектоскопа, где:
3 - зона дефектограммы в области болтового стыка - начальной границы стрелочного перевода;
4 - зона регистрации на развертке типа В донных сигналов;
5 - временное положение донного сигнала при нахождении УЗ дефектоскопа на рамном рельсе 2; (в зоне 7 дефектограммы);
6 - временное положение донного сигнала при нахождении УЗ дефектоскопа на корневой части остряка, где ширина проекции остряка уже достаточна для получения донного сигнала;
7 - зона рамного рельса на дефектограмме до и в процессе перехода на остряк (см. п. 5);
8 - зона острия остряка на дефектограмме, где в отличие от зоны 7, получение донного сигнала невозможно из-за узкой ширины острия остряка;
в) - схема стрелочного перевода, где:
2765 мм - расстояние от границы стрелочного перевода (болтовой стык 3) до начала остряка 1 для стрелочного перевода проекта 2750;
9 - зона перехода УЗ электроакустического преобразователя (ЭАП) с рамного рельса на острие остряка.
Фиг. 2 - обнаружение стрелочного перевода МД способом.
а) вид перевода;
б) сигналы МД от остряка (выделено), где:
10 - сигналы от зоны остряка стрелочного перевода;
11 - сигналы магнитного канала совмещенного (УЗ и МД) вагона-дефектоскопа:
2765 мм - расстояние от болтового стыка 3 до начала острия остряка 1 (см. Фиг. 1в) для стрелочного перевода проекта 2750.
Существенными отличиями заявляемого способа являются:
Разделение рельсовых путей и соответствующих им баз данных измерений на участки между стрелочными переводами позволяет структурировать рельсовый путь, сократить объем хранимой информации в базе данных и достаточно просто сопоставлять текущий маршрут движения диагностического комплекса с базой данных предыдущих измерений, как оперативно, так и в лабораторных условиях.
В прототипе рассматривается только прямой рельсовый путь.
Обнаружение стрелочных переводов средствами дефектоскопии позволяет при первичном проезде участка рельсового пути внести в диагностическую базу соответствующие метки совместно с данными дефектоскопии рельсового пути.
В известных авторам аналогах стрелочные переводы не используются в качестве конструктивных элементов рельсового пути пригодных для координатной привязки.
При последующих проездах используют обнаруженные стрелочные переводы для определения положения диагностического комплекса относительно меток стрелочных переводов в диагностической базе рельсового пути.
В прототипе используется одна и та же база данных прямого участка.
Средствами дефектоскопии определяют текущее направление движения диагностического комплекса по стрелочному переводу, которое используют для выбора из диагностической базы данных участка пути предыдущих проездов, соответствующего текущему направлению движения диагностического комплекса между стрелочными переводами.
В прототипе не предусмотрено определение направление движения диагностического комплекса и, соответственно, выбор из базы данных, соответствующий текущему направлению (маршруту) движения.
Рассмотрим возможность реализации заявляемого способа.
На диагностический комплекс рельсового пути, например, вагон-дефектоскоп, устанавливают множество средств диагностики инфраструктуры рельсового пути. Снабжают диагностический комплекс средствами глобальной и относительной навигации. Перемещают диагностический комплекс по рельсовому пути. Постоянно зондируют рельсовый путь средствами дефектоскопии, принимают ответные сигналы, которые сохраняют совместно с данными систем навигации в виде текущей диагностической базы данных рельсового пути. Диагностический комплекс собирает всю доступную ему информацию об инфраструктуре рельсового пути в текущую базу данных.
Важную роль в реализации заявляемого способа играет структура базы данных рельсового пути, которая должна содержать взаимосвязанную информацию:
- Результаты измерений всеми средствами дефектоскопии по-отдельности.
- Навигационные данные, полученные различными средствами абсолютной и относительной навигации, см. [2].
- Данные привязки базы данных к конструктивным элементам пути. Последние данные позволяют наиболее надежно привязать дефектоскопическую информацию к рельсовому пути.
Будем различать базы данных:
- текущего проезда, которая позволяет обнаружить опасные дефекты;
- предыдущих проездов, сравнение которых с текущими данными позволяет оценить степень развития аномалий инфраструктуры рельсовых путей и также оценить перспективы развития аномалий.
Последнее может быть выполнено оперативно (в ходе движения комплекса) или в диагностической лаборатории после проездов.
Корректируют диагностическую базу данных предыдущих проездов по результатам текущей дефектоскопии.
Структурируют базу данных, разделяя рельсовые пути и соответствующие им базы данных на участки между стрелочными переводами. Эта задача частично решена на основе паспорта рельсового пути, где указаны конструктивные элементы: топология, стыки, рельсовые стрелочные переводы их типы и размеры в соответствии с действующей в ОАО «РЖД» НТД «Книги записей по формам ПУ-28 и ПУ-29» [9]. При отсутствии таких данных базу данных создают производители диагностических комплексов.
В заявляемом способе, для решения этой задачи при первичном проезде средствами дефектоскопии обнаруживают стрелочные переводы и фиксируют их положение в базе данных.
При последующих проездах снова обнаруживают стрелочные переводы. При использовании многоканального УЗ дефектоскопа (Фиг. 1), из всех УЗ каналов, информативным каналом для определения положения остряка является канал 4 с прямыми ЭАП (α=0° где α - угол ввода УЗ луча в рельс), получающим отраженный от подошвы рельса «донный» сигнал. Вследствие эквидистантности рельса на дефектограмме типа В донный сигнал отображается в виде горизонтальной линии. Линия донного сигнала показывает временное положение 5 донного относительно зондирующего импульса и для рельсов типа Р65 составляет 60 мкс (на развертке типа В вертикальная ось -время распространения УЗ колебаний в контролируемом изделии). Во всех проектах стрелочных переводов, в соответствии с принципом действия конструкции, высота остряка 1 заметно меньше высоты основного (рамного) 2 рельса (например, рамный рельс типа Р65 высотой 180 мм; остряк из рельса Р50 высотой 152 мм). Естественно это отличие хорошо отображается на дефектограмме (Фиг. 1б), где 3 - зона дефектограммы в области болтового стыка - начальной границы стрелочного перевода; 4 - зона регистрации на развертке типа В донных сигналов; 5 - временное положение донного сигнала при нахождении ЭАП на основном (рамном) рельсе (в зоне 7 дефектограммы); 6 - временное положение донного сигнала при нахождении ЭАП на корневой части остряка 1, где ширина проекции остряка уже достаточна для получения донного сигнала; 8 - зона острия остряка, где в отличие от зоны 7, получение донного сигнала невозможно из-за узкой ширины острия остряка; 9 - участок острия остряка на Фиг. 1в, соответствующий участку 8 дефектограммы.
Из изложенного следует, что УЗ методами возможно по нескольким признакам определить положение остряка, а значит и направление движение диагностического средства по стрелочному переводу.
Как видно из Фиг. 2, МД методом надежно можно обнаружить остряк 1 стрелочного перевода и при отведенном (не прижатом к рамному рельсу 2) положении. Сигналы 10 магнитного канала 11 (Фиг. 2) вызваны наличием дополнительной ферромагнитной массы остряка и поперечной тяги стрелочного перевода. Волнистая линия на магнитограмме 11 показывает изменение магнитного потока при проезде над металлическими конструкциями скреплений рельсов к шпалам. Наличие паспортизированного расстояния 2765 мм (для проекта 2750) от начала зоны стрелочного перевода - болтового стыка 3 до начала 10 остряка 1 позволяет дополнительно повысить достоверность обнаружения остряка и его положения. Естественно для других проектов стрелочных переводов это значение иное и берется из паспортных данных.
Возможность однозначно определять и наличие остряка, и его положение без дополнительных средств фиксации только средствами дефектоскопии доказывает реализуемость и эффективность предлагаемого способа диагностики рельсового пути и синхронизации результатов измерений.
Таким образом, заявляемый способ отличает новизна, он может быть реализован, а использование стрелочных переводов позволяет найти результаты предыдущих измерений в образцовой базе данных, для сравнения с текущим участком проезда диагностического комплекса. При диагностике и ремонте ремонтной бригадой появляется возможность быстрого и точного обнаружения местоположения точки дефекта.
Источники информации:
1. Патент РФ 2438903.
2. Патент RU 2521095.
3. Патент RU 2349480.
4. Патент ЕР 1747422.
5. Патент RU 44624.
6. Патент RU 48506.
7. Марков А.А., Кузнецова Е.А. Дефектоскопия рельсов. Формирование и анализ сигналов. Кн. 2. Расшифровка дефектограмм. - С.П-б: Ультра Принт. 2014 - 332 стр.
8. https://store.invensense.com/datasheets/invensense/MPU9250REV1.0.pdf.
9. http://www.refsru.com/referat-21490-4.html.