СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МЕХАНИЧЕСКИХ НАПРЯЖЕНИЙ В РЕЛЬСАХ
METHOD OF DETERMINING MECHANICAL STRESS IN RAILS

Изобретение относится к верхнему строению пути, к рельсам, а именно к способам определения механических напряжений путем измерения изменений магнитных свойств металла.
Известен аналитический способ определения механических напряжений в рельсовых плетях бесстыкового пути (ТУ-2000. Технические указания по устройству, укладке, содержанию и ремонты бесстыкового пути. - Министерство путей сообщения Российской Федерации, департамент пути и сооружений), который основывается на методике расчета условий укладки бесстыкового пути при повышении и понижении температуры рельсовых плетей, допустимых по условиям их прочности и устойчивости, включающий расчет условий укладки бесстыкового пути в конкретных условиях, сравнительный анализ температурной амплитуды допускаемой [Т] и фактической Та температур. Если Та<[Т], то бесстыковой путь можно укладывать. Недостатком данного способа является недостаточная точность определения температуры рельсов, недостоверность информации о температуре рельсов из-за человеческого фактора, а также данный способ не учитывает усталостные напряжения в рельсах, накопленные в результате их эксплуатации.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому способу является способ определения механических напряжений в рельсах при помощи тензометрических датчиков (Й. Чукан, К. Костиков, Тензометрические датчики силы. Компоненты и технологии, 2010 №1. www.kit-e.ru), включающий подготовку поверхности тела, в котором измеряют механические напряжения, установку тензометрического датчика на поверхность тела, подключение датчика к источнику питания, точечное измерение электрического сопротивления, перевод его в механическое напряжение.
Недостатками способа определения напряжений в рельсах при помощи тензометрических датчиков являются точечное определение напряжений на местах установки датчиков, определение напряжений осуществляется только в период между установкой тензометрических датчиков и съема информации с них, без учета напряжений, которые накопились в рельсах до установки тензометрических датчиков, недостаточная достоверность показаний, высокая трудоемкость установки, низкая надежность работы тензометрических датчиков.
Цель изобретения - повышение точности и непрерывность измерения механических напряжений, снижение трудоемкости работ.
Указанная цель достигается тем, что в процессе измерений получают непрерывное множество данных, а не точечный результат, исключение подготовительных работ перед замером.
Сущность изобретения заключается в том, что над неподготовленной поверхностью каждой рельсовой нити на расстоянии 2-5 мм от их поверхности параллельно друг другу устанавливают сканирующие устройства, с помощью которых измеряют остаточную намагниченность металла рельсов, подключают сканирующие устройства к приемному устройству, установленному на передвигающимся по рельсам приспособлении и содержащем блок питания и цифровой носитель информации с программным обеспечением, переводят с помощью программного обеспечения получаемые при перемещении сканирующих устройств данные остаточной намагниченности в данные механических напряжений в рельсах, фиксируют полученные результаты как в реальном времени, так и накапливают в блоке памяти.
На фиг.1 и 2 представлена схема расположения оборудования для определения механических напряжений в рельсах, включающая выбранный для замеров участок 1-2, сканирующие устройства 5 присоединенные к приемным устройствам 4, установленным на передвигающемся по рельсам 6 приспособлении 3.
д
д
На фиг.3 представлена кривая механических напряжений σ МПа, полученная после обработки данных по остаточной намагниченности с помощью программного обеспечения при проходе по участку 1-2 передвигающегося приспособления 3 с установленными на нем приемными устройствами 4. Фактическую кривую ограничивают линии допускаемых положительных (+σ, МПа) 7 и отрицательных (-σ, МПа) 8 механических напряжений. Таким образом участки кривой, выходящие за указанные диапазоны, являются закритическими положительными 9 и отрицательными 10 механическими напряжениями. Допускаемое механическое напряжение для термоупрочненных рельсов [σ]=400 МПа, для незакаленных [σ]=350 МПа.
На фиг.4. представлена схема приемного устройства 4 состоящего из корпуса 11 со встроенными в него дисплеем 12 для отображения графической информации в реальном времени при контроле рельсовых нитей 6, блоком flash-памяти 13 для записи результатов контроля рельсовых нитей 6 в течение 10-15 дней без сброса информации на компьютер, специальной клавиатурой 14.
Способ определения механических напряжений в рельсах осуществляется следующим образом.
В настоящее время на железных дорогах РФ эксплуатируется температурно-напряженная конструкция бесстыкового пути. Основное отличие работы бесстыкового пути от звеньевого состоит в том, что в рельсовых плетях свариваемых длинной до перегона действуют значительные механические напряжения, вызываемые изменениями температур. При повышении температуры рельсовых плетей по сравнению с температурой закрепления в последних возникают механические напряжения, которые вызывают удлинение рельсов, что может создать опасность «выброса» пути. При понижении температуры возникают механические напряжения, которые направлены на сжатие рельсов и могут вызвать излом плети и образование большого зазора, опасного для прохода поезда, или разрыв рельсового стыка из-за среза болтов. Дополнительное воздействие на бесстыковой путь оказывают силы, создаваемые при выправке, рихтовке, очистке щебня и других ремонтных путевых работах. Эти особенности бесстыкового пути требуют соблюдения установленных Техническими указаниями (ТУ-2000. Технические указания по устройству, укладке, содержанию и ремонты бесстыкового пути. - Министерство путей сообщения Российской Федерации, департамент пути и сооружений) норм и правил его укладки, содержания и ремонта.
Определение возникающих механических напряжений можно производить с использованием тензометрических датчиков. Тензометрические датчики представляют собой гибкое тело, которое под влиянием действующей силы подвергается линейной деформации. На определенных местах рельса прикреплены чувствительные элементы, так называемые тензометры. Тензометр - это резисторный элемент, электрическое сопротивление которого в следствии механических деформаций (растяжение или сжатие) изменяет свое значение. Действующая сила, таким образом, способствует изменению электрического сопротивления. На датчике обычно расположено четыре тензометра, которые включены в мостовую схему для того, чтобы изменение сопротивления было можно легче определить. Но в данном способе определения механических напряжений существует ряд недостатков: точечное определение напряжений на местах установки датчиков, определение напряжений осуществляется только в период между установкой тензометрических датчиков и съема информации с них, не учитывая напряжения, которые накопились в рельсах до установки тензометрических датчиков, недостаточная достоверность предоставления информации по показаниям тензометрических датчиков, высокая трудоемкость установки тензометрических датчиков, низкая надежность работ тензометрических датчиков.
Предлагаемый способ определения механических напряжений основаный на свойстве магнитной памяти металла объединяет потенциальные возможности неразрушающего контроля и механики разрушений, вследствие чего, имеет ряд существенных преимуществ перед другими методами при контроле различных объектов.
Магнитная память металла - последействие, которое проявляется в виде остаточной намагниченности металла изделий и сварных соединений, сформировавшейся в процессе их изготовления и охлаждения в слабом магнитном поле или в виде необратимого изменения намагниченности изделий в зонах концентрации напряжений и повреждений от рабочих нагрузок. (ГОСТ Р 52005-2003. Контроль неразрушающий. Метод магнитной памяти металла. Общие требования. - М.: ФГУП «Стандартинформ»).
Предлагаемый способ определения механических напряжений в рельсах основан на использовании свойства магнитной памяти металла.
Предлагаемое устройство 4 устанавливают на передвигающееся по рельсам приспособление 3, например дефектоскоп-путеизмеритель. При движении приспособления 3, сканирующие устройства 5 измеряют остаточную намагниченность рельсов 6 на участке пути 1-2. Результаты замеров поступают в приемное устройство 4, обрабатывается с помощью программного обеспечения, переводится в механические напряжения σ, запись полученных результатов осуществляется в блоке flash-памяти 13. Наличие энергонезависимого блока flash-памяти 13 позволяет записать результаты контроля рельсовых нитей 6 и передать данные на компьютер для их обработки или хранения. Дисплей 11 позволяет отображать информацию в графическом виде непосредственно при контроле рельсовых нитей 6. Приемное устройство 4 оснащено аккумуляторными батареями (на схеме не представлено), что позволяет производить измерения без подключения к внешним источникам питания.
Полученные результаты сравниваются с допускаемыми положительными 7 и отрицательными 8 механическими напряжениями. Значения механических напряжений, выходящие за рамки допускаемых 7, 8 будут считаться закритическими 9, 10, а на участках с таким механическими напряжениями необходимо будет принимать меры по приведению плети в оптимальную температурно-напряженную систему, то есть провести «разрядку» механических напряжений.
Таким образом предлагаемый способ определения механических напряжений позволяет непрерывно производить замеры их величины, обеспечивать высокую точность измерения механических напряжений за счет использования программного обеспечения при обработке результатов замеров, снизить трудоемкость за счет исключения операций зачистки поверхности рельсов. Кроме того способ позволяет определять места возникновения закритических механических напряжений и своевременно принять меры по стабилизации рельсовых плетей и предотвращению их повреждений, что повысит безопасность движения поездов.