Способ определения длин рельсов уравнительных пролетов и мест временного восстановления плети по сигналам дефектоскопии
A METHOD FOR DETERMINING THE LENGTHS OF RAILS OF EQUALIZING SPANS AND PLACES OF TEMPORARY REPAIR OF THE BAR BY FLAW DETECTION SIGNALS

Способ определения длин рельсов бесстыкового железнодорожного (ж.д.) пути относится к способам и средствам неразрушающего контроля материалов и может быть использован при техническом обслуживании и эксплуатации современных рельсовых путей и других протяженных металлоизделий. Заявляемый способ может быть применен для определения точных координат и параметров проблемных участков ж.д. инфраструктуры, обнаруженных соответствующими средствами диагностики.
Бесстыковой железнодорожный путь является наиболее прогрессивной и широко распространенной конструкцией верхнего строения пути, которая дает существенный технико-экономический эффект благодаря ряду ее преимуществ по сравнению со звеньевым путем [1].
Бесстыковой путь обычно состоит из сварных рельсовых плетей длиной 800 м и более, которые разделяются уравнительными пролетами (два, три или четыре разрядных рельса на обеих нитках пути), зонами стрелочных переводов и станционных путей. В последние годы прогрессивной является организация бесстыковых рельсовых плетей длиной до перегона (до 35 км).
Известно, что в холодное время года рельсы укорачиваются, а в жаркое время - удлиняются. Основное отличие работы бесстыкового пути от обычного звеньевого состоит в том, что в рельсовых плетях действуют значительные продольные напряжения, вызываемые изменениями температуры. При укладке рельсовой плети на постоянный режим работы оптимальная температура закрепления плети (нейтральная температура) составляет обычно 30-35°С, и температурное напряжение в плети равно нулю.
При повышении температуры плетей по сравнению с температурой закрепления в них возникают продольные силы сжатия, которые могут создать опасность выброса пути и схода подвижного состава. При низких температурах - в сварной плети появляются растягивающие силы, которые могут вызвать излом плети и образование большого зазора, опасного для прохода поезда, или разрыв рельсового стыка из-за среза болтов в болтовых стыках.
При выявлении в сварной плети опасного дефекта рельса поврежденное место вырезают, а вместо него укладывают временный рельс (рубку) длиной 8-11 м с установкой рубки в стыковые накладки [2]. Таким образом, в месте временного восстановления плети появляются два болтовых стыка, что нарушает целостность, температурно-напряженное состояние и устойчивость бесстыкового пути.
По состоянию на 2020 год на сети ОАО «РЖД» имеется около 200 тыс. мест временного восстановления. Каждая новая врезка в бесстыковой плети (с двумя болтовыми стыками) отрицательно сказывается на плавности хода поездов. Концы рельсовых плетей, примыкающих к вновь образованной рубке, становятся «дышащими», т.е. могут изменить свою первоначальную длину при изменениях температуры окружающего воздуха. Неконтролируемые температурные расширения рельсовой плети в свою очередь могут привести к так называемому «выбросу» пути и к сходу подвижного состава с рельсов.
Информация о реальных значениях длин, температур, количества и путевых координат уравнительных рельсов и временных рубок очень важна для знания фактического состояния бесстыкового пути и проверки его соответствия паспортному проекту с целью выявления нарушений текущего содержания пути. Указанные сведения вручную заносят в бумажный и электронный Журнал учета службы и температурного режима рельсовых плетей (в дистанции пути) и в централизованную компьютерную программу «Единая корпоративная автоматизированная система управления инфраструктурой по бесстыковому пути» ОАО «РЖД» (программа «ЕКАСУИ БП») [3].
Известны технические решения, направленные на контроль состояния и ремонта мест временного восстановления рельсового плети [4-7]. Естественно, перед ремонтом как правило вручную осуществляется определение координат и длин временных рельсов. Известные технические решения в основном направлены на различные приемы восстановления бесстыковой рельсовой плети путем выполнения сварочных работ. В [7] контроль состояния длинномерного объекта (рельса) предлагается осуществлять путем прокладки вдоль рельса оптоволоконного кабеля, что требует значительных капитальных вложений и удорожает конструкцию рельсового пути.
Ручное измерение в пути длин уравнительных и временных рельсов на всем протяжении дистанции пути, постоянное отслеживание и ручной ввод всех изменений бестыковых плетей в бумажные и электронные журналы, а также в компьютерную систему «ЕКАСУИ БП» являются трудоемкими задачами. Кроме того, при ручном вводе данных работники допускают ошибки (промахи) и не успевают вовремя вносить все изменения состояния плетей.
Еще одним параметром ж.д. пути, согласно Инструкции [2], является требование, что болтовые стыки обеих рельсовых нитей должны располагаться по наугольнику (друг напротив друга). Забег стыка по одной рельсовой нити относительно стыка другой нити на прямых участках должен быть не более 80 мм.
Для проверки правильности положения противоположных болтовых стыков применяют специальный инструмент наугольник, состоящий из двух неравной длины тонких досок длиной около 1-2 м, скрепленных под прямым углом [2]. Несмотря на то, что в последнее время предложены более современные устройства, например, на основе лазерного излучателя [8], элементы ручной фиксации величины забега стыков, а значит и возможные ошибки субъективного характера, не исключены.
Таким образом, для объективной оценки температурно-напряженного состояния бесстыкового пути целесообразно автоматизировать следующие процессы:
- фиксацию координат болтовых стыков рельсов;
- определение длин уравнительных и временных рельсов в плетях;
- определение величины забега болтовых стыков стыка на одной рельсовой нити относительно стыка другой нити;
- внесение массива данных и изменений в Единую корпоративную базу данных «ЕКАСУИ БП» ОАО «РЖД» для решения задач обеспечения устойчивости бесстыкового пути.
Известный способ [9] диагностики рельсового пути позволяет магнитным дефектоскопом, установленным на вагоне-дефектоскопе, обнаруживать дефекты и конструктивные элементы рельсов (болтовые и сварные стыки, рельсовые металлические накладки, стрелочные переводы и т.п.). Сигналы от этих элементов и их положение сохраняют в диагностической карте (в виде компьютерных файлов дефектограмм). Используют данные о конструктивных элементах рельсового пути для навигации при ультразвуковой (УЗ) дефектоскопии того же участка рельсового пути. Корректируют диагностическую карту по результатам при многократной УЗ или магнитной дефектоскопии.
Известный способ [9], принятый за прототип, позволяет, в том числе, обнаруживать и измерять длины рельсов уравнительных пролетов и мест временного восстановления плети по сигналам дефектоскопии. Однако точность, качество и скорость обнаружения этих рельсов низкая и не удовлетворяет требованиям текущего содержания пути.
Задачами, решаемыми заявляемым способом, являются автоматизация и повышение точности определения длин и координат рельсов уравнительных пролетов и рельсов в местах временного восстановления плети, т.е. длин рельсов между болтовыми стыками.
Для решения этой задачи в способе определения длин рельсов уравнительных пролетов и мест временного восстановления плети по сигналам дефектоскопии, заключающимся в том, что на рельсовую подвижную единицу устанавливают средства дефектоскопии рельсов, а также системы глобальной спутниковой навигации и относительной навигации с использованием колеса подвижной единицы, перемещают подвижную единицу по рельсовому пути, постоянно зондируют рельсы средствами дефектоскопии, принимают от них ответные сигналы, которые сохраняют в виде дефектограммы рельсового пути совместно с данными систем глобальной и относительной навигации, анализируют сигналы средств дефектоскопии, дополнительно измеряют температуру рельсов в процессе проведения измерений, выделяют и измеряют по дефектограмме длины регулярных объектов рельсовой плети, определяют их усредненное значение, получают поправочный коэффициент как отношение длин измеренного среднего значения к паспортной длине регулярных объектов, с учетом полученного коэффициента и измеренной температуры вычисляют фактические (скорректированные) значения длин уравнительных и временных рельсов плети, а путем сравнения координат сигналов от болтовых стыков на обеих нитках определяют значения забегов стыков на одной рельсовой нитке относительно противоположных стыков на другой нитке.
Существенными отличиями заявляемого способа по сравнению с прототипом являются:
1. Измерение температуры рельсов в процессе проведения дефектоскопии. Как известно, при изменении температуры происходят заметные изменения линейных размеров металлических изделий, которые весьма ярко проявляются в длинномерных изделиях (в том числе, в ж.д. рельсах). В прототипе вопросы учета температуры при измерениях не рассматриваются, что приводит к снижению точности измерений как координат, так и длин отдельных объектов рельсового пути.
2. Выделяют и измеряют по дефектограмме длины регулярных объектов (рельсов стандартной длины 12,5 м в уравнительных пролетах, элементов стрелочных переводов и др.). Как правило, длины регулярных объектов имеют стандартные значения, и их паспортные значения могут быть использованы в целях коррекции возможных погрешностей измерений. В прототипе паспортные значения длин регулярных объектов для повышения точности измерений не используются.
3. Путем сравнения координат сигналов от болтовых стыков определяют значения забегов стыков на одной рельсовой нитке относительно противоположных стыков на другой нитке. В прототипе вопросы определения значений забегов противоположных болтовых стыков не рассматриваются.
4. В прототипе повышение точности измерения координат объектов пути достигается путем фиксации координат болтовых стыков и других объектов при многократном контроле рельсового пути магнитным и УЗ методами дефектоскопии. Такой способ трудоемок и не обеспечивает требуемой оперативности получения результатов. Заявляемый способ обеспечивает получение требуемой точности определения по дефектограмме длин рельсов между стыками при однократном проезде по контролируемому участку пути.
Таким образом существенные отличия заявляемого способа позволяют получить технический результат: повышение точности и достоверности определения длин рельсов уравнительных пролетов и мест временного восстановления рельсовой плети по сигналам дефектоскопии в автоматическом режиме, а также измерение величин забегов противоположных болтовых стыков на двух нитках рельсового пути.
Заявляемый способ поясняют следующие графические материалы:
Фиг. 1 - фрагмент регистрируемой средством дефектоскопии дефектограммы магнитного канала обеих ниток рельсового пути, где:
1 - дефектограмма;
2 - сигналы от болтовых стыков;
3 - уравнительный пролет (зона разрядных рельсов);
4 - место временного восстановления пути (временный рельс или рубка);
- величина забега болтовых стыков левой нитки относительно стыков правой нитки.
Фиг. 2 - алгоритм реализации заявляемого способа.
Фиг. 3 - распределение длин рельсов (расстояний между болтовыми стыками) на одной из железных дорог России.
Фиг. 4 - таблица сравнений результатов измерений магнитным методом длин рельсов до и после коррекции.
Заявляемый способ реализуется в следующей последовательности.
На подвижную единицу (например, специально оборудованный вагон-дефектоскоп) устанавливают средства дефектоскопии рельсов, а также системы глобальной спутниковой навигации и относительной навигации с использованием колеса подвижной единицы (одометр) (на фиг. не показаны). Подвижную единицу перемещают по рельсовому пути. Результаты работы средства дефектоскопии и соответствующие координаты объектов рельсового пути сохраняются в виде дефектограммы 1 (фиг. 1).
Известными способами на дефектограмме 1 определяют сигналы от болтовых стыков 2 (фиг. 1). Для получения максимальной достоверности в общем случае могут быть использованы все доступные методы неразрушающего контроля (ультразвуковые, магнитный, визуальный с помощью видеорегистрации рельсов, вихретоковый методы). Однако это усложняет процедуру распознавания болтовых стыков. Как показывает практика диагностики рельсового пути, для указанных целей наиболее надежным в любых погодных условиях и, одновременно, относительно просто реализуемым, является магнитный метод дефектоскопии рельсов (при движении дефектоскопного средства: магнитодинамический - метод, в зарубежной литературе - метод вытеснения магнитного потока -MFL). Метод заключается в намагничивании сечения (головки) рельса до уровня, близкого к насыщению, и фиксации скользящим по поверхности катания рельса датчиком (или линейкой датчиков) отклонений уровня магнитной индукции при наличии аномалий (дефектов или разрывов сплошности рельса в виде болтовых стыков) в рельсовой плети.
В зоне болтовых стыков (в основном от стыковых зазоров) формируются сигналы характерной формы значительной амплитуды (фиг. 1), которые выделяются с высокой достоверностью на фоне волнообразных сигналов от металлических шпальных подкладок и скреплений рельсов, от сварных стыков рельсов и от мешающих сигналов малой амплитуды из-за микротрещин, смятий, пробуксовок и других поверхностных дефектов рельсов.
Координатную «привязку» (сопоставление сигналов с координатами пути) к рельсовому пути результатов измерений (сигналов дефектоскопии) можно осуществлять с использованием на дефектоскопическом средстве:
1) систем глобальной навигации GPS, ГЛОНАСС, которые дают низкую точность позиционирования дефектоскопического средства (несколько метров при разумных затратах);
2) датчика скорости и одометра, у которых из-за пробуксовок, проскальзывания, износа колеса подвижной единицы (на котором установлен одометр), погрешность фиксации координаты пути может составлять до 10-20%;
3) километровых и пикетных столбов, отбиваемых сотрудниками дефектоскопического средства, как правило, вручную и дающих погрешность от 0,5 до 3,0 м;
4) специальных (магнитных или радиоволновых) меток, нанесенных на рельсовый путь и автоматически считываемых дефектоскопическим средством. Этот способ отличают высокая точность определения координаты пути (но только в окрестности меток), а также высокая стоимость подготовительных работ.
По мнению авторов, наиболее удобный способ привязки диагностических сигналов к рельсовому пути заключается в использовании конструктивных элементов рельсового пути: болтовых и сварных стыков рельсов, стрелочных переводов, стыковых накладок и др. элементов. Эти объекты хорошо обнаруживаются магнитным методом в автоматическом режиме и оператором визуально.
Последующую привязку к глобальной системе координат осуществляют путем совместного использования данных GPS, ГЛОНАСС и относительной навигации (одометром) с использованием колеса подвижной единицы.
n
По координатам болтовых стыков х (n=1,…, N), определенным вышеизложенным способом, вычисляют длины  рельсов как в уравнительных пролетах рельсовых плетей, так и в местах временного восстановления плети (п.2 на фиг. 2):
С целью минимизации таблицы длин искомых рельсов производят исключение из списка рельсов, попадающих в зоны стрелочных переводов и станционных путей (п.3 на фиг. 2). Стрелочные переводы изготавливают по разным проектам, конструктивно они состоят из нескольких блоков с рельсами разной длины и их учет может усложнить процедуру выявления уравнительных и временных рельсов и измерения их длин. Определение зон стрелочных переводов и станционных путей, осуществляют известным способом [10].
По массиву сигналов на сформированной в процессе диагностики пути дефектограмме 1 (фиг. 1), и определенным по п. 2 алгоритма (фиг. 2) координатам болтовых стыков, определяют регулярные объекты рельсового пути. Приведенное на фиг. 3 распределение расстояний между болтовыми стыками на исследуемом полигоне рельсового пути (протяженностью около 170 км), показывает, что наиболее часто встречаются рельсы длиной 12,5 м и существенно реже - длиной 25 м. Рельсы в местах временного восстановления, в основном, имеют длины от 6 до 12 м и их количество, как и ожидалось, намного меньше, чем рельсы паспортной длины (12,5 м). Учитывая возможные погрешности определения длин рельсов по дефектограмме, задают оценочный диапазон длин регулярных объектов (например, для рельсов 12,5 м оценочный диапазон от  до ).
Определение усредненного значения длин  регулярных объектов осуществляют путем анализа всех сигналов от рельсов, длины которых попадают в оценочный диапазон по выражению (п.4 фиг. 2):
Используя паспортное значение длин  регулярных объектов, получаемых из технической документации на рельсы [2], вычисляют значение поправочного коэффициента , компенсирующего в определенной степени погрешность измерений длин рельсов по дефектограмме (п.5 фиг. 2) и получаем скорректированное значение измеряемой величины по выражению (3):
Возможные отклонения длины рельса  от паспортной и измеряемой длины  в зависимости от температуры t окружающей среды, учитывается при обработке входного массива данных (см. п. 1 фиг. 2) по формуле:
где 0.0000118 - коэффициент температурного расширения рельсовой стали, L, m - соответствующая длина рельса, например, L=12,5 м [1].
Соблюдение допустимого по [2] значения забега  стыков на одной рельсовой нитке относительно противоположных стыков на другой нитке осуществляют путем сравнения координат сигналов от болтовых стыков на обеих нитках (фиг. 1). Выполнение этой операции упрощается, так как непрерывную последовательность дефектоскопических сигналов правой и левой ниток пути регистрируют на одной дефектограмме.
Указанные выше вычисления по выражениям (1) - (4) выполняются на типовых вычислителях (микропроцессорах) (на фиг. не показаны), установленных как на борту дефектоскопического средства, так и в стационарных центрах анализа (расшифровки) дефектограмм.
Для проверки предлагаемого способа проанализирован 20-километровый участок бесстыкового пути Северо-Западного региона. Специально разработанное программное обеспечение вагона-дефектоскопа в соответствии с предложенным способом обеспечивает автоматическую обработку сигналов (дефекто-граммы) магнитного канала и формирует список болтовых стыков с их координатами, ниткой пути и длиной рельсов с указанием температуры плети в момент измерения. Результат сравнения измеренных программой длин 30 шт. временных рубок с данными рельсовой книги (ведомости, ведущейся вручную путевыми работниками) представлен на фиг. 4.
Из-за неизбежных погрешностей измерений путейских координат известными способами, первоначальная ошибка определения длин рубок составила значительную величину (в среднем, ±135 мм на рельсе). Предлагаемый алгоритм (фиг. 2) коррекции измерения длин рельсов позволил уменьшить погрешность измерения в среднем до ±14 мм на рельсе, т.е. в 10 (!) раз (см. фиг. 4 до и после коррекции).
Кроме того, в ручной ведомости имеют место ошибки и несовпадения с дефектограммой магнитного канала (фиг. 4), грубые ошибки (промахи) путевых работников. Длина пяти рубок указана в ручной ведомости с явной ошибкой (от 240 до 2225 мм). Не зафиксированы 18 уложенных рубок и указано три лишних (отсутствующих или устраненных) рубки (на фиг. 4 не показаны).
Таким образом предлагаемый способ позволяет автоматизировать измерение длин временных и уравнительных рельсов с достаточной для практики технического содержания бестыковых плетей точностью, а также исключить грубые промахи ручного ввода данных бесстыкового пути.
Реализация предлагаемого способа с введением поправочного коэффициента, как видно из фиг. 4, позволяет существенно повысить точность определения координат и длин рельсов уравнительных пролетов и рельсов в местах временного восстановления плети, т.е. длин рельсов между болтовыми стыками.
Очевидно, что предложенный способ позволяет повысить точность не только искомых рубок, но и координаты любых конструктивных элементов рельсового пути и, что более важно, - координаты обнаруженных в процессе дефектоскопии опасных дефектов рельсов.
Внедрение предлагаемого способа практически расширяет область применения вагона-дефектоскопа или диагностического комплекса: с одновременным поиском внутренних и поверхностных дефектов в рельсах дефектоскопическое средство выполняет и измерительные функции, повышающие безопасность движения поездов.
Источники
1. Инструкция по устройству, укладке, содержанию и ремонту бесстыкового пути. Утверждена распоряжением ОАО "РЖД" от 14.12.2012 г. №2544р.
2. Инструкция по текущему содержанию пути. Утверждена распоряжением ОАО "РЖД" от 14.11.2016 г. №2288/р.
3. Система контроля отступлений (несоответствий) в содержании бесстыкового пути и принятии мер в случаях выявления отклонений от паспортных значений в базе Единой корпоративной автоматизированной системы управления инфраструктурой по бесстыковому пути. Утверждена распоряжением ОАО "РЖД" от 19.11.2020 г. №2539/р.
4. RU 2643324.
5. RU 2300601.
6. RU 2757644.
7. RU 2676176.
8. RU 101454.
9. RU 2521095.
10. RU 2652673.