СПОСОБ ОЦЕНКИ СОСТОЯНИЯ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ПУТИ
METHOD OF ASSESSING STATE OF RAILWAY TRACK

Изобретение относится к неразрушающему методу контроля
железнодорожного пути.
Известна универсальная акустико-эмиссионная (АЭ) система диагностирования состояния (СДС1008) для регистрации и измерения параметров акустической эмиссии (www.sds.ru).
АЭ система СДС1008 - это аппаратно-программный комплекс для регистрации, обработки, измерения и анализа параметров АЭ сигналов при проведении научных исследований, а также технической диагностики промышленных объектов акустико-эмиссионным методом неразрушающего контроля (НК).
АЭ система СДС1008 включает в себя системный блок и персональный компьютер (PC) с программным обеспечением (ПО «Maestro»), посредством которого осуществляется управление системой, а также регистрация, обработка, анализ и графическое отображение всей поступающей информации об испытуемом объекте.
АЭ система СДС1008 построена по принципу параллельной многоканальной цифровой регистрации параметров АЭ сигналов. Каналы регистрации АЭ сигналов включают:
- преобразователь (датчик) АЭ сигналов;
- предварительный усилитель АЭ сигналов;
- блок цифровой регистрации АЭ сигналов.
Программное обеспечение системы СДС1008 позволяет отображать комплекс параметров АЭ испытаний в реальном времени, а также обеспечивает широкие возможности для последующей обработки полученной информации в режиме «последующего анализа».
Применение метода акустической эмиссии для диагностики отдельных элементов подвижного состава известно (RU №2267122, RU №2337030). В данных технических решениях используются аппаратно-программные комплексы для регистрации, обработки, измерения и анализа параметров сигналов АЭ, адаптированных для конкретных целей.
Существует множество компьютеризированных методов диагностики железнодорожного пути, направленных на оперативный поиск и устранение отдельных неисправностей. Отдельно нормируются и контролируются геометрические параметры, отдельно дефекты рельсов, отдельно состояние земляного полотна и т.д. (RU 2394714, RU 67049).
В настоящее время на сети российских железных дорог применяется балльная оценка пути. Согласно инструкции ЦП-515 (Инструкция по расшифровке лент и оценке состояния рельсовой колеи по показаниям путеизмерительного вагона ЦНИИ-2 и мерам по обеспечению безопасности движения поездов. МПС 14.10.1997) состояние отрезка пути определяется по его качественной оценке. Километр оценивается по количеству и степени обнаруженных на нем отступлений.
Похожие индексы качества пути применяется на дорогах многих стран. В основном, учитываются неровности в профиле, перекосы, изменение ширины колеи, положение пути по уровню, стрелы изгиба в плане. Все эти критерии оценивают отклонение пути от нормативного положения без учета влияния скорости состава и его загрузки.
Современные средства оценки состояния железнодорожного пути позволяют получать данные, пригодные для комплексного анализа всех параметров железнодорожного пути. Эти данные используются для исследования динамических свойств при движении вагона (состава) по железной дороге, они являются необходимыми и наиболее важными на этапе проектирования новых образцов вагонов, модификации старых или исследования нестандартных ситуаций, таких, как сход железнодорожного состава.
Сложность динамического анализа заключается в невозможности точного аналитического исследования даже простых механических систем, поскольку динамика, как правило, описывается системами дифференциальных уравнений, в общем случае нелинейных, решение которых в явном виде получить невозможно, само составление уравнений движения механических систем с большим числом степеней свободы может оказаться очень непростой процедурой. Это связано с ростом сложности выражений для кинематических величин, определяющих положение, скорости и ускорения тел, входящих в систему, при увеличении длины кинематических цепей. Такие исследования проводятся в Брянском государственном техническом университете группой ученых под руководством Погорелова Д.Ю. (www.umlab.ru).
Достоверность любой математической модели определяется количеством учитываемых факторов, в данном случае дефектов рельсов, перечень которых известен (Инструкция по текущему содержанию железнодорожного пути / Транспорт: 2000). Следует заметить, что учет в программе только отдельных дефектов без учета их совместного влияния на условия движения вагона не достаточно. Так, при наличии одновременно таких дефектов, как боковой износ более 10 мм (дефект №44) и смятие головки рельса из-за неравномерного износа металла в месте стыка (различные механические свойства) (дефект №46) (копия листа из «Инструкции…» с данными дефектами прилагается) может создать ситуацию, опасную для безопасности движения. При движении колеса по рельсу, имеющему данные дефекты, при прохождении дефекта №46 происходит накатывание гребня колеса на головку рельса. Данное сочетание неисправностей железнодорожного пути не учитывается ни в одном нормативном документе и не может быть заложено в программу исследований. Это не единственный пример неисправностей, сочетание которых может повлечь за собой сход состава и при этом они никак не нормируются.
Для повышения безопасности движения необходимо оценить действие как можно больших факторов (оптимально всех), влияющих на движение состава, что практически невозможно ни в одной теоретической модели. Поэтому проведение натурных исследований рельсового пути является задачей актуальной, но этот процесс не должен быть дорогим, а полученная информация должна обладать высокой информативностью и достоверностью.
Вовремя принятое решение о необходимости проведения ремонта пути или замены рельсов железнодорожного пути может принести значительную экономию средств, сделать движение более безопасным, особенно это актуально на участках, предназначенных для движения пассажирских вагонов и при перемещении крупногабаритных и взрывоопасных материалов.
Наиболее близким к предлагаемому решению является способ диагностирования конструкций (RU №2240551, МПК 6 G01N 29/14), включающий прием, регистрацию и оценку параметров сигналов акустической эмиссии в момент нагружения мостовой металлической конструкции, например, проходящим поездом, оцифровку акустических сигналов, вычисление по ней спектра акустических сигналов, их предварительную обработку, фильтрацию помех, регистрацию времени прихода акустических сигналов и вычисление по нему координат развивающихся дефектов, при этом одновременно с регистрацией сигналов с акустических преобразователей осуществляют регистрацию динамической деформации, а регистрацию основных параметров акустических сигналов, координат развивающихся дефектов и их спектральных характеристик осуществляют в момент достижения максимума механических деформаций конструкции.
К достоинству данного способа следует отнести то, что параметры сигналов акустической эмиссии об исследуемом объекте получают при нагружении объекта реальными нагрузками (прохождение поезда) в реальном режиме времени, что позволяет судить о полученных результатах, как более достоверных.
К недостаткам данного способа следует отнести ограниченность применения известного способа, которое не позволяет оценить степень износа и определить группу годности рельсов железнодорожного пути.
При разработке заявляемого способа оценки состояния железнодорожного пути была поставлена задача повышения безопасности движения подвижного железнодорожного состава.
В процессе решения поставленной задачи достигается технический результат, заключающийся в возможности получения быстрой и достоверной оценки состояния рельсового пути, что позволяет принять своевременные меры о необходимости ремонта или замены части рельсового пути, а также о возможности использования железнодорожного пути для перемещения крупногабаритных или взрывоопасных грузов.
Технический результат заявляемого изобретения достигается способом оценки состояния железнодорожного пути, включающем прием, регистрацию и оценку параметров сигналов акустической эмиссии во время движения тележки железнодорожного вагона, проведение оцифровки акустических сигналов, анализ спектра акустических сигналов, их обработку, при этом преобразователи акустической эмиссии системы СДС1008 устанавливают на предварительно зачищенные неподвижные элементы вагонной тележки, не имеющей износа в целом или ее отдельных узлов и являющейся «эталонной», с «правой» и «левой» стороны, по два с каждой стороны, подключают преобразователи акустической эмиссии к предварительным усилителям, которые располагают рядом с преобразователями, подключают предварительные усилители к системному блоку системы СДС1008 и портативному компьютеру, прогоняют тележку железнодорожного вагона на различных скоростях и режимах движения с различной степенью загрузки вагона по кольцевому и прямолинейному железнодорожным участкам, являющимся «эталонными участками», имеющими нормативные обобщенные показатели состояния рельсовой колеи, регистрируют спектральные параметры акустической эмиссии от преобразователей акустической эмиссии, полученные данные считают «эталонными» для каждого участка рельсового пути, затем вагон с «эталонной тележкой» прогоняют по исследуемым железнодорожным путям, регистрируют спектральные параметры акустической эмиссии на исследуемых участках железнодорожного пути, анализируют и сравнивают полученные данные с «эталонными», по результатам анализа и сравнения оценивают состояние железнодорожного пути. Кроме этого, в качестве элемента тележки железнодорожного вагона принимают корпус колесной буксы, преобразователи акустической эмиссии прижимают к корпусу колесной буксы с помощью магнитных держателей через акустическую смазку, питание системы СДС1008 и портативного компьютера осуществляют от отдельного источника, состоящего из аккумулятора преобразователя, движение подвижного состава проводят на скорости 40, 60 и 80 км/час, а также на режиме разгона и режиме торможения, «эталонными участками» выбирают участки, имеющие рельсы первой группы, системный блок системы СДС1008 и портативный компьютер, располагают в отдельной кабине на подвижном составе.
Достаточным условием для суждения, что железнодорожному пути необходим ремонт или замена отдельных участков пути, является превышение параметров акустической эмиссии, полученных с исследуемого участка, над параметрами акустической эмиссии, считающиеся «эталонными», более чем в два раза.
Условием пригодности участка железнодорожного пути для перевоза крупногабаритных и взрывоопасных грузов является примерное равенство параметров акустической эмиссии, полученных с «правой» и «левой» стороны, и отсутствие превышения над параметрами АЭ, полученных с «левой» и «правой» стороны, полученных при движении вагона по исследуемому участку, над параметрами АЭ, считающимися «эталонными», не более чем на 20-40%. Способ осуществлялся следующим образом. На вагонные тележки крепятся широкополосные преобразователи (датчики) акустической эмиссии (ПАЭ) GT300 с полосой регистрации 50-1000 кГц. Преобразователи АЭ сигнала GT300 выполнены на основе пьезокерамического элемента и имеют коррозионно-стойкий корпус из титанового сплава, плоскую керамическую рабочую поверхность и кабельный вывод со специальным разъемом (тип SMA) для подключения к усилителю АЭ. На «правой» и «левой» буксах вагонной тележки устанавливаются по два преобразователя АЭ. Металлическую поверхность колесной буксы предварительно шлифуют для обеспечения надежного акустического контакта с ПАЭ которые прижимаются к поверхности буксы с помощью магнитных держателей через специальную акустическую смазку. ПАЭ подключаются к предварительным усилителям, которые располагают в непосредственной близости к ПАЭ.
ПАЭ подключаются к системному блоку СДС1008 с помощью ВЧ-кабелей РК50. По ВЧ-кабельным линиям обеспечивается электропитание усилителей, и передача высокочастотных сигналов АЭ. Измерительный комплекс (системный блок и портативный компьютер) располагаются в задней кабине электровоза. Электропитание измерительного комплекса осуществляется от автономного источника, состоящего из аккумулятора (12V, 55Ah) и преобразователя (+12V-220V) ASTRA.
В качестве контрольного элемента была выбрана передняя пара корпусов колесной буксы вагонной тележки железнодорожного вагона. Испытательный поезд состоял из электровоза и одного грузового вагона, степень износа вагонной тележки, которой в целом и ее отдельных узлов были в норме. Железнодорожный (грузовой) вагон был частично загружен металлическими слитками. «Эталонная» база данных формируется по параметрам АЭ, полученным на участках железнодорожного пути, являющихся «эталонными участками», имеющими нормативные обобщенные показатели состояния рельсовой колеи и рельсы первой группы годности.
В соответствии с предлагаемым способом оценки состояния железнодорожного пути испытания проводятся на различных режимах движения поезда:
- равномерное движение по испытательному кругу при скорости движения 40, 60, 80 км/час;
- равномерное движение по прямолинейному участку при скорости движения 40, 60, 80 км/час;
- ускоренное движение по кругу и прямолинейному участку;
- движение по кругу и прямолинейному участку с торможением.
Банк данных «эталонных» значений формируется в виде графиков, гистограмм, числовых значений параметров АЭ.
В таблице приведены часть результатов «эталонных» («Эт») числовых значений параметров АЭ и часть результатов, полученные при исследовании (Иссл) прямолинейного участка железнодорожного пути, полученных при движения поезда на скорости 60 км/час, регистрация АЭ проводилась в течении 2-х минут.
Таблица
Параметры АЭ
Всего событий
Изменение
Изменение
Изменение
Изменение
энергия (дБ) в диапазоне частот 0-50 кГц
энергия (дБ) в диапазоне частот 51-300 кГц
энергия (дБ) в диапазоне частот 301-600 кГц
энергия (дБ) в диапазоне частот 601-1200 кГц
Место установки датчика
«Эт»
Иссл
«Эт»
Иссл
«Эт»
Иссл
«Эт»
Иссл
«Эт»
Иссл
«Левая» / «Правая» букса, движение колеса по «эталонному участку»
4400/4300
12-20/18-22
34-47/37-55
29-32/32-42
15-25/22-25
«Левая» / «Правая» букса, движение по исследуемому участку
9200/8400
25-32/30-52
50-60/47-75
37-50/42-67
28-32/35-47
Характер распределения амплитудного и энергетического спектров свидетельствует об устойчивом различии параметров АЭ, полученных на различных участках железной дороги. «Эталонные» значения параметров АЭ характеризуются меньшим разбросом энергии в различных диапазонах частот в сравнении со значениями, полученными на исследуемом участке. Это свидетельствует о том, что состояние исследуемого участка железной дороги значительно хуже, чем «эталонного участка».
Различный характер поведения «левого» и «правого» колеса колесной пары, на «эталонном» и исследуемом участках, вызван различной степенью износа рельсовых ветвей.
Проведенный анализ параметров АЭ полученных с исследуемого участка и анализ их, и сравнение с «эталонными» параметрами позволили сделать вывод о том, что состояние исследуемого участка железной дороги, не достигла своего критического значения. Однако данный участок не следует использовать для перевоза крупногабаритных и взрывоопасных грузов.
Предлагаемый способ оценки состояния железнодорожного пути позволяет получить достоверную и достоверную информацию, что бы принять решения о необходимости проведении ремонта или замене участка пути.
Дальнейшее развитие методических, аппаратных, программных средств АЭ контроля позволит повысить эффективность способа контроля состояния железнодорожного пути, что обеспечит повышение надежности и безопасности движения железнодорожного состава.