СПОСОБ КОНТРОЛЯ БЕССТЫКОВОГО ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ПУТИ
CONTROL METHOD OF THE JOINTLESS RAILWAY TRACK

Изобретение относится к области контроля состояния железнодорожного пути и предназначено для контроля температурного напряженно-деформированного состояния рельсовых плетей и контроля отклонения пути от проектного положения в плане в непрерывном режиме реального времени.
Известен способ контроля рельсовых плетей бесстыкового железнодорожного пути (патент на изобретение RU 2521114, E01B 35/12, приоритет 27.12.2012 г.), 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, превышающего допустимые нормы, отличающийся тем, что 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, полученных 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.
Недостатком этого способа является необходимость проводить калибровку анализатора шумов Баркгаузена на образцах, вырезанных из рельсовой стали, и построения калибровочной зависимости интенсивности магнитных шумов Баркгаузена, при этом точность определения напряжений зависит от соответствия микроструктуры калибровочного образца и рельса, также недостатком является возможная связь между намагничиванием ферромагнетика и действующими электромагнитными помехами от силовых установок подвижного состава.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту к заявляемому изобретению является способ определения продольно-напряженного состояния рельсовых плетей бесстыкового железнодорожного пути (патент RU 2239574, B61K 9/08, E01B 35/00, приоритет 25.03.2003 г.), заключающийся в том, что при помощи бесконтактных датчиков, смонтированных на перемещаемом по железнодорожному пути транспортном средстве, например на вагоне-путеизмерителе, измеряют температуру участков рельсовой плети, одновременно с измерением температуры участков рельсовой плети измеряют продольные перемещения (подвижки) сечений плети по границам участков, на которые разделена рельсовая плеть, то есть одновременно с измерением температуры участков рельсовой плети измеряют продольные перемещения участков рельсовой плети. Границы участков рельсовой плети отмечают путем нанесения на нее фиксированной точки, линии на верхней части подошвы рельсовой плети, например через 100 метров, или иным способом, но с обязательной фиксацией расстояния между контрольными сечениями. Вдоль железнодорожного пути или непосредственно в пути на определенном расстоянии друг от друга размещают неподвижные фиксированные реперы. В качестве реперов в пути могут использоваться, например, шпалы, исключенные из продольной работы рельсовых плетей. Измерение продольных перемещений участков рельсовой плети относительно реперов производят при помощи бесконтактных датчиков, смонтированных на подвижной единице, например на вагоне, при перемещении вагона один из датчиков обнаруживает фиксированную точку или линию на верхней части подошвы рельсовой плети, а другой датчик обнаруживает метку на репере. Все бесконтактные датчики связаны с входной шиной вычислительной машины с программным обеспечением, установленной на вагоне, и измеренные величины температуры и продольных перемещений участков рельсовой плети поступают в вычислительный блок вычислительной машины. В вычислительной машине имеются данные о температуре закрепления измеряемой рельсовой плети. В вычислительном блоке машины определяется разность между измеренной температурой участка рельсовой плети и температурой закрепления рельсовой плети и определяется температурное напряжение соответствующего участка рельсовой плети.
Недостатком этого способа является то, что измерение продольных перемещений участков рельсовой плети относительно реперов производят при помощи бесконтактных датчиков, смонтированных на подвижной единице, например на вагоне. При этом существует зависимость между массой подвижной единицы, скоростью и результатами измерений по причине упругой деформации рельса под воздействием массы подвижной единицы. Кроме того, измерения проводятся не регулярно, а периодически в зависимости от графика движения поездов на участке.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является повышение безопасности движения железнодорожного транспорта.
Техническим результатом изобретения является возможность контроля температурного напряженно-деформированного состояния рельсовых плетей и контроля отклонения пути от проектного положения в плане в непрерывном режиме реального времени, а также повышение достоверности контроля.
Поставленная задача решается за счет размещения на подошве рельса с внешней стороны путевых датчиков 1, содержащих, по меньшей мере, один волоконно-оптический чувствительный элемент на основе волоконно-оптической дифракционной брэгговской решетки для измерения продольной деформации рельса и, по меньшей мере, один волоконно-оптический чувствительный элемент на основе волоконно-оптической дифракционной брэгговской решетки для измерения температуры рельса. При этом датчики установлены попарно и закреплены на подошве левого и правого рельса в промежутке между шпалами. Чувствительные элементы связаны посредством волоконно-оптического кабеля 4 с преобразователем оптического сигнала 2 и блоком обработки данных 3.
Таким образом, достижение технического результата происходит за счет применения новых технических средств, их взаимосвязи. Применяемые новые технические средства относятся к волоконно-оптической отрасли техники и являются высокоэффективными, экономичными. Новая совокупность существенных признаков позволяет создать новый способ контроля бесстыкового железнодорожного пути.
Принцип действия описываемого способа основан на том, что при помощи чувствительного элемента на основе волоконно-оптической дифракционной брэгговской решетки измеряется температура и определяется разность между измеренной температурой участка рельсовой плети и температурой закрепления рельсовой плети и определяется температурное напряжение соответствующего участка рельсовой плети. Связь между напряжениями и температурой подробно описана в (1), и в общем случае для определения температурного напряжения используется формула
где
α - коэффициент линейного температурного расширения, 1/градус;
E - модуль упругости материала, МПа;
0
t - температура закрепления рельсовой плети, градусов;
t - измеренная температура рельсовой плети, градусов.
Одновременно с этим при помощи чувствительного элемента на основе волоконно-оптической дифракционной брэгговской решетки измеряется продольная деформация участка рельсовой плети и определяется напряжение деформации соответствующего участка рельсовой плети. В общем случае, для определения зависимости между действующим напряжением и упругой деформацией используется закон Гука
где
E - модуль упругости материала, МПа;
ε - измеренная относительная деформация.
Напряжения растяжения являются положительными, а напряжения сжатия считаются отрицательными. Общее действующее напряжение рассчитывается по формуле:
Контроль отклонения пути от проектного положения в плане осуществляется за счет определения стрелы изгиба левой и правой рельсовых плетей под воздействием действующих напряжений. Для этого определяется радиус изгиба нейтральной оси рельса. Связь между радиусом изгиба и продольной деформацией стержня описана в (1), и в общем случае радиус изгиба определяется по формуле
где
s - ширина подошвы рельса, мм;
ε - измеренная относительная деформация.
Зависимость между стрелой изгиба и радиусом изгиба описана в (2), и в общем случае стрела изгиба определяется по формуле
где
d - длина рельсовой плети, мм;
R - радиус изгиба, мм.
Таким образом, внедрение заявляемого способа позволит решить задачи по организации контроля температурного напряженно-деформированного состояния рельсовых плетей и контроля отклонения пути от проектного положения в плане в непрерывном режиме реального времени, а также повышению достоверности контроля.
Сущность заявляемого изобретения поясняется чертежами: на фигуре 1 изображена структурная схема способа; на фигуре 2 изображена схема установки датчика на подошву рельса; на фигуре 3 изображена схема продольной деформации при изгибе рельса.
Источники информации
1. Учебное пособие «Сопротивление материалов», В.Н. Скопинский, А.А. Захаров, Московский государственный индустриальный университет, Москва, 1999.
2. Учебное пособие «Съемка железнодорожных кривых», В.И. Полетаев, Е.Г. Толстов, Петербургский государственный университет путей сообщения, Санкт-Петербург, 2011.