Способ контроля поверхности катания железнодорожных колёс в движении
METHOD FOR CONTROLLING TREAD SURFACE OF RAILWAY WHEELS IN MOTION

Изобретение относится к области технической диагностики и неразрушающего контроля объектов железнодорожного транспорта и может быть использовано для обнаружения дефектов поверхности катания колес грузовых вагонов в движении.
Известен способ (Обнаружение некруглости колес // Железные дороги мира. 2003, №8, с. 64-68) обнаружения дефектов поверхности катания железнодорожных колес в движении, основанный на регистрации и сравнении с заданными предельными параметрами вертикальных динамических сил, возникающих при взаимодействии дефектных колес подвижного состава и пути. При этом участок пути длиной, равной периметру колеса, разбивают на три и более частично перекрывающиеся измерительные зоны одинаковой длины. Количество зон задают таким образом, чтобы колеса от соседних осей проходящего подвижного состава на данном участке пути не попадали одновременно в одну зону. На рельсах над каждой шпалой участка пути устанавливают тензодатчики и измеряют силы реакции шпал. Дополнительно устанавливают тензодатчики на концах каждой измерительной зоны и измеряют продольный изгиб рельса. При достижении колесной парой измерительной зоны со всех тензодатчиков регистрируют сигналы, по которым определяют вертикальную силу, передаваемую от колеса на верхнее строение пути во время прохождения колеса по измерительной зоне. Вычисляют динамический коэффициент, равный отношению величины динамической силы к статической силе, которую определяют по медиане вертикальной силы. Наличие дефекта в колесе определяют по превышению динамическим коэффициентом заданного уровня. Номер дефектной колесной пары определяют подсчетом количества пройденных по измерительному участку колесных пар.
Недостатком способа является сильная зависимость достоверности результатов контроля от жесткости и технического состояния подрельсового основания, необходимость изменения длины измерительных участков для контроля железнодорожных транспортных средств разных типов с различным межосевым расстоянием. Кроме того, при малых значениях жесткости подрельсового основания нагрузка от колеса на рельс может распределяться на шпалах на участке пути длиной более 2 м. В тележке полувагона, который является наиболее распространенным типом грузового вагона на российских железных дорогах, расстояние между осями колесных пар составляет 1,8 м. Поэтому возникают существенные погрешности в определении вертикальной силы, связанные с влиянием на результаты измерения силы соседних в тележке колесных пар. На высоких скоростях движения происходит недобраковка коротких дефектов, так как колесо с дефектом поверхности катания воздействует на рельс в течение короткого времени, что в динамике приводит к нарушению зависимости между силой реакции шпал и силой, воздействующей от колеса на рельс, и, следовательно, снижается достоверность определения вертикальной силы от колеса на рельс.
р
-1
7
Известен способ обнаружения дефектов поверхности катания колес железнодорожных транспортных средств в движении, заключающийся в том, что на измерительном участке прямолинейного пути на рельс устанавливают тензодатчики, в процессе движения колесной пары по измерительному участку регистрируют сигналы одновременно со всех тензодатчиков, по которым судят о наличии дефекта поверхности катания, причем тензодатчики устанавливают симметрично парами, по сигналам с тензодатчиков определяют симметричные и асимметричные деформации шейки рельса, по превышению симметричными деформациями порога селекции, устанавливаемого в 3-4 раза выше уровня собственных шумов измерительной аппаратуры, задают номер колесной пары равным единице, на измерительном участке длиной не менее двух длин окружности круга катания нового колеса определяют скорость движения поезда для определения полосы частот, в которой проводят частотную фильтрацию симметричных деформаций, и при каждом последующем превышении фильтрованными симметричными деформациями порога селекции регистрируют следующую колесную пару, затем проводят частотную фильтрацию асимметричных деформаций в полосе частот, определяемой частотой свободных колебаний рельса, регистрируют максимумы асимметричных деформаций на каждой паре тензодатчиков, при совпадении максимумов на соседних парах тензодатчиков их сравнивают с порогом регистрации дефекта ε, определяемым по формуле: , где ξ=120 млн/с - коэффициент;  - максимальная глубина допускаемого дефекта, мм; D - диаметр нового колеса, мм; V - скорость поезда, м/с, и при превышении этого порога бракуют регистрируемую колесную пару (см. патент РФ №2480711, МПК G01B 7/34).
Недостатком способа, принятого за прототип, является то, что значение асимметричных деформаций, по которым оценивается степень опасности дефекта и при превышении его критического значения проводится браковка колесной пары, существенно зависит от эксцентриситета приложения силы от дефектного колеса на поверхность катания рельса относительно плоскости симметрии рельса. При этом достоверность обнаружения дефектов поверхности катания зависит от траектории движения колеса и положения пятна контакта на поверхности катания рельса. В случае, когда сила от колеса с дефектом поверхности катания на рельс прикладывается в плоскости симметрии рельса без эксцентриситета, изгибающий момент отсутствует и при этом асимметричные деформации равны нулю и, следовательно, дефект будет пропущен. В случае, когда сила от колеса с дефектом прикладывается на край поверхности катания рельса с большим эксцентриситетом, возникает значительный изгибающий момент и высокий уровень асимметричных деформаций, что приводит к ложной браковке колес вагонов.
Разработанный способ направлен на решение актуальной задачи повышения достоверности результатов контроля поверхности катания колес грузовых вагонов в движении для своевременного выявления дефектов за счет уменьшения влияния траектория движения колеса по поверхности катания рельса на параметры диагностических сигналов в условиях малых неопределенных значений жесткости подрельсового основания.
Поставленная задача решается за счет того, что в способе контроля поверхности катания железнодорожных колес в движении, заключающемся в том, что на измерительном участке прямолинейного пути на рельс устанавливают тензодатчики, в процессе движения колесной пары по измерительному участку регистрируют сигналы со всех тензодатчиков, по которым судят о наличии дефектов, при этом определяют симметричные деформации, по превышению симметричными деформациями порога селекции, устанавливаемого в 3-4 раза выше уровня собственных шумов измерительной аппаратуры, задают номер колесной пары равным единице и при каждом последующем превышении симметричными деформациями порога селекции контролируют следующую колесную пару, определяют скорость движения поезда для определения полосы частот, в которой проводят частотную фильтрацию симметричных деформаций, тензодатчики устанавливают парами симметрично с двух сторон шейки рельса на середине его высоты, таким образом, чтобы их зоны чувствительности пересекались, задают пороговое значение силы воздействия колеса на рельс, в процессе движения колесной пары по измерительному участку регистрируют локальные минимумы симметричных деформаций на двух соседних парах тензодатчиков, определяют скорость движения поезда, по которой определяют нижнюю границу частоты фильтрации, проводят фильтрацию симметричных деформаций, определяют продольную координату колеса на рельсе, по которой фиксируют моменты входа колеса в зону чувствительности и выхода из нее, в зоне чувствительности определяют значение силы от колеса на рельс по значениям фильтрованных симметричных деформаций и эталонных деформаций и при превышении на любой паре тензодатчиков порогового значения силы, устанавливаемого равным половине максимально допустимой динамической осевой нагрузки на рельс, колесную пару бракуют.
На фиг. 1 приведена схема тензометрического контроля, на фиг. 2 приведены графики зависимости от времени симметричных деформаций на парах тензодатчиков при движении колеса с дефектом поверхности катания, на фиг. 3а и 3в приведены графики зависимости силы, воздействующей от колеса на рельс, определенной по симметричным деформациям, для дефектного и бездефектного колес соответственно, на фиг. 3б и 3г приведены графики зависимости симметричных деформаций для дефектного и бездефектного колес. На графиках приведены следующие обозначения: 1 - рельс, 2 - колесо, 3 - дефект поверхности катания, 4 - направление движения колеса, 5 - середина высоты рельса, 6 - график эталонных деформаций, 7 - сигнал симметричных фильтрованных деформаций, 8 - зона чувствительности пары тензодатчиков, 9 - шпалы, 10 - пороговое значение силы.
кр
in
out
n
n+1
n
n+1
0
кр
-1
-1
Предложенный способ реализуется следующим образом. На измерительном участке прямолинейного пути длиной не менее длины окружности колеса на рельс устанавливают тензодатчики парами симметрично с двух сторон шейки рельса на середине его высоты таким образом, чтобы их зоны чувствительности пересекались (см. Фиг. 1). Тензодатчики ориентируют вертикально. Устанавливают пороговое значение силы F, действующей от колес железнодорожных транспортных средств на рельс, равное половине максимальной допустимой динамической осевой нагрузки на рельс. Устанавливают порог селекции в 3-4 раза выше уровня собственных шумов измерительной аппаратуры. В процессе движения колесной пары по измерительному участку регистрируют сигналы со всех тензодатчиков, по которым судят о наличии дефектов, при этом определяют симметричные деформации: , где ε, ε - деформации тензодатчиков с внутренней и наружной относительно колеи сторон шейки рельса, млн. Регистрируют превышение симметричными деформациями порога селекции и устанавливают номер колесной пары равным единице и при каждом последующем превышении симметричными деформациями порога селекции контролируют следующую колесную пару. Регистрируют локальные минимумы симметричных деформаций и определяют их моменты времени (фиг. 2). По разности времен, в которые наблюдаются локальные минимумы на соседних парах тензодатчиков n и (n+1), определяют скорость движения: , где X, X - координаты n-й и (n+1)-й пар тензодатчиков, м; T, T - время регистрации локального минимума деформаций от колеса на n-й и (n+1)-й парах тензодатчиков, соответственно. По скорости движения поезда определяют нижнюю границу полосы частот , где  - протяженность зоны чувствительности пар тензодатчиков, и проводят фильтрацию симметричных деформаций. При обнаружении локального минимума на (n+1)-й паре тензодатчиков определяют координату колеса на рельсе относительно 1-й пары тензодатчиков: . По координатам колеса обнаруживают моменты времени входа колеса в зону чувствительности и выхода из нее, когда выполняется условие  (Фиг. 2). В зоне чувствительности (n+2)-й пары тензодатчиков по значениям фильтрованных симметричных деформаций  определяют значение силы от колеса на рельс по формуле , где  - значения эталонных деформаций, которые определяют при проходе зоны чувствительности тензодатчиков бездефектным колесом с известной осевой нагрузкой F и скоростью не более 1,4 м/с (5 км/ч) по формуле: , где  - протяженность зоны чувствительности тензодатчиков, м; A - амплитуда эталонных деформации, млн, x - расстояние от колеса до (n+2)-й пары тензодатчиков, м. При превышении на любой паре тензодатчиков значением силы от колеса на рельс порогового значения силы F колесную пару бракуют (Фиг. 3).
кр
0
0
З
кр
-1
-1
Предложенный способ был реализован на диагностическом участке 1 пути нечетного направления Крахаль-Инская Западно-Сибирской железной дороги. Осуществляли контроль колес колесных пар с номерами 29, 30, 31 и 32 грузового поезда №2603. Пороговое значение силы F, действующей от колес железнодорожных транспортных средств на рельс, установили на основании допускаемой погонной нагрузки 168 кН/м на железнодорожный путь от тележки [см. ГОСТ Р 55050-2012 Железнодорожный подвижной состав. Нормы допустимого воздействия на железнодорожный путь], равной максимально допустимой динамической нагрузке: . Порог селекции установили равным в 3⋅0,2 млн (уровень шумов измерительной аппаратуры быстродействующей тензометрической системы Динамики-1 составил 0,2 млн). На прямолинейном участке пути длиной 3 м, что больше длины окружности круга катания нового колеса 2,98 м, установили на шейку рельса тензодатчики на высоте от основания подошвы 0,086 м, что соответствует середине высоты рельса, которая с учетом износа составила 0,172 м. Тензодатчики ориентировали с использованием специального шаблона вертикально с погрешностью не более ±5°. Тензодатчики устанавливали парами симметрично с двух сторон шейки рельса и равномерно распределяли вдоль рельса через 0,250 м, что меньше экспериментально измеренной длины зоны чувствительности тензодатчиков к вертикальной нагрузке, равной . Всего на каждый рельс установили 13 пар тензодатчиков. В процессе движения колеса по рельсу, с использованием комплекса измерительного микропроцессорного быстродействующего тензометрического Динамика-1, зарегистрированного в Государственном реестре средств измерений за №32885-06, регистрировали сигналы всех тензодатчиков, по которым определяли симметричные вертикальные деформации. Определяли моменты времени, в которые наблюдаются локальные минимумы симметричных деформаций на 1-й и 2-й парах тензодатчиков, данные сведены в табл. 1 (см. строка 1). Номер контролируемой колесной пары определяли подсчетом локальных минимумов симметричных деформаций на 1-й паре тензодатчиков. По разности времени регистрации локальных минимумов на 1-й и 2-й парах тензодатчиков, определяли скорость движения поезда (см. строка 2 в табл. 1). Координату колеса на поверхности катания рельса относительно первой пары тензодатчиков определяли по скорости и времени регистрации локального минимума на 2-й паре тензодатчиков: . Проводили низкочастотную фильтрацию симметричных деформаций с нижней границей частоты, выбираемой в зависимости от скорости движения колеса: . Регистрировали момент времени, в который колесо попадает в зону чувствительности 2-й пары тензодатчиков, когда  (см. строка 3 в табл. 1) и момент времени, в который колесо покидает зону чувствительности 2-й пары тензодатчиков, когда  (см. строка 4 в табл. 1). Результаты контроля для колесных пар 29-32 на 1, 2 и 3-й парах тензодатчиков приведены в табл. 1. В зоне чувствительности 3-й пары тензодатчиков определяли вертикальную силу, воздействующую от колеса на рельс при движении над парой тензодатчиков , где  - фильтрованные симметричные деформации,  - эталонные деформации, определяемых экспериментально при перемещении вагона с известной осевой нагрузкой F=105 кН со скоростью 0,42 м/с  в зависимости от расстояния x между парой тензодатчиков и колесом при известной осевой нагрузке F. Результаты определения силы для колес 29 и 30 приведены на фиг. 3. О наличии дефекта на колесе судили по превышению вертикальной силой F критического значения силы F в зоне чувствительности третьей пары тензодатчиков диагностического участка. Для колесной пары 29 значение вертикальной силы (табл. 1, строка 6) составило 398 кН, что превышает критическое значение силы 304 кН, поэтому колесная пара №29 была забракована по максимальному допустимому воздействию на путь.
Преимущество предлагаемого способа по сравнению с прототипом заключается в том, что значение вертикальной силы определяется по результатам измерения локальных минимумов фильтрованных симметричных деформаций, поэтому эксцентриситет приложения вертикальной силы и боковая сила не оказывают существенного влияния на результат измерения силы и, следовательно, траектория движения колеса не влияет на достоверность контроля. В условиях малых неопределенных значений жесткости подрельсового основания способ имеет преимущество, так как регистрируемые симметричные деформации подвергаются низкочастотной фильтрации и, следовательно, влияние неопределенности жесткости подрельсового основания в процессе прохождения поезда на достоверность измерения силы сведена к минимуму, а расположение тензодатчиков на средней линии рельса и их вертикальная ориентация полностью исключают влияние изгиба рельса, вызванного малыми значениями жесткости подрельсового основания.