автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.13, диссертация на тему:Разработка методики контроля дефектов поверхности катания железнодорожных колес в движении по показателям динамики их взаимодействия с рельсами

005004667

Кочетков Антон Сергеевич

РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ КОНТРОЛЯ ДЕФЕКТОВ ПОВЕРХНОСТИ

КАТАНИЯ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНЫХ КОЛЕС В ДВИЖЕНИИ ПО ПОКАЗАТЕЛЯМ ДИНАМИКИ ИХ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ С РЕЛЬСАМИ

Специальность 05.11.13 - Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

- 1 ДЕК 2011

Томск - 2011

005004667

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Сибирский государственный университет путей сообщения» (СГУПС)

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Степанова Людмила Николаевна

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Елисеев Сергей Викторович

доктор технических наук, в.н.с. Фурса Татьяна Викторовна

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное

образовательное учреждение высшего профессионального образования "Омский государственный университет путей сообщения"

Защита состоится 27 декабря 2011г. часов на заседании совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д 212.269.09 при ФГБОУ ВПО Национальный исследовательский Томский политехнический университет по адресу: 634028 г. Томск, ул. Савиных, 7, ауд.215 (актовый зал)

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО Национальный исследовательский Томский политехнический университет по адресу: 634034 г. Томск, ул. Белинского, 55.

Автореферат разослан_ноября 2011г.

Ученый секретарь совета по защите

докторских и кандидатских диссертаций к.т.н., доцент

Б.Б. Винокуров

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы:

Одной из причин аварий и крушений грузовых вагонов является разрушение колес, вызванное возникновением концентраторов напряжений при взаимодействии колеса с рельсом. Такие дефекты, как ползуны и выкрашивание поверхности катания вызывают увеличение динамических сил, образующихся при взаимодействии подвижного состава и пути. С одной стороны, это приводит к ускорению износа колес и появлению усталостных трещин, а с другой - оказывает соответствующее негативное влияние на верхнее строение пути. Поэтому подвергающиеся значительным статическим и динамическим нагрузкам колесные пары требуют контроля и особенно - контроля в движении. Своевременное выявление неисправностей колес предотвращает тяжелые последствия и обеспечивает повышение безопасности движения.

На сегодняшний день визуальный осмотр на пункте технического обслуживания (ПТО) является основным методом, при котором выявляются дефекты поверхности катания колес. Однако на достоверность и качество контроля негативно влияет множество факторов. Из-за конструктивных особенностей тележки визуальному осмотру подвергается лишь 75 % окружности колеса, а результат контроля во многом зависит от квалификации осмотрщика, условий проведения контроля, метрологических характеристик используемого оборудования. Появление дефектов на поверхности катания колеса носит случайный характер, что повышает требования к качеству проводимого контроля.

Для контроля поверхности катания колесных пар в движении на зарубежных и российских дорогах получил распространение метод диагностики, основанный на измерении показателей динамики взаимодействии колес и рельсов и сравнении их с критическими значениями (напольные детекторы WCM, Dafiir, Scalex Wild, Wild (США), ДДК). В качестве первичных преобразователей в таких системах контроля используются тензодатчики, вибрационные датчики, си-лоизмерительные датчики и их комбинации. К недостаткам использования си-лоизмерительных датчиков относят необходимость изменения конструкции пути, так как их выходные сигналы существенно зависят от внешних условий и состояния пути. Силоизмерительные датчики не позволяют достоверно регистрировать быстропротекающие процессы для обнаружения коротких неровностей (ползуны, навары, выщербины). Вибрационные датчики обладают высокой чувствительностью к колебаниям, вызванным ударным воздействием колес с дефектами поверхности катания, но не позволяют регистрировать вертикальные и боковые силы и обладают низкой помехозащищенностью к шумам, возникающем при проскальзывании колесной пары (КП) по рельсу.

В современных условиях развития диагностической и измерительной микропроцессорной аппаратуры первоочередную важность при контроле колес в движении приобретают методические вопросы. Трудности, связанные с выделением в сигнале первичных преобразователей информативных составляющих и оценкой по ним параметров дефекта, до сих пор практически не изучены. Ме-

\

жду тем реализация методики контроля колес в движении требует полной автоматизации и достаточно высокой точности измерений. Для создания методики необходимо провести анализ ударных воздействий колеса о рельс, применять высокоточную и одновременно высокочастотную тензометрическую аппаратуру, разработать алгоритмы обработки экспериментальных данных, специализированное программное обеспечение, определить связи информативных параметров сигнала с геометрическими размерами и типом дефектов.

Объектом исследования является технология неразрушающего контроля (НК) ходовых частей вагонов в движении.

Предметом исследования является методика обнаружения дефектов поверхности катания колесных пар грузовых вагонов в движении.

Целью работы является разработка методики контроля дефектов поверхности катания железнодорожных колес в движении по показателям динамики их взаимодействия с рельсами.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

1) выполнить расчет механических напряжений в модели рельса под поездной нагрузкой, используя метод конечных элементов для определения оптимальной схемы тензометрических измерений;

2) произвести расчет методических составляющих погрешности косвенных измерений сил в системе «колесо-рельс»;

3) провести исследования свободных колебаний рельса при различных ударных воздействиях, выделить информативные параметры сигналов с тен-зодатчиков;

4) создать на действующем пути экспериментальный измерительный участок с установленными на рельс тензодатчиками;

5) разработать алгоритмы автоматического обнаружения дефектного колеса по результатам обработки сигналов с тензодатчиков;

6) установить связь геометрических параметров дефекта с информативными параметрами сигналов с тензодатчиков;

7) разработать методику выполнения измерений с использованием быстродействующей тензометрической системы «Динамика-1».

Методы исследований. Для решения поставленных задач использовались математическое моделирование методами конечных элементов, тензомет-рические измерения, методы математической статистики, корреляционный анализ, анализ погрешностей измерений. Результаты работ обоснованы значительным объемом экспериментальных исследований в лабораторных условиях, на полигоне СГУПС и участке действующего железнодорожного пути. Сделанные выводы не противоречат известным положениям авторов более ранних работ, а результаты настоящего исследования имеют сходимость с данными, полученными при штатном методе контроля дефектов поверхности катания колес.

Научная новизна.

1. Исследовано влияние ударных нагрузок на распространение упругих колебаний в рельсе и определены симметричные и асимметричные моды колебаний рельса.

2. Проведен анализ факторов, оказывающих влияние на точность измерения вертикальных сил при тензометрических измерениях материала рельса, таких как изменение жесткости подрельсового основания, характер движения колеса по рельсу, нарушение геометрии установки тензодатчиков и т.д. Выполнена количественная оценка вносимых ими погрешностей.

3. Предложены и апробированы различные методики автоматической обработки в режиме реального времени результатов измерений с последующим определением дефектной колесной пары грузового вагона и ее порядкового номера в составе.

4. Рассчитан и экспериментально подтвержден критерий браковки колесных пар по предельно допустимому размеру. Разработана методика браковки дефектных колесных пар в движении.

Практическая значимость работы.

По результатам работы подготовлена и реализована комплексная методика, позволяющая с использованием быстродействующей тензометрии в процессе движения грузового состава осуществлять обработку и представление измерительной информации, поступающей с тензодатчиков, наклеенных на рельс. Регистрируемые быстродействующей микропроцессорной тензометриче-ской системой сигналы позволяют в реальном времени в процессе движения железнодорожного состава определять наличие дефектов поверхности катания колесных пар и оценивать степень их опасности. Разработана методика определения номера дефектной колесной пары в движении

На защиту выносятся:

1) результаты исследований упругих колебаний в материале рельса, вызванных ударным воздействием на его поверхности катания, позволяющие установить частоту, коэффициент затухания и классифицировать колебания на симметричные и асимметричные моды;

2) количественная оценка факторов, оказывающих влияние на точность измерения вертикальных сил при тензометрических измерениях материала рельса, таких как изменение жесткости подрельсового основания, характер движения колеса по рельсу, нарушение геометрии установки тензодатчиков и т.д. Расчет с учетом этих факторов суммарной методической погрешности измерения вертикальных сил, передаваемых от колеса к рельсу;

3) разработка методики контроля дефектных колесных пар грузового вагона в движении и определение их порядкового номера в составе поезда по анализу информативных составляющих сигналов с тензодатчиков;

4) расчет критериев браковки по предельно допустимым геометрическим параметрам дефектов КП и их экспериментальное подтверждение при движении КП на ПТО ВЧД-6 станции Инская Западно-Сибирской железной дороги.

Апробация работы. Основные результаты работы доложены на УН-ой Всероссийской научно-технической конференции «Наука. Промышленность. Оборона», Новосибирск, 2006 г., Международной научно-практической конференции посвященной 75-летию Сибирского государственного университета

путей сообщения «Актуальные проблемы Транссиба на современном этапе. Кадровое и научно-техническое обеспечение процессов интеграции в мировую транспортную систему», Новосибирск, 2007 г., конференции с участием иностранных ученых «Фундаментальные проблемы формирования техногенной геосреды», Новосибирск, 2009 г., VI Всероссийской научно-технической конференции «Политранспортные системы», Новосибирск, 2009 г., Всероссийской научно-технической конференции «Качество и инновации - основа современных технологий», Новосибирск ,2010 г., V-ой Российской научно-технической конференции «Ресурс и диагностика материалов и конструкций», Екатеринбург, 2011 г.

Публикации. По результатам работы опубликовано 5 статей в центральных научно-технических журналах включенных ВАК РФ в перечень периодических изданий для кандидатских диссертаций, получен патент РФ, при участии автора написано 3 отчета по НИР, в издательстве «Наука» в соавторстве опубликована книга.

Структура и объем работы. Диссертационная работа изложена на 123 страницах, включает в себя 4 таблицы, 66 рисунков, состоит из введения, четырех глав, основных выводов, списка литературы из 98 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении приведен анализ работ по контролю дефектов колесных пар (КП) в движении, подтверждающий актуальность темы диссертации, сформулированы основные задачи и положения, выносимые на защиту.

В первой главе освещены основные причины появления дефектов поверхности катания колес, дается обоснование их значительного влияния на эксплуатационную надежность подвижного состава. Острая необходимость своевременного изъятия колес с поверхностными дефектами объясняется рядом факторов: появление и развитие поверхностных дефектов до критических параметров носит случайных характер и является причиной негативного воздействия на путь, а в ряде случаев и его разрушения.

Рассматриваются основные работы, как в нашей стране, так и за рубежом, направленные на создание автоматизированных комплексов для обнаружения и регистрации неисправностей подвижного состава и дефектов поверхности катания. Использование данных комплексов (напольные детекторы WCM, Dafür, Scalex Wild, Wild, ДДК) подтверждается рядом преимуществ (уменьшение износа подвижного состава и пути за счет выявления поверхностных дефектов колес и их ликвидацией на ранней стадии развития, снижение вероятности схода подвижного состава, уменьшение временных затрат на диагностику при контроле подвижного состава в движении, исключение нарушений эксплуатационной работы при отсутствии неисправностей и т.д.).

Во второй главе приводится исследование механических напряжений в рельсе под поездной нагрузкой. Разработанная конечно-элементная модель участка рельсового пути (рис.1) длиной 2 м (средний размер тетрагональных

элементов 6 мм, минимальный 1,9 мм) позволила провести исследования

деформаций в рельсе под действием вертикальных и боковых сил с различными условиями жесткости пути (от 140 до 300) МПа. Воздействия шпал на рельсы имитировались упругими граничными условиями, приложенными к подошве рельса. На торцах рельса устанавливали зеркально симметричные граничные условия. Вертикальную силу £) прикладывали на поверхность катания, а боковую силу Кб - к рабочей грани головки рельса.

В процессе исследований был

„ , „ выполнен расчет механических напряжений

Рис. 1 - Вид конечно- г г

для трех характерных случаев приложения элементной модели пельса « г г г J г ^

нагрузки. Результаты исследовании, помещенные на рис. 2, а, соответствуют симметричному приложению вертикальной нагрузки О, а рис. 2, 6 - приложению вертикальной нагрузки О с эксцентриситетом е. На рис. 2, в показано воздействие боковой силы Уб.

а)

б)

в)

0,03 %

о 0,01

_2_ --Г

4,-

-400

-300

-100

100

300 мм /400 шпалы '

г)

1 - деформации при приложении силы по схеме а; 2 и 3 - деформации при приложении силы по схеме б; 4 - деформации при приложении силы

по схеме в

Рис. 2 - Расчет механических напряжений для трех характерных случаев приложения нагрузки: а, б - приложение вертикальной силы на поверхность

катания рельса; в - приложение боковой силы Уд; г - зависимость вертикальных деформаций середины шейки рельса от продольной координаты

приложения силы.

а) б)

1 - тензосистема; 2,3- тензодатчик; 4 - рельс; 5 - шпалы; 6 - колесо

Рис. 3 - Схема расположения тензодатчиков на рельсе: а - вид с торца; б -

вид сбоку

Для расчета методической составляющей проведены исследования вертикальных сил, измеренных по методу Шлумпфа. На рис.3 приведена вертикальная сила 0 и схема расположения тензодатчиков 2, 3 на рельсе 4 над центром каждой шпалы 5. На участке бесстыкового прямолинейного пути длиной 3,4 м измерялись силы в десяти точках. Тензодатчики устанавливались на расстоянии не более 0,4 м. Измерение вертикальных деформаций проводилось на участке шейки рельса с наименьшей толщиной на высоте /г = 82 мм от подошвы.

При движении колеса по измерительному участку пути регистрировались сигналы с тензодатчиков, расположенных на внутренней (0'„„(/)) и наружной (инар(1)) сторонах колеи, и определялись деформации материала. В каждый момент времени ? вычислялись деформации шейки рельса, пропорциональные вертикальной силе ^(О и изгибающему моменту ев(!):

с _ £нар(1) + £ен(1)

*е<')- 2 '

о /А- енар(*)-еви(()

8В{1) - --

2

где £6„(0> £цар(1) - деформации, измеряемые тензодатчиками, расположенными симметрично на внутренней и наружной сторонах шейки рельса, млн"1.

Для момента времени ¿0> соответствующего прохождению колеса над тензодатчиками, определялась деформация шейки рельса £0о=ге('о) и рассчитывалась вертикальная сила, действующая на рельс:

О ~ К '

где к„ - коэффициент пропорциональности, определяемый экспериментально при воздействии на рельс подвижного состава с известной осевой нагрузкой, Н/млн"1.

Методическая составляющая погрешности измерения вертикальной силы () связана с вариацией коэффициента пропорциональности *0> который зависит от средней жесткости подрельсового основания \J-_o, эксцентриситета е приложения вертикальной силы, боковой силы Ув , высоты И от подошвы рельса, на которой выполняется наклейка тензодатчиков, несимметричности АН установки тензодатчиков друг относительно друга:

Погрешность измерения вертикальной силы, связанная с влиянием боковой силы, равной 40 кН, составила 0,4 %. Погрешность, вызванная влиянием эксцентриситета, равного 24,4 мм, составила 0,7 %. Изменение жесткости подрельсового основания на 40 % вызывает погрешность, равную 0,4 %. Несимметричная установка тензодатчиков по высоте на 1,9 мм, приводит к погрешности от 1 % до 2 % (в зависимости от первоначальной установки тензодатчиков).

Исследования свободных колебаний рельса на участке пути общей длиной Юме наклеенными с двух сторон рельса тензодатчиками, позволили определить модовый состав колебаний. Коэффициент корреляции рассчитывался для сигналов с тензодатчиков, расположенных вертикально на одной и на противоположных сторонах шейки рельса (рис.4, а, б). Гистограмма, представленная на рис.4, а, показывает, что тензодатчики, расположенные на одной стороне шейки рельса, имеют всегда положительный коэффициент корреляции, близкий к единице. Это означает, что сигналы, поступающие с тензодатчиков в быстродействующую тензосистему «Динамика-1», находятся в одной фазе. График, показанный на рис.4, б, подтверждает, что тензодатчики, расположенные на разных сторонах шейки рельса, имеют как положительный, так и отрицательный коэффициенты корреляции. Это свидетельствует о том, что сигналы, поступающие с тензодатчиков, могут находиться как в фазе, так и в противофазе. При этом отношение вероятности обнаружения симметричной моды колебаний почти в два раза меньше асимметричной.

В результате исследований установлено, что ударные воздействия на поверхность катания рельса могут возбуждать упругие затухающие колебания с частотой 1,34 кГц. При этом амплитуда колебаний экспоненциально убывает во времени с постоянной времени 1,1 мс. Исследуемые колебания могут содержать как симметричные, так и асимметричные моды, классификация которых выполняется по коэффициенту корреляции сигналов с противоположных сторон шейки рельса. Симметричные колебания (Кг = 1) возбуждаются при ударе вблизи плоскости симметрии рельса |^|<12 мм, а асимметричные колебания - при ударе с эксцентриситетом |у| > 12 мм и связаны с изгибом рельса.

Рис. 4 - Экспериментальные зависимости числа сигналов от коэффициентов корреляции сигналов с тензодатчиков: а - расположенных на одной стороне рельса; б - на противоположных сторонах рельса; в - с двух тензодатчиков в противофазе; г - с двух тензодатчиков в фазе

В третьей главе рассматриваются информативные параметры сигналов с тензодатчиков. Установлено что в сигнале симметричных деформаций наблюдаются две составляющие. Первая составляющая - отрицательные пики (кривая 1 на рис.5) связана с деформированием материала шейки рельса непосредственно под колесом. Материал данной области шейки рельса участвует в передаче деформаций от пятна контакта к рельсошпальной решетке. Вторая составляющая (кривая 2 на рис. 5) связана с общим изгибом рельса от проходящего поезда. Использование аппроксимации методом наименьших квадратов позволило в сигнале симметричных деформаций отделить составляющую сигнала, связанную с деформированием материала шейки рельса непосредственно под колесом, от составляющей, вызванной общим изгибом рельса.

г—>

1 - пики деформаций рельса под колесом е^; 2 - деформации, связанные с общим изгибом рельса от подвижного состава едо Рис. 5 - Зависимость симметричных деформаций от времени при прохождении двух колес вагона над парой тензодатчиков

Проявление в сигнале дополнительной высокочастотной составляющей объясняется ударным воздействием о рельс колеса с дефектом поверхности катания. Ее расположение в сигнале определяется местом удара относительно зоны установки датчика, что влияет на амплитуду деформаций воспринимаемых датчиком. В первом случае колесо воздействует дефектом в зоне чувствительности датчика (рис. 6, а). Во втором случае это воздействие произойдет до или после, т.е. вне зоны чувствительности отдельного тензодатчика (рис. 6, б).

Рис. 6 - Зависимость симметричных деформаций Ед от времени I полученных с двух пар тензодатчиков при прохождении колеса с дефектом в зоне первой пары тензодатчиков (а) и между зонами первой и второй пары

тензодачиков(б)

Задана определения дефектного колеса состоит в выделении ударной составляющей на фоне всего сигнала. Для ее решения был создан эталонный сигнал от дефекта (рис. 7), в качестве которого выбрана следующая функция:

/№=-с -J1-J, (1)

где Т - период эталонной функции дефекта, единицы отсчета аналого-цифрового преобразователя (АЦП); D - коэффициент длительности эталонной функции дефекта, единицы отсчета АЦП.

Далее вычисляют коэффициенты корреляции эталонного сигнала от дефекта с симметричными деформациями от двух соседних пар тензодатчиков Flcor и F2con с шагом в одну единицу отчета (рис. 8). Коэффициент корреляции функции эталонного сигнала от дефекта (fmr) с симметричными деформациями от одной пары тензодатчиков (Uk), где к - порядковый номер пары тензодатчиков, находится по формуле:

""]luk,+j-Uk,+J)-{fcon-fcor)}

FKor, =-

m•

IK-&J

m

1

£[/ -/ f

/ I/ cort J cor j

(2)

m

где т - диапазон переменной функции эталонного сигнала дефекта, ед. отсчета; _/ - переменная симметричных деформаций от пары тензодатчиков, ед. отсчета; г - переменная функции эталонного сигнала дефекта, ед. отсчета.

/ / / j \ \ \ \

? 50/ \ \ / / 100 \ \ 150 i i

\ j j

\ / \ j

\ / \ / '

V/

Длительность сигнала, ед. отсч. АЦП

а)

т : ' /

) 50 1Ш 150 200

Длительность

сигнала, ед. отсч. АЦП —>

б)

Рис. 7, а - вид эталонного сигнала дефекта; б - совмещение эталонного сигнала дефекта (1) и ударной составляющей сигнала от датчика (2)

Длительность сигнала, ед. отсч. АЦП —»

Рис. 8 - Графики симметричных деформаций от 1 и 2 пары тензодатчиков (кривые 2 и 4), их корреляционные зависимости Flcor и F2cor, (кривые 3 и 5), с эталонным сигналом дефекта, и произведение корреляционных зависимостей F12cor (кривая 1) Рассчитывают произведение коэффициентов корреляции эталонной функции с симметричными деформациями от двух смежных пар тензодатчиков F12cor = Flcor ■ F2cor (рис. 8). Для двух смежных пар тензодатчиков появление деформаций, вызванных прохождением колеса, сдвинуто по времени в зависимости коэффициента корреляции Fl2cor от времени. При этом исключаются максимумы в моменты прохождения колес, а значение коэффициента в момент регистрации дефектной составляющей возрастает.

Длительность сигнала, ед. отсч. АЦП Рис. 9 - Графики асимметричных деформаций от 1, 2 и 3 пары тензодатчиков (кривые 1,2, 3) и абсолютное значение произведения их корреляционных зависимостей с эталонным сигналом дефекта Р123Ьтсо,

(кривая 4)

Применение данного способа возможно как при обработке симметричных, так и асимметричных деформаций. При этом эффективность обнаружения дефекта зависит от количества пар тензодатчиков, участвующих в обработке (при условии одновременной регистрации ими ударного воздействия (рис. 9)).

В четвертой главе приведен расчет показателей достоверности методики обнаружения дефектов поверхности катания и результаты испытаний.

Для оценки достоверности методики контроля были выбраны два показателя:

- вероятность недобраковки, т.е. вероятность пропуска дефекта, размер которого превышает максимально допустимый;

- вероятность перебраковки, т.е. вероятность браковки колеса при условии, что размеры дефекта на его поверхности не превышают максимально допустимых.

Выбрав в качестве порогового значения амплитуду Аевкр , вероятность недобраковки дефекта размером вычислим, как вероятность регистрации пика деформаций при условии, что его амплитуда меньше порогового значения для данного дефекта:

рМ* в«л)= \РЛ*,К)<ь. (3)

о

Для оценки вероятности перебраковки дополнительно провели исследования распределения допустимых размеров дефектов поверхности катания. Вероятность перебраковки дефекта определим, как интеграл условной вероятности превышения пиком асимметричных деформаций порогового значения при условии, что размер дефекта не превышает максимально допустимого кдкр\

Рг (/^Вкк )= пд • | \рд (X, А,) • Ри (Ид) дх <1кд, (4)

о

где и,)-доля колес с допустимыми дефектами поверхности катаниями, отн. ед.

0,4

отн.ед. '

/

0,3 '

2 /

| 0,2

1

0,1 — _ .1

0 0 5 10 15 20 млн"1 25

Рис. 10 - Зависимость вероятности перебраковки (1) и недобраковки (2) от порогового уровня

Используя формулы (3), (4), рассчитали вероятности перебраковки и не-добраковки колес грузовых вагонов. Результаты расчетов в виде графических зависимостей от порога асимметричных деформаций представлены на рис. 10. Вероятность недобраковки приведена для дефекта с минимально допустимой глубиной кд = 1 мм. Для значения порога АеВкр = 6,5 млн"1 вероятность недобраковки составит Р| = 0,007 отн.ед., а перебраковки Р2 = 0,07 отн.ед.

Данные значения вероятностей получены при условии, что длина измерительного участка равна длине окружности колеса, а дефект воздействует на рельс один раз. При увеличении длины участка до т длин окружностей колеса Ь = т-к-О вероятности рассчитываются по формулам:

РХт=т-Рг (6)

Конкретные значения вероятностей перебраковки и недобраковки определяются заказчиком в техническом задании исходя из соображений экономической целесообразности. Для обеспечения установленных вероятностей выбирают пороговое значение по рис. 10 и длину измерительного участка по формулам 5 и 6.

В реальных условиях эксплуатации провели сравнительные испытания тензометрического метода и визуального осмотра поверхности колесных пар после остановки на ПТО двух грузовых составов. При осмотре на ПТО фотографировали дефект и отмечали в протоколе его тип, размеры вдоль и поперек поверхности катания. Фотография одного из дефектов и дефектограмма сигналов с тензодатчиков приведены на рис. 11.

а) б)

Рис. 11, а - фотография ползуна на 2 колесе 43 вагона грузового поезда №2; б - зависимость асимметричных деформаций от времени, где цифрами 1,2,3 указаны номера каналов тензосистемы; ¡0 - момент удара дефекта колеса

о рельс

Методика определения порядкового номера колесной пары в составе поезда основана на подсчете колесных пар, пройденных через измерительный участок. Поэтому для ее достоверной работы необходимы алгоритмы, позволяющие обнаруживать в сигнале составляющую от прохождения колеса над тензодатчиком с вероятностью ошибок первого и второго рода не более 10" 6. Это значение вероятности соответствует одной ошибке в расчете номера колесной пары из 2000 поездов.

Для повышения отношения сигнал/помеха предлагается провести фильтрацию сигнала в узкой полосе частот.

Фильтрация выполняется расчетом коэффициента корреляции сигнала с эталонной функцией. Эталонная функция выбирается на поле периодических затухающих колебаний таким образом, чтобы обеспечить максимальное значение коэффициента корреляции с пиками сигнала симметричных деформаций от бездефектного колеса и минимальное значение с остальными составляющими сигнала. На рис.12 показаны эталонная функция 2 и сигнал от симметричных деформаций 1.

1 - симметричные деформации; 2 - эталонная функция Рис.12 - Зависимость симметричных деформаций и эталонной функции

от времени

Момент времени прохождения колеса над тензодатчиком рассчитывается по превышению коэффициентом корреляции порогового уровня. Для участка корреляционной функции, превышающей пороговый уровень, определяется момент времени достижения максимального значения. Каждое превышение порога изменяет номер колесной пары на единицу. На рис.13 показана зависимость симметричных деформаций от времени и номера колесной пары.

Для повышения достоверности определения номера колесной пары необходим комплексный анализ сигналов со всех Их пар тензодатчиков, установленных в пути. При вероятности ошибки в определении колесной пары по одному каналу Ри вероятность события, при котором возникнет ошибка на ЛУ2 парах тензодатчиков составляет:

p\ fVfi(^-o-^-d^)

/=0

(7)

где М - количество пар тензодатчиков в пути; Р\ - вероятность ошибки с номером колесной пары по показаниям одной пары тензодатчиков, отн. ед.

Рис. 13 - Сигнал симметричных деформаций (1) и номер КП (2)

Для TVt =10 пар тензодатчиков и условии Р|«1 формула (7) примет вид:

/

Р

ЛМ N,

-у) = 1.5 ■ 10' • i^T _

Следовательно, для достоверного определения номера колесной пары по 10 парам тензодатчиков с вероятностью ошибки не более 10 ~ь вероятность ошибки по одной паре тензодатчиков не должна превышать Р] < 0,006.

При превышении симметричными деформациями (рис. 14,а) первого порога селекции enopi, что соответствует прохождению колеса над тензодатчиком, изменяют номер та (рис. 14,6) колесной пары на единицу:

m а = т+ 1, где m - номер предыдущей колесной пары.

Затем определяют скорость движения поезда по разности времен прохождения колеса над соседней парой тензодатчиков:

V ~ Ln+\ J(tn+1 т tntm)i

где Ln+1,„ - расстояние между (и+1)-ой и я-ой парами тензодатчиков; tn+i,m, t„ m -времена прохождения от-ой колесной пары над (и+1)-ой и п-ой парами тензодатчиков.

Проводят частотную фильтрацию асимметричных деформаций в диапазоне частот от 80 % до 120 % собственной частоты асимметричных колебаний. В процессе прохождения колесной пары над каждой т-ой парой тензодатчиков определяют максимумы асимметричных деформаций, превышающие второй порог селекции snop2 (рис. 14,в). При обнаружении превышения второго порога селекции проверяют наличие максимумов деформаций на (»г+1)-ой паре тензо-

датчиков. При наличии совпадения максимумов, свидетельствующего об ударном воздействии, определяют максимальное значение асимметричных деформаций и определяют продольный размер дефекта по поверхности катания:

Е д.

£пор\ =61,5—^

£пор2

где епор2 - второй порог асимметричных деформаций, млн'1; е/г - максимальное значение асимметричных деформаций при прохождении колеса с дефектом, млн"'.

Апробация методики контроля колесных пар грузовых вагонов в движении с колесными парами РУ1-950 и РУ1Ш-950 (диаметр нового колеса по кругу катания О = 0,95 м) проведена на Западно-Сибрской железной дороге на 32 км 0 пикета нечетного пути направлением из ст. Крахаль на ст. Инская прямолинейном бесстыковом пути с плотностью укладки шпал щ = 2000 шт/км при ширине шпал по верхнему основанию Я = 0,2 м и рельсами типа Р65.

Минимальная рассчитанная длина измерительного участка составила: Ь = от-3,14-Л = 2,5-3,14-0,95 = 7,46 м,

103

т ~ 77 = 2,5 шт/км.

На участке длиной 7,5 м на высоте Н = 82 мм от подошвы на шейке рельса над центрами каждой из 15 шпал были наклеены 30 пар тензодатчиков.

По измерительному участку пропускали поезд с известной осевой нагрузкой Р = 220 кН. Минимальное значение максимумов деформаций составило ZQmin= 80,2 млн'1, первый порог установили равным:

Р 220

епор\ = 0,5 • едт-т •= 0,5 • 80,2 • — = 40,1 млн~]

В соответствии с правилами технической эксплуатации железных дорог РФ минимальный глубина допускаемого дефекта поверхности катания составляет 1 мм. Максимальная скорость движения поездов утах = 110 км/ч = 30,6 м/с на данном участке, а длительность свободных колебаний в рельсе составляет т= 0,0011 с, поэтому минимальная длина искусственной неровности составила: 1 = ^ах ■ Г = 30,6 • 0,0011 = 0,0336 м .

Для определения второго порога на рельс устанавливали пластину толщиной 0,5 мм и длиной 0,250 м. По рельсу пропускали поезд с бездефектными колесами с осевой нагрузкой Р = 220 кН и одновременно регистрировали сигналы с тензодатчиков. Зависимость асимметричных деформаций от времени фильтровали в диапазоне частот от 1,1 до 1,6 Гц. Максимальные значения асимметричных деформаций от прохождения по неровности 40 колесных пар 10 вагонов приведены в таблице 1. Второй порог установили равным среднему значению по всем измерениям епор2 = 324 млн"1.

Всего в результате контроля в 28 поездах обнаружено 8 дефектов, результаты контроля приведены в таблице 2.

млн 20

£пор2

2 3 4 5 6 7 с 8

' * превышение порога на в) ^ (я+1 )-ой паре тензодатчиков

^"Т"....."Г** 'У-^-г ^"у^

01 23456 7с 8

г)

Рис. 14 - Графики зависимости симметричных деформаций (а); номера колесной пары (б); асимметричных деформаций на я-ой (в) и (л+1)-ой (г) парах тензодатчиков от времени в процессе контроля

Таблица 1 - Результаты измерения максимальных значений асимметричных деформаций от прохождения колесных пар по искусственной неровности

№п.п. Ев, МЛН"' №п.п. млн"' №п.п. ев, млн"' №п.п. £в, МЛН"'

1 331 11 313 21 328 31 348

2 342 12 356 22 308 32 294

3 356 13 328 23 328 33 320

4 347 14 348 24 309 34 300

5 321 15 314 25 346 35 356

6 320 16 293 26 349 36 346

7 308 17 296 27 306 37 352

8 290 18 300 28 304 38 332

9 297 19 328 29 354 39 311

10 338 20 298 30 320 40 305

Таблица 2 - Результаты контроля колесных пар грузовых вагонов в движении

№ п.п. дефекта № колесной пар с головы состава Максимум асимметричных деформаций, млн"' № пар тен-зодатчиков скорость поезда, м/с Продольный размер дефекта, мм

1 8 496 6,7 12 93

2 96 586 2,3 11 110

3 152 862 7,8 12 162

4 169 535 13,14 14 101

5 231 328 2,3 12 62

6 143 408 11,12 12 77

7 69 360 6,7 12 68

8 191 396 9, 10 13 75

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Разработана конечно-элементная модель участка рельсового пути длиной 2 м (средний размер тетрагональных элементов составляет 6 мм, минимальный - 1,9 мм) и проведено исследование деформаций в рельсе под действием вертикальных и боковых сил с различными условиями жесткости пути (от 140 до 300 МПа).

2. Проанализированы факторы, оказывающие влияние на точность измерения вертикальных сил, и проведена количественная оценка вносимых ими погрешностей. Погрешность измерения вертикальной силы связанная с влиянием боковой силы, равной 40 кН, составила 0,4 %. Погрешность, вызванная влиянием эксцентриситета, равного 24,4 мм, равна 0,7 %. Изменение жесткости подрельсового основания на 40 % вызывает погрешность, равную 0,4 %. Несимметричная установка тензодатчиков по высоте, равная 1,9 мм, приводит к погрешности от I % до 2 % в зависимости от первоначальной установки тензодатчиков.

3. В результате исследований установлено, что ударные воздействия на поверхность катания рельса могут возбуждать упругие затухающие колебания с частотой 1,34 кГц. При этом амплитуда колебаний экспоненциально убывает во времени с постоянной времени 1,1 мс. Исследуемые колебания могут содержать как симметричные, так и асимметричные моды, классификация которых выполняется по коэффициенту корреляции сигналов с противоположных сторон шейки рельса.

4. Разработанная методика контроля колесных пар вагонов в движении основана на тензометрических измерениях симметричных и асимметричных деформаций шейки рельса в 15 точках, равномерно распределенных по длине рельса, в частотном диапазоне до 20 кГц. Методика позволяет обнаруживать дефекты с минимальной глубиной 0,5 мм и определять протяженность его вдоль поверхности катания.

5. В реальных условиях эксплуатации проведен тензометрический и визуально-измерительный контроль 560 колес. Всего при визуальном осмотре обнаружено 24 значительных по размерам дефекта поверхности катания. Установлены зависимости вероятностей перебраковки и недобраковки колес вагонов в зависимости от порога браковки АеВкр, которые в частном случае для Аввкр ~ 6,5 млн"1 составляют: вероятность недобраковки Р\ = 0,007 отн.ед., перебраковки Р2 - 0,07 отн.ед. Вероятность недобраковки уменьшается при увеличении длины измерительного участка по показательному закону.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Публикации в центральных изданиях, включенных ВАК РФ в Перечень периодических изданий для кандидатских диссертаций:

1. Степанова Л.Н., Бехер С.А., Кочетков A.C. и др. Использование тензометрии для контроля колес грузового вагона в движении// Контроль. Диагностика, 2008, №8, С.19-23.

2. Степанова Л.Н., Бехер С.А., Кочетков A.C. Исследование влияния ударных нагрузок на распространение упругих колебаний в рельсе// Дефектоскопия. 2010. №3. С.27-34

3. Бехер С.А., Степанова Л.Н., Кочетков A.C. Разработка методики браковки дефектов поверхности катания колесных пар в движении// Контроль. Диагностика, 2011, №7, С. 24-29.

4. Патент РФ № 2424533, МПК G Ol R 27/02. Измерительный преобразователь быстродействующей тензометрической системы/ Степанова Л.Н., Бехер С.А., Кабанов С.И., Кочетков A.C., Лебедев Е.Ю. Опубл. 27.11.2010, Бюл. №33.

5. Степанова Л.Н., Бехер С.А., Кочетков A.C. Анализ погрешностей измерения вертикальных сил, действующих на рельс от колес движущегося транспортного средства// Контроль. Диагностика, 2010, №12, С. 54-61.

6. Степанова Л.Н., Бехер С.А., Кочетков A.C. Особенности использования быстродействующей тензометрии для контроля колес грузовых вагонов в движении// Вестник Ростовского государственного университета путей сообщения 2010, №2, С. 53-57.

7. Акустико-эмиссионный контроль железнодорожных конструкций /Серьезное А.Н., Степанова Л.Н., Ивлиев В.В., Кабанов С.И., Бехер С.А., Власов К.В., Бобров А.Л., Кареев А.Е., Лебедев Е.Ю., Канифадин К.В., Рамазанов И.С., Тенитилов Е.С., Кочетков A.C. / Под ред. Л.Н.Степановой, А.Н.Серьезнова -Новосибирск: Наука, 2011 - 267 с.

Основные публикации в других изданиях:

1. Бехер С.А., Кочетков A.C. Использование тензометрического метода для определения технического состояния ходовых частей вагона в движении// Вестник Сибирского государственного университета путей сообщения, Новосибирск: СГУПС, 2007, С. 143-148.

2. Бехер С.А., Кочетков A.C., Козятник И.И. Исследование распределения деформаций в рельсе под проходящим поездом для повышения достоверности выявления дефектов поверхности катания колес вагонов// Безопасность движения поездов: тр. VI науч.-практ. конф. - М., 2005. - Т. 2. - С. Х-16 - Х-17.

3. Степанова Л.Н., Бехер С.А., Кочетков A.C. Использование тензометрии для диагностики деталей и узлов, находящихся под действием эксплуатационных нагрузок// Фундаментальные проблемы формирования техногенной геосреды: тр. конф. с участием иностр. ученых "Фундам. пробл. формирования техног. геосреды" 7-11 июля 2008 г. - Новосибирск, 2009. - Т.2: Машиноведение. - С. 236-241.

4. Степанова Л.Н., Бехер С.А., Кочетков A.C. Анализ погрешностей измерения вертикальных сил, действующих на рельс, от колес проходящего поезда// Политранспортные системы: материалы VI Всерос. науч.-техн. конф., Новосибирск, 21-23 апр. 2009 г.: в 2 ч. - Новосибирск, 2009. - Ч. 2. - С. 234-240 '

5. Степанова Л.Н., Бехер С.А., Кочетков A.C. Быстродействующая тензометрическая система для диагностики ходовых частей грузовых вагонов// Вагоны и вагонное хозяйство, 2010, №2, С. 38-39.

6. Кочетков A.C., Бехер A.C. Исследование деформаций рельса для поиска поверхностных дефектов, пройденных по нему вагонных колес //Наука. Промышленность. Оборона: Труды VII - ой Всероссийской научно-технической конференции - Новосибирск: НГТУ, 2006. - С. 231-232.

22

Подписано в печать 16.11.2011 г. 1,5 печ.л. Тираж 120 экз. Заказ № 2507 Издательство ФГБОУ ВПО «Сибирский государственный университет путей сообщения» 630049, г. Новосибирск, ул. Д. Ковальчук, 191

Обозначения и сокращения.

Введение.

1 ОСОБЕННОСТИ ДИАГНОСТИКИ КОЛЕС ПОДВИЖНОГО СОСТАВА В ДВИЖЕНИИ.

1.1 Причины появления дефектов поверхности катания колес и анализ степени их опасности.

1.2 Современные методы контроля дефектов поверхности катания колесных пар в движении.

1.3 Особенности быстродействующей тензометрии при диагностике колесных пар в движении.

1.4 Задачи исследования.

2 ИССЛЕДОВАНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ НАПРЯЖЕНИЙ В РЕЛЬСЕ ПОД ПОЕЗДНОЙ НАГРУЗКОЙ.

2.1 Разработка расчетной модели «колесо-рельс».

2.2 Оценка погрешности измерения вертикальных и боковых сил при движении колесной пары.

2.3 Исследование распределения упругих колебаний в материале рельса, вызванных ударным воздействием.

Выводы по главе 2.

3 РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ КОНТРОЛЯ КОЛЕС С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ БЫСТРОДЕЙСТВУЮЩЕЙ ТЕНЗОМЕТРИИ РЕЛЬСОВ ПОД ПРОХОДЯЩИМ ПОЕЗДОМ.

3.1 Информативные параметры сигналов с тензодатчиков, полученных при тензометрии рельсов под проходящим поездом.

3.2 Разработка методов обнаружения дефектов поверхности катания колес по анализу деформаций.

3.3 Обоснование критериев браковки и пропуска дефектов при тензометрическом контроле колесных пар в движении.

Выводы по главе 3.

4 СРАВНИТЕЛЬНЫЕ ИСПЫТАНИЯ ДЕФЕКТНЫХ КОЛЕСНЫХ ПАР ГРУЗОВЫХ ВАГОНОВ В ДВИЖЕНИИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ БЫСТРОДЕЙСТВУЮЩЕЙ ТЕНЗОМЕТРИИ И ВИЗУАЛЬНО ИЗМЕРИТЕЛЬНОГО КОНТРОЛЯ.

4.1 Экспериментальное подтверждение в полевых условиях разработанного метода браковки дефектных колесных пар в движении.

4.2 Разработка методики определения номера дефектной колесной пары в движении.

4.3 Методика контроля колесных пар в движении.

Выводы по главе 4.

Одной из причин аварий и крушений грузовых вагонов является разрушение колес, вызванное возникновением и развитием концентраторов напряжений при взаимодействии колеса с рельсом. Такие дефекты, как ползуны и выкрашивание поверхности катания вызывают увеличение динамических сил, образующихся при взаимодействии подвижного состава и пути. С одной стороны, это приводит к ускорению износа колес и появлению усталостных трещин, а с другой, - оказывает соответствующее негативное влияние на верхнее строение пути. Поэтому подвергающиеся значительным статическим и динамическим нагрузкам колесные пары (КП) требуют контроля и особенно - контроля в движении. Своевременное выявление неисправностей колес позволит предотвратить негативные последствия, связанные с выходом из строя ответственных узлов и деталей, и, следовательно, повысить безопасность движения [34, 67].

Для верхнего строения пути наиболее опасными последствиями пропуска дефектов поверхности катания колес являются появление поперечных трещин в головке рельса и изломы по ним. Вероятность таких событий зависит от силы ударных воздействий, что во многом определяется величиной поверхностного дефекта на колесе, скоростью движения вагона, его полной массой.

На сегодняшний день визуальный осмотр [22] на пунктах технического обслуживания (ПТО) является основным методом, при котором выявляются дефекты поверхности катания колес. Следует отметить, что на достоверность и качество контроля влияют множество факторов. Из-за конструктивных особенностей тележки грузового вагона визуальному осмотру подвергается лишь 75 % поверхности катания колеса, а результат контроля во многом зависит от общего физического и психологического состояния специалиста, его квалификации, условий проведения контроля, метрологических характеристик используемого оборудования. Вместе с этим появление дефектов поверхности катания нельзя назвать закономерным, так как их возникновение на колесе носит случайный характер. Это повышает требования к достоверности и качеству проводимого контроля.

Для контроля поверхности катания КП в движении на зарубежных и российских дорогах получил распространение метод диагностики, основанный на измерении показателей динамики взаимодействия колес и рельсов и сравнении их с критическими значениями (напольные детекторы WCM, Dafür, Scalex Wild, Wild (США), ДДК [47, 49, 50, 53, 56]. В качестве первичных преобразователей в таких системах контроля используются тензодатчики, вибрационные и силоизмерительные датчики, а также их комбинации. К недостаткам использования силоизмерительных датчиков относят необходимость изменения конструкции пути, так как их выходные сигналы существенно зависят от внешних условий и состояния пути. Кроме того, силоизмерительные датчики не позволяют достоверно регистрировать быстропротекающие процессы для обнаружения коротких неровностей (ползуны, навары, выщербины). Вибрационные датчики обладают высокой чувствительностью к колебаниям, вызванным ударным воздействием колес с дефектами поверхности катания. Однако они не позволяют регистрировать вертикальные и боковые силы и обладают низкой помехозащищенностью, высокой чувствительностью к шумам, возникающим при проскальзывании КП по рельсу.

В современных условиях развития диагностической и измерительной микропроцессорной аппаратуры первоочередную важность при контроле колес в движении приобретают методические вопросы. Трудности, связанные с выделением в сигнале первичных преобразователей информативных составляющих и оценкой по ним параметров дефекта, до сих пор практически не изучены. Между тем реализация методики контроля колес в движении требует полной автоматизации и достаточно высокой точности измерений. Для создания методики необходимо провести анализ ударных воздействий колеса о рельс, применять высокоточную и одновременно высокочастотную аппаратуру, разработать алгоритмы обработки экспериментальных данных, специализированное программное обеспечение, определить связи информативных параметров сигнала с геометрическими размерами и типом дефектов.

Объектом исследования является технология неразрушающего контроля (НЕС) ходовых частей вагонов в движении.

Предметом исследования является методика обнаружения дефектов поверхности катания КП грузовых вагонов в движении.

Целью работы является разработка методики контроля дефектов поверхности катания железнодорожных колес в движении по показателям динамики их взаимодействия с рельсами.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

1 Выполнить расчет механических напряжений в модели рельса под поездной нагрузкой, используя метод конечных элементов для определения оптимальной схемы тензометрических измерений.

2 Произвести расчет методических составляющих погрешности косвенных измерений сил в системе «колесо-рельс».

3 Провести исследования свободных колебаний рельса при различных ударных воздействиях, выделить информативные параметры сигналов с тензодатчиков.

4. Создать на действующем пути экспериментальный измерительный участок с установленными на рельс тензодатчиками.

5. Разработать алгоритмы автоматического обнаружения дефектного колеса по результатам обработки сигналов с тензодатчиков.

6. Установить связь геометрических параметров дефекта с информативными параметрами сигналов с тензодатчиков.

7. Разработать методику выполнения измерений с использованием быстродействующей тензометрической системы «Динамика-1».

Методы исследований. Для решения поставленных задач использовались математическое моделирование методами конечных элементов, тензометрические измерения, методы математической статистики, корреляционный анализ, анализ погрешностей измерений. Результаты работ обоснованы значительным объемом экспериментальных исследований в лабораторных условиях, на полигоне СГУПС и участке действующего железнодорожного пути. Сделанные выводы не противоречат известным положениям авторов более ранних работ, а результаты настоящего исследования имеют сходимость с данными, полученными при штатном методе контроля дефектов поверхности катания колес.

Научная новизна:

1 Исследовано влияние ударных нагрузок на распространение упругих колебаний в рельсе и определены симметричные и асимметричные моды колебаний рельса.

2 Проведен анализ факторов, оказывающих влияние на точность измерения вертикальных сил при тензометрических измерениях материала рельса, таких как изменение жесткости подрельсового основания, характер движения колеса по рельсу, нарушение геометрии установки тензодатчи-ков и т.д. Выполнена количественная оценка вносимых ими погрешностей.

3 Предложены и апробированы различные методики автоматической обработки в режиме реального времени результатов измерений с последующим определением дефектной КП грузового вагона и ее порядкового номера в составе.

4 Рассчитан и экспериментально подтвержден критерий браковки КП по предельно допустимому размеру. Разработана методика браковки дефектных КП в движении.

Практическая значимость работы.

По результатам работы подготовлена и реализована комплексная методика, позволяющая с использованием быстродействующей тензометрии в процессе движения грузового состава осуществлять обработку и представление измерительной информации, поступающей с тензодатчиков, наклеенных на рельс. Регистрируемые быстродействующей микропроцессорной тензоснстемой системой сигналы позволяют в реальном времени в процессе движения железнодорожного состава определять наличие дефектов поверхности катания КП и оценивать степень их опасности. Разработана методика определения номера дефектной КП в движении

На защиту выносятся:

1 Результаты исследований упругих колебаний в материале рельса, вызванных ударным воздействием на его поверхности катания, позволяющие установить частоту, коэффициент затухания и классифицировать колебания на симметричные и асимметричные моды.

2 Количественная оценка факторов, оказывающих влияние на точность измерения вертикальных сил при тензометрических измерениях материала рельса, таких как изменение жесткости подрельсового основания, характер движения колеса по рельсу, нарушение геометрии установки тен-зодатчиков и т.д. Расчет с учетом этих факторов суммарной методической погрешности измерения вертикальных сил, передаваемых от колеса к рельсу.

3 Разработка методики контроля дефектных КП грузового вагона в движении и определение их порядкового номера в составе поезда по анализу информативных составляющих сигналов с тензодатчиков.

4 Расчет критериев браковки по предельно допустимым геометрическим параметрам дефектов КП и их экспериментальное подтверждение при движении КП на ПТО ВЧД-6 станции Инская Западно-Сибирской железной дороги.

Апробация работы. Основные результаты работы доложены на VII-ой Всероссийской научно-технической конференции «Наука. Промышленность. Оборона», Новосибирск, 2006 г., Международной научно-практической конференции посвященная 75-летию Сибирского государственного университета путей сообщения «Актуальные проблемы Транссиба на современном этапе. Кадровое и научно-техническое обеспечение процессов интеграции в мировую транспортную систему», Новосибирск, 2007 г., конференции с участием иностранных ученых «Фундаментальные проблемы формирования техногенной геосреды», Новосибирск, 2009 г., VI Всероссийской научно-технической конференции «Политранспортные системы», Новосибирск, 2009 г., Всероссийской научно-технической конференции «Качество и инновации - основа современных технологий», Новосибирск ,2010 г., V-ой Российской научно-технической конференции «Ресурс и диагностика материалов и конструкций», Екатеринбург, 2011 г.

Публикации. По результатам работы опубликовано 5 статей в центральных научно-технических журналах включенных ВАК РФ в перечень периодических изданий для кандидатских диссертаций, получен патент РФ, при участии автора написано 3 отчета по НИР, в издательстве «Наука» в соавторстве опубликована книга.

Структура и объем работы. Диссертационная работа изложена на 123 странице, включает в себя 4 таблицы, 66 рисунков, состоит из введения, четырех глав, основных выводов, списка литературы из 98 наименований.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1 Разработана конечно-элементная модель участка рельсового пути длиной 2 м. При этом средний размер тетрагональных элементов составил 6 мм, минимальный - 1,9 мм. Проведено исследование деформаций в рельсе под действием вертикальных и боковых сил с различными условиями жесткости пути (от 140 до 300) МПа.

2 В разработанном методе контроля дефектов поверхности катания колес в движении осуществляется перенос частотного диапазона в область высоких частот. В результате такого переноса удалось устранить влияние электромагнитных помех и получить устойчивые результаты измерений сигналов с тензодатчиков, наклеенных на рельс.

3 Проанализированы факторы, оказывающие влияние на точность измерения вертикальных сил, проведена количественная оценка вносимых ими погрешностей. Погрешность измерения вертикальной силы, связанной с влиянием боковой силы 40 кН, составила 0,4 %; с влиянием эксцентриситета, равного 24,4 мм, составила 0,7 %; при изменении жесткости под-рельсового основания на 40 %, составила 0,4 %; при несимметричной установки тензодатчиков по высоте равной 1,9 мм, составила от 1 % до 2 % (в зависимости от расположения первоначальной зоны установки тензодатчиков).

4 В результате исследований определено , что ударные воздействия на поверхность катания рельса могут возбуждать упругие затухающие колебания с частотой 1,34 кГц. При этом амплитуда колебаний экспоненциально убывает с постоянной времени, равной 1,1 мс. Исследуемые колебания могут содержать как симметричные, так и асимметричные моды, классификация которых выполняется по коэффициенту корреляции сигналов с противоположных сторон шейки рельса, асимметричных

5 Разработанная методика контроля КП грузовых вагонов в движении основана на тензометрических измерениях симметричных и асимметричных деформаций шейки рельса в 15 точках, равномерно распределенных по длине рельса, в частотном диапазоне до 20 кГц. Методика позволяет обнаруживать дефекты с минимальной глубиной 0,5 мм и определять протяженность его вдоль поверхности катания.

6 В реальных условиях эксплуатации проведен тензометрический и визуально-измерительный контроль 560 колес. Всего при визуальном осмотре обнаружено 24 дефекта поверхности катания значительных по размерам. Для тензометрического метода установлены зависимости вероятностей перебраковки и недобраковки колес вагонов от порога браковки ЛеВкр. В частном случае для ЛеВкр = 6,5 млн"1 вероятность недобраковки составила Р\ = 0,007, а перебраковки - Р2 = 0,07. Вероятность недобраковки уменьшается по показательному закону при увеличении длины измерительного участка.

1. Автоматическая диагностика колесных пар с помощью системы ARGUS// Железные дороги мира. - 2004. - № 5.

2. Автоматизированный комплекс для оценки веса и динамического воздействия подвижного состава на верхнее строение пути / С. В. Власьевский, А. А. Панченко. // Железнодорожный транспорт 2007. -№11.-С. 42-45

3. Акустико-эмиссионный контроль авиационных конструкций //Серьезное

4. А.Н.Степанова Л.Н., Кабанов С.И. и др. / Под ред. Л.Н.Степановой,

5. A.Н.Серьезнова- М.: Машиностроение, 2008. 440 с.

6. Анализ разрушения цельнокатаных колес в процессе эксплуатации / Е.

7. B. Бояркин. // Сибирский государственный университет путей сообщения. Вестник. Новосибирск, 2007. - Вып. 17. - С. 110-119.

8. Анисимов, П. С. Испытания вагонов: монография / П.С. Анисимов. М.:1. Маршрут, 2004. 196 е.

9. Ахметзянов М.Х. Проблемы контактного взаимодействия колеса и рельса: Актовая речьО 1.09.02 г. Новосибирск: СГУПС, 2002. - 24 с.

10. Бехер С.А., Кочетков А.С. Использование тензометрического метода дляопределения технического состояния ходовых частей вагона в движении// Вестник Сибирского государственного университета путей сообщения, Новосибирск: СГУПС, 2007 С. 143-148.

11. Бехер С.А., Степанова Л.Н., Кочетков A.C. Разработка методики браковки дефектов поверхности катания колесных пар в движении// Контроль. Диагностика. 2011. - №7. - С.24-29.

12. Боднер В.А., Алферов A.B. Измерительные приборы: Учебник для вузов: В 2 т. М.: Издательство стандартов, 1986. - 230 с.

13. Бондарович JI. А. Тензорезисторный метод в испытаниях инженерных конструкций/ JI. А. Бондарович, А. Н. Шувалов, JI. X. Сафина// Промышленное и гражданское строительство. 2008. - N 6. - С. 60-61 .

14. Вагоны: конструкция, теория, расчет. М.: Транспорт, 1988. - 440 с.

15. Вериго М.Ф., Коган А .Я. Взаимодействие пути и подвижного состава./ Под ред. М.Ф. Вериго. М.: Транспорт, 1986. - 559 с.

16. Виноградов Т.П., Гудков В.Н., Наумов И.В. Исследование прочности элементов вагонных колесных пар // Труды ВНИИЖТ, М.: Трансжелдориздат. 1957. - вып. 132. - 76 с.

17. Влияние неровностей поверхностей катания колес на работу ходовых частей пассажирских вагонов: сб. ст. / Под ред. H.H. Кудрявцева // Труды ВНИИЖТ. М.: Транспорт, 1981. - вып. 610. - 136 с.

18. Динамические качества современного подвижного состава и особенности его воздействия на путь: сб. науч. тр. ВНИИЖТ./ Под ред. Б.С. Шикарева. М.: Транспорт, 1997. - 118 с.

19. Ивлиев В.В., Степанова J1.H., Муравьев В.В. и др. Акустико-эмисси-онный контроль колесных пар грузовых вагонов // Контроль. Диагностика. 2007. - №1. С. 15-20.

20. Измерение остаточных напряжений в ободьях железнодорожных колес методом акустоупругости / А. В. Камышев, Н. Е. Никитина, В. А. Смирнов. // Дефектоскопия. - 2010. - №3. - С. 50-54.

21. Инструкция осмотрщику вагонов от 10.12.1996 г. № ЦВ-ЦЛ-408

22. Исаков A. JI. О системе диагностики поверхностей катания колесных пар с использованием спектральных образов / A. J1. Исаков, Ю. Л. Ковалев. // Сибирский государственный университет путей сообщения. Вестник. - Новосибирск, 2007. - Вып. 17. - С. 245-250.

23. Исследование эксплуатационных дефектов фрикционного сопряжения тормозной колодки с колесом вагона / Б.М. Асташкевич, С.Г. Иванов, И.Н. Воронин и др. // Вестн. ВНИИЖТа. - 2004. - № 4. - С. 44-48.

24. Касаткин Б.С., Кудрин А.Б., Лобанов Л.М. и др. Экспериментальные ме-тоды исследования деформации и напряжений / под ред. Касаткин Б.С. Киев: Наукова Думка, 1981.-584 с.

25. Каталог дефектов рельсов НТД/ЦП-2-93

26. Классификация неисправностей вагонных колесных пар и их элементов. М.: Транспорт, 1978. 31 с.

27. Контактно-усталостные повреждения колес грузовых вагонов: труды / Под ред. Захарова С. М. М.: Интекст, 2004. - 160 с.

28. Коган А. Я. Колебания пути при высоких скоростях движения экипажей и ударном взаимодействии колеса и рельса / А. Я. Коган, Д. А. Никитин, И. В. Полещук Всерос. науч.-исслед. ин-т ж.-д. трансп. (ВНИИЖТ). М.: Интекст, 2007. - 166 с.

29. Колесные пары техническое обслуживание, диагностика и ремонт за рубежом / В.И. Цыганкова, Т.Н. Зайцева. - // Железнодорожный трансп. Сер. Вагоны и вагон, хоз-во. Ремонт вагонов. ОИ / ЦНИИТЭИ. -2004. -Вып. 3. - С. 1-34.

30. Коган А.Я. Динамика пути и его взаимодействие с подвижным составом. М.: Транспорт, 1997. 326 с.

31. Хабаровск : ДВГУПС, 2005. 151 с.: ил.

32. Кугушев В.И., Московенко И.Б., Славина Л.Я. Развитие акустического метод «простукивания» цельнокатаных железнодорожных колес // В ми-ре неразрушающего контроля. 2004. - №1(23). - С. 64-66.

33. Кудрявцев H.H., Кривошеев В.Н., Данченко O.A. Исследование неровностей колес пассажирских вагонов // Труды ВНИИЖТ М.: Транспорт, 1979. - вып. 590. - 84 с.

34. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Теоретическая физика. В 10-ти т. VIII. Теория упругости: Учеб. пособие. 4-е изд., испр. и доп. - М.: Наука. 1987.-248 с.

35. Лукин В.В. Вагоны: общий курс: учеб. для вузов ж.-д. трансп. /

36. В.В. Лукин, П.С. Анисимов, Ю.П. Федосеев. М.: Маршрут, 2004. -423 с.

37. Лысюк B.C. Причины и механизмы схода колеса с рельса. Проблема износа колес и рельсов. 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Транспорт, 2002.-215 с.

38. Машина С. А. Методики выполнения измерений. Метрологические аспекты и показатели качества : / С. А. Машина, О. П. Яблонский, Ф. П. Черняковский ; Яросл. гос. техн. ун-т. Ярославль : ЯГТУ, 2006. - 135 с. : ил., табл.

39. Марков Д.П. Контактно усталостные повреждения колес и рельсов/ Трение и износ. - 2001. - № 4. - С. 437-447

40. Методика анализа состояния пути по динамическим показателям взаимодействия "колесо-рельс" / А. Г. Акопян и др.. // Железнодорожный транспорт - 2010. - №7. - С. 51-53.

41. Методика обнаружения значительных дефектов железнодорожных колес по результатам измерения частот их собственных колебаний / В. И. Кугушев. // В мире неразрушающего контроля. 2010. - №2. - С. 7274.

42. Методы и средства натурной тензометрии: Справочник/ Дайчик М.Л. и др. М.: Машиностроение, 1989. 240 е.: ил.

43. Метрология и радиоизмерения: учеб. для вузов по направлению "Радио-техника" / В.И. Нефедов, В.И. Хахин, В.К. Битюков; Под ред. В.И. Нефедова. М. : Высш. шк., 2003. - 526 с. : ил.

44. Модельные исследования и натурная тензометрия энергетических реак-торов//Махутов Н.А., Фролов К.В., Драгунов Ю.Г. и др.- / Под ред. Н.А.Махутова, М.: Наука. 2001.- 293 с.

45. Моделирование системы колесо рельс // Железные дороги мира. -2005. - № 2. -С. 45-52.

46. Напольные детекторы неисправностей подвижного состава // Железные дороги мира. 2000. - №7. - С. 64-68

47. Неразрушающий контроль: Справочник: В 8 т./ Под общ. ред. В.В. Клюева. Т.5: в 2 кн. Кн.1 2-е изд., испр. - М.: Машиностроение, 2006. -688 с.

48. Обобщение передового опыта тяжеловесного движения: вопросы взаимодействия колеса и рельса: Пер. с англ. / У. Дж. Харрис и др. М.: Интекст, 2002. 408 с.

49. Обнаружение некруглости колес //Железные дороги мира. 2003.- № 8.-С. 64-68.

50. Орлов А. А. Особенности Mathcad и Matlab : (прогр. средства математ. расчетов): учеб. пособие / А. А. Орлов ; Владим. гос. ун-т. -Владимир : ВлГУ, 2008. 93 с. : ил.

51. Оценка систем измерения колес // Железные дороги мира. № 11. -2003.-С. 41 -44.

52. Пат. РФ № 2292041, МПК G 01 R 27/2. Преобразователь изменения сопротивления резистивных датчиков в электрический сигнал / Л.Н.Степанова, С.И.Кабанов, Е.Ю.Лебедев и др. Опубл. 20.01.2007, Бюл. №2.

53. Пат. РФ № 2424533, МПК G 01 R 27/02. Измерительный преобразователь быстродействующей тензометрической системы/ Степанова Л.Н., Бехер С.А., Кабанов С.И., Кочетков А.С., Лебедев Е.Ю. Опубл. 27.11.2010, Бюл. №33.

54. Пат. США № 4 701 866. МКИ G01L1/00, B61L3/00, B61L11/08. Wheel load measurement, 1987 г.

55. Разработка устройства автоматического обнаружения неровностей колес железнодорожных вагонов: автореф. дис. канд. техн. наук / В.А. Баранов. М., 1988. - 24 с.

56. Расчет и проектирование железнодорожного пути: учебное пособие для студентов вузов ж.-д.трансп. / Виноградов В.В., Никонов A.M.- М.: Маршрут, 2003 486 с.

57. Расчет напряженно-деформированного состояния колеса и рельса в зоне контакта / А. И. Козырев, А. Алижан. // Железнодорожный транспорт - 2009. - №12. - С. 41-43

58. Расчеты железнодорожного пути с использованием конечно-элементных моделей: учеб.-метод, пособие для повышения квалификации работников путевого хоз-ва / Э.П. Исаенко, Ш.Н. Шайдуллин, С.Ю. Иванов и др.; Горьк. ж.д. Н. Новгород, 2002. - 200 с.

59. Руководство по формированию, освидетельствованию, ремонту и осмотру колесных пар специального подвижного состава: ЦПО-39/50:утв. ОАО "РЖД" 30.12.03 / Проект.-техно л.-конструкт, бюро по пути и путевым машинам. М.:, 2004. - 79 с.

60. Сергиенко, А. Б. Цифровая обработка сигналов: Учеб. пособие для вузов по направлению подгот. дипломир. специалистов "Информатика и вычисл. техника" / А.Б. Сергиенко. СПб. : Питер, 2003. - 603 с.

61. Серьезное А.Н., Степанова Л.Н., Кожемякин В.Л., и др. Микропроцессорная многоканальная тензометрическая система /Контроль. Диагностика. 2009. - №9. - С.23- 27.

62. Серьезнов А.Н., Степанова Л.Н., Кожемякин В.Л. и др. Микропроцессорная многомодульная тензометрическая система // Дефектоскопия. -2004,- №1. С.82 - 87.

63. Современные методы технической диагностики и неразрушающего контроля деталей и узлов подвижного состава железнодорожного транспорта: Учебное пособие для вузов ж.-д. транспорта / Под ред. Криворудченко В.Ф. М.: Маршрут, 2005. - 436 с.

64. Современные проблемы системы колесо рельс. - // Железные дороги мира - 2004. -№1. - С. 57-62.

65. Современное состояние и перспективы развития измерительно-диагностических систем на железнодорожном транспорте / А.З. Венедиктов, О.В. Пальчик, В.Н. Тирешкин, Д.С. Доков. // Наука и техника трансп. -2005. -№ 4. - С. 18-25

66. Соколов М. М. Контроль динамики железнодорожного подвижного состава: учеб. пособие / М. М. Соколов, А. В. Третьяков, И. Г. Морчиладзе. М. : ИБС-Холдинг, 2007. - 357 с

67. Сорочкин Б.М. Автоматизация измерений и контроля размеров деталей. Л.: Машиностроение. Ленинградское отделение, 1990. - 365 е.: ил.

68. Справочник по прикладной статистике. В 2-х т. / Под ред. Э. Ллойда, У. Ледермана, Ю. Тюрина М. - 1989. - 230 с.

69. Степанова Л.Н., Ивлиев В.В., Лебедев Е.Ю. и др. Методика акустико-эмиссионного контроля колесных пар грузового вагона // Дефектоскопия. 2007. - № 4. - С. 67-75.

70. Степанова Л.Н., Кабанов С.И., Лебедев Е.Ю. и др. Измерительный преобразователь быстродействующей тензометрической системы// Датчики и системы. 2007. - №5. - С. 29-32.

71. Степанова Л.Н., Кабанов С.И., Лебедев Е.Ю. и др. Быстродействующая микропроцессорная тензометрическая система для динамических испытаний конструкций // Контроль. Диагностика. 2006. - №7. - С. 6-14.

72. Степанова Л.Н., Кабанов С.И., Бехер С.А. Микропроцессорные многоканальные тензометрические системы для динамических испытаний конструкций // Датчики и системы. 2011. - №8. - С. 6-14.

73. Степанова Л.Н., Лебедев Е.Ю., Кабанов С.И. и др. Микропроцессорная многоканальная тензометрическая система для прочностных испытаний конструкций // Дефектоскопия. 2001. - №4. - С. 82-89.

74. Степанова Л.Н., Кожемякин В.Л. Ресурсные испытания конструкций с использованием микропроцессорных тензометрических систем //Дефектоскопия. 2007. - №7. - С. 84-90

75. Степанова Л.Н., Лебедев Е.Ю., Кабанов С.И. и др. Микропроцессорная малогабаритная тензометрическая система // Контроль. Диагностика. -2002. №8. - С. 41-44.

76. Степанова Л.Н., Бехер С.А., Кочетков А.С. и др. Использование тензометрии для контроля колес грузового вагона в движении // Контроль. Диагностика. 2008. - №8. - С. 19-23.

77. Степанова Л.Н., Бехер С.А., Кочетков A.C. Исследование влияния ударных нагрузок на распространение упругих колебаний в рельсе // Дефектоскопия. 2010. - №3. - С.27-34

78. Степанова JI.H., Бехер С.А., Кочетков A.C. Особенности использования быстродействующей тензометрии для контроля колес грузовых вагонов в движении// Вестник Ростовского государственного университета путей сообщения. 2010. - №2. - С. 53-57.

79. Степанова JI.H., Бехер С.А., Кочетков A.C. Быстродействующая тензо-метрическая система для диагностики ходовых частей грузовых вагонов// Вагоны и вагонное хозяйство. 2010. - №2. - С. 38-39.

80. Степанова Л.Н., Бехер С.А., Кочетков A.C. Анализ погрешностей измерения вертикальных сил, действующих на рельс от колес движущегося транспортного средства// Контроль. Диагностика. 2010. -№12. - С. 54-61.

81. Тартаковский Д. Ф. Метрология, стандартизация и технические средства измерений: учеб. для вузов / Д.Ф. Тартаковский, A.C. Ястребов. М.: Высш. шк., 2002. - 205 с. : ил.

82. Цыган Б. Г. Современное вагоностроение : монография: в 4 т. / Б. Г. Цыган, А. Б. Цыган, С. Д. Мокроусов ; ред. Б. Г. Цыган; Кременчуг, гос. Политехи, ун-т. Харьков : Техностандарт. Т. 1: Железнодорожный подвижной состав. - 2008. - 430 е.: ил.

83. Чернов И. А. Измерение напряжений в объектах исследований // Измерительная техника. 2005. - N 9. - С. 56-59

84. Шафрановский А.К. Измерение и непрерывная регистрация сил взаимодействия колесных пар локомотивов с рельсами: научное издание // Труды ВНИИЖТ М. : Транспорт, 1969. - вып. 389. - 120 с. : ил.

85. Шафрановский. А.К. Совершенствование систем непрерывной регистрации сил взаимодействия колеса и рельса: научное издание // Труды ВНИИЖ М. : Транспорт, 1974. - вып. 511. - 65 с.

86. Школьник JI.M., Старосельский М.И., Сунгуров А.С. и др. Нагрузка текучести и циклическая трещиностойкость колес // Вестник ВНИИЖТ. 1985. - №4. - С. 25 - 28

87. К. Bladon, D. Rennison, G. Izbinsky, R. Tracy, T. Bladon Predictive condition monitoring of railway rolling stock/ Conference On Railway Engineering, Darwin, 20-23 June 2004

88. K. Bladon, D. Rennison, G. Izbinsky, R. Tracy, T. Bladon, PREDICTIVE CONDITION MONITORING OF RAILWAY ROLLING STOCK, Railway Engineering Conference, Darwin 20-23 June 2004.

89. E. Clegg, W. G. Blevins, "Wheel Impact Load Detector Experience on CN" American Railway Engineering Association Bulletin, October 1996, pp. 499-523.

90. D. L. Magnus, «Track Speed Rail and Wheel Inspection Technology for Preventative Maintenance Planning», Conference on Railway Engineering, Rockhampton, Queensland, Australia 6 . 9 September 1998

91. G. Izbinsky, D. D'Aoust. Wayside rail traffic monitoring with angle-of-attack measurement system. Computers in Railways V, Volume 2, pp 45-57. Computational Mechanics Publications, 1996.

92. G. Izbinsky, D. D'Aoust, S. Zakharov. Wayside Measurements of Train and Track interaction. Rail/Wheel Interface Seminar, Advanced Rail Management, May, 1999. Chicago, II. U.S.A

93. G. Izbinsky et al., Monitoring Truck Performance on Tangent Track, to be presented at the 7th World Congress on Railway Research, Montreal, June 4- 8 2006

94. L. S. Keegan et al., WAYSIDE TRUCK PEFORMANCE DETECTOR DEVELOPMENT, Proceedings of ASME 2001 IMECE CONGRESS, New York, NY November 11 -16, 2001

95. Monitoring railway wheel defects with rail installed measuring device/ Lahti Otto, Finnish Rail Administration, Rail Network Department. Helsinki 2008. Publications of the Finnish Rail Administration A 12/2008. 90 pages and 2 appendices.

96. Wheel Condition Monitor (WCM)/ Trackside Intelligence Pty Ltd (TracklQ), 17-19 King William St, Kent Town SA 5067 AUSTRALIA