автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.22, диссертация на тему:Разработка методики опережающей диагностики технического состояния рельсового пути

Международный межакадемический союз На правах рукописи

Альхимович Александр Александрович

РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ОПЕРЕЖАЮЩЕЙ ДИАГНОСТИКИ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ РЕЛЬСОВОГО ПУТИ

Специальность: 05.02.22 - Организация производства

Диссертация

на соискание ученой степени кандидата технических наук в форме научного доклада.

Москва 2012 г.

Работа выполнена в ОАО «Российские железные дороги»

Научный руководитель: доктор технических наук

МД Рукин

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Спиридонов Эрнст Серафимович доктор технических наук, профессор Коваленко Николай Иванович

Защита состоится . 2012 года на заседании диссертационного

совета Д.011.024.МАИ 032 Высшей Межакадемической аттестационной комиссии.

С диссертацией в форме научного доклада можно ознакомиться в диссертационном совете Д.011.024.МАИ 032.

Автореферат разослан_<^<5? 2012 г.

Учёный секретарь диссертационного совета доктор технических наук,

профессор Г.Е. Лазарев

/

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы

В современных условиях на железных дорогах России 95% отказов происходит из-за контактно-усталостных повреждений и износа головки рельсов. Практика эксплуатации современных различных конструкций подтверждает, что свыше 90% всех разрушений происходит из-за усталости материалов, работающих, как правило, в сложных климатических условиях под постоянным действием статических и динамических нагрузок.

Знание физико-механических характеристик материалов рельсов, их природы, предельных пластических показателей, закономерностей изменения этих значений от напряженного состояния рельсов, а также изменение параметров выносливости, надежности их конструкции, выбранной технологии изготовления и условий эксплуатации, не позволяют с высокой достоверностью гарантировать исключение отказов в работе (изломов) рельсов и нарушение геометрии их взаимного расположения.

Поэтому создание методики, а затем на ее основе разработка интеллектуальной системы обнаружения излома рельсов и нарушение нормативных показателей геометрии рельсовой колеи с идентификацией этих опасных неисправностей на расстояниях, значительно превышающих тормозной путь железнодорожных составов, является предельно современной настоятельной проблемой и требует своего ускоренного решения.

Цели и задачи исследования. Целью данной работы являются разработка методики, которая позволит создать систему опережающей диагностики, которая значительно снизит число нарушений безопасности на железнодорожном транспорте по причине излома рельсов и нарушения геометрических размеров рельсовой колеи.

В связи с этим:

1. Определена необходимость создания опережающей технологии для предупреждения аварий и катастроф в процессе движения поездов.

2. Проведен анализ современной диагностики рельсов и рельсовой колеи.

3. Исследовано влияние взаимодействия электромагнитных полей при одновременном сканировании смежных рельсов.

4. Разработаны принципы раздельного сканирования рельсов для идентификации частичного или полного разрушения рельсов.

5. Определены возможности опережающей идентификации нарушения геометрических размеров рельсовой колеи, превышающие нормативные показатели.

6. Приведено несколько вариантов расчета для определения длины затухания зондирующего сигнала.

7. Экспериментально и расчетно доказана возможность идентификации неисправностей рельсовой колеи, требующих ограничения скоростей для подвижного состава.

Научная новизна диссертации.

Научную новизну диссертации составляют:

1. Определение основных,_ причин неисправностей

железнодорожного пути, требующей своей идентификации в процессе движения грузовых и пассажирских составов.

2. Обоснование создания трехзвенной связи: безопасность движения - локационное зондирование - опережающие диагностические технологии.

3. Опережающие технологии, позволяющие за время принятия отраженного импульса от обнаруженного дефекта (излом рельса, температурный выброс пути), в полной мере реализовать тормозной путь с учетом реальной скорости движущихся составов.

4. Экспериментально и расчетно исследованы возможности обнаружения разрывов рельсовой колеи. Показана достоверность идентификации излома рельса или разрыва рельсовой колеи только при их раздельном локационном зондировании.

5. Показано взаимовлияние электромагнитных полей на результаты одновременного сканирования смежных рельсов.

6. Принятие за достоверный параметр точности определения нормативных геометрических размеров рельсовой колеи коэффициента пропорциональности.

7. Разработка требований для продвижения опережающих диагностических технологий на элементы подвижного состава и инфраструктуры.

Практическая значимость работы.

По результатам выполненной данной диссертационной работы заключен договор на создание промышленной системы опережающей диагностики для идентификации полного или частичного разрушения рельсов и нарушения геометрических параметров рельсовой колеи.

Структура и объем работы.

Научный доклад состоит из четырех глав, заключения, списка научных трудов по выполненной теме и списка использованной литературы.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ НАУЧНОГО ДОКЛАДА

Глава 1. Необходимость создания опережающей диагностики рельсовых путей.

При изготовлении рельсов применяются мартеновские стали, раскисленные в ковше комплексными раскислителями с минимальным содержанием алюминия, или других раскислителей, образующих в стали вредные строчечные неметаллические включения. Рельсы типов Р65 категории категории В или Т1 подвергаются термической обработке по всей длине путем объемной закалки их в масле с последующим печным отпуском. При этом твердость на поверхности катания головки закаленных рельсов лежит в пределах НВ 341...388, твердость шейки и подошвы рельсов не более НВ 388. (рельсы Т1 применяются для скоростей до 160 км/ч, рельсы В - для скоростного и высокоскоростного движения).

В системе колесо-рельс, последний одновременно является поверхностью катания, опорой, направляющим элементом и при этом он подвергается воздействию статических и динамических Кагруэок. Максимальная осевая нагрузка в грузовых перевозках достигает 23 тонны, в перспективе 27 тонн, а диапазон высокоскоростного движения начинается со скорости 200 км/час (230 км/ч - это евронорма).

В этих условиях рельсы должны обладать следующими свойствами:

- износостойкостью;

- усталостной прочностью;

- высокой сопротивляемостью хрупкому излому;

- хорошей свариваемостью;

- высокой чистотой состава стали;

- хорошей обрабатываемостью;

- низкими внутренними напряжениями;

- точной геометрией;

Рельсы в процессе эксплуатации, по мере наработки тоннажа (млн, т брутто) подвергаются повреждениям и естественному старению, приводящих к образованию в них дефектов, вызывающих отказы рельсов.

6

Дефект рельса характеризуется нарушением, вызывающим любое отклонение его геометрии, как качественных свойств от установленных норм, соблюдение которых обеспечивает работоспособное состояние рельса.

К дефектам рельса относятся: трещины, отслоение и выкрашивание рельсового металла, все виды износа, величины которого превышают нормативное значение, пластические деформации виде смятия, сплавов металла головки рельса, коррозия, механические повреждения.

Все дефекты, в зависимости от их вида, расположению по сечению рельса, причин их происхождения и места расположения по длине рельса, имеют свой код.

Отказ рельса вызывается дефектом, при котором исключается пропуск поездов (полный отказ, например, при изломе рельса) или возникает необходимость в ограничении скоростей движения поездов (частичный отказ, например, образование волнообразных неровностей на поверхности катания головки рельса).

Рельсы в зависимости от видов их повреждения подразделяются на остродефектные и дефектные.

Остродефектный рельс — это рельс, представляющий прямую угрозу безопасности движения из-за возможного разрушения под поездом или схода колес с рельса из-за его повреждения. После обнаружения остродефектный рельс подлежит немедленного изъятию из пути (замена). В отдельных случаях возможен пропуск поездов с проводником спецмероприятий.

Дефектный рельс - это рельс, у которого в процессе эксплуатации произошло, как правило, постепенное снижение служебных свойств ниже нормативного уровня, однако еще обеспечивается безопасный пропуск поездов, хотя в ряде случаев уже требуется введение ограничения скоростей движения. Такие рельсы заменяются в плановом порядке. Режим их эксплуатации до момента устранения дефектов или планового изъятия решается в зависимости от конкретных условий с учетом рекомендаций нормативной и технологической документации.

Обобщенная характеристика количества дефектных и остродефектных рельсов, количество изломов рельсов в пути под поездами по годам (1990-го 10гг.) на Горьковской железной дороге и на дорогах сети приведена на рис. 1,2,3[1].

60000 40000 90000 30000

юооо

Рис.1. Количество дефектных и остродефектных рельсов по годам на ГЖД

еооооок. 500000 400000 300000 200000 100000

■" ' и Кск^шстю дофввтньл наямхмдася • пута по ооспмнмо на шмц гада (ЛО-1)

"ам^^мам|ьмкчвлтмав?0пт4млны|0йлы1и оотії д пути ж км. мандат иотмоа. мЛлпол м ппапампиый гпо-4»

Рис.2. Количество дефектных и остродефектных рельсов по годам на сети дорог РФ

і

І

1

/ і І І 2 1 і

і £ 1 ь ! ! 1 1 5 і і* і 1 і і І 6 І в І І і 1 1 2

гГ8 § 1 —е я —і

і ї ї І і ? І і ! і І в 1 1 І 8 8 1 8 і І 1

■ Копмкпв мфмпмв рвлмо*. тодшрж* а іутт по соє є ветревефетев реьеое. в*гш в яуш * іе*

И (ПСМ)

І. дафміаа ■ ішршмтД (ПО-4)

а» 8 с\ о! *

400 О сд 1

300 V с 1 р «с р § Я

II» | N 3 п о) я

юо Р К о 3 1 с») с Й к

0 X N * 3 Я Я ■ к к « 1Л сч о» а» ш

-Г5"

Количество изломов рельсов п пути по годам на сети дорог РФ Количество изломов рельсов в пути по годам на ГЖД

Рис.3. Количество изломов рельсов в пути под поездами

Приведенная удручающая статистика показывает, что при таком угрожающем количестве остродефектных и дефектных рельсов, изломов рельсов в пути под поездами - необходимо создать опережающие диагностические системы, позволяющие обнаруживать изломы рельсов и нарушение геометрии рельсовой колеи на расстоянии от двигающегося состава не менее величины тормозного пути и передавать эту информацию на локомотив к машинисту и поездному диспетчеру.

Глава 2. Анализ современной дефектоскопии рельсов и рельсовых путей.

2.1. Ультразвуковая дефектоскопия рельсов

Дефекты в рельсах могут образовываться уже на стадии их изготовления на металлургических комбинатах (МК); далее они могут возникать при сварке рельсов на рельсосварочных предприятиях (РСП); наконец, к дефектам металлургического производства и сварки добавляются дефекты вследствие нарушения технологии укладки и текущего содержания рельсового пути, динамического воздействия от неисправного подвижного состава. В связи с этим система неразрушающего контроля охватывает три взаимосвязанные подсистемы НК рельсов на стадиях: изготовления на МК, восстановления и сварки на РСП, эксплуатации в пути. Основным методом обнаружения дефектов в РФ является ультразвуковой с контактным способом ввода упругих колебаний. В дополнение к ультразвуковому методу в некоторых системах используют индукционный или вихретоковый, в основном для обнаружения поверхностных и подповерхностных дефектов. В настоящее время все более широко начинает применяться ЭМА метод.

2.2. Технологии сплошного контроля рельсов.

Мобильные системы динамического автоматизированного неразрушающего контроля рельсов предназначены для контроля уложенных в путь рельсов и в соответствии с «Положением о системе неразрушающего контроля рельсов и эксплуатации средств рельсовой дефектоскопии в путевом хозяйстве железных дорог Российской Федерации», подразделяются на два вида:

• средства сплошного первичного контроля рельсов (съемные дефектоскопы и дефектоскопы с автономным двигателем: дефектоскопные автомотрисы и вагоны-дефектоскопы). При этом контроль дефектоскопной автомотрисой приравнивается к контролю съемным дефектоскопом;

• средства для проверки сварных стыков и вторичного контроля.

От реализуемой технологии обнаружения дефектов в рельсах во многом зависят и применяемые средства контроля и методы обработки получаемых сигналов. Всё многообразие способов сплошного контроля рельсов мобильными и съемными средствами дефектоскопии, действующих на железных дорогах разных стран, можно разделить на четыре основных вида (см. таблицу 1) [2].

Таблица 1

Средства дефектоскопии

Съемные дефектоскопы (тележки), однониточные тележки Мобильные (вагоны, автомотрисы, автомобили-дефектоскопы)

С остановкой для проверки Безостановочный контроль Тандем (два средства последовательно)

Виды технологии

1 | II | III | IV

Особенности технологии

Оператор передвигает тележку, время от времени останавливаясь для изучения и подтверждения показаний дефектоскопе При показании дефектоскопа мобильное средство останавливается, оператор выходит на пуп. и уточняет дефектное место с помощью портативного дефектоскопа Движение с заданной скоростью с регистрацией сигналов и фикевцией дефектных мест (два варианта: с краскоотметхой дефектного рельса и с последующим анализом Первая автомотриса движется без остановки, вторая останавливается для проверки подозрительных показаний первой, а затем догоняет ее

Преим) шества

Высокая достоверность контроля. Окончательные результаты контроля в момент прохода. График движения поездов не нарушается (дефектоскоп снимается с пути для пропуска поездов) Дефектные рельсы сразу же отмечаются для ремонта. Окончательные результаты контроля в момент проезда Контроль без нарушения графика движения поездов. Меньшее время занятия перегона. Значительный объем контроля Меньшее время занятия перегона. Окончательный результаты - в момент проезда. Возможность корректировки параметров контроля первой машины по показаниям второй

Недостатки

Малая производительность. Высокая стоимость ручного труда Требует закрытия перегона Большое время между контролем и выдачей результатов. Ошибки в привязке к пути. Большие трудозатраты Большие первоначальные затраты. Значительные эксплуатационные затраты

Все дефектоскопы имеют регистраторы записи, расшифровка которых ведется в центре диагностики.

На российских железных дорогах распространены I и III виды технологии. Достоинство I вида заключается в том, что график движения поездов, каким бы интенсивным он не был, не нарушается. При приближении поезда дефектоскопная тележка снимается с пути, а после его прохода контроль

возобновляется. Безусловно, это самый трудозатратый вид технологии, так как для обеспечения безопасности операторов-дефектоскопистов (оператор и помощник) весьма часто (на кривых, на участках с интенсивным движением) требуется привлечение еще двух сигналистов.

Контроль по III виду технологии (практически безостановочный рабочий проезд с регистрацией информации) требует последующего выхода операторов на участки пути с возможным дефектом для вторичного (уточняющего) контроля с помощью переносного дефектоскопа и ручных преобразователей. Естественно, это значительно удлиняет время выдачи окончательного заключения о качестве проверенного участка пути. С учетом ограниченной рабочей скорости мобильного средства (максимум 60 км/ч) время прохода дефектоскопа выбирают исходя из возможного его пропуска по перегону без нарушения графика движения поездов.

2.3. Средства контроля

В 1992-м году на железных дорогах страны неразрушающим контролем рельсов в пути было занято свыше 18 тысяч специалистов на сети железных дорог РФ. В эксплуатации находилось свыше 4000 съемных ультразвуковых дефектоскопов для сплошного контроля рельсов в пути, около 2000 переносных дефектоскопов, более 50 магнитных вагонов-дефектоскопов и 9 опытных образцов ультразвуковых вагонов-дефектоскопов с регистрацией результатов контроля на термическую бумагу или на фотопленку.

Весь рельсовый путь проверялся в среднем от двух до четырех раз в месяц. Например, в 1992 году было обнаружено около 49000 остродефектных (с опасными дефектами) рельсов, что составило 99,2 % от всех потенциально опасных дефектов, выявленных в рельсах. При этом число допущенных изломов в рельсах по дефектам в них составило 522 штук, из них 120 (23 %) -по дефектам, пропущенным операторами.

Столь высокая надежность выявления дефектов системой НК (РБ 0,992), очевидно, достигалась не за счет высокого качества работы средств НК, а лишь

за счет избыточной частоты проверок рельсов: до 48 раз в год и выше на любом одном и том же участке пути.

Необходимость повышения надежности (Ж при одновременном снижении численности операторов и затрат на контроль рельсов выдвинули задачу разработки новых съемных и мобильных средств дефектоскопии рельсов на базе современных комплектующих изделий, микропроцессорной и вычислительной техники, которые стали доступными в России после трансформации СССР.

С 1993 г. к решению этих задач подключаются ОАО «Радиоавионика» (Санкт-Петербург), СП НПП «РДМ» (Кишинев), ЗАО «Твема» (Москва) и НПП «ВИГОР». Создаются и в 1997-2001 гг. поступают на дистанции пути новые средства дефектоскопии, рассчитанные на выявление дефектов, ранее не обнаруживаемых дефектоскопическим комплексом второго поколения:

- съемные двухниточные УЗ дефектоскопы типа АВИКОН-01, РДМ-2, АДС-02;

- однониточные УЗ дефектоскопы типа РДМ-1;

- переносные дефектоскопы для контроля сварных стыков и отдельных сечений рельсов типа;

- совмещенные вагоны-дефектоскопы на базе ультразвуковых и магнитного методов НК;

- автомотрисы дефектоскопные ультразвуковые и совмещенные типа АМД-1;

- автомотрисы АМД-3 совмещенные с АДЭ.

При этом мобильные средства в отличие от съемных оснащены компьютерными системами регистрации и хранения результатов сплошного контроля рельсов.

2.3.1. Съемные средства контроля. В настоящее время начато освоение комплексного средства контроля дефектоскопно-путеизмерительной тележки «СПРУТ» (Рис.4)

Компактность устройства обеспечивает легкость управления им, а универсальность - одновременное решение нескольких задач. Измеряя ширину

и уровень рельсовой колеи, «СПРУТ» определяет дефекты в обеих нитях пути по всей длине и сечению рельсов (за исключением перьев подошвы, участков шейки и подошвы под болтовыми отверстиями), фиксируя при этом координаты каждого дефекта.

Точность позиционирования таких измерений обеспечивает rJIOHACC/GPS-приемник, устанавливаемый в общем комплекте оборудования на подвижную тележку. Она представляет собой рамное шасси с колесами, рукоятками для перемещения и телескопическим механизмом.

Дефектоскоп-путеизмеритель «СПРУТ» соответствуют международному стандарту ISO 12710:2002 «Контроль неразрушающий. Ультразвуковой контроль. Оценка электронных характеристик ультразвуковых дефектоскопов» и обеспечивает выявление дефектов рельсов в соответствии с международным классификатором UIC Code 712 R «Rail defects».

Рис.4

Основные съемные средства контроля для диагностики рельсов основаны на применении ультразвука и приведены в таблице 2.

Таблица 2

Двухниточный многоканальный ультразвуковой дефектоскоп АВИКОН-11

Разработан в 2005 году, внесен в Государственный реестр средств измерений.

• Уменьшенные габариты и масса

• Надежная схема прозвучивания

• Отображение сигналов на В-развертке в реальном времени

• Регистрация результатов контроля на флеш-карту 13-уровневая регистрация сигналов контроля

• Надежный датчик пути

Однониточный многоканальный ультразвуковой дефектоскоп АВИКОН-12

Новый однониточный дефектоскоп предназначен для контроля стрелочных переводов, станционных путей, а также для вторичного контроля после мобильных средств.

• Получение документа контроля

• 10 сплошных и 6 ручных ультразвуковых каналов

• Отображение сигналов на В-развертке в реальном времени

• Одновременный контроль обеих граней рельса Дефектоскоп для контроля сварных стыков рельсов

МИГ-УКСМ

Многоканальный (86 каналов) ультразвуковой дефектоскоп. Предназначен для ультразвукового контроля сварных стыков рельсов в путевых условиях.

• Повышение производительности контроля в 5 - 10 раз

• Повышение качества контроля за счет минимизации участия оператора

Исключение трудоемких операций ручного сканирования

2.3.3. Мобильные средства контроля. К мобильным средствам контроля относятся:

Дефектоскопная автомотриса «АДЭ» (Рис.5)

Рис.5

Смонтированное на автомотрисе оборудование (представляющее собой многоканальный ультразвуковой дефектоскоп «ЭХО-КОМПЛЕКС» с регистратором «КРУЗ-М ХР») позволяет автоматизировано осуществлять как ультразвуковой контроль (с использованием эхо-импульсного и зеркально-теневого методов при контактном способе ввода ультразвуковых колебаний), так и магнитный контроль (с использованием магнитодинамического метода), и обрабатывать получаемые результаты средствами вычислительной техники.

Совмещенный вагон-дефектоскоп АВИКОН-ОЗ (рис.6)

Рис.6

Совмещенный вагон-дефектоскоп с дефектоскопическим комплексом АВИКОН 03. Для надежного обнаружения дефектов в головке рельса, в том числе и в «шумящих» рельсах, применяются преобразователи, работающие по

схеме «РОМБ» (для одновременного прозвучивания рабочей и нерабочей граней головки), которые реализуют эхо- и зеркальный методы контроля. Для контроля шейки и подошвы рельса используются ПЭП с двухлепестковой диаграммой направленности, повышающие надежность обнаружения радиальных трещин болтовых отверстий. Вагон-дефектоскоп оборудован оригинальной системой намагничивания с использованием колес дефектоскопной тележки в качестве полюсов электромагнитов; системой подогрева и подачи контактирующей жидкости; пультом оперативного управления работой искательной системы и системой кондиционирования воздуха в аппаратном зале. Результаты контроля транслируются на экране монитора в реальном времени и сохраняются на ПК.

Высокоскоростной дефектоскоп рельсов с автоматизированной расшифровкой («ТВЕМА») (Рис.7)

Рис.7

Система высокоскоростной дефектоскопии рельсов с инновационной системой бесконтактного позиционирования датчиков обеспечивает недостижимую прежде скорость контроля до 140км/ч., автоматический поиск дефектных мест и совмещенное отображение видеоданных со схематичным отображением на модели рельса дефектов и «подозрительных мест».

Система высокоскоростной дефектоскопии рельсов состоит из:

• бесконтактного автоматического рельсового сканера «БАРС»;

• высокоскоростного дефектоскопного комплекса «СИНТЕЗ»;

• комплекса автоматизированной расшифровки данных НК и ТД «АСТРА».

Бесконтактный автоматический рельсовый сканер «БАРС» предназначен для обеспечения центрирования преобразователей по оси симметрии рельса при движении по прямолинейным и кривым участкам пути и стрелочным переводам.

Сканер обеспечивает:

• равновесную устойчивость следящей системы в положении, когда оси симметрии следящей системы и блоков преобразователей совпадают с осью симметрии рельса;

расположение следящей системы над головкой рельса на расстоянии 10-12 мм;

• работоспособность пневмоцилиндров устройств подъема-опускания, системы подачи контактирующей жидкости и надежность транспортных креплений;

• возможность прижатия блоков преобразователей к рабочей поверхности рельса.

2.3.3. Средства дефектоскопии нового поколения

К основным достоинствам современного ультразвукового дефектоскопа относятся — многоканальность, режим непрерывного документирования результатов, возможность работать в жестких климатических условиях, интуитивно понятный графический интерфейс, возможность передачи данных на внешний компьютер (USB, Ethernet) и подключения к электронному блоку дополнительных периферийных устройств, в том числе портативный USB накопитель, контроль акустического контакта. Большинство рельсовых дефектоскопов рассчитано на работу в диапазоне температур от - 40° до +50°.

Как правило, дефектоскопы оснащаются дополнительным специализированным оборудованием; это может быть подвижная механизированная платформа (вагон, автомотриса) или сканирующее устройство, датчик путейской координаты, навигационная система контроля местоположения и тому подобное.

Для того чтобы применение ультразвуковых рельсовых дефектоскопов сделать более эффективным, разработчиками нового оборудования уделяется большое внимание совершенствованию схем прозвучивания, которые включают эхо-метод, дельта-метод, зеркальный, теневой, зеркально-теневой методы. В настоящее время используются комплексные лаборатории по определению состояния пути, дефектоскопии и других дополнительных параметров (системы «Интеграл»).

Для контроля геометрических размеров рельсовых путей в настоящее время ряд предприятий во главе с Российским Федеральным Ядерным Центром г. Саров разрабатываются на базе суперЭВМ комплексы для дистанционного мониторинга с использованием широкополосной радиолокации бортового базирования (Рис.8) и трехлучевой лазерной системы с базированием на железнодорожном подвижном составе (Рис.9).

Рис.8

■ va--------------информдционно-

УПМНЛЯЮЩИЙ центр

Рис.9

Глава 3. Раздельное сканирование рельсов в локационном режиме диагностики.

В данной главе за основу локационной опережающей диагностики принят способ регистрации частичного или полного отражения локационного сигнала. Частичное отражение сигнала регистрируется при наличии локальной присоединенной емкости в зоне контакта колеса с рельсом или при наличии какого-либо предмета на рельсовых путях.

Полное отражение сигнала фиксируется при разрыве рельса или когда заканчивается протяженность рельсов.

Экспериментальным работам предшествовал расчет длины затухания сигнала - I. [3]

где ¿0,С0,Л„,О0 - в данном случае удельная индуктивность, емкость, сопротивление, проводимость изоляции рельса относительно грунта на единицу длины бездефектного пути; ю - частота сигнала.

Сделаем оценку величины параметров. Полагаем, что Ь0~1 мкГн/м, С0~ЮпФ/м. Активное сопротивление Я0 вследствие скин - эффекта зависит от частоты.

Для оценок будем полагать:

где г - характерный поперечный размер рельса (~10 см), цц, а -магнитная проницаемость и удельная проводимость стали.

Наиболее сложным является определение величины удельной проводимости. Полагаем, что С„ можно представить в виде:

8 =<а(^С„ + Л0С0) ц = ю- ¿(1 С0 -Л„О0 ,

С„ = 2кк а, 1п|

яг

где к - коэффициент, характеризующий качество контакта рельса с грунтом, а), - удельная проводимость грунта, Л - длина волны импульса тока.

Практическая проверка длины затухания отраженного сигнала по этим расчетным формулам показала полную несходимость расчетных и экспериментальных результатов. Поэтому был применен другой метод расчета обратного времени затухания сигнала - //. [4]

Распространение зондирующего импульса (тока I и напряжения V) по рельсовому пути можно приближённо описать с помощью телеграфных уравнений:

дх д! К '

— = -С — ôx dt

- = -C — G-V (2)

где L, R, С, G - характеризующие рельсовый путь удельные индуктивность, сопротивление, емкость и проводимость соответственно. Из (1, 2) получаем для тока:

g = + + + (3)

ах or ot

Будем полагать, что параметры L0, Ro, С0, G0 - характеризуют однородный путь (длинную линию). Введём неоднородности линии в точках хс и хг с помощью дельта - функций:

С = С„ +С, ) (4)

R = R0 + Rr6(x-xr) (5)

Представим ток I в виде:

/ = /<, + Л, + Кг 5 (6)

где 10 - ТОК, соответствующий однородной линии, 1|С - возмущение тока, вызванное емкостной неоднородностью рельсового пути, 1|Г - возмущение тока, вызванное омической неоднородностью рельсового пути.

Введём параметры скорости распространения волны в линии V, времени релаксации т, обратного времени затухания сигнала

1

V

(7)

2 Л, Сг„

<8>

Практическая проверка этой схемы расчета показала, что при сканировании отдельного рельса длина затухания локационного отраженного сигнала значительно превышает протяженность тормозного пути. При этом совместимость электромагнитных полей просматривалась по всей протяженности рельсов при их раздельном сканировании. Эпюра совмещенных электромагнитных полей при раздельном сканировании рельсов приведена на рис. 10,

' 1

Рис. 10

Одновременное сканирование двух соседних рельсов на одной шпальной решетке в силу взаимодействия их электромагнитных полей [5] не позволяет идентифицировать отраженные сигналы с высокой достоверностью из-за помех

создаваемых электромагнитными полями различной величиной напряженности (Рис. 11).

Рис.11

Исходя из этого, для опережающей идентификации частичного или полного разрыва рельсов была принята процедура раздельно-последовательного их сканирование через временной интервал, равный длительности электромагнитного импульса. При этом время принятия опережающего информационного импульса позволяет в полной мере реализовать тормозной путь с учетом реальной скорости движения железнодорожного состава.

При раздельном принципе сканирования исключается потеря полезного сигнала, тогда как в случае одновременного сканирования, в эффекте близкому к резонансному (взаимодействие двух полей), сам сигнал выделить невозможно в силу его поглощения энергетикой взаимодействия полей, значительно превышающей энергетику частично-отраженного электромагнитного импульса.

Алгоритм отдельного сканирования рельсов приведен на рисунке 12.

Рис.12

Глава 4. Принцип опережающей диагностики нарушения геометрических размеров рельсового пути.

Если идентификация частичного или полного разрыва рельсов позволяет выстроить стратегию их раздельного сканирования, то задача поставленная в этой главе рассматривается как обратная • сканирование в получении совокупной информации снимаемой одновременно с обоих рельсов. Для проведения исследований рельсовый путь представляется как двухпроводная линия. В первом приближении аппроксимируем рельсы цилиндрическими проводниками радиуса г, расположенными на расстоянии с] (рис. 13). Потерями на омическое сопротивление проводника и токами утечки окружающей среды пренебрегаем.

"......................-гс-

У(х)

Г^' • у Г

-ОЕЕШЕШЕЕ-±н

¿о

/х

(х^х) й

Рис.13

Для простоты будем предполагать, что проводники окружены диэлектрической средой соотносительной диэлектрической и магнитной проницаемости равными единице. [6]. Пусть расстояние между проводниками много больше их радиуса. В этих допущениях удельная емкость линии С1 и удельная индуктивность линии Ь| (на единицу длины) описываются выражениями, предполагая при этом, что проводники окружены диэлектрической средой с относительной диэлектрической и магнитной проницаемостями равными единице:

ln|=-

(2)

При этом скорость распространения бегущей волны V в этих условиях равна скорости света с.

V- 1 - 1 -с

(3)

В бегущей волне напряжение и и ток I пропорциональны друг другу.

и = 2! (4)

Коэффициент пропорциональности Ъ - волновое сопротивление линии

выражается через Ь| и С|.

¿--^--ш-т^сом)

Пусть величина (1 варьируется относительно номинального значения с^:

¿ = ¿„ + 3,

где 6 «(1о.

Подставляя (6) в (5) и раскладывая логарифм в ряд, получаем:

Z = 120

1 + -

■ч*

(5)

(6)

(7)

Сделаем численные оценки. Пусть d0 = 150 см, г = 5 см, 5 = 5 см. Тогда из (7) получаем, что относительное изменение волнового сопротивления составит величину порядка 1%. Такая величина относительного изменения волнового сопротивления показывает, что коэффициент пропорциональности, зависящий от электрических характеристик рельсовых путей, напрямую связан с

изменением их геометрических размеров. При этом факторами, способствующими решению уточнения этой задачи, являются:

• возможность многократного (до миллиона раз) зондирования железнодорожного пути, по мере движения поезда от границы чувствительности до момента принятия решения - длины тормозного пути;

• многократное усреднение отражённого сигнала (с использованием высокопроизводительной вычислительной техники) позволит резко снизить шумовую составляющую и выделить «полезный сигнал»;

• проведение спектрального анализа сигнала (также с использованием высокопроизводительной вычислительной техники).

Устойчивое взаимодействие электромагнитных полей двух смежных рельсов не реагирует на маломощное частичные отражения сигналов локальной присоединенной емкости, включая и разрывы рельсов, но реагирует на изменение расстояния между рельсами, то есть мгновенно идентифицирует дрейф геометрических размеров рельсовых путей, то есть на относительное расположение рельс. На рисунке 14 показано эпюра устойчивого взаимодействия полей двух смежных рельсов при одновременном их сканировании (расстояние между рельсами 1520 мм.).

Рис.14

При этом регистрируется максимальная напряженность совмещенного электромагнитного поля. Изменение межрельсового расстояния (1520 мм) в любом знаке, система опережающей диагностики мгновенно реагирует на этот процесс (рис. 15).

Рис.15

При этом автоматически фиксируется нарушение геометрических размеров рельсового пути, и автоматически принимаются решения, блокирующее дальнейшее движение железнодорожного состава.

Схема раздельного и совмещенного сканирования рельсового пути приведена на рис.16.

При определении частичного излома или полного разрушения рельса (Р 1) электромагнитный импульс 01, частично отраженный 02, через систему ГЛОНАС (СГ) 23 поступает в Ситуационный центр (СЦ) 34.

СЦ запрашивает базу данных (БД) 45. Если по БД идентифицирован стык 456 диагностический поиск прекращается. В случае отсутствия стыка сигнал 45789 поступает в локомотивную систему управления. Аналогично схема опережающей диагностики также решается и для второго рельса (Р2).

21 11 10 12 Локомотив Глонас

Центр управления База данных Р1 -1 рельс Р2- 2рельс

Прямой участок - 1520мі

Иі>650м - 1524мм Я3=650м - 450м - 1530мм

[*2=449м- 350м- 1535мм

Я,<349м- 1540 мм

Р1

Р2

Условия подачи аварийного сигнала: точка 35 ІЧтіп < 1520-4 1520+8 < Ытах

Рис. 16

При этом сигналы 01 и 1011 чередуются во временном интервале равным длительности импульса 39.

Опережающая диагностика определения сужения или уширения рельсовых путей строится на одновременном локационном сканировании обоих рельсов (Р1 и Р2).

В этом комплексе оба генератора и совмещенный детектор автоматически настраиваются на получение максимальной напряженности электромагнитного поля, создаваемого обоими генераторами, что при колибровке комплекса соответствует номинальному размеру рельсовой колеи (1520 мм) между внутренними гранями головок рельсов на прямых участках пути.

При взаимодействии сканирующих импульсов 02022 и 112122 изменение напряженности электромагнитного поля передается по каналу 22232425 в СГ по каналу 2526 в СЦ, который по каналу 2627 запрашивает характеристику участка с которого получена диагностическая информация. По каналу 2728 в СЦ поступает запрашиваемая информация.

Например. Если информация принадлежит рельсовому пути с радиусом < 349 метров и выполняется условие рассогласования величины межрельсового расстояния от номинала (1520 мм) равное 1540 мм, то процесс диагностики прекращается. В случае невыполнения этого условия в СУ по каналу 282930 поступает информация о рельсовом участке Р2=449-450 м. Если этому радиусу соответствует ширина колеи 1535 мм, то поиск прекращается. В противном случае поиск продолжается.

Длят приведенной схемы диагностика продолжается вплоть до диагностики прямолинейного участка пути. После проверки всех криволинейных участков пути СЦ по каналу 3435 запрашивает базу данных БД и по каналу 3536 получает подтверждение о прямолинейном характере участка пути. СЦ устанавливает, что выполняется условие Мтт< 1520-4 1520+8<Мтах, характеризующее предаварийное состояние рельсового пути (превышение нормативов по уширению или сужению рельсового пути). СЦБ по

каналу 363738 передает аварийную информацию в систему управления движением локомотива.

Заключение по результатам выполненной работы.

1. Определена необходимость создания опережающей технологии для предупреждения аварий и катастроф в процессе движения поездов.

2. Проведен анализ современной диагностики рельсов и рельсовых путей.

3. Исследовано влияние взаимодействия электромагнитных полей при одновременном сканировании смежных рельсов.

4. Разработаны принципы раздельного сканирования рельсов для идентификации частичного или полного разрушения рельсов.

5. Определены возможности опережающей идентификации нарушения геометрических размеров рельсовых путей, превышающие нормативные показатели.

6. Выполнено несколько вариантов расчета для определения длины затухания зондирующего сигнала.

7. Экспериментально и расчетно доказана возможность идентификации нарушения размеров рельсовой колеи.

8. Определены основные причины неисправностей рельсового пути, требующей своей идентификации в процессе движения грузовых и пассажирских составов.

9. Обосновано создание трехзвенной связи: безопасность движения -локационное зондирование - опережающие диагностические технологии.

10.Предложены опережающие технологии, позволяющие за время принятия отраженного импульса от обнаруженного дефекта (излом рельса, температурный выброс пути), в полной мере реализовать тормозной путь с учетом реальной скорости движущихся составов.

11 .Показана необходимость работы генераторов и детекторов как в режиме раздельного, так и совмещенного режимов сканирования.

12.Показано взаимовлияние электромагнитных полей на результаты одновременного сканирования смежных рельсов.

13.Принято за достоверный параметр точности определения нормативных геометрических размеров рельсовой колеи коэффициента пропорциональности.

14. Разработаны требования для продвижения опережающих диагностических технологий на элементы подвижного состава и инфраструктуры.

Список опубликованных работ по теме диссертации

1. Иванов П.С., Альхимович A.A., Русин А.Н. «Устранение условий преждевременного выхода объёмно-закалённых рельсов Р-65». Информационный листок ГЖД, ДЦИР, 1999 г.

2. Иванов П.С., Альхимович A.A., Ермоленко В.А., Зайцев Н.И. «Исследование природы дефектов рельсов и их классификация». Сборник научных статей «Прогрессивные технологии, конструкции и системы в приборо- и машиностроении». Том 2, Москва, МГТУ им.Баумана, 2002 г.

3. Иванов П.С., Альхимович A.A. и др. «Переукладка рельсовых плетей -ресурсосберегающая технология». Информационный листок ГЖД, ДЦИР, 2002 г.

4. Шарадзе О.Х., Альхимович A.A., Иванов П.С. и др. «Способ предотвращения изломов рельсовых плетей». Патент на изобретение № 2153552 от 03.06.1999 г. Б.И. № 21 от 27.07.2000 г.

5. Иванов П.С., Альхимович A.A. и др. «Природа дефектов рельсов. Ресурсосбережение, прогнозирование, классификация». Сборник докладов Научно-практической конференции колесо - рельс 2003». Щербинка, Россия, 2003 г.

6. Альхимович A.A. «Эксплуатация бесстыкового пути с промежуточным рельсовым скреплением ЖБР-65/ 65П на Горьковской железной дороге». Сборник трудов Научно-технической конференции с международным участием в связи с 75-летием ПТКБ ЦП ОАО «РЖД» «Перспективы технического развития путевого комплекса ОАО «РЖД» в условиях его реформирования», 2007 г.

7. Опережающая технология при диагностики целостности рельсовых путей ДЦНТИ г. Нижний Новгород. 2010 г.

8. Анализ современной дефектоскопии рельсовых путей. ДЦНТИ г. Нижний Новгород. 2010 г.

9. Диагностика рельсов в раздельном локационном режиме сканирования. ДЦНТИБ г. Нижний Новгород. 2011 г.

10.Принципы опережающей диагностики нарушения геометрических размеров рельсовых путей. ДЦНТИБ г. Нижний Новгород. 2011 г.

Список используемой литературы.

1. Предельная деформация транспортных систем и оценка их эксплуатационного ресурса

2. Монография. И.А. Воробьев; А.Ф. Лесун; П.С. Иванов; Е.Г. Благин. Изд. «Книги» 2011 г., г. Нижний Новгород;

3. Зарубежные системы контроля А.А.Марков

4. ж. «Путь и путевое хозяйство» №9 2010 г., г. Москва;

5. Surface amorphization in conductors by using skin - effect: model and experiment. J Appl. Phys. Vol. 11 (2007) (Соавторы: А.Виноградов, А.Мозговой, S Hashimoto);

6. Surface amorphization and nano - structurization of conductors by high -power electric current pulces. Journal of Materials Science Vol. 7 (2009) (Соавторы: А.Виноградов, S Hashimoto, R. Okumura);

7. Электромагнитная локация как новое направление в построении систем динамического мониторинга. А.Н. Рябков, ДЦНТИ 2010 г., г. Нижний Новгород;

8. К. Yee, "Numerical solutions of initial boundary value problems involving Maxwell's equations in isotropic media," IEEE Transactions in Antennas and Propagation, vol. AP-14, pp.

9. Справочник по антенной технике. Под редакцией чл.-корр. РАН Л.Д. Бахраха и докт. техн. наук Е.Г.Зелкина. Издательское предприятие редакции журнала «Радиотехники». Т.1, Москва, 1997 год.

1 6 090

/

2010297061

2010297061