СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЛОКАЛЬНЫХ ДЕФЕКТОВ ПОВЕРХНОСТИ КАТАНИЯ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНЫХ РЕЛЬСОВ Российский патент 2020 года по МПК G01N29/14 B61K9/08 

Изобретение может быть использовано для диагностики состояния поверхности катания головки железнодорожных рельсов, выражающейся в выявлении единичных и групповых протяженных усталостных и закалочных трещин, отслоений и выкрашиваний металла, смятия и бокового износа головки.

Известен способ контроля состояния рельсового пути (патент RU 2123445, В61К 9/08, Е01В 35/00 от 12.07.1995), состоящий в определении угловых колебаний и координаты букс колесной пары. Определяют координаты точек касания левого и правого колес колесной пары и просадку каждой рельсовой нити выражают в виде разности вертикальных координат точки касания колеса, соответствующих двум моментам времени.

Также известен способ оценки состояния рельсового пути на основании измерений акустико-эмиссионных сигналов (патент RU 2437090 С1, G01N 29/14 от 20.12.2011 г), согласно данному способу формируются усредненная, бальная оценка состояния участка рельсового пути на основании измерений акустико-эмиссионных сигналов снимаемых с буксовых узлов подвижного состава.

Недостатками данных способов являются возможность выполнения лишь обобщенной оценки состояния поверхности рельса, без определения геометрических размеров и локализации места расположения отдельных дефектов на участке пути.

Цель изобретения - повышение достоверности и оперативности диагностики состояния рельсового пути, возможность локализации дефектов, повышение уровня безопасности движения на транспорте.

Сущность способа заключается в измерении значения выброса всех максимальных амплитуд сигналов акустической эмиссии в полосе частот от 30 кГц до 300 кГц в равные последовательные промежутки времени с частотой выборки от 500 мкс до 0,1 мкс от датчиков (преобразователей) устанавливаемых на корпусе правой и левой буксы колесной пары локомотива или вагона и определении длины поврежденного участка (сколы, раковины, трещины) поверхности катания рельса формуле [1]

где: Sd - длина дефектного участка поверхности катания рельса, м;

V - линейная скорость колесной пары подвижного состава, м/с;

t_выб - длительность выброса всех максимальных амплитуд сигналов акустической эмиссии при прохождении колесной пары поврежденного участка поверхности катания рельса, с.

Колесная пара при движении по рельсовому пути в исправном техническом состоянии взаимодействует с головкой рельса, при этом плотность потока генерируемой энергии q, определяется выражением [2]

где v - скорость относительного движения м/с;

ρ - плотность материала;

λ и μ - коэффициенты Лямэ;

- напряжение среза, возникающее в результате взаимодействия поверхностных слоев в момент времени;

ƒ_р (vt) - взаимное давление контактирующих поверхностей.

Причинами, вызывающими сигналы акустической эмиссии соответственно формуле [2] являются:

изменения напряжения среза, возникающее в результате взаимодействия поверхностных слоев колесной пары и рельса;

изменения контактного давления поверхностей колесной пары и рельса;

дефекты поверхности катания головки рельса;

шероховатость взаимодействующих поверхностей;

рельсовые стыки.

При взаимодействии контактирующих поверхностей в зоне колесо-рельс происходит деформация областей, находящихся в контакте. Энергия Е, выделяемая при этом регистрируется в виде сигналов акустической эмиссии определяемая выражением [3].

где t_выб - длительность выброса всех максимальных амплитуд сигналов акустической эмиссии, с;

А - амплитуды сигналов.

s(t) - акустико-эмиссионные сигналы, регистрируемый датчиком прибора или комплекса;

u(t) - функция, описывающая форму сигналов АЭ.

Из выражения [3] можно заключить, что амплитуды АЭ сигналов определяется равенством [4]

При отсутствии дефектов на поверхности катания рельса сигналы акустической эмиссии, описываемые выражениями 1-3 будут минимальны и иметь вид уровня фона фиг. 1.

Возникновение дефектов поверхности катания головки рельса приводит к изменению фактических пятен контакта в зоне колесо-рельс и их характеристик, интенсивному образованию абразивных частиц износа выбросу больших амплитуд сигналов акустической эмиссии и увеличению времени выброса амплитуд.

При образовании дефекта на поверхности элемента излучается акустико-эмиссионный импульс амплитудой А_k, величина которого пропорциональна величине повреждения ΔS_k По числу n_j и величине таких импульсов можно судить об относительных размерах поврежденной площади Sn [5].

где Sp - величина площади контакта.

При наличии дефектов на поверхности катания рельса сигналы акустической эмиссии описываемые выражениями 1-5 будут иметь вид фиг. 2.

Для исключения помех акустико-эмиссионных сигналов, вызванных прохождением стыков рельсов выполняется фильтрация одиночных акустико-эмиссионных сигналов возникающих на частотах ƒ_ф, пропорциональных скорости линейного перемещения и обратно пропорционально длине рельса.

где: ƒф - частота фильтрации акустико-эмиссионных сигналов, вызванных помехами от стыков рельсового пути, Гц;

V - линейная скорость колесной пары подвижного состава, м/с;

Lp - длина рельса, м;

В соответствие с Правилами технической эксплуатации железных дорог РФ, утвержденных Приказом Минтранса России от 21 декабря 2010 г. №286 (приложение 1) и Инструкцией по текущему содержанию железнодорожного пути ОАО «РЖД» ЦП-774 от 01.07.2000 г. (классификация дефектов рельсов) минимально допускаемая длина локального дефекта на поверхности головки рельса должна составлять не более 25 мм, а на участках высокоскоростного обращения не более 15 мм.

Таким образом, выявление и определение длины локальных дефектов рельсов являются критерием определения их технического состояния и допуска движения поездов по участку.

Способ определения локальных дефектов поверхности катания железнодорожных рельсов при подключении измерительного устройства амплитуд сигналов акустической эмиссии к ПК и цифровой обработке данных автоматизирует процесс измерения на скоростях от 5 до 300 км/час и позволяет передавать данные в диспетчерский пункт железной дороги с целью своевременного реагирования на дефектные участки пути, предотвращая тем самым аварийные ситуации.

Область применения - железнодорожный транспорт, метрополитен, промышленный и городской транспорт.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Фиг. 1. Акустико-эмиссионный сигнал при движении по рельсу не имеющего дефектов поверхности катания. Отображает характер акустико-эмиссионных сигналов и их амплитуду, фиксируемую измерительными устройствами при движении колесной пары по бездефектному участку железнодорожного рельса.

Фиг. 2 Акустико-эмиссионный сигнал при движении по рельсу, имеющему локальный дефект поверхности катания. Отображает характер акустико-эмиссионных сигналов, их амплитуду и длительность, фиксируемую измерительными устройствами при движении колесной пары по участку железнодорожного рельса имеющему локальный дефект.

Использование: для определения локальных дефектов поверхности катания железнодорожных рельсов. Сущность изобретения заключается в том, что выполняют непрерывное измерение сигналов акустической эмиссии контактирующих поверхностей в зоне колесо-рельс, по измеренным амплитудным значениям сигналов акустической эмиссии судят о наличии и длине локальных дефектов поверхности катания железнодорожных рельсов, которая пропорциональна линейной скорости движения колеса и обратно пропорциональна длительности акустико-эмиссионного сигала. Технический результат: повышение достоверности и оперативности диагностики состояния рельсового пути, возможность локализации дефектов. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ определения локальных дефектов поверхности катания железнодорожных рельсов, состоящий в выявлении повреждений головки рельсов, отличающийся тем, что выполняют непрерывное измерение сигналов акустической эмиссии контактирующих поверхностей в зоне колесо-рельс, по измеренным амплитудным значениям сигналов акустической эмиссии судят о наличии и длине локальных дефектов поверхности катания железнодорожных рельсов, которая пропорциональна линейной скорости движения колеса и обратно пропорциональна длительности акустико-эмиссионного сигала.

2. Способ определения локальных дефектов поверхности катания железнодорожных рельсов по п. 1, отличающийся тем, что выполняют непрерывные измерения значений выброса всех максимальных амплитуд сигналов акустической эмиссии в полосе частот от 30 до 300 кГц в равные последовательные промежутки времени, с частотой выборки от 500 до 0,1 мкс, от датчиков, устанавливаемых на корпусе правой и левой букс колесной пары локомотива или вагона.

3. Способ определения локальных дефектов поверхности катания железнодорожных рельсов по п. 1, отличающийся тем, что для исключения помех акустико-эмиссионных сигналов, вызванных прохождением стыков рельсов, выполняется фильтрация ударных одиночных акустико-эмиссионных сигналов, возникающих на частотах, пропорциональных скорости линейного перемещения и обратно пропорциональных длине рельса.