СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ФАКТИЧЕСКОЙ ТЕМПЕРАТУРЫ ЗАКРЕПЛЕНИЯ РЕЛЬСОВОЙ ПЛЕТИ Российский патент 2021 года по МПК E01B35/00 B61K9/08 

Изобретение относится к области контроля состояния железнодорожного полотна, в частности к не разрушаемым методам контроля напряженного состояния участков рельсовых плетей бесстыкового железнодорожного пути. Может быть использовано для определения фактической температуры закрепления рельсовой плети бесстыкового железнодорожного пути при проведении ремонтных работ.

Уровень техники известен из системы контроля перемещений рельсовой плети железнодорожного пути, содержащей транспортное средство, снабженное регистрирующим устройством и бесконтактными датчиками, установленными с возможностью обнаружения и анализа расположения рабочих меток, нанесенных на рельсовую плеть и на подкладку маячной шпалы. (Патент на изобретение RU №2174082, заявка: №2000127662 от 08.11.2000, МПК В61K 9/08).

Недостатком известной системы является то, что контроль деформации рельсовой плети бесстыкового пути осуществляется только по меткам, расположенным на рельсовой плети (на верхней части подошвы рельсовой плети) и на репере (на подкладке «маячной» шпалы), что является недостаточным для получения достоверных результатов и исключения получения ложного результата о напряженном состоянии рельсовой плети, кроме того, в известном устройстве анализу подвергаются метки, нанесенные краской, что также не способствует повышению достоверности результатов.

Известен способ определения состояния рельсошпальной решетки эксплуатируемого железнодорожного бесстыкового пути, преимущественно ее продольно-поперечной устойчивости под действием в ней продольных сжимающих температурных сил, заключающийся в том, что путеизмерительными средствами непрерывно измеряют кривизну рельсовых плетей в плоскости пути, периодически измеряют температуру этих же плетей при помощи бесконтактных температурных датчиков, определяют по формуле средние значения продольных сжимающих каждую рельсовую плеть сил, непрерывно определяют по формуле силы, стремящиеся сдвинуть шпалы поперек пути, сравнивают значения последних с допускаемыми их значениями для данного участка пути. (Патент RU №2038441, заявка: 5045651 от 21.04.1992, МПК Е01В 35/00).

К недостаткам способа следует отнести следующие:

Использование для определения продольных сил значений кривизны рельсовых плетей, отнесенной к расстоянию между осями соседних шпал, т.е. мгновенных значений кривизны. Ввиду того, что из-за солидарной работы всех элементов рельсошпальной решетки и высокой жесткости рельсов в плоскости пути, возможные поперечные деформации (искривления) на таком расстоянии (до 0,5 м) при нагревании рельсов очень малы, что приведет к большому разбросу значений сил, стремящихся сдвинуть шпалы поперек пути.

Известен способ контроля рельсовых плетей бесстыкового железнодорожного пути, включающий регистрацию температуры рельсовой плети при укладке ее в путь и после проведения ремонтных работ, контроль за усилием затяжки гаек клеммных и закладных болтов и за продольными подвижками (угоном) плетей по смещениям контрольных сечений рельсовой плети относительно "маячных" шпал, проведение мероприятий по устранению угона, превышающего допустимые нормы, при этом выявляют участки напряженного состояния рельсовой плети, для этого на рельсовой плети в сечениях с интервалом 50-500 метров определяют текущее значение температуры плети, интенсивность генерируемого шума Баркгаузена, определяют фактическое значение механических продольных напряжений по графику зависимости интенсивности шумов Баркгаузена от механических продольных напряжений, полученной при калибровке анализатора интенсивности магнитных шумов Баркгаузена, при этом калибровку анализатора шумов Баркгаузена проводят на образцах, вырезанных из рельсовой стали, причем калибровочный образец подвергается осевому сжатию или осевому сжатию и продольному изгибу от усилия осевого сжатия, при построении калибровочной зависимости интенсивность магнитных шумов Баркгаузена оценивают в относительных единицах, определяемых как отношение разности показаний анализатора к их сумме, полученной при измерении интенсивности магнитных шумов Баркгаузена в двух взаимно перпендикулярных направлениях, одно из которых должно совпадать с направлением приложения нагрузки при калибровке анализатора и направлением продольной оси рельса при измерении на рельсе, полученные значения напряжений и температуры наносят на расчетную зависимость значений напряжений в рельсе от температуры рельсовой плети, определяют разность между измеренными напряжениями и расчетными напряжениями и по величине разности напряжений на расчетной зависимости определяют отклонение температуры закрепления от ее нормативного значения и в случае ее превышения проводят работы по введению бесстыкового пути в нормируемый температурный режим. (Патент RU №2251114, заявка: 2012157562 от 27.12.2012, МПК Е01В 35/12). К недостаткам данного способа следует отнести следующее:

- сложность реализации способа,

- необходимость иметь калибровочную зависимость интенсивности шумов Баркгаузена от напряжения.

Интенсивность шумов Баркгаузена определяется не только напряженным состоянием материала, но и многими другими свойствами, такими как структура материала, наличие поверхностных дефектов, намагниченность и другими свойствами. Поэтому, чтобы точно определить механические напряжения в данном сечении железнодорожной плети, необходимо иметь калибровочную зависимость для каждого сечения плети, где производится определение интенсивности шумов Баркгаузена, что практически невозможно.

Известен способ контроля температурного режима работы бесстыкового железнодорожного пути, включающим определение оптимальной температуры рельсовых плетей при их закреплении в пути при проведения ремонтных работ, выявление участка напряженного состояния рельсовой плети путем определения текущего значение температуры плети и интенсивности генерируемых шумов Баркгаузена, в относительных единицах в сечениях с интервалом 50-500 метров, при этом дважды определяют интенсивность генерируемых шумов Баркгаузена, первый раз при текущей температуре рельсовой плети, которая ниже оптимальной температуры закрепления плети, второй раз при текущей температуре рельсовой плети, которая выше оптимальной температуры закрепления плети, при чем разность текущих значений температур рельсовой плети относительно оптимальной температуры закрепления плети в обоих случаях должна быть одинаковой и составлять не менее 10°С, определяют разность значений интенсивности генерируемых шумов Баркгаузена, полученных при первом и втором измерениях, по полученным значениям разности интенсивности шумов Баркгаузена оценивают температурный режим работы бесстыкового железнодорожного пути. Кроме этого, интенсивность генерируемого шума Баркгаузена определяют одновременно с определением текущего значения температуры рельса, текущее значение температуры рельса и интенсивность генерируемого шума Баркгаузена определяют на шейке рельса с двух сторон, затем вычисляют среднее значение, оптимальную температуру закрепления плети определяют по паспорту укладки плети. (Патент RU №2617319, заявка: 2016104116 от 09.02.2016, МПК Е01В 35/00). Данное техническое решение принято в качестве прототипа.

Недостатком данного технического решения является необходимость определение интенсивности генерируемого шума Баркгаузена при температурах рельса, один раз, ниже и, второй раз, выше температуры укладки рельсовой плети. Температуру укладки рельсовой плети определят по паспорту закладки. Не всегда температура, указанная в паспорте закладки соответствует фактической температуре, при которой проводились работы по укладке пути. Не соответствие фактической температуры укладки рельсовой плети, и паспортной температуры может привести к ошибке в расчетах напряженности рельсовой плети, и в итоге привести неправильным выводам о состоянии рельсовой плети.

Задачей заявляемого технического решения является повышение безопасности движения железнодорожного движения.

В процессе решения поставленной задачи достигается технический результат, заключающийся в упрощении определении фактической температуры укладки бесстыкового рельсового железнодорожного пути, определение фактической температуры закрепление рельсовой плети не зависимо от текущей температуры рельса и температуры, при которой производилась укладка бесстыкового рельсового пути.

Технический результат достигается способом определения фактической температуры закрепления рельсовой плети, заключающимся в том, что дважды определяют интенсивность генерируемых шумов Баркгаузена в относительных единицах, первый раз, при текущей температуре рельсовой плети, на жестко закрепленном участке, на котором следует определить фактическую температуру закрепления рельсовой плети, при которой укладывалась рельсовая плеть, при этом второй раз, интенсивность генерируемых шумов Баркгаузена, определяют при текущей температуре рельсовой плети, на концевом участке рельсовой плети, на котором реализуются продольные перемещения, обусловленные суточным и сезонным перепадом температур, по разнице полученных значений интенсивности генерируемых шумов Баркгаузена и данным о текущей температуре рельса, по программе, рассчитывается фактическая температура закрепления рельсовой плети. Кроме этого, текущее значение температуры рельса и интенсивность генерируемого шума Баркгаузена определяют на шейке рельса с двух сторон, затем вычисляют среднеквадратичное значение, концевом участке рельсовой плети, на котором реализуются продольные перемещения, и на жестко закрепленном участке рельсовой плети, на котором следует определить фактическую температуру закрепления рельсовой плети, текущее значение температуры рельса и интенсивность генерируемого шума Баркгаузена определяют не менее чем в трех точках на удалении друг от друга 2-5 метров, в качестве информативного параметра при регистрации шумов Баркгаузена используют среднеквадратичное значение числового ряда амплитуд оцифрованного сигнала шумов Баркгаузена.

Контроль механических напряжений бесстыкового железнодорожного пути производится при проходе путеизмерительной техники, а также натурном осмотре и промере многих параметров, определяющих состояние рельсовой плети. Определяют текущее состояние неровностей геометрии рельсовой колеи в плане, длину волны и амплитуду неровностей, состояние скреплений (моменты затяжки, силы прижатия клемм), состояние балластной призмы (размеры плеча, полнота балластной призмы в шпальных ящиках). Предлагаемый способ позволит, в совокупности с данными параметрами бесстыкового пути, значительно повысить точность определения фактической температуры закрепления рельсовой плети и проводить более точные расчеты механических напряжений в рельсовой плети вызванных колебаниями температур.

Одним из определяющих напряженное состояние рельсовой плети параметров бесстыкового пути является фактическая температура закрепления (ФТЗ), величина которой связана с вероятностью таких видов отказа как выброс (внезапное искривление рельсо-шпальной решетки, приводящее путь в негодное для движения поездов состояние) или излом плети. В среднем в год происходит 9,4 отказа, связанных с такими видами потери устойчивости.

Предлагаемый способ контроля температурного режима работы бесстыкового железнодорожного пути, основан на зависимости интенсивности шумов Баркгаузена, возникающих при намагничивании зоны исследования, от величины механических напряжений. Структурные изменения, происходящие в рельсовых сталях при термической обработке, а также в процессе эксплуатации влияют на интенсивность шумов Баркгаузена, что позволяет использовать метод шума Баркгаузена для неразрушающего контроля механических напряжений в рельсовой цепи. Наличие упругих внутренних напряжений в материале рельсовой плети, их значения и характер распределения оказывают влияние на то, каким образом домены определяют для себя ось легкого намагничивания и как они ориентируются по отношению друг к другу, определяют интенсивность генерируемого шума Баркгаузена, т.е. амплитуда магнитного шума зависит от внутренних напряжений в плети.

Авторами разработано устройство, (патент на изобретение РФ №2604492 по заявке 2016135313 от 31.08.2016 г. МПК В61K 91/08) позволяющее получать линейные зависимости интенсивности шумов Баркгаузена при деформации сжатия и деформации растяжения исследуемого образца. Установлено, что при увеличении деформации сжатия, интенсивность шумов Баркгаузена снижается, а при увеличении деформации растяжения, интенсивность шумов Баркгаузена возрастает. Полученные зависимости были положены в основу программы для ЭВМ расчета фактической температуры закрепления рельсовой плети при проведении ремонтных работ. Программа для ЭВМ оформляется для Государственной регистрации в Роспатенте.

Исключить вероятность выброса пути возможно, если вовремя провести мероприятия по снижению напряжений в рельсовой плети. Такая работа проводится, если известно напряжение сжатия в рельсовой плети и температура, при которой определено напряжение сжатия и температура укладки плети. Точно определить механические напряжения в рельсовой плети задача сложная. Предлагается достаточно простой в исполнении, не требующий длительного времени в исполнении, без определения абсолютных значений механических напряжений в плети, способ определения фактической температуры закрепления рельсовой плети позволяющий получать результаты, имеющие высокую достоверность.

Были проведены сравнительные испытания определения ФТЗ, по способу прототипа и предлагаемому способу. На выбранной плети, в рамках подконтрольной эксплуатации на Московской ДИ. определялась температура закрепления, по предлагаемому способу, после чего производится роспуск, и температура закрепления рассчитывалась по смещению маячковых отметок. Полученные значения сравнивались между собой. Разница определенных значений ФТЗ на одной плети составила 0,1°С при температуре укладки плети 10°С, а на второй плети составила 0,9°С при температуре закладки 29°С, что не превышает допустимую норму 2,5°С. Это свидетельствует о высокой эффективности предлагаемого способа определения ФТЗ.

Такие же натурные эксперименты проводились в рамках приемочных испытаний на Дальневосточной ДИ по способу прототипа. На перегоне, Амурский залив-Угловая, Новый Мир-Амурский разъезд, совпадение температур определенной по способу прототипа и температурой по паспорту укладки составила не более 0,1°С, Разница определенных значений ФТЗ на перегонах Лучегорск-Ласточка и Эльдиган-Тудур не превысила 2,5°С.

Преимуществом предлагаемого способа определения ФТЗ является то, что измерения проводятся вне зависимости от текущей температуры рельса, и полученные данные о состояние плети относятся уже не к одной контрольной точке, а усредняются для некоторой области.

В настоящее время предлагаемый способ предлагается к расширенному подконтрольному использованию в различных климатических зонах.

Изобретение относится к области контроля состояния железнодорожного полотна и может быть использовано для определения фактической температуры закрепления рельсовой плети бесстыкового железнодорожного пути при проведении ремонтных работ. Способ определения фактической температуры закрепления рельсовой плети заключается в том, что дважды определяют интенсивность генерируемых шумов Баркгаузена в относительных единицах, первый раз, при текущей температуре рельсовой плети, на жестко закрепленном участке, на котором следует определить фактическую температуру закрепления рельсовой плети, при которой укладывалась рельсовая плеть, второй раз интенсивность генерируемых шумов Баркгаузена, определяют при текущей температуре рельсовой плети, на концевом участке рельсовой плети, на котором реализуются продольные перемещения, обусловленные суточным и сезонным перепадом температур. По разнице полученных значений интенсивности генерируемых шумов Баркгаузена и данным о текущей температуре рельса по программе, рассчитывается фактическая температура закрепления рельсовой плети. В результате повышается безопасность движения железнодорожного движения упрощается определение фактической температуры укладки бесстыкового рельсового железнодорожного пути. 3 з.п. ф-лы.

1. Способ определения фактической температуры закрепления рельсовой плети, заключающийся в том, что дважды определяют интенсивность генерируемых шумов Баркгаузена в относительных единицах, первый раз, при текущей температуре рельсовой плети, на жестко закрепленном участке, на котором следует определить фактическую температуру закрепления рельсовой плети, при которой укладывалась рельсовая плеть, отличающийся тем, что второй раз, интенсивность генерируемых шумов Баркгаузена, определяют при текущей температуре рельсовой плети, на концевом участке рельсовой плети, на котором реализуются продольные перемещения, обусловленные суточным и сезонным перепадом температур, по разнице полученных значений интенсивности генерируемых шумов Баркгаузена и данным о текущей температуре рельса, по программе рассчитывается фактическая температура закрепления рельсовой плети.

2. Способ контроля по п. 1, отличающийся тем, что текущее значение температуры рельса и интенсивность генерируемого шума Баркгаузена определяют на шейке рельса с двух сторон, затем вычисляют среднеквадратичное значение.

3. Способ контроля по п. 1, отличающийся тем, что на концевом участке рельсовой плети, на котором реализуются продольные перемещения, и на жестко закрепленном участке рельсовой плети, на котором следует определить фактическую температуру закрепления рельсовой плети, текущее значение температуры рельса и интенсивность генерируемого шума Баркгаузена определяют не менее чем в трех точках на удалении друг от друга 2-5 метров.

4. Способ контроля по п. 1, отличающийся тем, что в качестве информативного параметра при регистрации шумов Баркгаузена используют среднеквадратичное значение числового ряда амплитуд оцифрованного сигнала шумов Баркгаузена.