Результат интеллектуальной деятельности: Способ обеспечения безопасности движения железнодорожного транспорта

Изобретение относится к области обеспечения безопасности движения железнодорожного транспорта, а именно к способам и устройствам, которые обеспечивают контроль занятости/свободности отдельных участков железнодорожного пути на станциях и перегоне, а также неразрушающий контроль состояния рельсовых плетей и/или отдельных рельсовых участков верхнего строения железнодорожного пути.

Известны способы и устройства для контроля занятости/свободности отдельных участков железнодорожного пути на станциях и перегоне, использующие различные устройства и/или системы регистрации прохода подвижных железнодорожных единиц, в том числе рельсовые цепи, и/или индуктивные датчики регистрации прохода колеса и системы счета осей на их основе и др. Эти способы и устройства не дают информации о предотказных состояниях рельсов и/или рельсового пути, что может привести к внезапному разрушению рельса и/или рельсового пути во время движения поезда и катастрофическим последствиям.

Также известны способы и средства неразрушающего контроля рельса, которые реализованы в вагонах-дефектоскопах или мобильных диагностических комплексах (МДК), например, производства ОАО «Радиоавионика» и ЗАО «ПИК ПРОГРЕСС» [1]. Диагностическая информация, получаемая от вагонов-дефектоскопов и МДК, передается в специальную систему расчета, оценки и прогнозирования предотказного состояния рельсовой колеи (например, ПГРК - УРРАН), позволяющую существенно минимизировать риски, связанные с разрушениями рельса и рельсового пути. Известные способы и средства неразрушающего контроля рельса и системы, их реализующие в вагонах-дефектоскопах и МДК, являются автономными относительно систем контроля, занятости/свободности отдельных участков железнодорожного пути, требуют дополнительного относительно систем контроля, занятости/свободности оборудования и обеспечивают контроль предотказных состояний рельсового пути только периодически во время проходов мобильных диагностических средств контроля по соответствующим участкам железнодорожного пути. Увеличение частоты проходов подвижных диагностических комплексов ведет к снижению пропускной способности соответствующих участков пути и увеличению стоимости осуществления мероприятий по контролю предотказного состояния железнодорожного пути.

Кроме того, информация от мобильных измерительных средств не содержит данных о механических напряжениях, возникающих в длинных рельсовых плетях, например, от воздействия погодных условий, в частности, при изменении температуры рельса, или при подвижках и просадках грунта. Это может приводить к внезапному «выбросу» пути или разрушению рельса, что приводит к нарушению условий обеспечения безопасности движения.

Известны способ определения механических напряжений в рельсовой плети и устройство для его осуществления, которые осуществляют непрерывный во времени контроль за механическими напряжениями в рельсовой плети при изменении погодных условий, в частности при изменении температуры рельсов. Тем самым предупреждается «выброс» пути, что обеспечивает повышение безопасности движения поездов [2].

Техническая реализация известного способа и устройства требует формирования многочисленных отверстий в шейке рельса с высокой точностью, что является трудоемкой технологической операцией. Кроме того, многочисленные отверстия в шейках рельсов и рельсовых плетей снижают прочность рельса и могут быть потенциальным источником излома рельса.

Техническим результатом, на который направлено заявляемое изобретение, является повышение безопасности движения на железнодорожном транспорте, упрощение технической реализации, и повышение надежности работы аппаратуры. А именно, разработка способа обеспечения безопасности движения, при котором одним оборудованием непрерывно во времени осуществляется и контроль занятости/свободности отдельных участков железнодорожного пути (на станциях и/или перегоне), и обнаружение предотказного состояния рельсового пути.

Технический результат достигается тем, что согласно изобретению на шейках рельсов рельсовых плетей и/или отдельных участков железнодорожного пути на некотором расстоянии друг от друга вдоль участков железнодорожного пути устанавливают ультразвуковые преобразователи, подключенные к соответствующей аппаратуре возбуждения, регистрации и обработки сигналов ультразвука, содержащей, по меньшей мере, один датчик температуры окружающей среды и, по меньшей мере, один контроллер, обеспечивающей измерение скорости ультразвука в областях шейки рельса под установленными ультразвуковыми преобразователями, по анализу последовательности возникновения динамических изменений скорости ультразвука в измеряемых областях шейки рельса, возникающих при проходе над ними колеса подвижных единиц, принимают решение о направлении движения колесных пар подвижных железнодорожных единиц и о свободности/занятости соответствующих участков железнодорожного пути, а по величине абсолютного значения скорости ультразвука, измеренной с учетом фактической температуры окружающей среды в этих же областях шейки рельса в отсутствии над ними колеса, определяют расчетные значения механического напряжения и расчетные значения накопленных усталостных микроповреждений в рельсах этих участков железнодорожного пути, сравнивают их с допустимыми значениями, при превышении допустимых значений принимают решение о предотказном состоянии верхнего строения соответствующих участков железнодорожного пути, причем в память контроллера заносят данные о скорости ультразвука в металле, из которого изготовлены конкретные рельсы, о толщине шейки рельса, в области которой закреплены соответствующие ультразвуковые (УЗВ) преобразователи, об изменении скорости распространения ультразвука (СУЗ) в зависимости от температуры рельса, и в зависимости от приложенных механических напряжений, а также о динамике изменения СУЗ в зависимости от накопленных усталостных микроповреждений.

Ультразвуковые преобразователи могут быть установлены на шейках рельсов на расстоянии друг от друга, меньшем минимально возможного расстояния между колесными парами в подвижных единицах.

По способу излучения и приема ультразвукового сигнала используют соответственно или раздельные или раздельно-совмещенные или один совмещенный излучающий и принимающий ультразвуковые преобразователи.

По типу контакта с шейкой рельса используют контактные или бесконтактные ультразвуковые преобразователи.

По физическому принципу возбуждения и регистрации ультразвуковых колебаний используют пьезоэлектрические или электромагнитно акустические ультразвуковые преобразователи.

Ультразвуковые преобразователи устанавливают на шейках рельса с помощью приспособлений, закрепляемых за подошву или шейку рельса, или непосредственно методом склейки УЗВ преобразователя с шейкой рельса с использованием между шейкой рельса и ультразвуковыми преобразователями упругого согласующего протектора или без него.

Под предотказным состоянием рельсового пути понимается:

- Недопустимый уровень накопленных усталостных микродефектов в рельсе, которые образуются в ходе эксплуатации за счет многократных циклических и переменных во времени нагружений рельса колесными парами. Причем, существует порог, выше которого в металле формируются опасные для дальнейшей эксплуатации трещины [3];

- Недопустимые по уровню механические напряжения в рельсовых плетях или в рельсах отдельных участков пути, возникающие при изменении погодных условий, в частности, при изменении температуры рельса. Причем, существует порог напряжения, превышение которого может приводить к внезапному «выбросу» участков пути [2] или к разрушению рельса.

Осуществление предлагаемого способа обеспечения безопасности движения железнодорожного транспорта основано на использовании известных законов физики и установленных научно обоснованных физических процессов [3, 4], а также известных из общего уровня техники опубликованных технических решений.

1. Скорость звука в идеальном упругом материале при заданных температуре и давлении является величиной постоянной.

2. В области упругих деформаций изменение скорости ультразвука (СУЗ) в металле пропорционально механическому напряжению. Причем при деформации растяжения СУЗ уменьшается, а при деформации сжатия - увеличивается. В области пластических деформаций СУЗ остается практически постоянной.

3. Циклические и/или переменные во времени механические нагрузки, действующие на металлические конструкции (или изделия) в процессе эксплуатации, приводят к усталостным изменениям структуры металла. Вызывают сначала накопление микродефектов, а, впоследствии - макродефектов, зарождение трещин и разрушение этих конструкций. Для предупреждения непредсказуемых разрушений металлических конструкций важно распознавать раннюю стадию накопления дефектности - образование микродефектов (или микротрещин) и не допускать разрушения эксплуатируемых металлических конструкций и деталей. «Одним из способов решения этой задачи является метод, основанный на регистрации изменений скорости распространения упругих волн - скорости ультразвука (СУЗ) - под влиянием многократных механических напряжений» [3].

4. Измерение СУЗ в металлических изделиях и конструкциях позволяет диагностировать накопление дефектов от усталостных нагружений и регистрировать переход от стадии их нормальной эксплуатации к стадии предразрушения [3].

5. Разработанный в настоящее время метод акустоупругости [4] позволяет проводить измерение величин одноосных и двухосных напряжений в любой точке контроля металлических конструкций и, таким образом, обеспечивает возможность измерения напряжений в рельсе, возникающих, как от давления проходящего колеса на рельс, так и от продольных напряжений в рельсовых плетях, возникающих от температурного расширения/сжатия металла при изменении температуры окружающей среды.

6. В уровне техники известно большое количество технических решений, реализованных в приборах, позволяющих определять СУЗ, измерять механические напряжения, и контролировать уровень накопленной поврежденности в металлических объектах, например [5, 6, 7, 8 и 9], которые могут быть использованы при реализации предлагаемого способа обеспечения безопасности движения железнодорожного транспорта.

Работа предлагаемого способа обеспечения безопасности движения железнодорожного транспорта поясняется чертежами и рисунками, приведенными на фиг. 1, 2 и 3.

На фиг. 1 условно показаны: рельс 1, проходящее по нему колесо 2 подвижной единицы, участки «А» и «Б» на шейках рельса на некотором расстоянии l друг от друга, например, меньшем минимально возможного расстояния колесных пар в подвижных единицах, на каждом из которых устанавливают или раздельные (вариант а)), соответственно излучающие 3 и приемные 4 ультразвуковые преобразователи, или раздельно-совмещенные 5 (вариант б)), или совмещенные 6 (вариант в)) ультразвуковые (УЗВ) преобразователи.

На фиг. 2 приведена схема подключения или раздельных, соответственно, излучающих 3 и приемных 4 ультразвуковых преобразователей (вариант а), показанный на фиг. 1), или раздельно-совмещенных 5 (вариант б), показанный на фиг. 1), или совмещенных 6 (вариант в), показанный на фиг. 1) ультразвуковых (УЗВ) преобразователей, закрепленных в зонах «А» и «Б» шейки рельса, к аппаратуре 7 возбуждения и регистрации сигналов ультразвука, обеспечивающей режим автоциркуляции короткого ультразвукового сигнала в областях шейки рельса «А» и «Б» под ультразвуковыми преобразователями. Здесь же условно выделен состав аппаратуры 8 возбуждения, регистрации и обработки сигналов ультразвука, обеспечивающей измерение скорости ультразвука и принятие решений о свободности/занятости соответствующих участков железнодорожного пути, и о предотказном состоянии рельсов верхнего строения соответствующих участков железнодорожного пути.

Кроме аппаратуры 7 возбуждения и регистрации сигналов ультразвука, аппаратура 8 возбуждения, регистрации и обработки сигналов ультразвука включает, по меньшей мере, один контроллер 9, и, по меньшей мере, один датчик температуры окружающей среды 10, выход которого подключен к первому входу контроллера. Ко второму и третьему входам контроллера подключены, соответственно, первый и второй выходы аппаратуры 7 с электрическими сигналами, вырабатываемыми от импульсов автоциркуляции коротких ультразвуковых сигналов в областях шейки рельса «А» и «Б», соответственно. Первый выход контроллера подключен к соответствующему входу системы микропроцессорной централизации и блокировки (на фиг. 2 не показана). Второй и третий выходы контроллера подключены, соответственно, к первому и второму управляющим входам аппаратуры 7 возбуждения и регистрации сигналов ультразвука, обеспечивающей режимы автоциркуляции короткого ультразвукового сигнала соответственно в областях шейки рельса «А» и «Б». При этом в память контроллера внесены данные о скорости ультразвука в металле, из которого изготовлены конкретные рельсы, толщине шейки рельса, в области которой закреплены соответствующие УЗВ преобразователи, об изменении СУЗ в зависимости от температуры рельса, в зависимости от приложенных механических напряжений, и о динамике изменения СУЗ в зависимости от накопленных усталостных микроповреждений в металле [3 и 4].

На фиг. 3 приведены соответствующие диаграммы изменения частоты следования коротких электрических сигналов, вырабатываемых от импульсов автоциркуляции коротких ультразвуковых сигналов в областях шейки рельса «А» и «Б» при проходе над ними колеса железнодорожной подвижной единицы.

Предлагаемый способ обеспечения безопасности движения железнодорожного транспорта осуществляют следующим образом.

На шейках рельсов рельсовых плетей и/или отдельных участков железнодорожного пути на некотором расстоянии друг от друга, например, меньшем минимально возможного расстояния колесных пар в подвижных единицах, вдоль участков железнодорожного пути устанавливают ультразвуковые преобразователи в соответствии с фиг. 1. Аппаратурой 7 возбуждения и регистрации сигналов ультразвука (фиг. 2) известными из уровня техники методами и средствами, например, описанными в [3 (рис. 13)] или [6 (рис. 1)], в каждой из областей шейки рельса «А» и «Б» между сторонами шейки рельса обеспечивают режим автоциркуляции короткого УЗВ сигнала. Тип (или вид) короткого УЗВ сигнала формируют, например, соответствующими электрическими сигналами, формируемыми на втором и третьем выходах контроллера 9 программными средствами. Время распространения короткого УЗВ сигнала (импульса) от одной стороны шейки рельса до другой и обратно, а, следовательно, и период и частота автоциркуляции коротких УЗВ сигналов (импульсов) внутри шейки рельса будут определяться шириной (расстоянием между сторонами) шейки рельса и фактической скоростью ультразвука (СУЗ) в материале, из которого изготовлен конкретный рельс. Электрические сигналы от соответствующих коротких УЗВ импульсов, сформированные на первом и втором выходе аппаратуры 7 возбуждения и регистрации сигналов ультразвука, подают, соответственно, на второй и третий входы контроллера 9 (фиг. 2). В контроллере 9 программными средствами с учетом частоты сигналов собственного внутреннего стабильного высокочастотного генератора в режиме реального времени сначала определяют период и частоту следования коротких УЗВ импульсов. Затем, на основе данных, хранимых в памяти контроллера о толщине шейки рельса, в области которой закреплены соответствующие УЗВ преобразователи, определяют фактическую скорость распространения УЗВ в каждый конкретный момент времени, соответственно в областях «А» и «Б» шейки рельса. А затем, с учетом температурной зависимости СУЗ в металле, из которого сделан рельс, и с учетом фактической температуры рельса (температуры окружающей среды), расчетным способом определяют фактически существующие механические напряжения в рельсе.

При проходе колеса подвижной единицы по рельсу (фиг. 1) механическое напряжение в рельсе сначала будет нарастать, а затем уменьшаться сначала в области «А» шейки рельса, а затем и в области «Б» шейки рельса. В соответствии с этим будет изменяться СУЗ в этих областях, а, следовательно, и частота (фиг. 3) следования коротких импульсов УЗВ. По анализу последовательности возникновения динамических изменений частоты следования этих импульсов (изменений скорости ультразвука) в измеряемых областях шейки рельса (диаграммы F_А(f), и F_Б(f) на фиг. 3), возникающих при проходе над ними колеса подвижных единиц, относительно некоторой частоты автоциркуляции импульсов в этих же областях шейки рельса, когда колесо отсутствовало, принимают решение о направлении движения колесных пар подвижных железнодорожных единиц и о свободности/занятости соответствующих участков железнодорожного пути. Для удобства анализа последовательности возникновения динамических изменений частоты следования импульсов в областях «А» и «Б» шейки рельса и для компенсации возможных температурных зависимостей в аппаратуре 7 возбуждения и регистрации сигналов ультразвука в контроллере в соответствии с техническим решением, описанном в [10], вычисляют функцию F_Ʃ = F_А(f) - F_Б(f), представленную на фиг. 3. Факт регистрации прохода колеса устанавливают при превышении значения F_Ʃ (разности этих частот) некоторого заданного порога. Если значение функции F_Ʃ = F_А(f) - F_Б(f) принимает сначала положительное значение (а затем отрицательное), принимают решение, что колесо относительно установленных УЗВ преобразователей следует слева направо (со стороны области шейки «А» к области шейки «Б» и далее). Если значение функции F_Ʃ = F_А(f) - F_Б(f) принимает сначала отрицательное значение (а затем положительное), принимают решение, что колесо относительно установленных УЗВ преобразователей следует справа налево (со стороны области шейки «Б» к области шейки «А» и далее). При наличии отклонения частоты следования импульсов в одной из областей шейки рельса от своего значения в отсутствии колеса (когда колесо отсутствовало) при одновременном значении функции F_Ʃ = F_А(f) - F_Б(f) = 0 принимают решение о том, что проходящее колесо находится точно посередине между установленными УЗВ преобразователями.

При отсутствии колеса в непосредственной близости от областей «А» и «Б» шейки рельса (о чем свидетельствует значение функции F_Ʃ = F_А(f) - F_Б(f) = 0, при одновременном значении любой из функций F_А(f) или F_Б(f) также равной нулю (менее некоторого условного порогового значения)) по величине абсолютного значения скорости ультразвука, измеренной (периодически рассчитываемой с определенной частотой в режиме реального времени) в любой из этих областей с учетом фактической температуры окружающей среды, в соответствии с известными техническими решениями, [3, 4, 6] по соответствующим градуировочным зависимостям и/или по формулам, приведенным в [5], определяют расчетные значения механического напряжения, действующие в рельсе, и расчетные значения накопленных усталостных микроповреждений в рельсах этих участков железнодорожного пути, сравнивают их с допустимыми значениями, при превышении допустимых значений принимают решение о предотказном состоянии рельсов верхнего строения соответствующих участков железнодорожного пути.

Таким образом, предлагаемое изобретение позволяет одним оборудованием непрерывно во времени осуществлять контроль свободности/занятости отдельных участков железнодорожного пути (на станциях и перегоне), и обнаруживать предотказное состояние в рельсах рельсового пути, а, следовательно, позволяет повысить безопасность движения железнодорожного транспорта. В уровне техники подобных решений не обнаружено.

Дополнительным преимуществом предложенного решения является то, что «акустоупругость, как способ измерения напряжений, - это механика без посредников». Все этапы измерения и расчета проводятся в рамках нелинейной механики, без привлечения полей и волн другой природы» [4]. Поэтому предложенный способ обеспечения безопасности движения железнодорожного транспорта меньше зависит от тяговых токов и внешних электромагнитных помех, чем другие системы обеспечения безопасности движения поездов, реализованные, например, с применением рельсовых цепей или индуктивных датчиков регистрации прохода колеса. То есть предложенный способ обладает повышенной надежностью работы.

В соответствии с изобретением УЗВ преобразователи, устанавливаемые в зонах «А» и «Б» шейки рельса, конструктивно могут быть размещены в одном корпусе и функционально представлять ультразвуковой датчик регистрации прохода железнодорожного колеса с выполнением функции контроля безопасного состояния рельса, или без выполнения этой функции. Также УЗВ преобразователи могут устанавливаться на шейках рельса только с целью выполнения функции контроля предотказного состояния рельса, то есть, без выполнения функции контроля прохода колеса [9].

Предпочтительным вариантом осуществления предлагаемого способа (аппаратурной реализации) является использование в качестве ультразвуковых преобразователей электромагнитно акустических преобразователей с технологией импульсного подмагничивания или аналогичных электромагнитно акустических преобразователей с постоянным магнитом и использованием между шейкой рельса и ультразвуковыми преобразователями упругого согласующего протектора. Такая реализация системы обеспечит максимально достижимые сроки эксплуатации оборудования.

Хотя осуществление изобретения подробно пояснено чертежами (и диаграммами), приведенными на фиг 1, 2 и 3, и описанными вариантами возможного исполнения оборудования, изобретение не ограничивается только раскрытыми примерами, и специалистами в данной области техники могут быть выведены другие варианты его осуществления, без выхода за объем защиты описанного изобретения.

Литература

1. Марков А. А. Актуальные проблемы дефектоскопии рельсов и пути их решения. [Электронный ресурс] http://www.radioavionica.ru/activities/sistemy-nerazrushayushchego-kontrolya/articles/files/razrab/st_2016_1.pdf (дата обращения 12.04.2019).

2. Патент RU 2478153, Аккерман Г. Л., Аккерман С. Г., Сергеев Б. С., Смирнов Ю. А. Способ определения механических напряжений в рельсовой плети и устройство для его осуществления. МПК E01B 19/00, E01B 29/44, E01B 31/06, E01B 35/06, заявл. 16.05.2011, опубл. 27.11.2012 Бюл. № 33.

3. Ультразвук с механическими напряжениями. [Электронный ресурс] https://www.kazedu.kz/download/196914 (дата обращения 10.04.2019).

4. Никитина Н.Е., Смирнов В.А. Новая технология определения механических напряжений в трубопроводах на основе явления акустоупругости. [Электронный ресурс] http://www.encotes.ru/node/186 (дата обращения 19.04.1019).

5. Патент RU 2671421, Гончар А. В., Мишакин В.В., Клюшников В. А., Курашкин К.В. Способ неразрушающего контроля поврежденности металлов. МПК G01N 29/04, заявл. 09.10.2017, опубл. 31.10.2018 Бюл. № 31.

6. Загидуллин Э.Р., Гавриленко С.М., Семухин Б.С., Чухланцева М.М. Модернизация метода автоциркуляции импульсов для определения зависимости скорости ультразвука от приложенного напряжения. Электронный журнал «Техническая акустика», т.2, 2002 г. С. 135 - 141 https://readera.ru/modernizacija-metoda-avtocirkuljacii-impulsov-dlja-opredelenija-zavisimosti-14315960 (дата обращения 11.04.2019 г.).

7. Прибор для измерения механических напряжений ИН-5101А Руководство по эксплуатации ИН.000.000.000 РЭ [Электронный ресурс] http://baz-alt.ru/userfiles/files/in-5101a.pdf (дата обращения 19.04.1019).

8. Ультразвуковой толщиномер «Булат - 3». Руководство по эксплуатации УАЛТ.202.000.00РЭ [Электронный ресурс] http://www.ntcexpert.ru/documents/docs/bulat-3-rukovodstvo-po-ekspluatacii.pdf (дата обращения 19.04.1019).

9. В. В. Муравьев, Л. В. Волкова и др. Акустические методы оценки структурного и напряженно-деформированного состояния рельсов. Работа выполнена по проекту № 3.751.2014/К ГЗ Минобрнауки РФ. [Электронный ресурс] http://elar.urfu.ru/bitstream/10995/41135/1/sid_2015_44.pdf (дата обращения 17.05.2019).

10. Патент RU 2657647, Гнитько Р. В., Курганский А. А., Ляной В. В. Способ повышения устойчивости работы датчика регистрации прохода колеса к воздействию температуры окружающей среды. МПК B61L 1/08, B61L 1/16, заявл. от 22.05.2017, опубл. 14.06.2018 Бюл. № 17.