СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СОСТОЯНИЯ РЕЛЬСОШПАЛЬНОЙ РЕШЕТКИ БЕССТЫКОВОГО ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ПУТИ

Изобретение относится к способам непрерывного контроля состояния железнодорожного бесстыкового пути при помощи путеизмерительных средств.

Известен способ определения состояния рельсошпальной решетки эксплуатируемого железнодорожного бесстыкового пути, преимущественно ее продольно-поперечной устойчивости под действием в ней продольных сжимающих температурных сил (патент РФ №2038441, кл. E01B 35/00, E01B 29/17, B61K 9/08), 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 H, стремящиеся сдвинуть шпалы поперек пути,

сравнивают значения последних сил H с допускаемыми их значениями [H] для данного участка пути.

При этом для расчетов и другого длительного использования определяют во время укладки или ремонта бесстыкового пути на каком-то участке (в границах каждой пары сварных плетей) или заменяют прежние исходные данные новыми и вводят в память бортовой вычислительной машины путеизмерительного вагона следующие исходные данные каждой пары рельсовых плетей: условный номер участка бесстыкового пути, координаты начала и конца участка (километр, пикет, расстояние начала и конца рельсовой плети (м) от пикетного знака по ходу километров), площадь поперечного сечения рельсов 2F, см², среднее расстояние между осями соседних шпал S на этом участке, минимальную измеренную температуру рельсовых плетей T_з при их закреплении в рельсовых скреплениях на участке.

Данное техническое решение принято в качестве прототипа.

При всех достоинствах известного способа следует отметить следующие недостатки:

- использование для определения H значений кривизны, отнесенной к расстоянию между осями соседних шпал, т.е. мгновенных значений кривизны, ввиду того, что из-за солидарной работы всех элементов рельсошпальной решетки и жесткости рельсов в плоскости пути невозможны поперечные деформации (искривления) на таком расстоянии (до 0,5 м) при нагревании рельсов.

Рост температурных напряжений в рельсовых плетях проявляется через поперечные деформации участка пути, длина которого зависит от радиуса кривой.

Венгерскими исследователями экспериментально получены [Й.Надь «Исследования явлений, вызываемых температурными напряжениями в бесстыковом пути». Перевод №6514 с венгерского статьи НИИЖТа ВНР, Москва, 1976] минимальные значения длины упругих изгибов рельсошпальной решетки в плоскости пути при нагреве рельсовых плетей в кривых разных радиусов (см. таблицу 1).

Из этого эксперимента следует, что неровность рельсовых плетей в плане не может быть меньше указанной в таблице 1, а кривизна на участке длиной меньше указанной в таблице, некорректна и не приведет к ожидаемому результату.

- невозможность использования способа в случаях, когда в качестве норм при укладке и эксплуатации бесстыкового пути приняты расчетные интервалы температур (например, в России, Германии, Венгрии и т.д.), а не тот, который неизвестен в мировой практике эксплуатации бесстыкового пути показатель, как допускаемое значение силы [H], стремящейся сдвинуть поперек пути одну шпалу, принятый в прототипе.

Технический результат изобретения - повышение точности определения состояния рельсошпальной решетки бесстыкового железнодорожного пути.

Технический результат достигается тем, что в способе определения состояния рельсошпальной решетки бесстыкового железнодорожного пути, заключающемся в том, что путеизмерительными средствами непрерывно измеряют кривизну рельсовых плетей в плоскости пути, определяют осредненную кривизну в пределах круговой кривой на базовой длине, принятой нормативными документами, определяют осредненную кривизну на заданной длине короткой неровности, определяют для каждой круговой кривой расчетную минимальную температуру закрепления min t_з по формуле:

min t_з=t_{max max}-[Δt_y],

где t_{max max} - наибольшая температура рельсов, возможная в данном географическом пункте, °C,

[Δt_y] - нормативное значение допускаемого превышения температуры рельсовых плетей по сравнению с температурой закрепления, °C,

затем определяют отклонение фактической температуры закрепления рельсовых плетей по формуле:

Δt_рих=К_эп×9360×(К_КН-К_БДН),

где K_эп - коэффициент, учитывающий количество шпал на один километр пути, принимаемый равным К_эп=1 при R≤1200 м и К_эп=0,92 при R>1200 м,

К_КН - кривизна, полученная осреднением текущей кривизны на длине короткой неровности, 1/м,

К_БДН - кривизна, полученная осреднением текущей кривизны на базовой длине, 1/м,

9360 - введенный коэффициент пропорциональности, °C/м^-1, определяют новую температуру закрепления рельсовых плетей в кривой по формуле:

t_о.рих=t_з-Δt_рих,

где t_з - температура закрепления рельсовых плетей, °C,

далее по определению условия устойчивости круговой кривой, определяемому по формуле:

t_o.рих≥min t_з

и найденному запасу поперечной устойчивости бесстыкового пути в пределах круговой кривой (ΔΔt_рих), определяемому по формуле:

ΔΔt_рих=t_о.рих-min t_з,

судят о состоянии рельсошпальной решетки бесстыкового железнодорожного пути.

Сущность способа заключается в следующем.

Вводят в память бортовой вычислительной машины автоматизированного средства измерения геометрических характеристик пути (путеизмерительного вагона) следующие исходные данные каждой пары рельсовых плетей: конструкция пути, дата укладки, условный номер участка бесстыкового пути, координаты начала и конца участка (место укладки, километр, пикет, расстояние начала и конца рельсовой плети (м) от пикетного знака по ходу километров), температура закрепления t_з, паспортные значения радиуса кривых участков с координатами начала и конца переходных кривых и круговой кривой, значения ожидаемых температур для оценки резерва поперечной устойчивости бесстыкового пути, значения допускаемых повышений температур рельсовой плети, интервалы осреднения кривизны.

Измеряют непрерывно кривизну рельсовых плетей в плоскости пути.

Определяют осредненную кривизну в пределах круговой кривой на базовой длине, принятой нормативными документами.

Так, в РФ положение пути в плане согласно нормативному документу [Инструкция по текущему содержанию железнодорожного пути / МПС России. М.: Транспорт, 2000. - 223 с.] нормируется и оценивается по разности стрел изгиба, измеряемых от середины хорды длиной 20 м.

Кривизна, осредненная в круговых кривых на базовой длине, равной 20 м (или базовая кривизна) формируется в процессе укладки рельсошпальной решетки и поддерживается рихтовкой в процессе эксплуатации пути по показаниям вагонов-путеизмерителей. При этой кривизне формируется начальное напряженное состояние и происходит его изменение при изменении температуры рельсовых плетей в процессе эксплуатации. Именно поэтому базовую кривизну можно считать как систему отсчета, относительно которой можно определять изменение кривизны на локальных участках при текущем содержании пути.

Следует отметить, что на железных дорогах ряда стран (Великобритания, Германия, США, Франция, Япония и др.) разность стрел изгиба оценивается при хордах длиной 10 м [Нормы и допуски устройства и содержания пути на зарубежных железных дорогах. Ершков О.П. и др. М.: Транспорт, 1978, с.40].

Существует практика назначения длины осреднения кривизны в зависимости от стоящих задач. Так, например [Технические указания по определению и использованию характеристик устройства и состояния пути, получаемых вагонами-путеобследовательскими станциями ЦНИИ-4 / ОАО «РЖД». - М.: ИКЦ «Академкнига», 2004. - 112 с.: ил.] при скоростях движения пассажирских поездов более 100 км/ч предусмотрено при расчетах параметров пути в плане использовать не мгновенные, а осредненные значения кривизны на скользящем отрезке пути 50 м, причем величина интервала осреднения установлена так, что она на 10 м (20%) перекрывает длину определяемых неровностей.

При оценке параметров содержания в плане используется интервал осреднения кривизны длиной 20 м, а для других случаев используют другие интервалы осреднения кривизны или они (интервалы) задаются руководством Службы пути.

Как отмечено выше, требуемый интервал осреднения кривизны должен быть соизмерим с длиной неровности, требующей определения и должен быть обоснован.

Осреднение в пределах всей круговой кривой было обосновано выше.

Длина осреднения кривизны, равная 20 м, обосновывается также базой вагонов-путеизмерителей (17 м), принятой по конструктивным соображениям, длиной хорды для измерения вагоном-путеизмерителем параметров кривых (21,5 м), а также необходимостью пересчета замеренных значений параметров кривых к хорде длиной 20 м согласно требованиям документа [Инструкция по расшифровке лент и оценке состояния рельсовой колеи… Утв. 14.10.1997 г.].

Определяют осредненную кривизну на заданной длине короткой неровности.

Приведем обоснование длины осреднения коротких неровностей.

Выше (см. таблицу 1) приведены минимальные значения длин неровностей рельсошпальной решетки при нагреве рельсовых плетей. С учетом того что, длина осреднения кривизны должна быть не менее чем на 20% перекрывать искомую неровность пути, то для определения короткой неровности может быть принята длина осреднения кривизны, равная 4 м.

Определяют для каждой круговой кривой расчетную минимальную температуру закрепления min t_з по формуле:

где t_{max max} - наибольшая температура рельсов, возможная в данном географическом пункте, °C,

[Δt_y] - нормативное значение допускаемого превышения температуры рельсовых плетей по сравнению с температурой закрепления, °C.

Затем определяют отклонение фактической температуры закрепления рельсовых плетей Δt_рих (°C) в кривой по формуле:

где К_эп - коэффициент, учитывающий количество шпал на один километр пути, принимаемый равным К_эп=1 при R≤1200 м и К_эп=0,92 при R>1200 м,

K_КН - кривизна, полученная осреднением текущей кривизны на длине короткой неровности, 1/м,

К_БДН - кривизна, полученная осреднением текущей кривизны на базовой длине, 1/м,

9360 - введенный коэффициент пропорциональности, °C/м^-1.

Локальные отступления в плане изменяют К_БДН. Наиболее опасными по условиям поперечной устойчивости являются участки, где кривизна увеличивается.

Так как действующие нормы эксплуатации бесстыкового пути [Технические указания по устройству, укладке, содержанию и ремонту бесстыкового пути / МПС России. - М.: Транспорт, 2000. 96 с.] предполагают его укладку и содержание в определенных температурных интервалах, зависящих от радиуса кривой, то в местах уменьшения радиуса кривой на локальных участках должно быть проверено соблюдение условий устойчивости. Обоснуем корректность использования формулы (2).

Нормативные значения допускаемых превышений температуры [Δt_y] рельсовых плетей [Технические указания по устройству, укладке, содержанию и ремонту бесстыкового пути / МПС России. - М.: Транспорт, 2000. 96 с., табл.II 2.1] в табличной форме (для Р65, ЖБ, Щ) приведены таблице 2.

Указанные в таблице 2 числовые значения [Δt_y] достаточно точно аппроксимируются функцией:

Вычитая (3б) из (3а) получим формулу (2) для определения отклонения фактической температуры закрепления рельсовых плетей (°C).

Определяют новую температуру закрепления рельсовых плетей (t_о.рих) в кривой по формуле:

где t_з - температура закрепления рельсовых плетей, °C.

Алгоритм получения новой температуры закрепления рельсовых плетей изложен в нормативном документе [Технические указания по устройству, укладке и содержанию бесстыкового пути / МПС России. - М.: Транспорт. - 1992. 72 с.].

Далее по определению условия устойчивости круговой кривой, определяемому по формуле:

и найденному запасу поперечной устойчивости бесстыкового пути в пределах круговой кривой (ΔΔt_рих), определяемому по формуле:

судят о состоянии рельсошпальной решетки бесстыкового железнодорожного пути.

Алгоритм определения условий устойчивости при наличии фактора, ослабляющего поперечную устойчивость, изложен в нормативном документе [Технические указания по устройству, укладке, содержанию и ремонту бесстыкового пути / МПС России. - М.: Транспорт, 2000. 96 с.].

Пример реализации способа определения состояния рельсошпальной решетки бесстыкового железнодорожного пути.

Вводят в память бортовой ЭВМ путеизмерителя следующие исходные данные: конструкция пути: рельсовые плети из рельсов P65, шпалы железобетонные, балласт щебеночный, место укладки - станция Сызрань Куйбышевской железной дороги, рельсовые плети уложены и закреплены на шпалах при температуре t_з=30°C, радиус кривой по паспорту (R_п) - 652 м, ожидаемая летняя температура для оценки резерва устойчивости бесстыкового пути t_ож=t_{max max}=61°C, допускаемое повышение температуры рельсовой плети (из табл. П 2.1 [6]) [Δt_y]=43°C, интервалы осреднения кривизны 20 м, 4 м.

Измеряют непрерывно кривизну рельсовых плетей в плоскости пути. Замеренная кривизна приведена на фиг.1.

Определяют осредненную кривизну на длине 20 м. Осредненная кривизна приведена на фиг.2 (I). Максимальная кривизна K₂₀ находится в точке 1 и равна 0,001819 (1/м), что соответствует радиусу кривизны, равному R₂₀=550 m.

Определяют осредненную кривизну на заданной длине 4 м. Осредненная кривизна приведена на фиг.2 (II). Максимальная кривизна К₄ находится в точке 2 и равна 0,002671 (1/м), что соответствует радиусу кривизны, равному Р₄=374 м.

Определяют для каждой круговой кривой расчетную минимальную температуру закрепления min t_з по формуле:

min t_з=t_{max max}-[Δt_y]=61-43=18°C.

Затем определяют отклонение фактической температуры закрепления рельсовых плетей Δt_рих (°C) в кривой по формуле:

Δt_рих-К_эп×9360×(К_КН-К_БДН),

Δt_рих=1,0×9360×(0,002671-0,001819)=7,97=8,0°C.

Определяют новую температуру закрепления рельсовых плетей (t_о.рих) в кривой по формуле:

t_о.рих=t_з-Δt_рих,

t_о.рих=30,0-8,0=22,0°C.

Далее по определению условия устойчивости круговой кривой, определяемому по формуле:

t_о.рих≥min t_з; 22,0°C≥18°С,

и найденному запасу поперечной устойчивости бесстыкового пути в пределах круговой кривой (ΔΔt_рих), определяемому по формуле:

ΔΔt_рих=t_о.рих-min t_з,

ΔΔt_рих=22-18=4°C,

судят о состоянии рельсошпальной решетки бесстыкового железнодорожного пути.

Таким образом, положительный эффект способа заключается в том, что определение осредненной кривизны на длине 4 м (длина короткой неровности) способствует выявлению реально существующего участка кривой с наибольшей кривизной (т.е. наименьшим радиусом), а определение осредненной кривизны на длине 20 м является базой для отсчета максимальной кривизны.

Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявляемого изобретения, позволил установить, что заявитель не обнаружил аналог, характеризующийся признаками, тождественными (идентичными) всем существенным признакам заявляемого изобретения.

Определение из перечня аналогов наиболее близкого технического решения (прототипа) позволило выявить совокупность существенных по отношению к усматриваемому техническому результату отличительных признаков в заявляемом изобретении «Способ определения состояния рельсошпальной решетки бесстыкового железнодорожного пути», изложенных в формуле изобретения.

Следовательно, заявляемое изобретение соответствует критерию «новизна».

Заявляемое изобретение не вытекает для специалиста явным образом из известного уровня техники, не выявлено влияния предусматриваемых существенными признаками заявляемого изобретения преобразований на достижение поставленного технического результата.

Следовательно, заявляемое изобретение соответствует критерию «изобретательский уровень».

Критерий «промышленная применимость» подтверждается тем, что предлагаемый способ может быть эффективно использован на сети железных дорог России и СНГ, оснащенных компьютеризированными путеизмерительными вагонами при соответствующем дополнении программного обеспечения.