Способ определения локальных дефектов поверхности катания железнодорожных рельсов

Авторы патента:

Потапенко Владимир Семенович (RU)

Федоров Денис Владимирович (RU)

G01N29/14 - с использованием акустической эмиссии (G01N 29/06 имеет преимущество)

B61K9/08 - контрольно-измерительные устройства для проверки состояния железнодорожного полотна (применение измерительной аппаратуры или приспособлений при сооружении рельсовых путей E01B 35/00; измерительные приборы G01)

Владельцы патента RU 2717683:

Потапенко Владимир Семенович (RU)
Федоров Денис Владимирович (RU)

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.

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.

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.

Использование: для оценки степени разрушения материалов при акустико-эмиссионном контроле процесса трения твердых, жидких и газообразных тел. Сущность изобретения заключается в том, что для фиксации и преобразования акустических импульсов используется пьезодатчик с частотной характеристикой, перекрывающей собственные частоты акустических импульсов, возникающих при разрушении применяемых в конструкции материалов, подсоединенный к управляющему компьютеру, снабженному программой для непрерывной записи поступающих сигналов; предварительно параметры контрольных импульсов, характерных для применяемых материалов, определяются для трения твердых тел на специальной установке с вращательным или возвратно-поступательным движением при приложении разной нагрузки на трущуюся пару, а для жидких и газообразных тел - на установке, позволяющей прокачивать данные тела вдоль твердой поверхности с разными скоростями и давлениями; при контроле состояния конструкции по параметрам акустических импульсов программными средствами выводятся на экран параметры текущих характерных для данных материалов и тел импульсов и производится их сравнение с контрольными; на основании этого сравнения делается вывод о состоянии конструкции или характере процесса.

Способ низкотемпературного локального нагружения нефтегазопровода при акустико-эмиссионном методе неразрушающего контроля // 2715077

Использование: для низкотемпературного локального нагружения участка нефтегазопровода при акустико-эмиссионном методе неразрушающего контроля. Сущность изобретения заключается в том, что выбирается участок нефтегазопровода для проведения акустико-эмиссионного контроля, где устанавливаются два преобразователя акустических эмиссий, при этом расстояние между ними определяется технической характеристикой акустико-эмиссионного комплекса и нормативных документов, между ними создается локальная упругая деформация нефтегазопровода, регистрируются сигналы акустической эмиссии, по параметрам которых судят о наличии дефекта в материале и сварных соединениях нефтегазопровода, при этом создание упругой деформации локального участка нефтегазопровода достигается за счет низкотемпературного охлаждения поверхности этого участка твердым диоксидом углерода, за счет сублимации твердого диоксида углерода при минус 72°С.

Способ контроля структурного состояния сплавов на основе никелида титана // 2713020

Использование: для контроля структурного состояния сплавов на основе никелида титана при охлаждении сплава в температурном интервале, содержащем интервал превращений.

Оптоволоконный акустико-эмиссионный способ с многослойным покрытием оптического волокна веществами с различной хрупкостью // 2712773

Изобретение относится к прогнозированию на всех стадиях возникновения и развития дефектов в больших инженерных сооружениях. Оптоволоконный акустико-эмиссионный способ включает нанесение хрупкого тензочувствительного материала на многомодовое оптическое волокно, отвердение материала и определение по образующимся в материале трещинам зоны опасных пластических деформаций.

Способ акустико-эмиссионного контроля качества кольцевого сварного шва в процессе многопроходной сварки // 2712659

Использование: для акустико-эмиссионного контроля качества кольцевого сварного шва. Сущность изобретения заключается в том, что устанавливаются по контуру шва широкополосные преобразователи, осуществляют калибровку объекта контроля, устанавливают пороги селекции выше уровня шумов и осуществляют прием возникающих в зоне сварки акустических сигналов и их усиление, фильтрацию сигналов по величине заданной амплитуды, аналого-цифровое преобразование, регистрацию времен прихода сигналов акустической эмиссии на акустические преобразователи, вычисление координат источников акустических сигналов, при этом выполняют построение браковочной сетки после калибровки по контуру сварного шва, устанавливают пороговые значения нормированного коэффициента по суммарной амплитуде, затем в процессе выполнения каждого прохода сварки осуществляют регистрацию сигналов акустической эмиссии и расчет их суммарной амплитуды для вычисления координат активных областей сварного шва и величины нормированного коэффициента Ki,j в каждой ячейке браковочной сетки, сравнивают их с пороговыми значениями и при превышении первого порогового значения дефект считают малозначительным, при превышении второго порога нормированных коэффициентов дефект считается значительным, затем регистрируют сигналы акустической эмиссии в процессе остывания сварного шва и вычисляют нормированные коэффициенты Ki,j по амплитуде и сравнивают с их пороговым значением для этапа остывания сварного шва, после чего, сравнивая полученные данные, корректируют координаты расположения источников акустических сигналов сварного шва.

Способ регистрации и анализа сигналов акустической эмиссии в системе диагностического мониторинга производственных объектов // 2709414

Использование: для регистрации и анализа сигналов акустической эмиссии в системе диагностического мониторинга производственных объектов. Сущность изобретения заключается в том, что обнаружение и выделение сигналов АЭ на фоне шума осуществляют посредством математической обработки зарегистрированного временного ряда зашумленных сигналов АЭ путем их цифровой фильтрации в скользящем временном окне со случайной шумовой компонентой с применением трехкаскадного цифрового фильтра - одномерного полосового нормализующего частотного фильтра, адаптивного спектрально-корреляционного фильтра с переменной линией задержки, двумерного статистического частотно-временного фильтра - в три стадии.

Способ моделирования переходных процессов накопления повреждений в диагностируемом объекте и устройство бифуркационной модели // 2704575

Использование: для моделирования неустойчивых переходных процессов накопления повреждений в диагностируемом объекте с регистрацией точек структурной и системной бифуркации.

Способ акустико-эмиссионного контроля сосудов, работающих под давлением // 2704146

Использование: для диагностики сосудов и трубопроводов, работающих под давлением, методом акустической эмиссии. Сущность изобретения заключается в том, что проводят предварительное исследование акустических свойств объекта контроля, затем устанавливают первичные преобразователи, проверяют работоспособность акустико-эмиссионной аппаратуры и проводят калибровку каналов, регистрируют сигналы акустической эмиссии, определяют координаты развивающихся дефектов и судят об их степени опасности, первоначально нагружают контролируемый объект до 5% от испытательного давления, регистрируют акустическую эмиссию, разбивают ее на сигналы одинаковой длительности, для каждого сигнала определяют максимальную амплитуду, размах, количество пересечений нулевой линии и количество локальных максимумов амплитуды, отмечают сигналы с шумами и/или помехами, фиксируют их в базе данных, затем продолжают нагружение до испытательного давления, сравнивают параметры каждого сигнала с параметрами из базы данных и в случае подобия считают сигнал неинформативным.

Акустико-эмиссионный способ определения дефектов структуры образца из углепластика // 2704144

Использование: для определения дефектов структуры образца из углепластика. Сущность изобретения заключается в том, что сначала зона контроля образца из углепластика разбивается на квадратные ячейки, в каждой из которых осуществляется регистрация сигналов акустической эмиссии от имитатора, их локация, затем для каждой ячейки, в которой имеется локация сигналов, определяются структурные коэффициенты РИ и критическое значение MARSE, после чего осуществляется ступенчатое статическое нагружение образца увеличивающейся нагрузкой и при появлении в процессе нагружения в ячейках образца устойчивой локации сигналов, рассчитывается параметр MARSE и при превышении его критического значения определяется структурный коэффициент РН для данной ячейки, зона устойчивой локации накрывается локационной сеткой, определяется размер ячейки по скорости распространения акустического сигнала в материале образца, дефект считается опасным при условии, если в ячейке у сигналов параметр MARSE превышает его критическое значение, затем путем сравнения структурных коэффициентов, полученных при работе имитатора РИ и в процессе нагружения РН, судят о типе дефекта в образце: значение РН≤РИ соответствует разрушению матрицы, расслоению композиционного образца, а РР≥РИ - разрыву волокон материала образца.

Способ определения изменения устойчивости мерзлых грунтовых оснований // 2699385

Изобретение относится к инженерно-геологическим изысканиям, в частности к способам определения изменения устойчивости мерзлых грунтовых оснований. Согласно заявленному способу в грунтовом основании размещают зонды, каждый из которых содержит нагревательный элемент, приемный акустический преобразователь и термометр.

Автоматизированная система коммерческого осмотра поездов и вагонов с модульной архитектурой (аско пв 3.0) // 2713132

Изобретение относится к автоматизированным средствам осмотра поездов и вагонов. Система включает П-образную несущую конструкцию, на которой размещены телевизионные камеры, тепловизионные камеры, сканирующие лазерные дальномеры, установленные на рельсах датчики давления, ПЭВМ с монитором, контроллер автоматического распознавания инвентарных номеров вагонов, контроллер перегрева элементов тележек, контроллер перегрева тугоплавкой вставки токоприемника, контроллер оценки данных датчиков давления, включающий блок записи информации о давлении колеса на каждый датчик, блок перегрузки колесной пары, блок критического смещения груза по ширине вагона, блок неисправностей колесной пары, система также включает контроллер критического износа тугоплавкой вставки токосъемника, содержащий последовательно соединенные блоки селекции изображений, записи телевизионных изображений, распознавания изображения тугоплавкой вставки, измерения длины и высоты тугоплавкой вставки, определения соотношения длины и высоты тугоплавкой вставки и блок сравнения.

Способ и устройство определения параметров ремонтного профиля головки рельса // 2708520

Изобретение относится к железнодорожному транспорту и может быть использовано для определения параметров ремонтного профиля рельса при его шлифовке для восстановления поверхности катания рельсов.

Бортовое устройство для диагностики состояния рельсового пути // 2704692

Изобретение относится к области неразрушающего контроля и может быть использовано на железнодорожном транспорте для контроля состояния рельсового пути. Бортовое устройство для диагностики состояния рельсового пути содержит модуль связи, навигационный модуль и вибродатчик, соединенный через преобразователь входных сигналов с процессором, к которому подключен блок памяти, модуль привязки дефекта с координатой и регистрации, инерциальный модуль позиционирования, модуль памяти с цифровой картой пути, блок корректировки, блок автоматической калибровки, акустический датчик и датчик температуры.

Способ измерения нагрузок на рельсы при воздействии колес железнодорожного подвижного состава // 2704141

Изобретение относится к области метрологии и предназначено для определения нагрузок (вертикальных и боковых сил), воздействующих на поверхность катания и боковую грань головки рельса при его контактном взаимодействии с колесом подвижного состав.

Система и способ непрерывного мониторинга состояния контактной сети рельсового транспорта // 2701887

Изобретение относится к средствам мониторинга и контроля состояния контактной сети рельсового транспорта. Система содержит датчики физических параметров подвески, распределенные по крайней мере на одном анкерном участке контактной сети, блок сбора информации, формируемой датчиками, блок обеспечения обработки информации, собранной блоком сбора информации и блок оповещения персонала об аварийной ситуации на участке контактной сети, расположенном на анкерном участке, где блок сбора информации и блок обеспечения обработки информации выполнены подключёнными по цепям питания по крайней мере к одному блоку бесперебойного питания, блок обеспечения обработки информации выполнен бесперебойно подключенным к блоку сбора информации и выполнен обеспечивающим обработку информации таким образом, что по результатам обработки информации, формируемой датчиками, непрерывно формируются решения о гарантированном отсутствии или о возможном наличии аварийной ситуации на анкерном участке, и при формировании решения о возможном наличии аварийной ситуации формируется оповещение о возможности возникновения аварийной ситуации, пересылаемое по сети бесперебойной передачи данных на мобильные устройства оперативного персонала, ответственного за участок контактной сети, на котором расположен анкерный участок.

Способ прогнозирования развитий аномалий в головке рельсов // 2699942

Использование: для оценки состояния рельсов. Сущность изобретения заключается в том, что по рельсовому пути перемещают дефектоскопические средства, зондируют ими головку рельсов, оценивают полученные сигналы, обнаруживают аномалии и регистрируют их с привязкой к координатам рельсового пути, дополнительно по результатам зондирований формируют интегральный параметр каждой аномалии, при последующих перемещениях дефектоскопических средств по рельсовому пути повторяют зондирования, сравнивают интегральные параметры текущих и ранее найденных аномалий, оценивают динамику изменения интегрального параметра каждой аномалии, прогнозируют перспективы ее развития и планируют ремонтные мероприятия.

Способ определения состояния рельсового транспортного средства // 2691547

Изобретение относится к средствам диагностики на железнодорожном транспорте для определения параметров состояния рельсового пути и транспортного средства. В способе по меньшей мере на одном из этапов регистрации с помощью первого датчика сигналов (106.1, 106.2, 106.3) от конструкции, находящейся внутри рельсового транспортного средства (101), получают по меньшей мере один текущий первый сигнал регистрации, коррелирующий с текущим значением параметра состояния, причем для получения текущего первого сигнала регистрации используют датчик сигналов (106.1, 106.2, 106.3) мобильного оконечного устройства (106).

Способ определения выброса плетей бесстыкового железнодорожного пути // 2687852

Изобретение относится к способам измерения механических напряжений при деформации твердых тел с использованием измерительных приборов для измерения линейного сжатия или растяжения, например, с помощью резисторных тензометров.

Дефектоскоп для контроля рельсов // 2686409

Использование: для дефектоскопии рельсов. Сущность изобретения заключается в том, что дефектоскоп содержит связанные между собой управляющий процессор (1) и исполнительный блок (2) и соединенный с ними блок питания (3).

Способ определения параметров геометрии рельсовой колеи и система для его осуществления // 2686341

Изобретение относится к области железнодорожной автоматики и телемеханики для непрерывной регистрации пространственного положения рельсовой колеи при диагностике пути, проектно-изыскательских и других видов работ.