Способ и установка для обнаружения повреждения шпалы
Изобретение относится к области обслуживания железнодорожных путей. Согласно способу обнаружения повреждения в опорном блоке железнодорожного пути возбуждают опорный блок (40, 42), затем измеряют вибрационный отклик опорного блока, определяют, по меньшей мере, первую собственную частоту (F1) первой собственной моды опорного блока по измеренному вибрационному отклику, и определяют, по меньшей мере, уровень повреждения опорного блока, по меньшей мере, исходя из упомянутой первой собственной частоты. В результате отслеживание опоры рельса осуществляется просто и быстро. 4 н. и 11 з.п. ф-лы, 3 табл., 4 ил.
Область техники, к которой относится изобретение
Данное изобретение относится к области обслуживания железнодорожных путей, таких как, например, но не исключительно, железнодорожные пути, не требующие балласта. В железнодорожных путях этого типа балласт заменяется неармированной бетонной плитой, в которую встроены крепёжные системы, к которым прикрепляются рельсы. Принимая во внимание, что балластные железнодорожные пути обычно обеспечиваются неразъемными шпалами (или «шпалами»), которые соединяют два рельса вместе, безбалластные железнодорожные пути обычно обеспечиваются независимыми системами крепежа, возможно соединёнными вместе металлической промежуточной деталью.
Уровень техники
В настоящее время такие безбалластные железнодорожные пути можно найти в железнодорожных туннелях, мостах и на некоторых высокоскоростных линиях.
Среди таких крепёжных систем одна конкретная система, разработанная поставщиком Sonneville, известна под зарегистрированным товарным знаком LVT (железнодорожные пути с низкой вибрацией).
Этот тип крепёжной системы обычно содержит опору рельса в форме блока, обычно называемого «опорным блоком». Таким образом, опорный блок представляет собой блок, к которому прикрепляется рельс. Опорный блок традиционно изготавливается из бетона, в основном из железобетона. Опорный блок размещается в резиновой крышке, которая встроена в неармированную бетонную плиту, расположенную под железнодорожным путём, таким образом отделяя опорный блок от плиты.
Этот тип железнодорожного пути страдает от старения вследствие многократного прохождения поездов. Это приводит к постепенной деградации крепёжных систем и, в частности, опорных блоков. Эта деградация происходит более или менее быстро в зависимости от плотности железнодорожного движения.
Было обнаружено, что опорные блоки подвергаются механическим воздействиям, связанным с четырьмя основными перемещениями рельса: вертикальными и поперечными смещениями и поворотом вокруг двух горизонтальных осей. Эти перемещения приводят к возникновению зон концентрации напряжений в каждом компоненте крепёжной системы, которые отвечают за повреждение. Кроме того, отслеживание разрушения компонентов крепёжной системы оказывается затруднительным, поскольку крепёжная система вставляется в бетонную плиту.
Опорный блок является одним из наиболее важных компонентов в крепёжной системе. Когда он становится повреждённым, система крепежа больше не поддерживает рельс правильно. Следовательно, срок службы опорного блока, таким образом, также представляет срок службы крепёжной системы.
Более конкретно, изобретение относится к обнаружению повреждений в опорных блоках, в частности для безбалластных железнодорожных путей.
Так как опорный блок вставляется в крышку, которая сама вставляется в основную нижележащую плиту, любые трещины, которые появляются внутри, или на нижней, или боковых поверхностях опорного блока не могут быть легко обнаружены с внешней стороны во время операций инспектирования железнодорожного пути.
Кроме того, трудно предусмотреть систематическое удаление крепёжных систем, поскольку для этого потребуется удалять рельс и извлекать крепёжные системы из плиты, что потребует значительного количества времени при низкой эффективности. Кроме того, когда крепёжная система удаляется из полости в плите, может быть сложно поставить ее на прежнее место.
Раскрытие сущности изобретения
Задачей настоящего изобретения является предложение способа обнаружения повреждения в опорном блоке железнодорожного пути, причём этот способ позволяет осуществлять отслеживание опоры рельса просто и быстро.
Для выполнения этой задачи настоящее изобретение обеспечивает способ обнаружения повреждения в опорном блоке железнодорожного пути, причём способ содержит:
- возбуждение опорного блока; затем
- измерение вибрационного отклика опорного блока;
- определение, по меньшей мере, первой собственной частоты первой собственной моды опорного блока по измеренному вибрационному отклику; а также
- определение, по меньшей мере, уровня повреждения опорного блока, по меньшей мере из упомянутой первой собственной частоты.
Таким образом, можно понять, что способ обнаружения, в соответствии с настоящим изобретением, является неразрушающим, то есть он позволяет оценить уровень повреждения без необходимости разрушать опорный блок, чтобы обнаружить наличие внутренних трещин.
Другое преимущество способа обнаружения изобретения состоит в том, что он может быть выполнен просто и быстро, поскольку он не требует демонтажа рельсов и не требует извлечения опорных блоков из бетонной плиты, лежащей под железнодорожным путём. Таким образом, изобретение позволяет выполнение операций по техническому обслуживанию на железнодорожных путях более эффективным и менее дорогим способом.
Другое преимущество изобретения состоит в том, что способ обнаружения, согласно изобретению, может быть автоматизирован, как подробно описано ниже, что позволяет легко действовать в местах, ограниченных или труднодоступных для оператора, таких как, например, подземные железнодорожные туннели.
Особенно предпочтительным образом способ обнаружения, согласно изобретению, может использоваться в контексте технического обслуживания железнодорожного туннеля и, в частности, в туннелях большой длины, как на суше, так и под водой. Изобретение также находит применение при обнаружении повреждений в железобетонных опорных блоках, таких как опорные блоки в системе LVT (зарегистрированный товарный знак) от поставщика Sonneville AG, или эквивалентных опорных блоках.
Способ обнаружения предпочтительно выполняется на железнодорожном пути, содержащем первый рельс и второй рельс, причём первый рельс располагается и, в частности, закрепляется на первых опорных блоках, тогда как второй рельс располагается и, в частности, закрепляется на вторые опорные блоки, которые являются независимыми от первых опорных блоков в направлении, поперечном к первому рельсу. Обычно вторые опорные блоки и первые опорные блоки являются отдельными и разнесены друг от друга. Тем не менее, некоторые из первых опорных блоков могут быть соединены со вторыми опорными блоками с помощью металлических распорок. Этот тип конфигурации может упоминаться как «шпала с двумя блоками».
Способ обнаружения согласно изобретению предпочтительно, но не обязательно, выполняется, когда опорный блок прикрепляется к рельсу, то есть обнаружение повреждений выполняется на железнодорожном пути. Способ по настоящему изобретению также может быть выполнен, когда рельсы не закреплены на опорном блоке. Предпочтительно, но не исключительно, способ обнаружения выполняется на безбалластном железнодорожном пути.
В контексте настоящего изобретения термин «первая собственная мода» (также определяемая как «нормальное колебание»), используются для обозначения одной из собственных мод вибрации опорного блока. Предпочтительно, но не исключительно, эта собственная мода имеет самую низкую собственную частоту. Не выходя за рамки настоящего изобретения, эта собственная мода, тем не менее, может быть другой собственной модой. Предпочтительно, первая собственная частота превышает 100 герц (Гц), и предпочтительно, превышает 200 герц. При замене опорных блоков, то есть опорных блоков, которые были заложены для замены оригинальных опорных блоков, первая собственная частота превышает 300 Гц.
Предпочтительно вибрационный отклик измеряется датчиком вибрации, например, таким как акселерометр или измеритель вибрации до преобразования известным способом в функцию частотной характеристики (FRF) с помощью математического способа типа преобразования Фурье. Первая собственная частота первой собственной моды, предпочтительно, определяется из функции частотной характеристики, предпочтительно с использованием средств вычисления.
Предпочтительно пики частоты ниже порогового значения, например, 100 Гц или 200 Гц, отфильтровываются, то есть они не учитываются. При замене опорных блоков выбранное пороговое значение составляет около 300 Гц. Для этой цели определяется самая низкая собственная частота, которая должна быть выше отфильтрованных частот.
Кроме того, когда анализируемый опорный блок не прикреплён к рельсу, нет необходимости переходить к этому этапу фильтрации.
По необязательному выбору может быть выполнено множество последовательных возбуждений, например, посредством возбуждения различных зон опорного блока, чтобы быть уверенным в получении первой собственной частоты, которая соответствует первой собственной моде. В другом варианте, возбуждение может быть выполнено на рельсе, который крепится к опорному блоку, или на боковую поверхность.
Тем не менее, и в предпочтительном способе, одно возбуждение осуществляется путём воздействия на концевом участке опорного блока, предпочтительно на его верхней поверхности. Также предпочтительно, если единственное возбуждение состоит в реализации локализованного воздействия или постукивания на продольную концевую зону опорного блока.
Вибрационный отклик предпочтительно измеряется на некотором расстоянии от зоны удара. В качестве неограничивающего примера, зона измерения и зона воздействия расположены на двух противоположных концевых участках верхней поверхности опорного блока, более предпочтительно на двух концах диагонали верхней поверхности опорного блока.
Уровень повреждения затем определяется по первой собственной частоте, которая определяется из измеренного вибрационного отклика.
В зависимости от значения первой собственной частоты способ оценивает уровень повреждения, например, низкий или высокий.
Кроме того, предпочтительно, чтобы обнаружить уровень повреждения опорного блока, первая собственная частота сравнивается с, по меньшей мере, одним первым предварительно определённым значением частоты.
Это сравнение может быть выполнено с использованием средств вычисления.
Например, если первая собственная частота выше, чем первое предварительно определённое значение частоты, то считается, что опорный блок исправен, тогда как если первая собственная частота ниже, чем первое предварительно определённое значение частоты, то считается, что опорный блок является повреждённым.
Предпочтительно, первое предварительно определённое значение частоты получается путём определения собственных частот множества образцов опорных блоков, для которых были установлены уровни повреждений. Предпочтительно, образцы опорных блоков имеют разные уровни повреждений.
В предпочтительном варианте осуществления изобретения для определения уровня повреждения первое предварительно заданное значение частоты сравнивается с множеством предварительно заданных значений частоты. Другими словами, первое значение собственной частоты помещается в шкалу значений частоты, которые ранее были определены из собственных частот вышеупомянутых образцов опорных блоков.
Одним из преимуществ является уточнение характеристики уровня повреждения.
Например, когда выбраны два предварительно заданных значения частоты, если первая собственная частота ниже, чем самая низкая предварительно заданная частота, то считается, что опорный блок поврежден. Если первая собственная частота выше, чем самая высокая предварительно заданная частота, то считается, что опорный блок исправен. Если первая собственная частота лежит между самым высоким и самым низким предварительно заданными значениями частоты, то считается, что опорный блок имеет трещины.
Чтобы дополнительно уточнить квалификацию повреждения, можно использовать большее количество предварительно заданных значений частоты, полученных из первых собственных частот образцов опорных блоков.
В качестве неограничивающего примера, для пяти предварительно заданных значений частоты могут быть установлены следующие уровни:
- уровень 0: исправный блок;
- уровень 1: наличие мелких трещин;
- уровень 2: наличие крупных трещин;
- уровень 3: наличие трещин и сломанной усиливающей арматуры;
- уровень 4: сломанный блок.
Также было замечено, что определение первой собственной частоты первой собственной моды служит для обнаружения вертикальных трещин.
В предпочтительном варианте осуществления определяется, по меньшей мере, вторая собственная частота второй собственной моды опорного блока, и первый тип повреждения в опорном блоке определяется по первой и второй собственным частотам.
Первый тип повреждения служит для лучшей характеристики уровня повреждения путём определения того, был ли опорный блок повреждён посредством определённого типа повреждения, таким как, например, расслаивание или горизонтальное растрескивание.
Предпочтительно, чтобы определить первый тип повреждения в опорном блоке, значение определяется из первого и второго значения собственных частот, и упомянутое значение сравнивается с, по меньшей мере, одним первым предварительно заданным коэффициентом.
Предпочтительно, чтобы определять первый тип повреждения в опорном блоке определяется соотношение между первыми и вторыми собственными частотами, которое сравнивается с вышеупомянутым первым предварительно заданным коэффициентом.
Первый коэффициент может быть определён заранее из анализа вышеупомянутых образцов опорных блоков, для которых ранее было охарактеризовано наличие повреждения первого типа, если таковое имеется.
Авторы изобретения заметили, что соотношение значений, превышающее первый предварительно заданный коэффициент, характеризует наличие расслоения или горизонтального растрескивания в бетоне. Для образцов опорных блоков было обнаружено, что соотношение, превышающее первый предварительно заданный коэффициент, лежащий в диапазоне от 0,5 до 1,5, служит для характеристики наличия расслоения или предварительно определённого растрескивания.
Предпочтительно, измеренный вибрационный отклик используется также для определения по меньшей мере первого коэффициента демпфирования, относящегося к первой собственной моде опорного блока, а второй тип повреждения определяется из первого коэффициента демпфирования.
Преимущество состоит в том, что имеется возможность дополнительно уточнять характеристику повреждения в опорном блоке.
Предпочтительно, первый коэффициент демпфирования сравнивается с предварительно определённым эталонным значением.
Предпочтительно, это эталонное значение аналогичным образом определяется заранее с помощью образцов опорных блоков. Авторы настоящего изобретения обнаружили, что первый коэффициент демпфирования больше, чем предварительно определённое эталонное значение, которое служит для характеристики того, что по меньшей мере, одна часть опорного блока становится отделённой. Анализ вышеупомянутых испытаний опорных блоков показал, что первый коэффициент затухания больше, чем эталонное значение, лежащее в диапазоне от 2% до 4%, служит для характеристики того, что, по меньшей мере, одна часть становится отделённой от опорного блока.
Когда рельс располагается на опорном блоке, положение рельса на опорном блоке определяют первая и вторая поверхности на верхней поверхности опорного блока, причём эти поверхности располагаются по обеим сторонам рельса.
Предпочтительно, опорный блок возбуждается воздействием на первую поверхность, а вибрационный отклик измеряется от второй поверхности.
Предпочтительно, опорный блок возбуждается в зоне возбуждения, расположенной на первой концевой части опорного блока, в то время как вибрационный отклик измеряют в измерительной зоне, расположенной на второй концевой части опорного блока, которая находится напротив первой концевой части.
Предпочтительно, опорный блок возбуждается путём удара или постукивания по указанному опорному блоку. В качестве примера, это воздействие производится при падении объекта, например, такого, как стальной шарик, на верхнюю поверхность опорного блока. Предпочтительно энергия удара лежит в диапазоне от 0,05 Джоулей (Дж) до 1,5 Дж.
В предпочтительном варианте осуществления изобретения опорный блок выполнен из бетона, предпочтительно из железобетона.
Изобретение также предусматривает использование способа обнаружения настоящего изобретения для определения, по меньшей мере, одного уровня повреждения опорного блока, на котором укладывают рельсы предпочтительно для безбалластного железнодорожного пути.
Изобретение также предусматривает установку для обнаружения, используемую для обнаружения повреждения в первом опорном блоке, прикреплённом к первому рельсу железнодорожному пути, посредством выполнения способа обнаружения изобретения, упомянутая установка для обнаружения содержит:
- по меньшей мере, первое устройство возбуждения, используемое для возбуждения, по меньшей мере, первого опорного блока;
- по меньшей мере, первое измерительное устройство для измерения вибрационного отклика первого опорного блока; а также
- по меньшей мере, одно вычислительное устройство для определения, по меньшей мере, первой собственной частоты первой собственной моды первого опорного блока из измеренного вибрационного отклика первого опорного блока, а также для определения уровня повреждения первого опорного блока.
В качестве примера, вычислительное устройство представляет собой компьютер, который подключается к первому измерительному устройству через беспроводное или проводное соединение, причём этот компьютер подходит для подключения к измерительному устройству посредством Интернета или любой другой компьютерной сети.
Предпочтительно, первое возбуждающее устройство содержит ударный элемент. Аналогично, второе возбуждающее устройство содержит ударный элемент.
Предпочтительно, первое измерительное устройство содержит, по меньшей мере, один лазерный датчик, предпочтительно, лазерный измеритель вибрации, или любое другое средство для измерения вибрации. Аналогичным образом, второе измерительное устройство предпочтительно содержит лазерный измеритель вибрации.
И наконец, изобретение обеспечивает тележку обнаружения, чтобы обнаруживать повреждение в опоре рельса, прикрепленной к первому рельсу железнодорожного пути, при этом тележка обнаружения содержит:
- по меньшей мере, первое возбуждающее устройство для установки первой опоры рельса в режим вибрации; и
- по меньшей мере, первое измерительное устройство для измерения вибрационного отклика первой опоры рельса.
Предпочтительно, тележка для обнаружения дополнительно содержит:
- второе возбуждающее устройство для возбуждения по меньшей мере, второго опорного блока, прикреплённого ко второму рельсу железнодорожного пути; и
- по меньшей мере, второе измерительное устройство для измерения вибрационного отклика второго опорного блока.
Тележка устанавливается на колёсах, и в одном варианте осуществления она может перемещаться вдоль железнодорожного пути посредством перемещения по бетонной плите.
В предпочтительном варианте осуществления изобретения тележка для обнаружения представляет собой железнодорожную тележку, содержащую:
- по меньшей мере, первое колесо, имеющее ось и выполненное с возможностью взаимодействия с первым рельсом;
- по меньшей мере, первое устройство возбуждения для установки первого опорного блока в режим вибрации; а также
- по меньшей мере, первое измерительное устройство для измерения вибрационного отклика первого опорного блока;
первое возбуждающее устройство и первое измерительное устройство располагаются по обе стороны от плоскости, перпендикулярной к оси и содержащей первое колесо.
С помощью этой конфигурации, первый опорный блок может быть возбуждён и вибрационный отклик может быть измерен на противоположных концевых участках первого опорного блока.
Одно из преимуществ состоит в том, что становится возможным при одном возбуждении получать, по меньшей мере, первую и вторую собственные частоты первой и второй собственных мод, а также, по меньшей мере, первый коэффициент демпфирования первой собственной моды.
Предпочтительно тележка дополнительно содержит:
- двигатель для приведения во вращение, по меньшей мере, первого колеса; и
- позиционирующее устройство, выполненное с возможностью управлять двигателем таким образом, чтобы позиционировать железнодорожную тележку относительно первого опорного блока.
Преимущество изобретения состоит в том, что имеется возможность автоматизировать операции обнаружения повреждения, с помощью тележки, проходящей вдоль железнодорожного пути в автономном режиме и позиционирующей себя по отношению к каждому опорному блоку для проведения проверки.
Например, устройство позиционирования содержит датчик положения, сконфигурированный для идентификации одного из составных элементов системы крепления, такого как, например, гайка. Таким образом, тележка позиционируется относительно этого элемента.
Краткое описание чертежей
Изобретение будет более понятным при прочтении последующего описания вариантов осуществления изобретения, приведённых в качестве неограничивающих примеров и со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:
на фиг. 1 представлен безбалластный железнодорожный путь, снабжённый опорными блоками;
на фиг. 2 представлена схема установки для обнаружения, в соответствии с настоящим изобретением, для осуществления способа обнаружения в соответствии с настоящим изобретением;
на фиг. 3 показан опорный блок, при этом показаны зоны измерения возбуждения и вибрационного отклика, вид сверху;
на фиг. 4 показан вариант осуществления тележки для обнаружения в соответствии с изобретением.
Осуществление изобретения
На фиг. 1 показана часть железнодорожного пути 10, содержащая первый рельс 12 и второй рельс 14, которые параллельны друг другу и разнесены между собой. В этом примере часть железнодорожного пути находится на прямой линии. Естественно, изобретение применимо к другим участкам железнодорожного пути, таким как изогнутые пути, стрелки (или «железнодорожные стрелки») или к любому другому типу участка пути.
Первый рельс 12 прикрепляется к первым крепёжным системам 16 посредством элементов 18 крепления, тогда как второй рельс 14 прикрепляется ко вторым крепёжным системам 20 с помощью элементов 22 крепления.
Каждая из систем из числа первой и второй крепёжных систем 16, 20 встраивается в плиту 30 из неармированного бетона, по которой проходит железнодорожный путь 10.
Как можно увидеть на фиг. 1, первые крепёжные системы 16 разнесены друг от друга вдоль продольного направления первого рельса 12. Аналогичным образом, вторые крепёжные системы 20 разнесены друг от друга вдоль продольного направления второго рельса 14.
Также на фиг. 1 можно увидеть, что первые крепёжные системы 16 разнесены от вторых крепёжных систем 20 в направлении, проходящем перпендикулярно к продольному направлению первого рельса 12.
Другими словами, первые крепёжные системы независимы от вторых крепёжных систем. В одном варианте осуществления первая и вторая крепёжные системы могут быть соединены друг с другом металлической промежуточной деталью, чтобы образовать двухблочную шпалу.
Далее следует описание одной из первых крепёжных систем 16. В хорошо известном способе и в качестве примера крепёжная система 16 относится к типу железнодорожных путей LVT с низкой вибрацией (зарегистрированный товарный знак) и содержит:
- первый бетонный опорный блок 40;
- прокладку под рельсом (не показана), размещённую между первым опорным блоком 40 и рельсом;
- упругую прокладку под блоком (не показана), расположенную под первым опорным блоком 40; а также
- резиновую крышку (не показана), на которую опираются первый бетонный опорный блок и упругая прокладка.
Упругая прокладка служит для распределения нагрузок и снижения влияния низких частот. Прокладка под рельсом служит для защиты крепёжной системы от воздействия высоких частот.
Упругая прокладка вставляется в бетонную плиту 30.
Известным способом конструкция резиновой крышки предотвращает любой контакт между первым опорным блоком 40 и бетонной плитой 30. Кроме того, прокладка под блоком обеспечивает очень низкую жёсткость системы при динамических нагрузках.
Первый опорный блок 40 представляет собой блок из железобетона, который сам по себе включает в себя почти весь вес крепёжной системы. Эта конструкция спроектирована таким образом, чтобы она могла выдерживать как вертикальную нагрузку (сжатие), так и горизонтальную нагрузку (сдвиг) в результате того, что первый опорный блок 40 вставляется в плиту 30.
В качестве примера, первые опорные блоки могут иметь следующие характеристики:
- длина несущей поверхности (L): 640 миллиметров (мм);
- ширина опорной поверхности (l): 264 мм; и
- толщина участка, находящегося под рельсом: 200 мм.
Прокладка под блоком предпочтительно выполнена из этиленвинилацетата, тогда как резиновая крышка предпочтительно выполнена из бутадиен-стирольного каучука (SBR).
В этом примере первый и второй рельсы 12 и 14 являются рельсами известного типа Vignole.
В этом примере вторые крепёжные системы 20 идентичны первым крепёжным системам 16. Таким образом, вторые крепёжные системы 20 содержат вторые опорные блоки 42, которые идентичны первым опорным блокам 40.
В примере, показанном на фиг. 1, железнодорожный путь 10 не имеет какого-либо балласта. Тем не менее, настоящее изобретение может быть реализовано и в балластном железнодорожном пути.
Фиг. 2 показывает схему установки 100 для обнаружения повреждения в первом опорном блоке 40, прикреплённом к первому рельсу 12 железнодорожного пути 10. В этом примере, упомянутая установка 100 также служит для обнаружения возможных повреждений во вторых опорных блоках 42, как показано на фиг. 1.
Установка 100 выполнена с возможностью осуществления способа обнаружения, согласно изобретению, как описывается ниже.
Установка 100 для обнаружения повреждения имеет первое возбуждающее устройство 102 для возбуждения первого опорного блока 40. Другими словами, первое устройство 102 возбуждения выполнено с возможностью вызывать вибрацию первого опорного блока 40.
В этом примере устройство 102 возбуждения содержит грузик 104, который выполнен с возможностью вертикального перемещения таким образом, чтобы ударяться об верхнюю поверхность 41 первого опорного блока 40. В качестве примера, грузик 104 высвобождается на заданной высоте, для того чтобы ударять первый опорный блок 40 вертикально.
Другими словами, первое устройство 102 возбуждения является ударным устройством.
Как можно увидеть на фиг. 3, в этом примере первый опорный блок 40 возбуждается в зоне ZE возбуждения, которая располагается в первой продольной концевой части 41а первого опорного блока 40. Если более точно, эта зона ZE возбуждения располагается в углу верхней поверхности 41 первого опорного блока 40. В этом примере, воздействие от ударного устройства 104 является постукиванием, энергия которого составляет порядка 0,1 Дж в этом примере.
Установка 100 также имеет, по меньшей мере, одно первое измерительное устройство 110 для измерения вибрационного отклика первого опорного блока 40 в результате возбуждения, т.е. возбуждение было вызвано вибрированием с помощью первого устройства 102 возбуждения.
В этом примере первое измерительное устройство 110 представляет собой измеритель вибрации, который включает в себя лазерный датчик. Вибрационный отклик измеряется в измерительной зоне ZM, показанной на фиг. 3, которая располагается во второй продольной концевой части 40b первого опорного блока 40. Как можно увидеть на фиг.3, этот второй продольный конечный участок 40b располагается противоположно первой продольной концевой части 40а. В этом примере измерительная зона ZM находится в углу верхней поверхности 41 первого опорного блока 40, который располагается противоположно зоне возбуждения. Другими словами, зона измерения и зона возбуждения расположены на концах диагонали D верхней поверхности 41 первого опорного блока 40.
В другом варианте зона измерения и зона возбуждения также могут быть расположены по существу симметрично относительно рельса.
Поскольку первый рельс располагается на первом опорном блоке, то можно увидеть, что положение первого рельса 12 на первом опорном блоке 40 определяет на верхней поверхности опорного блока первую поверхность 41а и вторую поверхность 41b, которые располагаются по обеим сторонам от первого рельса. Таким образом, можно увидеть, что зона ZE возбуждения и зона ZM измерения располагаются по обе стороны относительно первого рельса 12.
Установка 100 также имеет, по меньшей мере, одно вычислительное устройство 112, например, компьютер, для определения, по меньшей мере, первой собственной частоты F1 первой собственной моды первого опорного блока 40 на основе вибрационного отклика первого опорного блока 40, измеренного измерителем вибрации. Для этой цели вычислительное устройство 112 имеет средство 114 для преобразования вибрационного отклика в функцию частотного отклика (FRS). Вычислительное устройство 112 также имеет средство 115 для обнаружения первой собственной частоты F1, второй собственной частоты F2, и первого коэффициента А1 демпфирования, относящихся к первой собственной моде первого опорного блока 40.
Вычислительное устройство 112 также имеет средство 116 для определения, по меньшей мере, одного уровня повреждения из первой собственной частоты, первого типа повреждения и второго типа повреждения в первом опорном блоке 40, исходя из первой собственной частоты F1, из второй собственной частоты F2 и из первого коэффициента А1 демпфирования, а также из данных, ранее сохранённых в базе 118 данных.
В этом примере, установка 100 также имеет устройство 120 для отображения уровня повреждения, вместе с первыми и вторыми типами повреждений в первом опорном блоке 40.
В предпочтительном аспекте изобретения, по меньшей мере, часть установки 100 располагается на тележке 200, показанной на фиг. 4.
В этом примере тележка 200 представляет собой железнодорожную тележку. Не выходя за пределы объёма изобретения, тележка может представлять собой подвижную тележку, снабжённую колёсами, расположенными вдоль железнодорожного пути.
Железнодорожная тележка 200, показанная на фиг. 4, содержит раму 202, имеющую пару первых железнодорожных колёс 204 и пару вторых железнодорожных колёс 206. Понятно, что первые железнодорожные колёса 204 выполнены с возможностью взаимодействия с первым рельсом 12, тогда как вторые железнодорожные колёса 206 выполнены с возможностью взаимодействия со вторым рельсом 14.
На этой фигуре также можно увидеть, что первое колесо 204 имеет ось X вращения.
Тележка 202 также имеет вышеописанное первое устройство 102 возбуждения и первое устройство 110 измерения.
Также можно увидеть, что первое возбуждающее устройство 102 и первое измерительное устройство 110 расположены по обе стороны от плоскости P, которая перпендикулярна оси X и которая содержит первое колесо 204.
Кроме того, тележка также имеет первый двигатель 210 для приведения во вращение, по меньшей мере, первого колеса 204.
Тележка также имеет устройство 212 позиционирования, которое выполнено с возможностью управления двигателем 210 для того, чтобы позиционировать тележку 200 относительно первого опорного блока 40.
Со ссылкой на фиг. 4, можно увидеть, что тележка 200 также имеет второе устройство 102' возбуждения, идентичное первому устройству 102 возбуждения, используемое для возбуждения, по меньшей мере, одного второго опорного блока 42, прикреплённого ко второму рельсу 14 железнодорожного пути 10.
Она также имеет второе измерительное устройство 110', идентичное первому измерительному устройству 110, для того, чтобы измерять вибрационный отклик второго опорного блока 42.
Таким образом, можно понять, что железнодорожная тележка 200 служит для обнаружения повреждений в первом и втором опорных блоках 40 и 42 одновременно, не требуя для этого перемещения тележки.
Железнодорожная тележка 200 также имеет устройство 220 для передачи вибрационных откликов первого и второго опорных блоков 40 и 42 на вышеописанное вычислительное устройство 112 по беспроводному соединению. В одном варианте вычислительное устройство 112 может быть установлено на тележке 200.
Три варианта осуществления способа обнаружения изобретения описаны ниже.
Способ обнаружения повреждения в опорном блоке, который является общим для всех трёх вариантов осуществления, включает в себя следующие этапы:
- использование устройства 102 возбуждения, чтобы возбудить опорный блок, вызывая в нём вибрации; затем
- использование измерительного устройства 110 для измерения вибрационного отклика опорного блока; и
- определение, по меньшей мере, первой собственной частоты F1 первой собственной моды опорного блока по измеренному вибрационному отклику. Для этой цели вибрационный отклик преобразуется в функцию частотного отклика известным математическим способом, например, с помощью преобразования Фурье.
Чтобы определить первую собственную частоту F1, способ начинается с фильтрации частот ниже порогового значения, например, 200 Гц для оригинальных опорных блоков или 300 Гц для сменных опорных блоков, при этом указывается, что эта фильтрация не требуется, если опорный блок не прикрепляется к рельсу. Первая собственная частота F1 является первой нефильтрованной собственной частотой.
После этого, по меньшей мере, один уровень повреждения опорного блока определяется по первой собственной частоте F1.
Для этой цели первую собственную частоту F1 сравнивают по меньшей мере с одним предварительно определённым первым значением частоты.
В первом варианте осуществления первая собственная частота F1 сравнивается с четырьмя предварительно определёнными значениями частоты, которые хранятся в базе 118 данных.
Как объяснялось выше, эти значения частоты могут быть определены путём измерения собственных частот на серии поврежденных образцов опорных блоков, для которых известны соответствующие уровни повреждения. Предварительно определённые значения частоты, приведенные в таблице 1, были определены путём анализа около двухсот поврежденных опорных блоков, доставленных с железнодорожных путей в подводном туннеле под проливом Ла-Манш.
Для этой цели изначально был охарактеризован уровень повреждения каждого опорного блока. После этого каждый из блоков был подвергнут возбуждению и была измерена его первая собственная частота. После этого с помощью статистического анализа были определены четыре значения частоты, служащие для различения уровней повреждения. Пять различных уровней повреждения показаны в таблице 1.
Таблица 1
| Первая собственная частота F1 (Гц) | Уровень повреждения (вертикальное растрескивание бетона и/или разрушение стальной арматуры) |
| > 1 653 Гц | 0: исправный блок |
| > 1 433 Гц | 1: незначительное растрескивание |
| > 1 037 Гц | 2: сильное растрескивание |
| > 555 Гц | 3: трещины и сломанная арматура |
| ≤ 555 Гц | 4: сломанный блок |
Таким образом, можно понять, что уровень повреждения опорного блока при анализе характеризуется в зависимости от значения для первой собственной частоты F1.
Во втором варианте осуществления способа обнаружения, согласно изобретению, по меньшей мере, вторая собственная частота F2 определяется из второй собственной моды блока. После этого, первый тип повреждения в опорном блоке определяется из первой и второй собственных частот.
Чтобы сделать это в данном примере, для определения первого типа повреждения в опорном блоке, соотношение между первой и второй собственными частотами сравнивается с, по меньшей мере, одним первым предварительно заданным коэффициентом.
Этот первый предварительно заданный коэффициент аналогичным образом является результатом статистического анализа, выполненного на основе партии опорных блоков, для которых был охарактеризован первый тип повреждения.
В этом втором варианте осуществления первый тип повреждения характеризует горизонтальное растрескивание бетона, то есть наличие или отсутствие расслаивания.
Например, из Таблицы 2 можно понять, что для третьего уровня повреждения первый заданный коэффициент равен 1,2, а когда отношение второй собственной частоты к первой собственной частоте превышает 1,2, это означает, что в опорном блоке представлено вертикальное растрескивание бетона, также, как и горизонтальное растрескивание, которое вызывает увеличение расслоения.
Кроме того, для четвёртого уровня повреждения, то есть для повреждённого блока, второй предварительно заданный коэффициент в этом примере равен 1,25. Когда отношение F2/F1 превышает 1,25, это характеризует наличие горизонтального растрескивания.
Таблица 2
| Первая эталонная частота F1 (Гц) | Соотношение F2/F1 | Уровень повреждения (вертикальное растрескивание бетона и/или разрушение стальной арматуры) | Первый тип повреждения (горизонтальное растрескивание бетона) |
| > 1 653 Гц | 0: исправный блок | ||
| > 1 433 Гц | 1: незначительное растрескивание | ||
| > 1 037 Гц | 2: сильное растрескивание | ||
| > 555 Гц | ≤ 1,2 | 3: трещины и сломанная арматура | |
| > 1,2 | расслаивание | ||
| ≤ 555 Гц | ≤1,25 | 4: сломанный блок | |
| > 1,25 | расслаивание |
Далее следует описание третьего варианта осуществления способа обнаружения повреждений, согласно изобретению.
В этом третьем варианте осуществления, по меньшей мере, определяется первый коэффициент А1 демпфирования, который относится к первой собственной моде опорного блока. Как упоминалось выше, первый коэффициент демпфирования определяется из измеренного вибрационного отклика.
После этого определяется второй тип повреждения для определённого уровня повреждения на основе первого коэффициента демпфирования.
Как показано в таблице 3, первый коэффициент демпфирования равен 2,5%. Ещё раз, это было определено из статистического анализа, выполненного на основе вышеупомянутой партии поврежденных образцов опорных блоков.
Было установлено, что коэффициент затухания A1, превышающий 2,5%, характеризует тот факт, что куски бетона начинают отделяться от опорного блока.
Таким образом, можно понять, что третий вариант осуществления обеспечивает обнаружение повреждения, которое является более точным, чем первый и второй варианты осуществления.
Таблица 3
| Первая эталонная частота F1 (Гц) | Соотношение F2/F1 | А1 | Уровень повреждения (вертикальное растрескивание бетона и / или разрушение стальной арматуры) | Первый тип повреждения (расслаивание) | Второй тип повреждения (отделение кусков бетона) |
| > 1653 Гц | 0: исправный блок | ||||
| > 1433 Гц | 1:незначительное растрескивание | ||||
| > 1037 Гц | 2: сильное растрескивание | ||||
| > 555 Гц | ≤ 1,2 | ≤2,5% | 3:растрескивание и сломанная арматура | ||
| > 2,5% | отделение кусков бетона | ||||
| > 1,2 | ≤2,5% | расслаивание | |||
| > 2,5% | отделение кусков бетона | ||||
| ≤ 555 Гц | ≤ 1,25 | ≤ 2,5% | 4:повреждённый блок | ||
| > 2,5% | отделение кусков бетона | ||||
| > 1,25 | ≤ 2,5% | расслаивание | |||
| > 2,5% | отделение кусков бетона |
1. Способ обнаружения для обнаружения повреждений в опорном блоке железнодорожного пути, отличающийся тем, что включает в себя:
- возбуждение опорного блока (40, 42); затем
- измерение вибрационного отклика опорного блока;
- определение, по меньшей мере, первой собственной частоты (F1) первой собственной моды опорного блока по измеренному вибрационному отклику;
- определение также, по меньшей мере, второй собственной частоты (F2) второй собственной моды опорного блока по измеренному вибрационному отклику;
- определение, по меньшей мере, уровня повреждения опорного блока на основании, по меньшей мере, упомянутой первой собственной частоты; и
- также определение первого типа повреждения в опорном блоке на основании первых и вторых собственных частот.
2. Способ обнаружения по п. 1, в котором для определения уровня повреждения опорного блока (40, 42) первую собственную частоту (F1) сравнивают, по меньшей мере, с одним значением для первой предварительно определенной частоты.
3. Способ обнаружения по п. 1 или 2, в котором, для того чтобы определить первый тип повреждения в опорном блоке, значение определяют на основании первой и второй собственных частот, и это значение сравнивают с, по меньшей мере, одним первым заранее заданным коэффициентом.
4. Способ обнаружения по п. 3, в котором, для того чтобы определить первый тип повреждения в опорном блоке, соотношение между второй и первой собственными частотами сравнивают с первым заранее заданным коэффициентом.
5. Способ обнаружения по любому из пп. 1-4, в котором в отношении первой собственной моды опорного блока определяют также по меньшей мере один первый коэффициент (А1) демпфирования по измеренному вибрационному отклику, и на основании первого коэффициента демпфирования определяют второй тип повреждения.
6. Способ обнаружения по любому из пп. 1-5, в котором опорный блок (40) возбуждают в зоне (ZE) возбуждения, расположенной на первой продольной концевой части (40а) опорного блока (40), в то время как вибрационный отклик измеряют в измерительной зоне (ZM), расположенной на второй продольной концевой части (40b) опорного блока (40), которая находится противоположно к первой продольной концевой части (40а).
7. Способ обнаружения по любому из пп. 1-6, в котором опорный блок (40, 42) возбуждают посредством воздействия на упомянутый опорный блок.
8. Способ обнаружения по любому из пп. 1-7, в котором опорный блок (40, 42) выполнен из железобетона.
9. Применение способа обнаружения по любому из пп. 1-8, для определения по меньшей мере уровня повреждения по меньшей мере одного опорного блока (40, 42), на котором расположен рельс железнодорожного пути (10).
10. Установка (100) для обнаружения повреждения по меньшей мере первого опорного блока (40), прикрепленного к первому рельсу (12) железнодорожного пути (10), предназначенная для осуществления способа обнаружения по любому из пп. 1-8, отличающаяся тем, что содержит:
- по меньшей мере, первое устройство (102) для возбуждения, по меньшей мере, первого опорного блока (40);
- по меньшей мере, первое измерительное устройство (110) для измерения вибрационного отклика первого опорного блока (40);
- по меньшей мере, одно вычислительное устройство (112), выполненное с возможностью определения, на основании измеренного вибрационного отклика первого опорного блока, по меньшей мере, первой собственной частоты (F1) первой собственной моды первого опорного блока (40) и второй собственной частоты второй собственной моды упомянутого опорного блока, при этом вычислительное устройство также выполнено с возможностью:
- определять уровень повреждения первого опорного блока на основании первой собственной частоты; а также
- определять первый тип повреждения в опорном блоке на основании первой и второй собственных частот.
11. Установка для обнаружения повреждения по п. 10, отличающаяся тем, что первое возбуждающее устройство (102) содержит, по меньшей мере, один ударный элемент (104).
12. Установка для обнаружения повреждения по п. 10 или 11, отличающаяся тем, что первое измерительное устройство (110) содержит, по меньшей мере, лазерный датчик.
13. Тележка (200) для обнаружения повреждения в первом опорном блоке, прикрепленном к первому рельсу (12) железнодорожного пути (10), отличающаяся тем, что содержит:
- по меньшей мере, первое возбуждающее устройство (102) для установки первого опорного блока в режим вибрации;
- по меньшей мере, первое измерительное устройство (110) для измерения вибрационного отклика первого опорного блока; а также
- по меньшей мере, первое колесо (204), имеющее ось (X) и выполненное с возможностью взаимодействия с первым рельсом (12);
- первое возбуждающее устройство (102) и первое измерительное устройство (110), расположенные по обе стороны от плоскости (Р), перпендикулярной к оси (X) и содержащей первое колесо (204).
14. Тележка (200) для обнаружения повреждения по п. 13, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит:
- второе возбуждающее устройство (102) для возбуждения, по меньшей мере, одного второго опорного блока (42), прикрепленного ко второму рельсу (14) железнодорожного пути (10); и
- по меньшей мере, одно второе измерительное устройство (110') для измерения вибрационного отклика второго опорного блока (42).
15. Тележка по п. 13 или 14, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит:
- двигатель (210) для приведения во вращение, по меньшей мере, первого колеса (204); и
- позиционирующее устройство (212), выполненное с возможностью управления двигателем (210) так, чтобы позиционировать тележку (200) относительно первого опорного блока (40).
