акустический способ обнаружения неисправности рельсового пути в процессе движения состава по железной дороге

Формула изобретения

Акустический способ обнаружения неисправности рельсового пути, возникающей при трещинообразовании, в процессе движения состава по железной дороге, при котором в рельсы передают акустический сигнал, принимают отраженный сигнал и по времени распространения акустических сигналов к месту неисправности и обратно определяют его координату, отличающийся тем, что отраженный сигнал принимают пьезоэлектрическими преобразователями акустических колебаний в электрические сигналы, установленными на подшипниках скольжения, надетых на вал колесной пары, при этом передачу и прием акустических сигналов осуществляют попеременно.

Описание изобретения к патенту

Известен способ обнаружения опасного участка пути при личном осмотре железнодорожного пути обходчиком, которому вверен этот участок пути. Недостатком этого способа является: длительность, дороговизна и малая вероятность визуального обнаружения развивающейся трещины, до момента завершения трещинообразования в виде лопнувшего рельса. Лопнувший рельс может привести к аварии с жертвами.

Известен способ обнаружения неисправности, с помощью которого можно установить наличие трещины в листовом материале /SU, N 725020, G 01 N 29/04, 1980 г./.

Недостатком его является то, что его действие проявляется только в статике.

Известен акустический способ обнаружения неисправности, возникающей при трещинообразовании в материале, при котором передают акустический сигнал, принимают отраженный сигнал и по времени распространения акустических сигналов к месту неисправности и обратно определяют его координату /И.П. Белокур и др. "Дефектоскопия материалов и изделий", Киев, "Техника", 1989, с. 44 - 45/.

С помощью пьезоэлектрических преобразователей непросто передать в рельсы достаточную мощность для преодоления по крайней мере 200-метрового отрезка пути. Для этого нет ни квалифицированно разработанных излучателей, ни электронных схем для возбуждения этих излучателей

Кроме того, следует обратить внимание на крупный недостаток построения современного рельсового пути. Недостаток с точки зрения воплощения в жизнь предлагаемого изобретения заключается в том, что между торцами рельсов при укладке остается зазор, достигающий десятка миллиметров, что препятствует прохождению акустических колебаний, и получение необходимой информации возможно только на длине цельного рельса. Этот недостаток устраняется при электрификации железных дорого, т.к. при этом торцы рельсов сшиваются толстым проволочным жгутом петли заземления, причем этот жгут и электрически шунтирует межрельсовый стыки, и хорошо проводит акустические колебания. Наиболее качественно этот недостаток устраняется при сооружении "бархатного" пути, когда межрельсовые стыки сшиваются железными планками. Поэтому целесообразно любой отрезок железной дороги строить по правилам осуществления "бархатного" пути. Кстати, такое построение железной дороги должно привести к существенной экономии, т.к. уменьшится амортизация подвижного состава и увеличится скорость и, следовательно, оборот.

Таким образом, техническим результатом, на достижение которого направлено предлагаемое изобретение, является повышение безопасности движения по железной дороге.

Кроме того, появляется возможность повышения скорости и комфортности передвижения пассажиров на железной дороге в случае лучшего обустройства самой дороги.

Оба результата с наименьшими затратами и наибольшим эффектом должны быть достигнуты при применении предлагаемого изобретения на высокоскоростных ж.д. магистралях.

Технический результат достигается тем, что в акустическом способе обнаружения неисправности рельсового пути, возникающей при трещинообразовании, в процессе движения состава по железной дороге, при котором в рельсы передают акустический сигнал, принимают отраженный сигнал и по времени распространения акустических сигналов к месту неисправности и обратно определяют его координату, отраженный сигнал принимают пьезоэлектрическими преобразователями акустических колебаний в электрические сигналы, установленными на подшипниках скольжения, надетых на вал колесной пары, при этом передачу и прием акустических сигналов осуществляют попеременно.

Трещинообразование сопровождается излучением энергии в виде акустических колебаний, причем тем большей частоты и амплитуды, чем больше и длиннее трещина. Поэтому по частоте и амплитуде излучаемых материалом, в котором развивается трещина, судят, во-первых, о наличии трещины в исследуемом материале, в частности, в рельсовом пути, и, во-вторых о степени развития трещины, т.е. о близости лавинообразности, необратимости ее роста, когда процесс кончается изломом в этом месте и практически неизбежной аварией движущегося по рельсовому пути к этому месту ж.д. состава. Распространяясь по рельсам, акустические колебания попадают в точки соприкосновения колеса с рельсом, проходят в колесо, проходят по колесу, попадают на вал колесной пары, достигают места, где на валу крепятся соосные валу подшипники скольжения, зазор между внутренней поверхностью которого и шлифованной поверхностью вала в этом месте заполняют имерсионной жидкостью. На внешней поверхности подшипника скольжения закрепляют кожух с протектором, причем с плотным акустическим контактом с протектором в кожухе размещают пьезоэлемент.

Эквивалентные электрические сигналы, возникшие вследствие преобразования акустических колебаний, направляют по проводам к электронным блокам для дальнейшей обработки.

Однако развитие любой трещины всегда заканчивается изломом рельса. И так как лопнувший рельс уже не посылает акустических сигналов, то в систему вводят генератор электрических сигналов, которые с помощью мощного пьезоэлемента преобразуются в эквивалентные акустические сигналы. Эти сигналы проходят через имерсионный слой, попадают в вал колесной пары, проходят по колесу, попадают в рельсы, распространяются по рельсам до лопнувшей части, отражаются от торца излома, тем же путем возвращаются обратно, преобразуются в электрический эквивалент, обрабатываются с помощью электронных блоков, затем направляются в компьютер, который синхронизируют от оборотов колеса с помощью магнитоэлектрического датчика, магнитное поле которого замыкается с помощью приваренной к валу бобышки. Датчик формирует прямоугольные импульсы с очень короткими фронтом и спадом. Импульсы пересчитываются, и соответственно номеруются кадры в компьютере, которые каждый со своим номером запоминается на дискете.

Возникает ситуация, когда на одном и том же пути оказываются два состава. Если составы имеют аналогичные системы для обнаружения опасного участка пути, то каждый из них обнаруживает сигналы оппонента и принимает решение по предотвращению аварии. Если же находящийся на пути объект не имеет подобной системы, то этот объект обнаруживают с движущегося состава, посылая акустические колебания, как это было описано выше. Так как объекты имеют вес и деформируют рельсы своей тяжестью, то часть посылаемого акустического сигнала отразится от деформированного места. Эту часть улавливают приемником и, т.к. эта часть сигнала отличается от сигнала, отраженного от лопнувшего рельса, то ее подвергают соответствующему распознаванию и принимают меры к предотвращению аварии.

Для большей безопасности эквивалентные электрические сигналы направляют в компьютер, где сравнивают их с сигналами, полученными и записанными ранее, когда никаких сомнений в исправности пути ни у кого не было.

Функционирование устройства по предлагаемому способу схематически поясняется чертежом /а, б, в/.

На / а, б/ показаны одни и те же отрезки рельсов 1. На /а/ показана развивающаяся трещина 2. Между торцами рельсов 1 существует зазор 3, шунтированный проволочной перемычкой 4. Видно, что развитие трещины 2 закончилось тем, что рельс лопнул 5 /черт., б/.

На /в/ показана колесная пара 6. На вал этой пары 6 надеты подшипники 7 скольжения; зазор до 0,4 мм между внутренней поверхностью подшипников 7 и поверхностью вала 6, заполняющийся жидкостью, не показан. Тяги, которые крепят подшипники 7 к раме и препятствуют их круговому движению вместе с валом 6, не показаны. На внешней поверхности подшипников 7 закреплены кожухи 8. Внутри каждого кожуха 8 размещен пьезоэлемент. К непоказанной раме прикреплен датчик 9 типа "Balluff" или его аналог, изготовляемый в СНГ. На валу 6 имеется бобышка 10, которая в процессе вращения вала 6, проходя мимо 9, замыкает магнитное поле последнего, в результате чего при каждом обороте колесной пары формируется импульс. Приемный преобразователь в одном из кожухов 8 связан с блоком 11 электроники. Электронный генератор 12 связан с преобразователем электрических сигналов в акустические колебания, который размещен в другом кожухе 8. Блок 11 электроники связан с компьютером 13, имеющим дисплей 14.

Устройство, реализующее предлагаемый способ, работает следующим образом.

Как известно, развитие трещины 2 /см. чертеж, а/ связано с выделением энергии, высвобождающейся при разрыве связей между элементами материала. Как правило, энергия высвобождается в виде акустических колебаний в ультразвуковом диапазоне. Эмпирически установлено, что основной спектр частот акустических колебаний при развитии трещины в чугуне, стали и т.п. находится в области от 100 - 150 кГц до 300 - 450 кГц. Причем чем ближе развитие трещины к началу лавинообразного процесса, тем выше частота и амплитуда акустических колебаний. Это связано с тем, что при этом развиваются между более крупными частицами материала, а одновременность разрыва связей между этими частицами создает условия для формирования крутых фронтов. Отсюда сдвиг частотного диапазона в область более высоких частот. Следовательно, одновременное обнаружение высокой частоты с большой амплитудой колебаний свидетельствует о приближении участка пути, пораженного трещиной, находящейся в состоянии, близком к лавинообразному развитию, неизбежно кончающемуся тем, что рельс лопается. Следовательно, путь находится в аварийном состоянии, и движение по нему небезопасно.

Акустические колебания, возникающие в процессе возникновения и развития трещины 2 /см. чертеж, а/ распространяются со скоростью 6 км/сек по рельсам 1, проходят стыки 3 /черт., б/ между рельсами с помощью перемычек 4 и попадают в колесную пару 6 /черт., в/, находящуюся метрах в пятистах от трещины. Затем колебания распространяются по колесной паре до места, где на валу 6 закреплен с помощью тяги /не показана/ подшипник 7 скольжения, проходят зазор /не показан/ через заполняющую этот зазор имерсионную жидкость, проходят к кожуху 8 и находящемуся в нем пьезоэлементу, преобразующему акустические колебания в эквивалентные электрические сигналы. Следует иметь в виду, что подшипник 7 может быть одет на колесную пару не посреди, как это показано на чертеже, а с внешней стороны, там, где вал входит в буксу, заполненную маслом, что автоматически решает вопрос подачи имерсионной жидкости в упомянутый зазор. Электрические поступают по проводам в электронный блок 11, а затем в аналого-цифровой преобразователь компьютера 13, где записываются на дискету и могут быть наблюдаемы на дисплее 14.

Наиболее вероятна ситуация, когда развитие трещины заканчивается изломом рельса.

Лопнувший рельс представляет абсолютно аварийную ситуацию для дальнейшего движения поезда, поэтому в устройство вводят генератор 12, сигналы которого передают на преобразователь электрических сигналов в эквивалентные акустические колебания. Следует иметь в виду, что при использовании пьезолектрического преобразователя, амплитуда электрического сигнала должна быть 1000 - 1500 В, что составляет давление эквивалентного акустического сигнала в начале пути от 500 до 1000 кг и выше. Учитывая эти обстоятельства, следует до включения генератора 12 и на время его работы шунтировать преобразователь на входе электронного блока 11, т.к. преобразование таких акустических сигналов чревато появлением соответствующих киловольтных электрических сигналов, и входные цепи блока 11 будут пробиты и сожжены. С этой задачей хорошо справляется реле с группой контактов на переключение, которое, закорачивая обкладки приемного преобразователя, раскоротит обкладки передающего преобразователя. Следовательно, в таком режиме система может работать только импульсно. Пока идет передача - отсутствует прием, и наоборот: пока идет прием, не может быть передачи. Предположим, что выбран наиболее оптимальный режим, когда импульс длительностью 0,1 - 0,2 будет должен пройти расстояние не более 600 м. Не будет пропущена хоть сколько-нибудь важная информация, будет обследован впереди свыше 600 м. Итак, генератор 6 вырабатывает электрические колебания, близкие по форме к П-импульсам со скважностью 2 и с амплитудой, не меньшей 1000 В. На время передачи этих колебаний к пьезоэлементу в одном из кожухов 8 обкладки приемного пьезоэлемента в другом кожухе закорачивают. В течение 0,1 - 0,2 сек. Передающий пьезоэлемент преобразует электрические сигналы в эквивалентные акустические колебания. Частоту колебаний подбирают, чтобы она находилась в диапазоне 80 - 120 мГц. При упомянутых амплитудах электрических сигналов амплитуды акустических колебаний не будут превышать доли микрометра, что должно соответствовать максимальным усилиям 500 - 1000 кг/см². Акустические колебания через подшипник 7, имерсионный слой в зазоре между подшипником 7 и валом 6 /не показан/ проходят в вал 6, распространяются по валу, проходят по колесам пары и доходят до места соприкосновения колес с рельсами. Ширина площадки соприкосновения в зависимости от деформации может быть более 0,6 - 1,0 мм. Пройдя площадку соприкосновения, акустические колебания начинают распространяться вдоль по рельсу 1 /см. чертеж, а, б/, доходят до стыка 3 между рельсами, частично отражаются от этого стыка, но отраженный сигнал мал и размыт, т.к. существует перемычка 4, шунтирующая этот стык. Основная доля акустической проходит через стык 4 и достигает излома 5 лопнувшего рельса. Т.к. лопнувший рельс не шунтирован, почти весь сигнал отражается и направляется к движущемуся составу и воздействует на приемный пьезоэлемент. Затем преобразуется в эквивалентный электрический сигнал, который поступает в электронный блок 11, после чего этот сигнал направляют в компьютер 13 и могут наблюдать на дисплее 14. Поскольку на дисплее одновременно высвечивают информацию с дискеты компьютера 13, сравнивают и анализируют события как текущие, так и записанные на дискету. Синхронизацию производят путем разворота датчика 9 на некоторый угол вокруг оси вращения вала 6, так что бобышка 10 при вращении вместе с валом 6 замыкает магнитное поле датчика 9 с разным временем запаздывания по сравнению с предыдущим. Именно этим добиваются синхронизации разверток, воспроизводящих записанное на дискете и текущее событие. Колеса, как известно, изготовляются с высокой степенью точности, а длительность развертки определяется временем оборота колеса. Особенно хорошее совпадение разверток текущих и записанных событий получается при условии, что запись событий идет от одной и той же начальной отметки, в качестве которой может быть выбрана километровая отметка в начале этого участка, снабженная акустическим излучателем начала отсчета на этом участке пути.

Если на пути, по которому следует состав, снабженный устройствами распознавания по предлагаемому способу, "совершенно случайно" находится другой состав, мешающий движению упомянутого поезда, то рельсы в местах нахождения колесных пар мешающего состава будут деформированы под тяжестью мешающего состава. И от этих деформированных участков посылаемая акустическая волна тоже будет отражаться, и на экране дисплея возникнут многочисленные сигналы, имеющие меньшую амплитуду, чем отражения от лопнувшего рельса, но фон этих сигналов очень трудно спутать с какими-либо еще сигналами, поэтому их очень легко распознать и выделить. Кстати, если такой состав оснащен аналогичными устройствами распознавания, его точное и абсолютное обнаружение практически не составляет труда. Машинистам в этом случае следует связаться друг с другом, допустим, по радио, лучше через диспетчера, и найти наилучшую возможность исключения аварии. В конце концов, можно непосредственно связаться друг с другом, если предусматривают возможность какой-либо модуляции, скажем, азбукой Морзе, генератора 12, посылаемых на излучатель в кожухе 8.

Из изложенного четко видно, что действия по описываемому способу должны привести к практически безаварийной ситуации при движении по железным дорогам.