Д.Ю. Павлов, н.Н. Давыдов средства контроля разрушения железнодорожных рельс повышенной разрешающей способности.
Предложены решения дополнительного контроля разрушения железнодорожных рельс, учитывающие их геометрическую и упругостную структуру.
Современные системы контроля железнодорожных рельс основаны на различных методах анализа технического состояния элементов структур железнодорожного полотна и в значительной степени являются отражением условий эксплуатации систем [1…4].
В целях повышения достоверности контроля состояния железнодорожных рельс необходимо рассмотреть несколько возможных моделей применения сквозного прослушивания применительно к железнодорожным плетям бесстыкового пути. Схема функционирования подобных систем в общем виде представлена на рисунке 1 [4].
|
Рисунок 7 – Схема структурная. Схема системы и контроля железнодорожного полотна: 1, 2 – рельсы, 3 – датчики контроля, 4 – разрыв. |
Модели, представленные в статье, предполагают прослушивание по всей длине рельсовой плети, т.е. от начала плети до конца. Предполагается, что источником акустического сигнала является поезд. Рассмотрим железнодорожный рельс как волновод, состоящий из двух составных частей: стержня и пластины с размерами 75 мм х 46 мм и 104,4 мм х 20 мм (рисунок 2).
|
Рисунок 2 – Профиль рельса Р-65, РП-65 с обозначением размеров головки и шейки. |
Упрощенное представление головки рельса как стального стержня сечением равным сечению головки рельса, и шейки как пластины позволяет применить законы распространения упругих продольных волн в стержне и пластине [5, c. 138, 139]. Длина пластины и стержня составляет 600-800 метров и равна длине плети бесстыкового железнодорожного пути.
В соответствие с законами распространения звуковых волн [5, c. 138, 139] длина волны λ должна в значительной степени превышать поперечный размер сечения, т.е. для стержня 0,75 м и для пластины 0,2 м.
В противном случае, звуковая волна будет распространяться в соответствии с законом акустики для неограниченных сред.
Графически зависимость частоты от длины волны для стального стержня и пластины с параметрами указанными в таблице 1 представлена на рисунке 3.
Таблица 1 – Параметры стали.
Плотность материала |
ρ, кг/м3 |
7,7•103 |
Модуль Юнга |
E, кг/м2 |
21•109 |
Модуль сдвига |
μ, кг/м2 |
8.1•109 |
Модуль всестороннего сжатия |
К, Н/м2 |
168•106 |
Расчеты выполнены по моделям: для
стержня - 
;
для пластины - 
.
-
Рисунок 3 – Частотные характеристики для стального стержня и пластины.
Скорость распространения упругой продольной волны в стержне [5, с. 138]
(1)
Скорость распространения упругой продольной волны в пластине [5, с. 139]
, (2)
где 
Из зависимостей (1) и (2) следует, что скорость звука в пластине значительно превышает скорость звука в стержне. При этом соотношение скоростей есть величина постоянная
(3)
В случае нарушения условия (3), а именно при изменении значений Vзв.пл. или Vзв.ст. в процессе эксплуатации, возникает возможность суждения о целостности или развитии дефектов в головке и шейке рельса в процессе эксплуатации.
Модель позволяет повысить разрешающую способность систем контроля установленных вдоль железнодорожного пути, т.к. позволяет обнаружить разрывы и трещины отдельно в головке и шейке рельсовой плети, в отличие от других методов, обнаруживающих разрыв плети полностью.
Модель необходимо применять в строго определенных частотных диапазонах в силу законов распространения упругих колебаний, а настройка устройств съема акустических сигналов на определенные частоты позволит увеличить точность обнаружения и судить о размерах разрушений рельсовой плети.
Библиографический список
Виноградов С.А., Виноградов А.С. Обеспечение безопасности объектов ЖАТ // Автоматика, Связь, Информатика. — 2009. — № 4. — С. 16 — 20.
Patent № 6951132 US, Int. Cl. G01N 29/04; B61L 23/04. – Appl. № 10/609,832. Rail and train monitoring system / David Michael Davenport, Niskayuna, NY (US); Nick Andrew Van Stralen, Ballston Lake, NY (US); Thomas James Batzinger, Burnt Hills, NY (US); Robert Snee Gilmore, Burnt Hills, NY (US); Paul Kenneth Houpt, Schenectady, NY (US).; Filed Jun. 27, 2003. Date of Patent Oct. 4, 2005.
Patent № 5743495 US, Int. Cl. B61L 23/04. – Appl. № 799,502. System for detecting broken rail / Kenneth Brakeley Welles, П, Scotia; Man Ali, Schenectady, both of N.Y.; Filed: Feb. 12, 1997. Date of Patent Apr. 28, 1998.
Patent № 7226021 US, Int. Cl. B61L 23/04, B61L 25/00, G01R 31/08. – Appl. № 11/318,970. System and method for detecting / Todd Alan Anderson, Niskayuna, NY (US); Kenneth Brakeley Welles, II, Scotia, NY (US). Date of Patent Jun. 5, 2007.
Ландау Л.Д, Лифшиц Е.М. Теоретическая физика. В 10-ти т. Т. VII. Теория упругости: Учеб. пособие. — 4-е изд., испр. и доп. — М.; Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1987. — 248 с