[10-2023] Оценка зазоров в болтовых стыках рельсов магнитным методом

[Admin]

Оценка зазоров в болтовых стыках рельсов магнитным методом

МАРКОВ А.А., АО «Радиоавионика», зам. генерального конструктора, докт. техн, наук, АНТИПОВ А.Г., АО «Радиоавионика», старший научный сотрудник, канд. физ.-мат. наук, МАКСИМОВА Е.А., АО «Радиоавионика», начальник лаборатории неразрушающего контроля

Характеристики сигнала от стыка рельсов можно отнести к двум различным группам: амплитудные (амплитуда, размах, дисперсия по амплитуде и др.) и пространственные (ширина импульса на полувысоте амплитуды, расстояние по продольной координате между экстремальными значениями сигнала, дисперсия по продольной координате). Пространственные характеристики в отличие от амплитудных не зависят от коэффициента усиления, но чувствительны к растяжению сигнала по координате.

На рис. 5 показана зависимость размаха амплитуды (разность между максимальным и минимальным значениями) сигнала индукционного датчика от величины зазора. При малых значениях зазора амплитудная характеристика резко возрастает, при 4—6 мм наблюдается максимальное значение, после чего начинается медленное монотонное снижение.

Зависимость пространственной характеристики сигнала от величины зазора на рис. 6 имеет вид, принципиально отличный от вида амплитудной зависимости.
Из результатов моделирования видно, что ни одна из представленных выше характеристик сигнала, рассматриваемая изолированно от другой, не пригодна для оценки стыкового зазора во всем практическом диапазоне значений от 0 до 26 мм. Пространственная характеристика не годится для оценки малых зазоров, а амплитудная — для измерения средних и больших зазоров. Однако, если рассматривать пространственные и амплитудные характеристики сигнала в совокупности, то ситуация меняется, поскольку они хорошо дополняют друг друга. Так, для оценки больших и средних зазоров можно воспользоваться пространственной характеристикой dx (см. рис. 6). Для малых зазоров целесообразно использовать амплитудную характеристику гА (см. рис. 5).
С целью проверки возможности оценки величины зазора в реальных условиях проведены исследования, в ходе которых регистрировались сигналы магнитных датчиков от болтовых стыков (всего более 600 стыков) с известным значением зазора. Исследования позволили уточнить вид зависимостей между характеристиками сигналов и величиной зазора болтового стыка.

В ходе проезда вагона-дефектоскопа, оснащенного намагничивающей системой на осях колесных пар, проводилась регистрация распределения продольной компоненты магнитной индукции над поверхностью катания рельса посредством набора линейных биполярных датчиков Холла с чувствительностью 30 мВ/мТл. Скорость движения намагничивающей системы и датчиков составляла от 30 до 60 км/ч.
Набор из восьми датчиков располагался в 5 мм над поверхностью катания так, что расстояние между датчиками по поперечной координате равнялось 1 см. Таким образом, линейка датчиков, ориентированная перпендикулярно направляющей рельсов, позволяла записывать распределение поля как над центром головки, так и со стороны рабочей и нерабочей граней. Показания всех восьми датчиков оцифровывались с шагом по продольной координате 2 мм, далее производилось осреднение и дифференцирование цифрового сигнала. В автоматическом режиме выявлялись участки сигнала, соответствующие зонам болтовых стыков, и для каждого участка вычислялись две характеристики — гА и dx.
Во время проезда выполнялась сплошная видеорегистрация рельсового пути линейными камерами, синхронизированными с сигналами магнитных датчиков по координате пути. В результате появилась возможность оценить величину стыковых зазоров непосредственно в момент регистрации магнитных данных. В ходе эксперимента проанализированы сигналы от 609 болтовых стыков с зазорами от 1 до 26 мм. В рассмотренном наборе в достаточной степени представлены стыки как с малым зазором (менее 5 мм), так и с большим — более 20 мм.

На рис. 7 показана зависимость между параметром dx и измеренными по видеоизображениям величинами зазоров рассмотренных болтовых стыков. Поскольку ширина зазора по видеоизображению измерялась с точностью до 1 мм, а дискретность оцифрованного сигнала составляла 2 мм, поле графика разбито на прямоугольные области размером 1*2.

Градация яркости прямоугольников показывает количество обнаруженных стыков с соответствующей парой значений параметров (цветовая шкала справа на рис. 7).
Из рис. 7 следует, что в целом зависимость между параметром dx и величиной зазора, полученная в ходе эксперимента, хорошо согласуется с зависимостью, выведенной ранее по результатам компьютерного моделирования (см. рис. 6).
Для оценки малых зазоров приведена зависимость между размахом сигнала по амплитуде гА и измеренными по видеоизображениям величинами зазоров (рис. 8).
Черной линией показано среднее значение размаха сигнала по амплитуде, полученное при каждом измерении зазора. Отклонение размаха от среднего значения может быть весьма большим, однако среднее значение при увеличении зазора от 0 до 4 мм демонстрирует вполне уверенный рост. Аналогичную тенденцию мы видим и на зависимости, полученной по результатам компьютерного моделирования (см. рис. 5). Наблюдаемый рост характеристики дает возможность оценивать величины малых зазоров (до 4 мм) относительно размаха сигналов по амплитуде.
На практике при движении вагона-дефектоскопа, оснащенного системой намагничивания и магниточувствительными датчиками, из потока регистрируемых сигналов автоматически выделяют сигналы от болтовых стыков, определяют параметры dx и гА и оценивают величины стыковых зазоров болтовых соединений на участке пути. В условиях значительных отрицательных температур (ниже -20 °C) из процедуры анализа можно исключить этап измерения амплитуд сигналов, дополнительно упрощая реализацию метода.

Сигналы от болтовых стыков могут быть выделены из потока поступающих сигналов по их характерным признакам (см. рис. 3): наличию сигналов от концов стыковых накладок и двухполярного сигнала значительной амплитуды от стыкового зазора между накладок. Амплитуды сигналов от стыковых зазоров имеют значительно большие значения, чем от сварных стыков и потенциальных дефектов рельсов. Амплитуды сигналов от стыкового зазора и расстояния между экстремумами (при известной скорости движения диагностического средства) определяют методами цифровой обработки сигналов.
Достоверность и надежность оценки стыковых зазоров предлагаемым методом обеспечивается использованием магнитного контроля, основанного на генерации в рельсах стабильного магнитного потока и на фиксации магниточувствительными датчиками рассеяния магнитного потока над несплошностями [12].

Введение предлагаемого способа оценки зазора в практику периодического осмотра состояния пути позволяет дополнительно автоматизировать ряд измерительных процессов, выполняемых в настоящее время в основном вручную:
определение наличия двух и более стыков с нулевыми зазорами;
фиксацию изменения суммы зазоров более чем на 52 мм при трехзвеньевых уравнительных пролетах;
мониторинг состояния стыковых зазоров при скоростном сканировании диагностическими средствами.
Важно отметить, что предлагаемую методику можно реализовать без прерывания основной функции скоростного дефектоскопического средства — выявления опасных дефектов рельсов. Предложенные подходы реализуются введением специальной автоматической обработки сигналов магнитного канала. В дополнение к обнаружению дефектов реализация предлагаемой методики позволяет оценивать с достаточной для практики точностью величину зазоров в болтовых стыках рельсового пути.

Выводы

• 1. Измерение зазоров болтовых стыков рельсового пути в автоматическом режиме на скоростях до 60 км/ч магнитным методом принципиально возможен. Этот метод потенциально менее подвержен воздействию неблагоприятных факторов (загрязненность поверхности, сколы и наплывы металла на торцах рельсов и др.) по сравнению с применяющимися сейчас методами.
• 2. В качестве источника информации о величине зазора можно использовать параметры поля рассеяния магнитного потока, регистрируемые магнитными датчиками вблизи разрыва рельсов. Данные о распределении продольной компоненты магнитной индукции над поверхностью катания рельса собираются в ходе плановых проверок пути дефектоскопическими средствами.
• 3. В результате исследований не удалось определить единый параметр сигнала магнитного датчика, позволяющий оценивать стыковые зазоры во всем диапазоне возможных значений. Предложено при малых значениях зазоров в качестве информативного параметра использовать амплитуду сигнала датчика, регистрирующего продольную компоненту магнитной индукции, а при больших зазорах —
• расстояние между экстремумами сигнала.
• 4. Результаты компьютерного моделирования влияния величины стыкового зазора на параметры магнитного сигнала от него качественно совпадают с результатами натурных измерений, выполненных при скоростях контроля до 60 км/ч.

Список источников

I. Инструкция по текущему содержанию железнодорожного пути: утв. Распоряжением ОАО «РЖД» от 14.11.2016 № 2288р (в ред. от 02.11.2022).
2. Инструкция по устройству, укладке, содержанию и ремонту бесстыкового пути: утв. Распоряжением ОАО «РЖД» от 14.12.2016 № 2544/р (в ред. от 10.04.2023).
3. Стоянович Г.М., Пупатенко В.В. Температурные деформации в зоне уравнительных пролетов бесстыкового пути // Путь и путевое хозяйство. 2019. № 6. С. 34—37.
4. Шилов М.Н, Алексеев Д.В., Третьяков А.А. Средства и технологии автоматизированной системы видеоконтроля объектов железнодорожной инфраструктуры // Путь и путевое хозяйство. 2021. № 9. С. 11—12.
5. Rail joint gap measurement method using train frontal images captured by a handy video camcorder / W. Goda, K. Itoi, N. Nagamine, Y. Tsubokawa // IEEJ Transactions on Industry Applications. 2023. V. 143, Iss. 1. P. 46-55.
6. Патент 55716 РФ, B61K 9/08. Устройство для величины стыковых зазоров и вертикальных ступенек железнодорожного пути / Архангельский С.В., Козин М.П., Розенбаум Л.Б., Шиханов А.А.; патентообладатель НПЦ ИНФОТРАНС. № 2006108942/22; заявл. 21.03.2006; опубл. 27.08.2006.; Бюл. № 24.
7. Инструкция по оценке состояния рельсовой колеи путеизмерительными средствами и мерам по обеспечению безопасности движения поездов: утв. Распоряжением ОАО «РЖД» от 28.02.2020 № 436р (в ред. от 01.04.2021). Доступ через СПС «КонсультантПлюс».
8. Patent US 11130509 В2. System and method for detecting a break in a railway track / Machado M., Ricci E.L.B. Apl. US 16212350; 06.12.2018; publ. 28.09.2021.
9. Антипов А.Г., Марков A.A. Выявляемость дефектов в рельсах магнитным методом // Дефектоскопия. 2019. № 4. С. 21—29.
10. Антипов А.Г., Марков А.А. Новые возможности магнитодинамического метода контроля рельсов // Путь и путевое хозяйство. 2016. № 8. С. 27—32.
11. Patent US 11249047 В2. Method and system for detecting a material discontinuity in a magnetisable article I Blair S. Apl. US 15755766; 31.08.2016; publ. 15.02.2022.
12. Патент 2793171 РФ, B61K 9/08. Способ оценки стыковых зазоров рельсов железнодорожного пути / Антипов А.Г., Марков А.А, Максимова Е.А.; патентообладатель АО «Радиоавионика». № 2022131896; заявл. 06.12.2022; опубл. 20.03.2023; Бюл. № 10.

MEASUREMENT OF GAPS IN BOLTED JOINTS OF RAILS BY MAGNETIC METHOD

Markov Anatoliy — D. Sci., Head of the Department «Methods and means of nondestructive testing», Radioavionica JSC, St. Petersburg, Russia, anarmarkov@gmail.com
Antipov Andrey — Ph. D, Radioavionica JSC. St. Petersburg, Russia.
Maksimova Ekaterina — Head of the nondestructive testing laboratory, Radioavionica JSC. St. Petersburg, Russia.
Abstract. The purpose of the research is to find a reliable way to estimate the size of gaps in bolted joints of rails in automatic mode over a wide temperature range. An overview and disadvantages of known technical solutions are given. In the proposed method, signals of the magnetic method of rail control (magnetic flux displacement method, MFL-method) are used to measure butt gaps. The original magnetization system is placed on the wagon (inductor) trolley of the flaw detector car. The axles of the cart wheelsets are the cores of electromagnets, the cart wheels inject a stable magnetic flux into the rails. Periodic evaluation of the clearance values of bolted joints of rails allows you to predict the reliability of a jointless track and prevent its temperature deformations.
Keywords: jointless rail track, temperature stresses in rails, rail joint gap, rail testing, magnetic flux leakage method (MFL), amplitude parameter, automatic processing.