RU2504745C1

RU2504745C1 - Method of determining mechanical stress in rails

Info

Publication number: RU2504745C1
Application number: RU2012119356/28A
Authority: RU
Inventors: Полина Алексеевна Липунова; Юрий Михайлович Кравченко
Priority date: 2012-05-11
Filing date: 2012-05-11
Publication date: 2014-01-20
Also published as: RU2012119356A

Abstract

FIELD: physics.

SUBSTANCE: method of determining mechanical stress in rails involves mounting scanning devices 2-5 mm over the unprepared surface of each rail parallel to each other, said devices measuring remnant magnetisation of the metal of the rails. The scanning devices are connected to a receiving device mounted on a device moving on the rails. Remnant magnetisation data obtained during movement of the scanning devices are converted using software into data of mechanical stress in the rails. The obtained results are recorded in real time and stored in a storage unit.

EFFECT: high accuracy and continuous measurement of mechanical stress, easier measurement.

4 dwg

Description

Изобретение относится к верхнему строению пути, к рельсам, а именно к способам определения механических напряжений путем измерения изменений магнитных свойств металла.The invention relates to the upper structure of the track, to rails, and in particular to methods for determining mechanical stresses by measuring changes in the magnetic properties of a metal.

Известен аналитический способ определения механических напряжений в рельсовых плетях бесстыкового пути (ТУ-2000. Технические указания по устройству, укладке, содержанию и ремонты бесстыкового пути. - Министерство путей сообщения Российской Федерации, департамент пути и сооружений), который основывается на методике расчета условий укладки бесстыкового пути при повышении и понижении температуры рельсовых плетей, допустимых по условиям их прочности и устойчивости, включающий расчет условий укладки бесстыкового пути в конкретных условиях, сравнительный анализ температурной амплитуды допускаемой [Т] и фактической Та температур. Если Та<[Т], то бесстыковой путь можно укладывать. Недостатком данного способа является недостаточная точность определения температуры рельсов, недостоверность информации о температуре рельсов из-за человеческого фактора, а также данный способ не учитывает усталостные напряжения в рельсах, накопленные в результате их эксплуатации.There is an analytical method for determining mechanical stresses in rail lashes of a welded jointless track (TU-2000. Technical instructions for the design, installation, maintenance and repair of welded jointless tracks. - Ministry of Railways of the Russian Federation, Department of Railways and Structures), which is based on the methodology for calculating the laying conditions of a welded jointless track. ways when raising and lowering the temperature of rail lashes, permissible according to the conditions of their strength and stability, including the calculation of the conditions for laying a jointless path in specific conditions, a comparative analysis of the temperature amplitude of the permissible [T] and actual Ta temperatures. If Ta <[T], then the jointless path can be laid. The disadvantage of this method is the lack of accuracy in determining the temperature of the rails, the inaccuracy of information about the temperature of the rails due to the human factor, and this method does not take into account the fatigue stresses in the rails accumulated as a result of their operation.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому способу является способ определения механических напряжений в рельсах при помощи тензометрических датчиков (Й. Чукан, К. Костиков, Тензометрические датчики силы. Компоненты и технологии, 2010 №1. www.kit-e.ru), включающий подготовку поверхности тела, в котором измеряют механические напряжения, установку тензометрического датчика на поверхность тела, подключение датчика к источнику питания, точечное измерение электрического сопротивления, перевод его в механическое напряжение.Closest to the technical nature of the proposed method is a method for determining mechanical stresses in rails using strain gauges (J. Chukan, K. Kostikov, Strain force sensors. Components and technologies, 2010 No. 1. Www.kit-e.ru), including preparation of the body surface, in which mechanical stresses are measured, installation of a strain gauge sensor on the body surface, connection of the sensor to a power source, point measurement of electrical resistance, its translation into mechanical stress.

Недостатками способа определения напряжений в рельсах при помощи тензометрических датчиков являются точечное определение напряжений на местах установки датчиков, определение напряжений осуществляется только в период между установкой тензометрических датчиков и съема информации с них, без учета напряжений, которые накопились в рельсах до установки тензометрических датчиков, недостаточная достоверность показаний, высокая трудоемкость установки, низкая надежность работы тензометрических датчиков.The disadvantages of the method for determining stresses in rails using strain gauge sensors are the precise determination of stresses at the installation sites of the sensors, the determination of stresses is carried out only between the installation of strain gauge sensors and taking information from them, without taking into account the stresses that accumulated in the rails before the installation of strain gauge sensors, insufficient reliability indications, high complexity of the installation, low reliability of the strain gauge sensors.

Цель изобретения - повышение точности и непрерывность измерения механических напряжений, снижение трудоемкости работ.The purpose of the invention is to increase the accuracy and continuity of the measurement of mechanical stresses, reducing the complexity of the work.

Указанная цель достигается тем, что в процессе измерений получают непрерывное множество данных, а не точечный результат, исключение подготовительных работ перед замером.This goal is achieved by the fact that during the measurement process they obtain a continuous set of data, and not a point result, the exception of preparatory work before measurement.

Сущность изобретения заключается в том, что над неподготовленной поверхностью каждой рельсовой нити на расстоянии 2-5 мм от их поверхности параллельно друг другу устанавливают сканирующие устройства, с помощью которых измеряют остаточную намагниченность металла рельсов, подключают сканирующие устройства к приемному устройству, установленному на передвигающимся по рельсам приспособлении и содержащем блок питания и цифровой носитель информации с программным обеспечением, переводят с помощью программного обеспечения получаемые при перемещении сканирующих устройств данные остаточной намагниченности в данные механических напряжений в рельсах, фиксируют полученные результаты как в реальном времени, так и накапливают в блоке памяти.The essence of the invention lies in the fact that over the unprepared surface of each rail yarn at a distance of 2-5 mm from their surface, scanning devices are installed parallel to each other, with which the residual magnetization of the metal of the rails is measured, the scanning devices are connected to a receiving device mounted on moving rails device and containing a power supply and a digital storage medium with software, translate using software obtained with remeschenii scanners remanence data into data of mechanical stresses in the rails, fixed results in real time, and store in the memory unit.

На фиг.1 и 2 представлена схема расположения оборудования для определения механических напряжений в рельсах, включающая выбранный для замеров участок 1-2, сканирующие устройства 5 присоединенные к приемным устройствам 4, установленным на передвигающемся по рельсам 6 приспособлении 3.Figures 1 and 2 show a layout of equipment for determining mechanical stresses in rails, including a section 1-2 selected for measurements, scanning devices 5 connected to receiving devices 4 mounted on a device 3 moving along the rails 6.

На фиг.3 представлена кривая механических напряжений σ МПа, полученная после обработки данных по остаточной намагниченности с помощью программного обеспечения при проходе по участку 1-2 передвигающегося приспособления 3 с установленными на нем приемными устройствами 4. Фактическую кривую ограничивают линии допускаемых положительных (+σ_д, МПа) 7 и отрицательных (-σ_д, МПа) 8 механических напряжений. Таким образом участки кривой, выходящие за указанные диапазоны, являются закритическими положительными 9 и отрицательными 10 механическими напряжениями. Допускаемое механическое напряжение для термоупрочненных рельсов [σ]=400 МПа, для незакаленных [σ]=350 МПа.Figure 3 presents the curve of mechanical stresses σ MPa obtained after processing the data on the residual magnetization using software when passing through section 1-2 of a moving device 3 with receivers installed on it 4. The actual curve is limited by the lines of permissible positive (+ σ _d , MPa) 7 and negative (-σ _d , MPa) 8 mechanical stresses. Thus, sections of the curve beyond these ranges are supercritical positive 9 and negative 10 mechanical stresses. Permissible mechanical stress for heat-strengthened rails [σ] = 400 MPa, for non-hardened [σ] = 350 MPa.

На фиг.4. представлена схема приемного устройства 4 состоящего из корпуса 11 со встроенными в него дисплеем 12 для отображения графической информации в реальном времени при контроле рельсовых нитей 6, блоком flash-памяти 13 для записи результатов контроля рельсовых нитей 6 в течение 10-15 дней без сброса информации на компьютер, специальной клавиатурой 14.In figure 4. presents a diagram of a receiving device 4 consisting of a housing 11 with a display 12 integrated therein for displaying graphical information in real time during the monitoring of rail threads 6, a flash memory unit 13 for recording the results of the monitoring of rail threads 6 for 10-15 days without resetting the information to computer, special keyboard 14.

Способ определения механических напряжений в рельсах осуществляется следующим образом.The method for determining mechanical stresses in rails is as follows.

В настоящее время на железных дорогах РФ эксплуатируется температурно-напряженная конструкция бесстыкового пути. Основное отличие работы бесстыкового пути от звеньевого состоит в том, что в рельсовых плетях свариваемых длинной до перегона действуют значительные механические напряжения, вызываемые изменениями температур. При повышении температуры рельсовых плетей по сравнению с температурой закрепления в последних возникают механические напряжения, которые вызывают удлинение рельсов, что может создать опасность «выброса» пути. При понижении температуры возникают механические напряжения, которые направлены на сжатие рельсов и могут вызвать излом плети и образование большого зазора, опасного для прохода поезда, или разрыв рельсового стыка из-за среза болтов. Дополнительное воздействие на бесстыковой путь оказывают силы, создаваемые при выправке, рихтовке, очистке щебня и других ремонтных путевых работах. Эти особенности бесстыкового пути требуют соблюдения установленных Техническими указаниями (ТУ-2000. Технические указания по устройству, укладке, содержанию и ремонты бесстыкового пути. - Министерство путей сообщения Российской Федерации, департамент пути и сооружений) норм и правил его укладки, содержания и ремонта.Currently, the railways of the Russian Federation operate a temperature-stressed construction of a welded jointless track. The main difference between the work of the welded jointless path and the link one is that significant rail stresses are caused in rail lashes welded long to the haul caused by temperature changes. With an increase in the temperature of rail lashes in comparison with the fixing temperature, the latter have mechanical stresses that cause the lengthening of the rails, which can create a danger of “ejection” of the track. When the temperature is lowered, mechanical stresses arise that are aimed at compressing the rails and can cause a break of the lash and the formation of a large gap, dangerous for the passage of the train, or a rupture of the rail joint due to the cut of the bolts. An additional effect on the jointless path is exerted by forces created during straightening, straightening, clearing rubble and other repair track works. These features of the jointless track require compliance with the norms and rules of its installation, maintenance and repair, established by the Technical Instructions (TU-2000. Technical instructions on the design, installation, maintenance and repair of the jointless path. - Ministry of Railways of the Russian Federation, Department of Railways and Structures).

Определение возникающих механических напряжений можно производить с использованием тензометрических датчиков. Тензометрические датчики представляют собой гибкое тело, которое под влиянием действующей силы подвергается линейной деформации. На определенных местах рельса прикреплены чувствительные элементы, так называемые тензометры. Тензометр - это резисторный элемент, электрическое сопротивление которого в следствии механических деформаций (растяжение или сжатие) изменяет свое значение. Действующая сила, таким образом, способствует изменению электрического сопротивления. На датчике обычно расположено четыре тензометра, которые включены в мостовую схему для того, чтобы изменение сопротивления было можно легче определить. Но в данном способе определения механических напряжений существует ряд недостатков: точечное определение напряжений на местах установки датчиков, определение напряжений осуществляется только в период между установкой тензометрических датчиков и съема информации с них, не учитывая напряжения, которые накопились в рельсах до установки тензометрических датчиков, недостаточная достоверность предоставления информации по показаниям тензометрических датчиков, высокая трудоемкость установки тензометрических датчиков, низкая надежность работ тензометрических датчиков.The determination of arising mechanical stresses can be performed using strain gauge sensors. Strain gauges are a flexible body that undergoes linear deformation under the influence of the acting force. Sensitive elements, the so-called strain gauges, are attached at certain places on the rail. A strain gauge is a resistor element whose electrical resistance changes due to mechanical deformation (tension or compression). The acting force thus contributes to a change in electrical resistance. Four strain gauges are usually located on the sensor, which are included in the bridge circuit so that the change in resistance can be more easily detected. But in this method of determining mechanical stresses, there are a number of disadvantages: point-based determination of stresses at the sensor installation sites, stress determination is carried out only between the installation of strain-gauge sensors and information reading from them, not taking into account the stresses that accumulated in the rails before the installation of strain-gauge sensors, insufficient reliability providing information on the readings of strain gauges, high complexity of installing strain gauges, low reliability work of strain gauges.

Предлагаемый способ определения механических напряжений основаный на свойстве магнитной памяти металла объединяет потенциальные возможности неразрушающего контроля и механики разрушений, вследствие чего, имеет ряд существенных преимуществ перед другими методами при контроле различных объектов.The proposed method for determining mechanical stresses based on the property of the magnetic memory of the metal combines the potentialities of non-destructive testing and fracture mechanics, as a result of which it has a number of significant advantages over other methods for monitoring various objects.

Магнитная память металла - последействие, которое проявляется в виде остаточной намагниченности металла изделий и сварных соединений, сформировавшейся в процессе их изготовления и охлаждения в слабом магнитном поле или в виде необратимого изменения намагниченности изделий в зонах концентрации напряжений и повреждений от рабочих нагрузок. (ГОСТ Р 52005-2003. Контроль неразрушающий. Метод магнитной памяти металла. Общие требования. - М.: ФГУП «Стандартинформ»).Metal magnetic memory is an aftereffect, which manifests itself in the form of residual magnetization of metal of products and welded joints formed during their manufacturing and cooling in a weak magnetic field or in the form of irreversible changes in the magnetization of products in areas of stress concentration and damage from working loads. (GOST R 52005-2003. Non-destructive testing. Method of magnetic memory of metal. General requirements. - M .: Federal State Unitary Enterprise "Standartinform").

Предлагаемый способ определения механических напряжений в рельсах основан на использовании свойства магнитной памяти металла.The proposed method for determining mechanical stresses in rails is based on the use of the magnetic memory of the metal.

Предлагаемое устройство 4 устанавливают на передвигающееся по рельсам приспособление 3, например дефектоскоп-путеизмеритель. При движении приспособления 3, сканирующие устройства 5 измеряют остаточную намагниченность рельсов 6 на участке пути 1-2. Результаты замеров поступают в приемное устройство 4, обрабатывается с помощью программного обеспечения, переводится в механические напряжения σ, запись полученных результатов осуществляется в блоке flash-памяти 13. Наличие энергонезависимого блока flash-памяти 13 позволяет записать результаты контроля рельсовых нитей 6 и передать данные на компьютер для их обработки или хранения. Дисплей 11 позволяет отображать информацию в графическом виде непосредственно при контроле рельсовых нитей 6. Приемное устройство 4 оснащено аккумуляторными батареями (на схеме не представлено), что позволяет производить измерения без подключения к внешним источникам питания.The proposed device 4 is mounted on a tool 3 moving along rails, for example a flaw detector-track gauge. When the device 3 is moving, the scanning devices 5 measure the residual magnetization of the rails 6 on the track 1-2. The measurement results are received at the receiving device 4, processed using software, converted to mechanical stresses σ, the results are recorded in the flash memory unit 13. The presence of a non-volatile flash memory unit 13 allows you to record the results of the monitoring of rail threads 6 and transfer data to a computer for processing or storage. The display 11 allows you to display information in graphical form directly during the monitoring of rail threads 6. The receiving device 4 is equipped with rechargeable batteries (not shown in the diagram), which allows measurements without connecting to external power sources.

Полученные результаты сравниваются с допускаемыми положительными 7 и отрицательными 8 механическими напряжениями. Значения механических напряжений, выходящие за рамки допускаемых 7, 8 будут считаться закритическими 9, 10, а на участках с таким механическими напряжениями необходимо будет принимать меры по приведению плети в оптимальную температурно-напряженную систему, то есть провести «разрядку» механических напряжений.The results obtained are compared with the permissible positive 7 and negative 8 mechanical stresses. Values of mechanical stresses that go beyond the limits of permissible 7, 8 will be considered supercritical 9, 10, and in areas with such mechanical stresses, it will be necessary to take measures to bring the whip into the optimal temperature-stress system, that is, to "discharge" mechanical stresses.

Таким образом предлагаемый способ определения механических напряжений позволяет непрерывно производить замеры их величины, обеспечивать высокую точность измерения механических напряжений за счет использования программного обеспечения при обработке результатов замеров, снизить трудоемкость за счет исключения операций зачистки поверхности рельсов. Кроме того способ позволяет определять места возникновения закритических механических напряжений и своевременно принять меры по стабилизации рельсовых плетей и предотвращению их повреждений, что повысит безопасность движения поездов.Thus, the proposed method for determining mechanical stresses allows you to continuously measure their magnitude, to ensure high accuracy of measuring mechanical stresses through the use of software when processing measurement results, to reduce the complexity by eliminating the operations of cleaning the surface of the rails. In addition, the method allows you to determine the occurrence of supercritical mechanical stresses and take timely measures to stabilize rail lashes and prevent their damage, which will increase the safety of train traffic.

Claims

A method for determining mechanical stresses in rails, including measuring the residual magnetization of the metal of the rails formed as a result of the operation of rail threads, characterized in that scanning devices are installed parallel to each other over the unprepared surface of each rail thread at a distance of 2-5 mm from them, by which measure the residual magnetization of the metal of the rails, connect the scanning devices to a receiving device mounted on a moving rail and containing in autonomous power supply and digital information carrier with software converted using software obtained while moving the scanning device data into the data remanence mechanical stresses in the rails, fixed results in real time, and store in the memory unit.