Возможности мониторинга динамического воздействия подвижного состава на верхнее строение пути с использованием тензометрии и виброметрии

Одной из приоритетных задач развития железнодорожного транспорта является повышение его эффективности за счет увеличения межремонтных сроков как верхнего строения пути, так и подвижного состава. Решение этой задачи невозможно без своевременной, полной и достоверной информации о динамике взаимодействия подвижного состава с инфраструктурой. Для организации мониторинга динамических процессов используются абсолютно разные типы первичных преобразователей: тензорезисторы, оптоволоконные датчики, динамометры (силоизмерительные подкладки), акселерометры, акустико-эмиссионные датчики. Актуальной при этом становится научно-техническая проблема сравнительных испытаний датчиков разных типов для оценки информативности их сигналов, обоснования критериев выбора первичных преобразователей при решении конкретных задач мониторинга.
Целью исследования являются сравнительные испытания съёмных тензорезистивных датчиков, оптико-поляризационных датчиков деформаций и акселерометров под проходящим поездом и оценка их информативности для контроля прогиба рельса и обнаружения дефектов поверхности катания колес вагонов. В исследовании с использованием конечно-элементного моделирования и физической модели рельса, представляющего собой балку на упругом основании, обоснована связь продольных деформаций с вертикальными ускорениями подошвы рельса. На опытном участке пути под проходящим поездом проведены сравнительные испытания съёмных тензорезистивных и оптико-поляризационных датчиков деформаций и акселерометров. Разработан алгоритм обработки сигналов и доказана эквивалентность средств тензометрии и виброметрии для определения прогиба рельса под проходящим поездом. Выполнено сравнение импульсных составляющих сигналов деформаций и виброускорения при движении колеса с дефектом поверхности катания, обоснованы требования к частотным характеристикам датчиков и их креплению на поверхность рельса.

1. Краснов О. Г., Богданов О. К., Акашев М. Г. Динамические силы и процессы в рельсах при ударном взаимодействии колес с дефектами // Вестник Научноисследовательского института железнодорожного транспорта. – 2016. – Т. 75. – № 6. – С. 354–364. EDN: XCCLWT.

2. Певзнер В. О., Петропавловская И. Б., Третьяков В. В. [и др.]. Сравнительный анализ воздействия на путь вагонов с различными осевыми нагрузками // Внедрение современных конструкций и передовых технологий в путевое хозяйство. – 2016. – Т. 9. – № 9 (9). – С. 68–75. EDN: WIMBQP.

3. Абдурашитов А. Ю., Юркова Ю. Н. Овзаимодействии пути и подвижного состава на участках скоростного движения в зависимости от очертания профилей рельсов и колёс // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. – 2022. – № 1 (73). – С. 170–177. DOI: 10.26731/1813-9108.2022.1(73).170-177. EDN: CICMUB.

4. Круглов В. М., Хохлов А. А., Саврухин А. В. Модель динамического взаимодействия ПС и пути // Мир транспорта. – 2011. – Т. 9. – № 5 (38). – С. 8–11. EDN: OKMCQP.

5. Краснов О. Г., Ефименко А. В., Акашев М. Г. Влияние дефектов на поверхности катания колес на ресурс боковых рам грузовых вагонов // Вагоны и вагонное хозяйство. – 2014. – № 2 (38). – С. 45–48. EDN: SEQIZX.

6. Повышение надежности и срока службы колесных пар и рельсов // Железные дороги мира. – 2011. – № 3. – С. 54–61. EDN: NUGVEZ.

7. Коган А. Я. Воздействие на путь поездов, имеющих в своем составе вагоны с ползунами на колесных парах // Вестник Научно-исследовательского института железнодорожного транспорта. – 2014. – № 3. – С. 3–8. EDN: TOLHCB.

8. Захаров С. М., Погорелов Д. Ю., Симонов В. А. Анализ влияния параметров экипажей и пути на интенсивность износа в системе колесо-рельс (на основе полного факторного эксперимента) // Вестник Научноисследовательского института железнодорожного транспорта. – 2010. – № 2. – С. 31–35. EDN: MEGPGL.

9. Бондарев Э. С. Прогнозирование технического состояния рельсов по статистическим данным // Вестник Сибирского государственного университета путей сообщения. – 2021. – № 4 (59). – С. 55–61. DOI: 10.52170/1815-9265_2021_59_55. EDN: HLDMQB.

10. Махутов Н. А., Коссов В. С., Оганьян Э. С. [и др.]. Прогнозирование контактно-усталостных повреждений рельсов расчетно-экспериментальными методами // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. – 2020. – Т. 86. – № 4. – С. 46–55. DOI: 10.26896/1028-6861-2020-86-4-46-55. EDN: UXMYMI.

11. Громаков М. С., Тармаев А. А., Беспалько С. В. Энергетический критерий для оценки запаса устойчивости колеса от вкатывания гребня на головку рельса при движении колесной пары по прямому участку пути // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. – 2021. – № 1 (69). – С. 104–111. DOI: 10.26731/1813-9108.2021.1(69).104-111. EDN: DIETDK.

12. Марков А. А., Максимова Е. А., Антипов А. Г. Анализ развития дефектов рельсов по результатам многоканального периодического контроля // Дефектоскопия. – 2019. – № 12. – С. 3–15. DOI: 10.1134/S0130308219120017. EDN: CQVYYL.

13. Марков А. А., Максимова Е. А. Анализ эффективности ультразвуковых и магнитных каналов дефектоскопических комплексов при контроле рельсов // Вестник ИжГТУ имени М. Т. Калашникова. – 2019. – Т. 2. – № 2. – С. 22–32. EDN: HNQVES.

14. Бороненко Ю. П., Рахимов Р. В., Григорьев Р. Ю., Попов В. В. Анализ методов измерений силового воздействия подвижного состава на путь и систем технического контроля колес при движении поезда // Известия Петербургского университета путей сообщения. – 2020. – Т. 17. – № 3. – С. 324–344. DOI: 10.20295/1815-588X2020-3-324-344. EDN: PDIIKB.

15. Марков А. А., Максимова Е. А., Антипов А. Г. Динамическая коррекция чувствительности дефектоскопических каналов при высокоскоростном контроле рельсов // Дефектоскопия. – 2021. – №12. – С. 3–14. DOI: 10.31857/S0130308221120010. EDN: VMRTBG.

16. Коржин С. Н., Мироненко О. И., Меланин В. М., Беспалько С. В. Определение напряженного состояния колеса грузового вагона от реакции рельса // Наука и техника транспорта. – 2021. – № 4. – С. 8–12. DOI: 10.53883/20749325_2021_04_08. EDN: FCPDYF.

17. Бороненко Ю. П., Третьяков А. В., Зимакова М. В. Цифровая программно-аппаратная платформа для автоматизированного мониторинга технического состояния подвижного состава и железнодорожного пути на ходу поезда «Рубеж» // Сб. материалов научно-практ. конференции АО «ВНИИЖТ» «Наука 1520 ВНИИЖТ: Загляни за горизонт» (26–27 августа 2021 г.). – Щербинка: АО «ВНИИЖТ», 2021. – С 38–44. EDN: OEVRPB.

18. Бороненко Ю. П., Рахимов Р. В., Петров А. А. Кусочно-непрерывное измерение сил между колесом и рельсом по касательным напряжениям в двух сечениях рельса // Транспорт Российской Федерации. – 2018. – № 3 (76). – С. 58–64. EDN: XRLKOD.

19. Ромен Ю. С., Суслов О. А., Баляева А. А. Определение сил взаимодействия в системе колесо-рельс на основании измерения напряжений в шейке рельса // Вестник Научно-исследовательского института железнодорожного транспорта. – 2017. – Т. 76. – № 6. – С. 354–361. DOI: 10.21780/2223-9731-2017-76-6-354-361. EDN: YKHKDN.

20. Коссов В. С., Гапанович В. А., Лунин А. А. [и др.] К вопросу определения боковых сил в условиях тяжеловесного движения // Железнодорожный транспорт. – 2018. – № 5. – С. 46–51. EDN: XMGKWD.

21. Manshin, Yu. P., Manshina, E. Yu., Geue, M. About the dynamic error of strain gauge torque measuring devices. Journal of Physics: Conference Series, Volume 2131, Mathematical modeling and computational methods in problems of electromagnetism, electronics and physics of welding, 052041. DOI: 10.1088/1742-6596/2131/5/052041.

22. Dobrovolsky, P. P., Kremis, I. I., Fedorinin, V. N., Sidorov, V. I. Comparative Analysis of the Frequency Responses of Vibration of Rotary Type Microcryogenic Machines. Optoelectronics, Instrumentation and Data Processing, 2021, Vol. 57, Iss. 2, pp. 202–207. DOI: 10.3103/S8756699021020060. EDN: ZYTNZV.

23. Сычев В. П., Шабалин Н. Г., Локтев А. А. [и др.] Расчет вибрационного воздействия на путь пассажирских поездов с повышенными скоростями движения для обеспечения безопасности и комфортности пассажиров и поездных бригад // Наука и техника транспорта. – 2020. – № 3. – С. 110–115. EDN: IHCSZB.

24. Ma, Z., Chung, J., Liu, P., Sohn, H. Bridge displacement estimation by fusing accelerometer and strain gauge measurements. Structural Control and Health Monitoring, 2021, Vol. 28, Iss. 6, e2733. DOI: https://doi.org/10.1002/stc.2733 [ограниченный доступ].

25. Федоринин В. Н. Патент № 2157513 C1 Российская Федерация, МПК G01J 4/04. Эллипсометрический датчик: № 99104550/28: заявл. 05.03.1999: опубл. 10.10.2000; заявитель Конструкторско-технологический институт прикладной микроэлектроники СО РАН. EDN: QDFVXB.

26. Кучерявый В. И., Мильков С. Н. Надежность газонефтепровода в линейно упругом грунте при изгибе // Проблемы машиностроения и надежности машин. – 2017. – № 2. – С. 125–130. EDN: YKVAXB.