CC BY
68Техническая диагностика и прогнозирование
УДК 681.5.08+656.25
С. В. Рубцова
Кафедра «Автоматика и телемеханика на железных дорогах»,
Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I
ПРИМЕНЕНИЕ ДЕФЕКТОСКОПНЫХ ДАТЧИКОВ ДЛЯ РАСШИРЕНИЯ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ ВОЗМОЖНОСТЕЙ СИСТЕМ ТЕХНИЧЕСКОГО ДИАГНОСТИРОВАНИЯ И МОНИТОРИНГА УСТРОЙСТВ АВТОМАТИКИ
Введение
Современные системы технического диагностирования и мониторинга железнодорожной автоматики и телемеханики (СТДМ ЖАТ) обеспечивают преимущественно косвенный контроль рабочих параметров напольного технологического оборудования (НТО) по аппаратуре, располагающейся на посту централизации или в релейном шкафу [1-6]. Как показывает практика, наибольшее количество отказов приходится на верхнее строение пути и, как следствие, на НТО, связанное непосредственно с железнодорожными рельсами, - это рельсовые цепи (РЦ) и стрелочный электропривод [7-12]. Одной из важнейших функций РЦ является обнаружение разрушенного рельса в пределах рельсовой линии, поезда или его части. С помощью РЦ определяют изменения параметров сигналов контроля состояний рельсовой линии, когда ее рельсовые нити соединяются между собой колесными парами поезда (поездным шунтом) или нарушается целостность хотя бы одной из них вследствие разрушения рельса [13].
Дальнейшим развитием СТДМ ЖАТ может быть расширение зоны контроля параметров наименее надежных элементов инфраструктуры железных дорог, в том числе обслуживаемых дистанциями пути. Комплексный мониторинг позволит еще больше повысить отказоустойчивость всех элементов управления перевозочным процессом. Это, например, можно сделать с учетом методов дефектоскопии [14, 15].
1. Совершенствование методики технического обслуживания и функционального диагностирования
За последние годы в рельсовой дефектоскопии появилось более ста мобильных и порядка 4000 съемных средств дефектоскопии нового поколения. Благодаря применению дефектоскопов количество изломов рельсов в пути за последнее время уменьшилось почти в 10 раз (рис. 1). В данной статье предлагается нововведение в области неразрушающего контроля рельсовой линии - применение дефектоскопных датчиков в составе СТДМ ЖАТ.
129
Проблемы безопасности и надежности микропроцессорных комплексов
120,0
100,0
80,0
60,0
40.0
20.0 0,0
Остродефектные рельсы (ОДР) на 1000 км
■ОДР
■ Всего ОДР
Дефектоскопы Дефектоскопы Ваг°ны- Всег° средствами
для сплошного для контроля дефектоскопы дефектоскопии
контроля сварных стыков
Рис. 1. Поиск ОДР методом дефектоскопии рельсов
Предполагается, что новые дефектоскопные датчики смогут обнаруживать в два-три раза больше дефектов, чем дефектоскопные тележки, поскольку, несмотря на возможности дефектоскопных тележек, происходит пропуск дефектов операторами в пути. Применение датчиков, установленных вдоль рельсовой линии, поможет снизить пропуск дефектов и повысить надежность рельсовой линии.
На рис. 2 и 3 представлены количество изломов рельсов в процентом соотношении за 2014 год и распределение изломов рельсов по пропущенному тоннажу.
Дефекты
без
видимых пороков в месте излома (21 %)
Головка рельса (17 %)
Подошва
рельса
(41 %)
Шейка рельса (21 %)
Рис. 2. Изломы рельсов в 2014 г. по сечениям
130
Техническая диагностика и прогнозирование
до 300 млн
свыше 700 млн т брутто (33 %)
брутто (21 %)
300
до 500 млн т , брутто (21 %)
500
до 700 млн т брутто
(25 %)
Рис. 3. Распределение изломов рельсов по пропущенному тоннажу
2. Пьезоэлектрические преобразователи как способ сканирования металла рельсов
Для сканирования металла рельсов при ультразвуковой дефектоскопии используются пьезоэлектрические преобразователи (ПЭП). При подведении к электродам пьезоэлемента электрического переменного напряжения некоторой частоты он совершает механические колебания с такой же частотой. Такое явление называется обратным пьезоэффектом. Отраженные от дефектов упругие колебания через определенное время возвращаются к излучающей пьезопластине - приемнику.
На плоские поверхности пьезоэлементов наносят тонкие слои серебра, служащие электродами и проводящие электрическое напряжение. Таким образом, оказывается возможным при помощи пьезоэлемента преобразовать электрические колебания в ультразвуковые (обратный пьезоэффект) и, наоборот, ультразвуковые колебания в электрические (прямой пьезоэффект) [14].
С генератора дефектоскопного датчика на ПЭП подается короткий радиоимпульс - зондирующий импульс, под воздействием которого на электродах пьезопластины появляется серия затухающих гармонических колебаний. При вводе ультразвуковых колебаний в рельс излучаемый импульс зеркально отражается от внутренней поверхности подошвы рельса (донной поверхности) и возвращается в ПЭП. Поскольку ПЭП работает как на излучение, так и на прием, возвратившаяся в ПЭП акустическая энергия преобразуется в электрический сигнал, который усиливается в приемнике дефектоскопа и затем наблюдается на экране. Этот импульс называется донным сигналом. Если отсутствует донный сигнал, то это свидетельствует о
131
Проблемы безопасности и надежности микропроцессорных комплексов
потере акустического контакта между преобразователем и поверхностью рельса, например из-за загрязнения. Если в рельсе присутствует дефект, то происходит ослабление донного сигнала.
Если волна встречает какую-либо несплошность металла, то ее лучи отражаются от плоскости и от острых краев дефекта в различных направлениях и часть энергии волны попадает обратно в ПЭП. В результате расшифровщик наблюдает на экране отраженные от дефекта эхо-импульсы (рис. 4).
tp, МКС
Эхо-импульс
Донный
импульс
II I '
I '
I '
I I I '
I I I 1 I 1 I \
I I
I '
I '
I 1
J '
tp, МКС
Рис. 4. Зондирующий, донный и эхо-импульсы при вводе ультразвукового колебания
Просмотр диаграмм, полученных при посылке ультразвуковых импульсов, и возможных обнаруженных дефектов можно будет увидеть на мониторе системы АПК-ДК. Кабель, по которому будет происходить контроль, подключается параллельно к питающей установке и к дефектоскоп-132
Техническая диагностика и прогнозирование
ным датчикам, проложен в траншее и будет полностью защищен от погодных аномалий и случайных механических повреждений.
На рис. 5 показана схема передачи информации от дефектоскопных датчиков до сервера обработки данных.
К рельсам
Рис. 5. Передача информации от дефектоскопных датчиков до сервера обработки данных
133
Проблемы безопасности и надежности микропроцессорных комплексов
Предполагаемое расположение дефектоскопных датчиков показано на рис. 6.
Питающая
установка
Рис. 6. Расположение дефектоскопных датчиков вдоль рельсовой линии
Заключение
Применение дефектоскопных датчиков сможет повысить надежность РЦ, поскольку благодаря раннему обнаружению дефектов и неисправностей можно устранить отказы в процессе обслуживания. Оборудование станций и перегонов такими датчиками повысит безопасность движения поездов.
Следует заметить, что дефектоскопные датчики имеют существенный недостаток - небольшую дальность посылки волн; понадобится примерно 12-15 датчиков в пересчете на 100 м, что, в свою очередь, требует большого количества датчиков для оборудования объектов ЖАТ. Увеличение дальности позволит сократить экономические расходы на техническое диагностирование.
134
Техническая диагностика и прогнозирование
Библиографический список
1. Москвина Е. А. Диагностика и мониторинг на Октябрьской дороге / Е. А. Москвина // Автоматика, связь, информатика. - 2008. - № 1. - С. 32-34.
2. Сепетый А. А. Диагностика и мониторинг на Северо-Кавказской дороге / А. А. Се-петый // Автоматика, связь, информатика. - 2008. - № 6. - С. 6-9.
3. Нестеров В. В. Центр диагностики и мониторинга устройств ЖАТ / В. В. Нестеров, Д. С. Першин // Автоматика, связь, информатика. - 2009 - № 1. - С. 29-31.
4. Федорчук А. Е. Новые информационные технологии: автоматизация технического диагностирования и мониторинга устройств ЖАТ (система АДК-СЦБ) : учеб. для вузов ж.-д. транспорта / А. Е. Федорчук, А. А. Сепетый, В. Н. Иванченко. - Ростов н/Д : РГУПС, 2008. -444 с.
5. Молодцов В. П. Системы диспетчерского контроля и мониторинга устройств железнодорожной автоматики и телемеханики : учеб. пособие / В. П. Молодцов, А. А. Иванов. -СПб. : Петербургский гос. ун-т путей сообщения, 2010. - 140 с.
6. Ефанов Д. В. Основы построения и принципы функционирования систем технического диагностирования и мониторинга устройств железнодорожной автоматики и телемеханики : учеб. пособие / Д. В. Ефанов, А. А. Лыков. - СПб. : Петербургский гос. ун-т путей сообщения, 2012. - 59 с.
7. Ефанов Д. В. Автоматизация контроля на стрелках / Д. В. Ефанов, Н. А. Богданов // Мир транспорта. - 2011. - № 2. - С. 54-59.
8. Ефанов Д. В. Мониторинг параметров рельсовых цепей тональной частоты / Д. В. Ефанов, Н. А. Богданов // Транспорт Урала. - 2013. - № 1. - С. 36-42.
9. Ефанов Д. В. Функциональное диагностирование стрелочных электроприводов переменного тока / Д. В. Ефанов, Е. В. Басалаев, В. Г. Алексеев // Транспорт Урала. - 2012. -№ 4. - С. 26-29.
10. Бочкарев С. В. Совершенствование методов диагностирования стрелочного переводного устройства / С. В. Бочкарев, А. А. Лыков, Д. С. Марков // Автоматика на транспорте. - 2015. - Т. 1. - № 1. - С. 40-50.
11. Кравцов Ю. А. Электромагнитная совместимость рельсовых цепей и электроподвижного состава с асинхронным тяговым приводом / Ю. А. Кравцов // Автоматика на транспорте. - 2015. - Т. 1. - № 1. - С. 7-27.
12. Кравцов Ю. А. Перспективные способы кодирования рельсовых цепей тональной частоты / Ю. А Кравцов, Е. В. Архипов, М. Е. Бакин // Автоматика на транспорте. - 2015. -Т. 1. - № 2. - С. 119-126.
13. Системы управления движением поездов на перегонах : учебник для вузов ж.-д. транспорта : в 3 ч. Ч. 1: Функциональные схемы систем / В. М. Лисенков, П. Ф. Бестемья-нов, В. Б. Леушин, Н. Е. Федоров, Л. Б. Смирнова ; под ред. В. М. Лисенкова. - М. : ГОУ «Учебно-методический центр по образованию на железнодорожном транспорте», 2009. -160 с.
14. Волков В. В. Ультразвуковые рельсовые дефектоскопы : справ. пособие / В. В Волков. - Томск, 2010. - 26 с.
15. Марков А. А. Дефектоскопия рельсов. Формирования и анализ сигналов / А. А. Марков, Е. А Кузнецова. - СПб. : КультИнформПресс, 2010. - 290 с.
Email: [email protected]
135
