RU2731163C1

RU2731163C1 - Method of estimating dynamic rigidity of track and device for its implementation

Info

Publication number: RU2731163C1
Application number: RU2019131648A
Authority: RU
Inventors: Сергей Викторович Елисеев; Сергей Константинович Каргапольцев; Алексей Иванович Орленко; Наталья Михайловна Быкова; Роман Сергеевич Большаков; Андрей Владимирович Елисеев
Priority date: 2019-10-07
Filing date: 2019-10-07
Publication date: 2020-08-31

Abstract

FIELD: test equipment.

SUBSTANCE: invention relates to the field of test equipment, in particular to the movable diagnostic facilities, and can be used for the rail track condition monitoring and assessment. Proposed method is implemented on the basis of transport vehicle application in the form of freight car platform that allows considering impact of dynamic rigidity of wheel-rail contact under conditions close to real ones. Disclosed is structural-technical solution for creation of inertial-type adjustable vibration table with application of system of rotating elements interacting with each other with provision of system with possibility to control parameters of vibration excitation due to use of engine and transmission of truck as autonomous power source. Method allows to estimate parameters of rail track at minimum costs for surveys. Method is realized based on use of mechanical disturbance means and is suitable for any weather conditions.

EFFECT: technical result consists in possibility of determination of parameters of dynamic rigidity of track in stationary state.

2 cl, 4 dwg

Description

Изобретение относится к области контроля и оценки состояния рельсового пути.The invention relates to the field of monitoring and assessing the state of the rail track.

Надежность реализации перевозочных процессов средствами железнодорожного транспорта зависит от многих факторов, связанных с оценкой технического состояния не только подвижных средств, но и состояния рельсового пути. Этим вопросам уделяется постоянное внимание, разработаны соответствующие технологии и регламенты, что нашло отражение в современных научно-технических разработках [1].The reliability of the implementation of transportation processes by means of railway transport depends on many factors associated with the assessment of the technical condition of not only mobile vehicles, but also the condition of the rail track. Constant attention is paid to these issues, appropriate technologies and regulations have been developed, which is reflected in modern scientific and technical developments [1].

В последующие годы большое внимание уделяется разработкам, обеспечивающим возможности осуществления транспортных перевозок в условиях повышенных скоростей, нагрузок на ось и использование тяжеловесных составов, что инициирует поиск и разработку способов и средств обеспечения условий безопасности эксплуатации сложных технических систем. К их числу относятся и вопросы надлежащего состояния рельсового пути. При всей разработанности многих аспектов контроля состояния рельсового пути и существующих технологиях оценки состояния рельсового полотна в вопросах оценки динамической жесткости пути еще не достигнут должный уровень детализации представлений об особенностях динамических состояний рельсового полотна при действии периодических внешних воздействий, формирующих специфические и отличающиеся от статических нагрузок просадки в точках контакта колесо-рельс.In subsequent years, much attention is paid to developments that provide the possibility of transporting transportation at high speeds, axle loads and the use of heavy-weight trains, which initiates the search and development of methods and means of ensuring the safe operation of complex technical systems. These include issues of the proper condition of the rail track. With all the development of many aspects of monitoring the state of the rail and the existing technologies for assessing the state of the rail in the assessment of the dynamic stiffness of the track, the proper level of detailing of ideas about the features of the dynamic states of the rail under the action of periodic external influences that form specific and differing from static loads subsidence in wheel-rail contact points.

Известны технологии оценки и диагностики состояния рельсового полотна, позволяющие вести определение текущих характеристик и ранжирование рельсового полотна по баллам.There are known technologies for assessing and diagnosing the state of the railroad bed, which allow determining the current characteristics and ranking the railroad bed by points.

Динамическая жесткость пути в отличие от статической определяется при учете действия периодической составляющей внешнего воздействия. Совместное действие двух силовых факторов постоянного и знакопеременного (в частном случае - гармонического) воздействия обладает спецификой, которая может проявляться в значительном увеличении просадки рельсового пути в определенной локальной зоне по сравнению сое статической нагрузкой.The dynamic stiffness of the path, in contrast to the static one, is determined taking into account the action of the periodic component of the external influence. The combined action of two force factors of constant and alternating (in the particular case, harmonic) impact has a specificity that can manifest itself in a significant increase in the subsidence of the rail track in a certain local area compared to the static load.

В процессе патентного поиска выявлен ряд изобретений-аналогов.In the course of the patent search, a number of analogous inventions were identified.

Известен способ оценки состояния железнодорожного пути [Ромен Ю.С., Клебанов Я.М., Бородин B.C., Гасанов А.И. «Способ оценки состояния железнодорожного пути», патент №2394120, МПК Е01В 35/00, приоритет 10.07.2010], заключающийся в том, что в процессе движения вагона при определенной скорости измеряют положение рельсовых нитей, положение пути по уровню и в плане, ширину рельсовой колеи. Перед поездкой закладывают в ЭВМ математическую модель взаимодействия оцениваемого пути и экипажа при требуемой скорости его движения, одновременно с параметрами положения рельсовой колеи измеряют неровности на рабочей поверхности рельса, модуль упругости подрельсового основания и коэффициенты демпфирования и жесткости в сцеплениях вагонов. В процессе движения вагона посредством решения системы алгебраических и дифференциальных уравнений математической модели, описывающей взаимодействие экипажа и железнодорожного пути, вычисляют коэффициент устойчивости рельсошпальной решетки поперечному сдвигу, коэффициент безопасности по вползанию гребня колеса на рельс, динамическую ширину рельсовой колеи, основные напряжения в кромках подошвы и головки рельса, тензор контактных напряжений рельса, продольные силы, обусловленные угоном пути, сопоставляют эти величины с допусками. Достигается получение более достоверных данных о состоянии железнодорожного пути.A known method for assessing the state of the railway track [Romain Y.S., Klebanov Ya.M., Borodin B.C., Hasanov A.I. "Method for assessing the state of a railway track", patent No. 2394120, IPC Е01В 35/00, priority 10.07.2010], which consists in the fact that during the movement of the car at a certain speed, the position of the rail lines, the position of the track along the level and in plan, the width rail track. Before the trip, a mathematical model of the interaction of the estimated track and the crew at the required speed of its movement is put into the computer, along with the parameters of the position of the rail track, irregularities on the working surface of the rail, the modulus of elasticity of the rail base and the coefficients of damping and stiffness in the clutches of the cars are measured. In the process of car movement, by solving the system of algebraic and differential equations of the mathematical model describing the interaction of the carriage and the railway track, the coefficient of stability of the rail and sleeper lattice to lateral shear, the safety factor for the creeping of the wheel flange onto the rail, the dynamic width of the rail track, the main stresses in the edges of the sole and the head are calculated rail, rail contact stress tensor, longitudinal forces due to track stealing compare these values with tolerances. EFFECT: obtaining more reliable data on the state of the railway track.

Недостатками данного изобретения являются достаточно сложная математическая модель со множеством коэффициентов, что затрудняет обработку конечных результатов, а также отсутствие измерения продольной динамической жесткости рельсового пути.The disadvantages of this invention are a rather complex mathematical model with many coefficients, which complicates the processing of the final results, as well as the lack of measurement of the longitudinal dynamic stiffness of the rail track.

Известен способ [Семашко Н.А., Васин В.В., Емельянов Е.Н., Конаков А.В., Фадеев B.C., Чигрин Ю.Л., Штанов О.В., Ободовский Ю.В., Паладин Н.М. «Способ измерения путеизмерительным вагоном жесткости рельсового пути», патент №2437090, МПК G01N 29/14, приоритет 20.12.2011], сущность которого заключается в том, что осуществляют прием, регистрацию и оценку параметров сигналов акустической эмиссии во время движения тележки железнодорожного вагона, проведение оцифровки акустических сигналов, анализ спектра акустических сигналов, их обработку, при этом преобразователи акустической эмиссии системы СДС1008 устанавливают на предварительно зачищенные неподвижные элементы вагонной тележки, не имеющей износа в целом или ее отдельных узлов и являющейся «эталонной», с «правой» и «левой» стороны по два с каждой стороны, подключают преобразователи акустической эмиссии к предварительным усилителям, которые располагают рядом с преобразователями, подключают предварительные усилители к системному блоку системы СДС1008 и портативному компьютеру, прогоняют тележку железнодорожного вагона на различных скоростях и режимах движения с различной степенью загрузки вагона по кольцевому и прямолинейному железнодорожным участкам, являющимися «эталонными участками», имеющие нормативные обобщенные показатели состояния рельсовой колеи, регистрируют спектральные параметры акустической эмиссии от преобразователей акустической эмиссии, полученные данные считают «эталонными» для каждого участка рельсового пути, затем вагон с «эталонной тележкой» прогоняют по исследуемым железнодорожным путям, регистрируют спектральные параметры акустической эмиссии на исследуемых участках железнодорожного пути, анализируют и сравнивают полученные данные с «эталонными», по результатам анализа и сравнения оценивают состояние железнодорожного пути. Технический результат: обеспечение возможности получения быстрой и достоверной оценки состояния рельсового пути.The known method [Semashko N.A., Vasin V.V., Emelyanov E.N., Konakov A.V., Fadeev BC, Chigrin Yu.L., Shtanov O. V., Obodovsky Yu.V., Paladin N .M. "Method for measuring the stiffness of a rail track by a track measuring car", patent No. 2437090, IPC G01N 29/14, priority 20.12.2011], the essence of which is that they receive, register and evaluate the parameters of acoustic emission signals during the movement of the bogie of a railway car, digitalization of acoustic signals, analysis of the spectrum of acoustic signals, their processing, while the acoustic emission transducers of the SDS1008 system are installed on pre-cleaned stationary elements of the carriage bogie, which does not have wear as a whole or its individual units and is a "reference", with "right" and " left "side, two on each side, connect the acoustic emission transducers to the preamplifiers, which are located next to the transducers, connect the preamplifiers to the SDS1008 system unit and a laptop, drive the railway carriage bogie at different speeds and modes of movement with different degrees loading of the car on the circular and straight railway sections, which are "reference sections", having standard generalized indicators of the state of the rail track, the spectral parameters of acoustic emission from acoustic emission transducers are recorded, the obtained data is considered "reference" for each section of the rail track, then the car with the "reference trolley "run along the investigated railway tracks, register the spectral parameters of acoustic emission on the investigated sections of the railway track, analyze and compare the obtained data with the" reference "data, and evaluate the state of the railway track based on the analysis and comparison results. EFFECT: provision of the possibility of obtaining a quick and reliable assessment of the state of the rail track.

К недостаткам данного изобретения можно отнести сложность обработки сигналов акустической эмиссии и отсутствие средства для измерения продольной динамической жесткости рельсового пути.The disadvantages of this invention include the complexity of the processing of acoustic emission signals and the lack of means for measuring the longitudinal dynamic stiffness of the rail track.

Также известно изобретение, представляющее собой способ измерения путеизмерительным вагоном жесткости рельсового пути [Боронахин A.M., Гупалов В.И., Казанцев А.В. «Способ измерения путеизмерительным вагоном жесткости рельсового пути», патент №2240244, МПК Е01В 35/00, приоритет 20.11.2004], заключающийся в том, при прохождении фиксированных точек пути каждой из четырех колесных пар путеизмерительного вагона измеряют поперечный уровень рельсовой колеи и силы, действующие на левые и правые буксы колесных пар. По полученной информации с использованием аналитических соотношений определяют среднюю жесткость рельсовой колеи в указанных точках и отклонение жесткости рельсовых нитей от среднего значения жесткости колеи. Данный способ позволяет измерять жесткость рельсового пути путеизмерительным вагоном при любых скоростях движения.Also known is the invention, which is a method for measuring the stiffness of a rail track by a track measuring car [Boronakhin A.M., Gupalov V.I., Kazantsev A.V. "Method for measuring the stiffness of a rail track by a track measuring car", patent No. 2240244, IPC Е01В 35/00, priority 20.11.2004], which consists in the fact that when passing fixed points of the track of each of the four wheel pairs of a track measuring car, the transverse level of the rail track and force are measured, acting on the left and right axle boxes of wheelsets. Based on the information received, using analytical relationships, the average stiffness of the rail track at the indicated points and the deviation of the stiffness of the rail lines from the average value of the track stiffness are determined. This method allows you to measure the stiffness of a rail track with a track measuring car at any speed.

Недостатками рассматриваемого способа являются сложная для обработки математическая модель, а также отсутствие измерения продольной динамической жесткости рельсового пути.The disadvantages of this method are a complex mathematical model for processing, as well as the lack of measurement of the longitudinal dynamic stiffness of the rail track.

За прототип выбирается способ определения коэффициента относительной жесткости основания железнодорожного пути и рельса и устройство для его реализации [Григорьев В.П., Дюков Г.Н., Князев Н.А., Шейнман Л.Е. «Способ определения коэффициента относительной жесткости основания железнодорожного пути и рельса и устройство для его реализации», патент №2116400, МПК Е01В 35/12, B61K 9/08, приоритет 27.07.1998], заключающийся в том, что регистрируют электрический сигнал при прогибе рельса под каждой тележкой вагонов состава, каждый раз определяют по меньшей мере два расстояния между датчиком и опорной точкой ближнего к датчику колеса тележки, при которых наблюдаются нулевые значения прогиба рельса, и по данным о полученных расстояниях при воздействии всех тележек вагонов состава определяют среднее значение и дисперсию искомого коэффициента. Устройство содержит датчик прогиба рельса, регистратор прогиба рельса, последовательно соединенные вычислитель коэффициента относительно жесткости основания пути и рельса и индикатор значения искомого коэффициента. Устройство также содержит измеритель расстояния между датчиком и опорной точкой ближнего к датчику колеса тележки, при которых наблюдаются нулевые значения прогиба рельса, и блок управления устройством. Изобретения обеспечат оперативное определение в реальном масштабе времени при движении состава упомянутого коэффициента.For the prototype, a method for determining the coefficient of relative stiffness of the base of a railway track and a rail and a device for its implementation is selected [Grigoriev VP, Dyukov GN, Knyazev NA, Sheinman L.Ye. "Method for determining the coefficient of relative stiffness of the base of a railway track and a rail and a device for its implementation", patent No. 2116400, IPC Е01В 35/12, B61K 9/08, priority 27.07.1998], which consists in the fact that an electric signal is recorded during rail deflection under each bogie of cars of the train, each time, at least two distances between the sensor and the reference point of the wheel of the bogie closest to the sensor are determined, at which zero values of the rail deflection are observed, and from the data on the obtained distances under the action of all bogies of the cars of the train, the average value and variance are determined the desired coefficient. The device contains a rail deflection sensor, a rail deflection recorder, a serially connected calculator of the coefficient relative to the stiffness of the track base and the rail, and an indicator of the desired coefficient value. The device also contains a distance meter between the sensor and the reference point of the bogie wheel closest to the sensor, at which zero rail deflection values are observed, and a device control unit. The invention will provide a prompt determination in real time when the composition of the said coefficient is moving.

Недостатками данного изобретения являются отсутствие учета особенностей деформации рельсового пути от всего состава и доля влияния на динамическую жесткость, а также отсутствие внимания к измерению продольной динамической жесткости рельсового пути.The disadvantages of this invention are the lack of consideration of the features of the deformation of the rail track from the entire composition and the share of influence on the dynamic stiffness, as well as the lack of attention to the measurement of the longitudinal dynamic stiffness of the rail track.

Задачей изобретения является оценка динамической жесткости рельсового пути в стационарном состоянии.The objective of the invention is to evaluate the dynamic stiffness of a rail track in a stationary state.

Способ оценки динамической жесткости рельсового пути, содержащий регистрацию прогиба рельса с помощью датчиков под нагрузкой, отличающийся тем, что прогиб рельса осуществляют в заданных местах в стационарном состоянии, нагружая рельсы с помощью вибровозбудителя инерционного типа по параметрам, близким к создаваемым транспортными средствами, фиксируют уровень прогиба в контакте колесо-рельс с обеих сторон колесных пар, сопоставляют с предыдущими замерами и дают оценку динамической жесткости.A method for assessing the dynamic stiffness of a rail track, containing registration of the rail deflection using sensors under load, characterized in that the rail deflection is carried out in specified places in a stationary state, loading the rails using an inertial-type vibration exciter according to parameters close to those created by vehicles, the level of deflection is recorded in the wheel-rail contact on both sides of the wheelsets, compare with previous measurements and give an estimate of the dynamic stiffness.

Устройство для реализации способа оценки динамической жесткости рельсового пути, содержащее специально закрепленный на железнодорожной платформе вибрационный вибровозбудитель инерционного типа, создающий с помощью регулируемого привода по частоте вращения элементов инерционное возбуждение, отличающийся тем, что привод вибратора имеет автономное устройство и обеспечивает необходимое изменение частот внешнего возмущения, имеет систему одновременного параллельного измерения и фиксации сигналов об уровне динамических просадок в контакте колесо-рельс с обеих сторон колеи. Суть изобретения поясняется чертежами.A device for implementing a method for assessing the dynamic stiffness of a rail track, containing a vibration exciter of an inertial type specially fixed on a railway platform, which creates an inertial excitation with the help of a variable speed drive of the elements, characterized in that the vibrator drive has an autonomous device and provides the necessary change in the frequencies of external disturbances, has a system for simultaneous parallel measurement and recording of signals about the level of dynamic subsidence in the wheel-rail contact on both sides of the track. The essence of the invention is illustrated by drawings.

На фиг. 1, а-в приведена принципиальная схема устройства для определения динамической жесткости со следующими обозначениями: колесные пары 1, 2, 3, 4, опорная поверхность 5, виброакселлерометры 6, 7, 8, 9, четырехосная железнодорожная платформа 10, ложемент 11, растяжки 12, 13, 14, 15, 16, 17, грузовой автомобиль 18, рама автомобиля 19, вращательные элементы 20, 21, 22, ложемент 23, вертикальные опорные стенки 24, 25, неуравновешенные пригрузы 26, 27, 28, 29, подшипниковые узлы 30, 31, 32, 33, ложементы 34, 35, 36, 37.FIG. 1, a-c shows a schematic diagram of a device for determining dynamic stiffness with the following designations: wheel pairs 1, 2, 3, 4, support surface 5, vibration accelerometers 6, 7, 8, 9, four-axle railway platform 10, lodgment 11, stretch marks 12 , 13, 14, 15, 16, 17, truck 18, car frame 19, rotary elements 20, 21, 22, cradle 23, vertical support walls 24, 25, unbalanced weights 26, 27, 28, 29, bearing assemblies 30 , 31, 32, 33, lodgements 34, 35, 36, 37.

На фиг. 2 представлена упрощенная расчетная схема для определения динамической жесткости.FIG. 2 shows a simplified design scheme for determining the dynamic stiffness.

Фиг. 3 иллюстрирует структурную схему исходной системы по фиг. 1FIG. 3 illustrates a block diagram of the parent system of FIG. 1

На фиг. 4 приведены амплитудно-частотная характеристика системы на фиг. 2FIG. 4 shows the frequency response of the system in FIG. 2

Изобретение реализуется по следующей схеме.The invention is implemented according to the following scheme.

Предлагаемое изобретение является способом определения динамической жесткости в контакте рельс-колесо, что достигается путем формирования внешнего периодического воздействия гармонической формы, создаваемого специальным вибратором. Работа вибратора обеспечивает передачу силового воздействия в точку контакта колесо-рельс, что измеряется с помощью датчиков. Сигналы с датчиков передаются в запоминающее устройство и фиксируются (например, с помощью шлейфового многоканального осциллографа).The proposed invention is a method for determining the dynamic stiffness in the rail-wheel contact, which is achieved by forming an external periodic impact of a harmonic shape, created by a special vibrator. The work of the vibrator ensures the transmission of force to the wheel-rail contact point, which is measured using sensors. The signals from the sensors are transferred to a memory device and recorded (for example, using a loop multichannel oscilloscope).

Для возбуждения колебаний используется система привода колес автомобиля. С помощью автомобиля, размещенного на платформе четырехосного грузового вагона, создаются вибрации посредством инерционных вибровозбудителей инерционного типа. Частота вибраций реализуется коробкой скоростей автомобиля.To excite the vibrations, a vehicle wheel drive system is used. With the help of a car, placed on the platform of a four-axle freight car, vibrations are generated by means of inertial vibration exciters of an inertial type. The vibration frequency is realized by the vehicle speed gearbox.

Предлагаемое изобретение предназначено для определения динамических жесткостей рельсового пути в точках контакта колесо-рельс при разных сочетаниях параметров внешнего возмущения. Такой подход в случае интеграции данных может давать детализированную информацию о динамических свойствах рельсового пути в развертке по частотам внешних воздействий и распределении свойств по длине исследуемого ими инспектируемого участка.The proposed invention is intended to determine the dynamic stiffness of the rail track at the points of wheel-rail contact with different combinations of external disturbance parameters. In the case of data integration, such an approach can provide detailed information on the dynamic properties of the track in a sweep by the frequencies of external influences and the distribution of properties along the length of the inspected section being investigated.

Предлагаемый способ реализуется с помощью специальной технической системы в виде четырехосной железнодорожной платформы 10, диски колесных пар 1, 3 имеют контакты с опорной поверхностью 5 (рельсовым полотном) в тт. А₁, А₂. На противоположной стороне платформа (на параллельном рельсе) аналогичные точки обозначены соответственно А'₁, А'₂. При измерениях динамической жесткости могут также учитываться (это делается в случае необходимости) контактные точки, обозначенные, как тт. В₁, В₂ (на параллельном рельсе - соответственно - В'₁, В'₂). Для измерения параметров колебаний в упомянутых тт. А₁, А₂, В₁, В₂ (А'₁, А'₂, В'₁, В'₂) используются датчики-виброакселерометры 2, 4, 7, 9. Аналогичные датчики устанавливаются на параллельной стороне платформы. Таким образом динамическое состояние платформы описывается изменениями 8 параметров, которые записываются одновременно параллельно на шлейфовом осциллографе.The proposed method is implemented with the help of a special technical system in the form of a four-axle railway platform 10, the disks of wheel pairs 1, 3 have contacts with the supporting surface 5 (rail track) in tt. A ₁ , A ₂ . On the opposite side of the platform (on a parallel rail), similar points are designated A ' ₁ , A' ₂ , respectively. When measuring dynamic stiffness, contact points, designated as TT, can also be taken into account (this is done if necessary). B ₁ , B ₂ (on a parallel rail - respectively - B ' ₁ , B' ₂ ). To measure the parameters of the vibrations in the mentioned TT. А ₁ , А ₂ , В ₁ , В ₂ (А ' ₁ , А' ₂ , В ' ₁ , В' ₂ ) vibration accelerometers sensors 2, 4, 7, 9 are used. Similar sensors are installed on the parallel side of the platform. Thus, the dynamic state of the platform is described by changes in 8 parameters, which are simultaneously recorded in parallel on a loop oscilloscope.

Внешнее возбуждение создается специальным устройством, в основе которого используется грузовой автомобиль 18, установленный передней частью (без колес) на ложементе 11, 12 и закрепляемый на платформе 10.External excitation is created by a special device based on a truck 18 mounted by the front part (without wheels) on a lodgment 11, 12 and fixed on a platform 10.

Фиксация корпуса автомобиля на ложементе 11 обеспечивается растяжками 12, 13. В целях обеспечения безопасности на торце платформы устанавливается вертикальная стенка, от продольных смещений рама автомобиля закрепляется растяжкой 14. Вертикальная стенка платформы при этом может также укрепляться растяжками 15, 16, 17 по схожей схеме. Рама автомобиля 19 с закрепленным задним мостом также стабилизируется растяжками.The fixation of the car body on the lodgement 11 is provided by braces 12, 13. For safety reasons, a vertical wall is installed at the end of the platform, and the car frame is secured against longitudinal displacements with a brace 14. The vertical wall of the platform can also be reinforced with braces 15, 16, 17 in a similar pattern. The frame of the car 19 with the fixed rear axle is also stabilized by guy wires.

Устройство для возбуждения вибраций имеет в качестве основы два вращательных элемента 20, 21, установленных в подшипниках на ложементе 23. Элементы 20, 21 представляют собой вагонные оси, диски которых имеют специальные бандажи, покрытые слоем резины (по примеру танковых катков). Движущий элемент 22 представляет собой специальный диск с ободом, покрытым резиной (как показано на фиг. 1, в). Также диск закрепляется с обеих сторон заднего моста автомобиля. Соответствующий прижим элементов вращательной системы обеспечивается растяжками 15, 16.The device for generating vibrations is based on two rotating elements 20, 21, mounted in bearings on a cradle 23. Elements 20, 21 are car axles, the disks of which have special tires covered with a rubber layer (for example, tank rollers). The driving element 22 is a special disc with a rubber-coated rim (as shown in Fig. 1c). The disc is also fixed on both sides of the rear axle of the vehicle. The corresponding clamping of the elements of the rotational system is provided by braces 15, 16.

Двигатель автомобиля, коробка передач, карданный вал и задний мост обеспечивают возможности работы инерционного вибровозбудителя. Возмущение создается с помощью неуравновешенных пригрузов 26, 27, 28, 29, расположенных так, что оси приближены к дискам колесных пар для равномерного распределения вибрационных нагрузок на оба рельса (то есть с обеих сторон рельсовой колеи). Колесные пары помещены в подшипниковые узлы 30, 31, 32, 33, закрепленные в ложементах 34, 35, 36, 37 для устранения возможных зазоров.The vehicle engine, gearbox, propeller shaft and rear axle provide the capability of the inertial vibration exciter. Disturbance is created using unbalanced weights 26, 27, 28, 29, located so that the axles are close to the wheelset discs to evenly distribute vibration loads on both rails (that is, on both sides of the rail track). Wheelsets are placed in bearing assemblies 30, 31, 32, 33, fixed in cradles 34, 35, 36, 37 to eliminate possible gaps.

Работа системы, в целом, производится в стационарном режиме, то есть в режиме остановки движения платформы, что дает более точные результаты по сравнению с измерениями при движении всего состава поезда. Интервал между остановками определяется особенностями динамического состояния пути и другими обстоятельствами, имеющими значение для оценки уровня обеспечения безопасности движения. В качестве вибрационного возбудителе может использоваться и другое техническое устройство, позволяющее получить требуемые динамические характеристики.The operation of the system, as a whole, is carried out in a stationary mode, that is, in the mode of stopping the movement of the platform, which gives more accurate results compared to measurements during the movement of the entire train. The interval between stops is determined by the characteristics of the dynamic state of the track and other circumstances that are important for assessing the level of traffic safety. As a vibration exciter, another technical device can also be used, which makes it possible to obtain the required dynamic characteristics.

Теоретическое обоснование способа определения динамической жесткости рельсового полотна в контакте рельс-колесоTheoretical substantiation of the method for determining the dynamic stiffness of the rail in the rail-wheel contact

Упрощенная схема взаимодействия элементов механической колебательной системы, рассматриваемой как расчетная схема взаимодействия экипажа с рельсовым полотном, приведена на фиг. 2. Эта схема отображает основные особенности динамических свойств специального устройства для измерения динамической жесткости при использовании специальной вибрационной установки.A simplified diagram of the interaction of the elements of a mechanical oscillatory system, considered as a design diagram of the interaction of a vehicle with a rail track, is shown in Fig. 2. This diagram displays the main features of the dynamic properties of a special device for measuring dynamic stiffness using a special vibration setup.

Предполагается, что массоинерционные элементы mi и т₂ отображают инерционные свойства экипажа и приведенные характеристики рельсового пути. Жесткости k₁ и k₂ также отображают приведенные жесткости рельсового пути в точке контакта «рельс-колесо», а также приведенной жесткости элементов вибрационной системы. Внешняя сила в исходной системе (рис. 1) формируется инерционным возбудителем (Q).It is assumed that the mass-inertial elements mi and m ₂ reflect the inertial properties of the vehicle and the reduced characteristics of the rail track. Rigidity k ₁ and k ₂ also reflect the reduced stiffness of the rail track at the point of contact "rail-wheel", as well as the reduced stiffness of the vibration system elements. The external force in the original system (Fig. 1) is formed by an inertial exciter (Q).

Для составления математической модели используется формализм Лагранжа II рода [2]. Выражения для определения кинетической и потенциальной энергий имеют видTo compile a mathematical model, the Lagrange formalism of the second kind is used [2]. The expressions for determining the kinetic and potential energies have the form

Система линейных дифференциальных уравнений второго порядка с постоянными коэффициентами, соответствующая представлениям о малых колебаниях системы относительно положения статического равновесия, после использования преобразований Лапласа примет видThe system of second-order linear differential equations with constant coefficients, corresponding to the concept of small oscillations of the system with respect to the position of static equilibrium, after using the Laplace transforms will take the form

где p=jω - комплексная переменная, значок <-> над переменной означает ее изображение по Лапласу [3].where p = jω is a complex variable, the <-> sign above the variable means its Laplace image [3].

Для построения системы уравнений (3), (4) используется метод преобразований Лапласа при нулевых начальных условиях.The system of equations (3), (4) is constructed using the Laplace transform method with zero initial conditions.

Структурная схема системы (или структурная математическая модель) представлена на фиг. 3.The structural diagram of the system (or structural mathematical model) is shown in Fig. 3.

В соответствии со структурной схемой на фиг. 3 передаточные функции системы имеют видIn accordance with the block diagram in FIG. 3 transfer functions of the system have the form

где

Where

является характеристическим частотным уравнением системы.is the characteristic frequency equation of the system.

1. Оценка динамических свойств системы1. Assessment of the dynamic properties of the system

Из выражения (6) следует, что на частоте возмущенияFrom expression (6) it follows that at the disturbance frequency

реализуется режим динамического гашения колебаний, при котором выполняется условиеthe mode of dynamic damping of oscillations is realized, in which the condition

При этом движение массоинерционного элемента m₁ по координате

что следует из (5) при подстановке в него значения со _дин, определяемого из выражения (8). Физический смысл выражений (5), (6) заключается в том, что отношения

и

отображают динамическое свойство механической колебательной системы, определяемое как «динамическая податливость», что соответствует представлениям о величине динамического смещения на единицу силового воздействия. Обратная величина по отношению к «динамической податливости» называется динамической жесткостью и соответствует в физическом смысле представлениям о величине силы, приходящейся на реализацию единичной меры смещения.In this case, the movement of the mass-inertial element m ₁ along the coordinate

which follows from (5) when substituting into it the value of co _din determined from expression (8). The physical meaning of expressions (5), (6) is that the ratios

and

reflect the dynamic property of a mechanical oscillatory system, defined as "dynamic compliance", which corresponds to the concept of the amount of dynamic displacement per unit of force. The reciprocal of “dynamic compliance” is called dynamic stiffness and corresponds in the physical sense to the idea of the magnitude of the force attributable to the implementation of a unit measure of displacement.

2. По координате

свойства «динамической жесткости» могут быть рассмотрены при использовании выражения (5) после его инверсии, что приводит, по существу, к рассмотрению свойств частотного характеристического уравнения (7). Минимальная динамическая жесткость, таким образом, будет совпадать с частотами собственных колебаний системы.2. By coordinate

properties of "dynamic stiffness" can be considered using expression (5) after its inversion, which essentially leads to the consideration of the properties of the frequency characteristic equation (7). The minimum dynamic stiffness, therefore, will coincide with the natural frequencies of the system.

Из уравнения (7) следует, чтоEquation (7) implies that

На фиг. 4 приведены обобщенные амплитудно-частотные характеристики системы (АЧХ)

FIG. 4 shows the generalized amplitude-frequency characteristics of the system (AFC)

Точки (1) и (2) на фиг. 4 соответствуют частотам собственных колебаний системы. В этих точках динамическая жесткость системы будет минимальной, а смещения по координатам

будут максимальными.Points (1) and (2) in FIG. 4 correspond to the natural frequencies of the system. At these points, the dynamic stiffness of the system will be minimal, and the displacement along the coordinates

will be maximum.

Точка (3) на фиг. 4 соответствует режиму динамического гашения колебаний. На этой частоте по координате

будет проявляться нулевая податливость или максимальная жесткость. В этом случае движение по координате

обнуляется; что касается координаты

то движение будет происходить на минимальном уровне.Point (3) in FIG. 4 corresponds to the mode of dynamic vibration damping. At this frequency along the coordinate

zero compliance or maximum stiffness will appear. In this case, movement along the coordinate

is reset to zero; as for the coordinate

then the movement will occur at a minimum level.

Таким образом наличие в рассмотренном выше случае формирования внешних воздействий переменной частоты и фиксацией параметров по контакту рельс-колесо дает возможности на обследуемом участке рельсового пути с определенным дискретным распределением параметров получить сводную картину динамических свойств участка пути и прогнозировать развитие его динамического состояния с целью повышения уровня безопасности движения транспортных средств.Thus, the presence in the above case of the formation of external influences of variable frequency and fixation of parameters at the rail-wheel contact makes it possible to obtain a consolidated picture of the dynamic properties of the track section on the inspected section of the rail track with a certain discrete distribution of parameters and predict the development of its dynamic state in order to increase the safety level movement of vehicles.

Приведенная схема носит упрощенный характер, поскольку не учтен ряд важных факторов, связанных с распределенностью параметров системы, не учитываются силы трения, а внешнее воздействие рассматривается в форме гармонической функции. Вместе с тем, если иметь в виду фиксацию внимания на наличии резонансных эффектов, возникающих на определенных частотах внешнего возмущения, то это можно рассматривать как первоначальный этап построения метода вибрационной диагностики динамического состояния эксплуатируемых участков рельсового пути в условиях интенсивного динамического нагружения.The presented scheme is simplified, since a number of important factors related to the distribution of system parameters are not taken into account, friction forces are not taken into account, and the external influence is considered in the form of a harmonic function. At the same time, if we keep in mind the fixation of attention on the presence of resonance effects that arise at certain frequencies of external disturbance, then this can be considered as the initial stage in the construction of a method for vibration diagnostics of the dynamic state of the operated sections of the rail track under conditions of intense dynamic loading.

Список использованных источниковList of sources used

1. Том 49. Безопасность ЖД1. Volume 49. Railway safety

2. Елисеев С.В. Прикладная теория колебаний в задачах динамики линейных механических систем / С.В. Елисеев, А.И. Артюнин. - Новосибирск: Наука, 2016. - 459 с.2. Eliseev S.V. Applied theory of oscillations in problems of dynamics of linear mechanical systems / S.V. Eliseev, A.I. Artyunin. - Novosibirsk: Nauka, 2016 .-- 459 p.

3. Елисеев С.В. Прикладной системный анализ и структурное математическое моделирование (динамика транспортных и технологических машин: связность движений, вибрационные взаимодействия, рычажные связи): монография / С.В. Елисеев; отв. ред. А.И. Артюнин. - Иркутск: ИрГУПС, 2018. - 692 с.3. Eliseev S.V. Applied system analysis and structural mathematical modeling (dynamics of transport and technological machines: connectivity of movements, vibrational interactions, linkages): monograph / S.V. Eliseev; otv. ed. A.I. Artyunin. - Irkutsk: IrGUPS, 2018 .-- 692 p.

Claims

1. A method for assessing the dynamic stiffness of a rail track, containing the registration of the rail deflection using sensors under load, characterized in that the rail deflection is carried out at predetermined places in a stationary state, loading the rails using an inertial-type vibration exciter by parameters close to those created by vehicles, is fixed the level of deflection at the wheel-rail contact on both sides of the wheelsets is compared with previous measurements and an estimate of the dynamic stiffness is given.

2. A device for implementing a method for assessing the dynamic stiffness of a rail track, containing a vibration exciter of an inertial type specially fixed on a railway platform, creating an inertial excitation with the help of a variable speed drive of the elements, characterized in that the vibrator drive has an autonomous device and provides the necessary change in the frequencies of the external disturbance, has a system of simultaneous parallel measurement and fixation of signals about the level of dynamic subsidence in the wheel-rail contact on both sides of the track.