Сотрудники ФИЦ ИПФ РАН разработали прибор для диагностики рельсов

Акустический тензометр ТАР-01 - новый уникальный прибор для диагностики рельсов на железных дорогах. Его разработали учёные Института прикладной физики РАН и Института проблем машиностроения РАН совместно с коллегами из Научно-производственного предприятия «Полёт».

Прибор позволяет определять степень внутренних напряжений рельсов при резких перепадах внешней температуры, а также контролировать соблюдение технологических процедур при укладке новых путей и проведении регламентных работ. Недавно ученые представили опытный образец прибора руководителям Горьковской железной дороги.

О том, зачем нужен такой прибор и в чем заключается его уникальность, рассказал заведующий сектором инновационных программ ИПФ РАН Алексей Кириллов.

- В чём актуальность этой разработки?

- У многих железная дорога ассоциируется с ритмичным стуком колес во время движения поезда, под который хорошо засыпать. Этот стук происходит из-за того, что колесо поезда попадает в небольшой воздушный зазор – стык между соседними рельсами. Однако на такой дороге быстрее деформируются колеса подвижного состава, а сами поезда не могут разгоняться больше 90 км/ч. Поэтому современные железные дороги сооружают бесстыковым методом.

Сначала на специальном рельсосварочном предприятии из отдельных рельс составляют рельсовые плети длиной 800 метров, сваривают и зачищают швы, а затем укладывают получившуюся конструкцию в путь, и сваривают длинные участки между собой. Получается так называемый бархатный бесстыковой путь, по которому могут двигаться скоростные поезда.

Однако металлический рельс очень хорошо проводит тепло и из-за нагрева расширяется. И если раньше воздушный стык, своеобразный зазор между рельсовыми плетями, позволял сгладить этот эффект, было куда убрать излишний металл, то на бесстыковом пути рельсы неизбежно деформируются. Иногда из-за резкого перепада температур может произойти выброс рельса – когда он от накопленного напряжения выстреливает, как пружина, волнообразно искривляясь в горизонтальной плоскости. Из-за этого весь участок пути может прийти в негодность: например, колея расширится настолько, что в ней может провалиться поезд, или полотно железной дороги станет очень извилистым. Климат изменяется, и резкие перепады температур случаются очень часто: то количество выбросов, которое раньше происходило в течение года, сейчас может случиться в течение месяца. Это ведет к огромным финансовым потерям, и иногда, к сожалению, даже к человеческим жертвам.

- Как и почему вы начали разработку прибора?

- Горьковская железная дорога обратилась в АО «НПП «Полет» с просьбой разработать прибор, который позволит диагностировать перенапряжение в рельсах, иными словами, спрогнозировать уход рельса от его обычного состояния. Раньше это делалось таким образом: на рельс и на шпалу наносились маячные метки. У них разные коэффициенты тепловой проводимости, поэтому, когда рельс расширялся, метка как бы «уезжала». Затем сотрудники железной дороги измеряли расстояние между метками, и если оно было критичным, то производили ослабление рельса, чтобы сбросить напряжение. Но минусы такой методики в том, что метки могут быстро смываться, сильно влияние человеческого фактора, а также невозможно было вести учет всех измерений электронно. Поэтому основная функция прибора заключалась не только в том, чтобы измерять нужный параметр и предупреждать о возможном выбросе рельса, но и заносить данные измерений в электронный паспорт рельсовой плети.

Сначала НПП «Полет» разрабатывали прототип прибора на основе принципах оптоакустической диагностики, который предложили сотрудники МГУ им. М.В. Ломоносова. Он работал таким образом: на поверхность рельса излучался короткий лазерный импульс, из-за чего на маленьком участке возбуждалась тепловая волна, что приводило к появлению акустической волны. Однако лазер – это дорогой и капризный прибор, который не работает в плохих погодных условиях, в условиях сильной вибрации. Поэтому АО «НПП «Полет» обратились к нам, в ФИЦ ИПФ РАН. Над проектом работали сотрудники лаборатории неразрушающего контроля и диагностики материала и конструкций филиала – Института проблем машиностроения РАН, у которых большой опыт в этой области, а также сотрудники отдела радиофизических методов в медицине ИПФ РАН, которые тоже достаточно долго сотрудничали с железной дорогой, например, разработали для них ультразвуковой рельсовый дефектоскоп.

- В чём состоял вклад учёных ФИЦ ИПФ РАН в разработку?

- Наша задача заключалась в том, чтобы разработать компактный прибор, который мог бы носить один человек и с его помощью через каждые 100–200 метров проводить измерения и тем самым создавать карту напряжения рельсов. Наш прибор основан на методе генерации головной ультразвуковой волны, которая распространяется вдоль рельса в подповерхностном слое. Скорость ультразвука является структурночувствительной характеристикой и зависит, в том числе, от искомых механических напряжений в рельсе. Нам было важно добиться устойчивой генерации акустической волны, чтобы она не переходила на другие моды. Для этого мы экспериментальным путем подбирали размер датчиков, угол ввода ультразвука, а также параметры, характеризующие и тепловое расширение, и термическую емкость рельса. При этом мы подобрали специальные параметры для каждого существующего типа рельсов. Применение головной подповерхностой волны и дифференциальной схемы измерения времени ее распространения позволило добиться стабильных измерений, которые не чувствительны к коррозии, волнистости и шероховатости поверхности рельса, а также другим мешающим факторам.

Также мы разработали программное обеспечение с алгоритмом численного анализа полученных данных. С помощью прибора можно измерять коэффициент продольного и температурного напряжения рельсов. В качестве точки отсчета используется температура закрепления рельсов – это фиксированная для каждого региона температура, при которой рельс может быть положен в путь (например, в Нижегородской области – это 27 градусов Цельсия). По данным измерений строится график, как меняется напряжение в зависимости от времени года.

- Когда прибор будет готов к использованию?

- У нас уже готов опытный образец прибора. Мы проводили испытания как в лаборатории, так и на железной дороге. Сейчас мы дорабатываем конструкцию и дизайн ручного портативного прибора, чтобы сделать его более удобным и точным. А еще планируем продолжить сотрудничество с АО «НПП «Полет», который разрабатывает версию тензометра на четырехколесной тележке. Такой прибор позволит измерять напряжение сразу в двух рельсовых плетях».