Всем хорошо известно, что железнодорожные пути являются объектами повышенной опасности. В основном мы это связываем с опасностью прохождения железнодорожных составов. Однако и сами рельсы могут принести большие неприятности. Различные оползни, сели, подмывы путей приводят к изгибу, излому, разрыву рельсов, что чревато авариями, сходом поездов, прямым экономическим ущербом и даже человеческими жертвами.
Но на железной дороге существует еще одна проблема, о которой большинство простых людей знают мало. Называется она “выброс рельсового пути”. В какие-то доли секунды вдруг образуется резкое искривление рельсов, и они волнами расходятся по горизонтальной поверхности. Весь железнодорожный путь мгновенно приходит в негодность, становится опасным для прохождения грузовых и пассажирских составов.
Ученые доказали, что выброс рельса происходит за счет его температурного расширения. В настоящее время большинство железнодорожных путей уже являются бесстыковыми. Рельсы привариваются друг к другу, и колеса поезда не попадают на стыки рельсов. Именно поэтому поезд не стучит, когда проходит по таким путям. Однако при изменении температуры большая длина сваренных рельсов начинает подвергаться огромным внутренним механическим напряжениям. Если температура растет, то в рельсе появляются растягивающие усилия, если падает, то сжимающие, которые могут привести даже к разрыву рельса.
Что же нужно делать, чтобы устранить такую серьезную опасность? Необходимо контролировать состояние рельсов, для чего проводят постоянные обходы, осмотры, тратят большие ресурсы на визуальный мониторинг. Облегчить такую работу могла бы система on-line мониторинга механических нагрузок в рельсах, но это очень непростая задача.
В настоящее время в мире не существует протяженных систем мониторинга механических нагрузок по всей длине рельса. Известные тензодатчики могут контролировать механические напряжения только в точке их установки. Не решают эту проблему в полной мере и оптико-волоконные датчики деформаций.
В Институте металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова Российской академии наук (ИМЕТ РАН) была разработана технология получения тонких (20-120 мкм) аморфных ферромагнитных микропроводов, которые могут выступать в качестве протяженных тензодатчиков.
Особая доменная структура таких проводов обеспечивает им уникальные свойства: высокую прочность (в 3 раза выше стали), сверхупругость, коррозионную стойкость, высокую линейную тензочувствительность. Все это открывает широкие возможности применения данных проводов на объектах железнодорожного транспорта.
В настоящее время в ИМЕТ РАН разработаны принципиально новые датчики нагрузок на основе аморфных микропроводов. Аморфные датчики нагрузок (АДН) изготовляются в виде пленки или стеклопластиковых лент. В комплект входят чувствительный элемент, прибор для измерения нагрузки и соединительный кабель.
Принцип работы такого датчика заключается в том, что при появлении нагрузок растяжения, сжатия, изгиба, кручения изменяется электрическое сопротивление аморфного провода, которое улавливается и регистрируется специальным прибором.
Разработанная технология позволяет изготовлять аморфные датчики длиной до сотен метров. Протяженные аморфные датчики нагрузок можно использовать как датчики определения местоположения подвижных составов, а также для создания on-line систем мониторинга механических напряжений в рельсовых плетях, кабелях, мостах, переходах, туннелях, трубопроводах, строительных фермах, баллонах, цистернах и других конструкциях.
При размещении таких датчиков на рельсах можно решать сразу несколько задач:
1) осуществлять on-line мониторинг механических напряжений и температуры в рельсовой плети;
2) контролировать целостность рельсов;
3) вести учет местоположения подвижных составов на железной дороге, определять скорость и ускорение составов;
4) вести учет количества и веса проезжающих составов, числа вагонов, осей;
5) контролировать нагрузку на рельсовый путь в процессе его эксплуатации, определять неисправные оси тележек и буксы на вагонах;
6) вести обслуживание пути по отказам, а не по времени.
Для проверки возможности использования аморфных датчиков на железной дороге были проведены испытания. На первом этапе аморфные датчики нагрузок длиной 1 м были наклеены на шейку рельса марки Р65 длиной 1,5 м. Испытания на вертикальный 3-х точечный изгиб рельса с аморфными датчиками нагрузок проводили в ИМЕТ РАН. Для имитирования нагрузок поезда использовался пресс с усилием до 630 т.
В результате испытаний по центру рельса прикладывались нагрузки от 0 до 65 т, при этом показания датчика изменялись в пределах от 0 до 400 единиц. График зависимости показаний аморфного датчика от прилагаемых нагрузок на изгиб зафиксировал линейную зависимость и доказал возможность использования таких датчиков на рельсовых путях.
На следующем этапе работ 3 аморфных датчика нагрузок длиной 5 м были установлены на рельсы в полевых условиях. Два датчика были наклеены на шейку рельса с внешней и внутренней его стороны, а третий датчик был уложен на подошву рельса с внешней стороны дороги и закреплен зажимами, прижимающими рельс к бетонным шпалам.
Испытания аморфных датчиков нагрузок в реальных условиях эксплуатации железной дороги проходили осенью 2024 года. В качестве испытательных характеристик рассматривались чувствительность датчиков на проезжающие составы, определение нагрузок на рельс от колесных пар, мониторинг изгибающих нагрузок и температуры рельсовой плети. В испытаниях на подвижной состав участвовал маневровый тепловоз ТЭМ18ДМ-1939 весом 126 т. Для создания изгибающих нагрузок в рельсе использовался гидравлический домкрат с усилием 20 т. Температура в рельсовой плети менялась за счет ее местного нагрева.
Результаты проведенных испытаний доказали возможность использования новых аморфных датчиков нагрузок не только для определения позиционирования подвижных составов, но и мониторинга важных параметров рельсов (нагрузок, деформаций, температуры).
Достаточно простой физический принцип работы датчиков, а также технологичность их изготовления и установки на рельсы подтверждают перспективность применения аморфных датчиков нагрузок на железной дороге.
Экономический эффект от внедрения аморфных датчиков может быть получен за счет снижения ущерба от аварий, а также уменьшения затрат на ремонт и эксплуатацию рельсовых путей. Применение аморфных датчиков нагрузок может не только повысить безопасность железных дорог, но и в будущем составить основу для новой системы управления движением, взамен существующей релейной системы.
Подробнее о разработках можно узнать на: https://amorphous-wires.ru