|
DOI: 10.14489/td.2025.12.pp.004-017
Степанова Л. Н., Курбатов А. Н., Бехер С. А., Кабанов С. И., Чернова В. В.
РАЗРАБОТКА СПОСОБОВ КОНТРОЛЯ ПРОДОЛЬНЫХ МЕХАНИЧЕСКИХ НАПРЯЖЕНИЙ В РЕЛЬСАХ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЭФФЕКТА АКУСТОУПРУГОСТИ
(с. 4-17)
Аннотация. Рассмотрены четыре способа контроля внутренних продольных механических напряжений в железнодорожных рельсах c использованием эффекта акустоупругости. Работа первого способа основана на использовании нагруженного рельса и его ненагруженного аналога, выполненного в виде отрезка. На них устанавливались по два пьезоэлектрических преобразователя и вводились ультразвуковые импульсы продольных и поперечных волн. Затем измерялась разность времен прохождения этих волн в рельсе и его аналоге, по которой рассчитывалось продольное механическое напряжение с погрешностью 10…14 %. Во втором способе на равном расстоянии между излучающим и приемным преобразователями размещался третий, раздельно-совмещенный преобразователь. По разности времен прохождения акустических волн измерялось напряжение в рельсе и его высота. Погрешность контроля составляла 4 %, сокращалось время измерения, так как в этом способе отрезок рельса не нагружался. В третьем способе на рельс дополнительно устанавливались три приемных преобразователя на расстояниях, зависящих от высоты рельса. По измеренным временам распространения продольных и трансформированных волн от излучающего до каждого из приемных преобразователей рассчитывалось механическое напряжение в рельсе. Кроме того, измерялась его высота, повышалась точность измерения напряжений до 1,9 %. В четвертом способе использовалась железнодорожная тележка, на которой устанавливался отрезок рельса, измерялись временные задержки распространения акустических волн подключенными приемными преобразователями. Времена прихода сигналов к приемному преобразователю позволяли определять в динамике механические напряжения в рельсе. Погрешность контроля механических напряжеий данным способом не превышала 10…15 %. Преимуществом данного способа является возможность контроля всего объема рельса от головки, шейки и заканчивая донной поверхностью, а измерения в рельсе и его аналоге проводились в одинаковых климатических условиях в динамике на протяжении всего участка контроля.
Ключевые слова: рельс, отрезок рельса, механическое напряжение, бесстыковой путь, акустоупругость, ультразвук, погрешность.
Stepanova L. N., Kurbatov A. N., Beher S. A., Kabanov S. I., Chernova V. V.
DEVELOPMENT OF METHODS FOR MONITORING LONGITUDINAL MECHANICAL STRESSES IN RAILS USING THE EFFECT OF ACOUSTOELASTICITY
(pp. 4-17)
Abstract. Four methods of monitoring internal longitudinal mechanical stresses in railway rails using the acoustoelasticity effect are considered. The first method is based on the use of a loaded rail and its unloaded analog made in the form of a segment. Two piezoelectric transducers were installed on each of them and ultrasonic pulses of longitudinal and transverse waves were introduced. Then the difference in the propagation times of these waves in the rail and its analog was measured, based on which the longitudinal mechanical stress was calculated with an error of 10…14 %. In the second method, a third, separate-combined transducer was placed at an equal distance between the emitting and receiving transducers, the stress in the rail and its height were measured based on the difference in the propagation times of acoustic waves. The accuracy of monitoring increased to 4 %, the measurement time was reduced, since the rail segment was not loaded. In the third method, three receiving transducers were additionally installed on the rail at distances depending on the rail height. Based on the measured propagation times of longitudinal and transformed waves from the emitting to each of the receiving transducers, the mechanical stress in the rail was calculated. In addition, its height was measured, the accuracy of stress measurement was increased to 1,9 %. The fourth method used a railway bogie on which an analogue in the form of a rail section was installed, time delays were measured by connected longitudinal wave transducers. The times of signal arrival to the receiving transducer made it possible to determine mechanical stress in the rail in dynamics. The error in monitoring mechanical stress by this method did not exceed 10…15 %. The advantage of this method is the ability to monitor the entire volume of the rail from the head, neck and ending with the bottom surface, and measurements in the rail and its analogue were carried out in the same climatic conditions in dynamics, throughout the entire monitoring section.
Keywords: rail, stress, continuous welded track, acoustoelasticity, ultrasound, error.
Л. Н. Степанова (ФАУ «Сибирский научно-исследовательский институт авиации им. С. А. Чаплыгина», Новосибирск, Россия) E-mail:
Данный адрес e-mail защищен от спам-ботов, Вам необходимо включить Javascript для его просмотра.
А. Н. Курбатов, С. А. Бехер (ФГБОУ ВО «Сибирский государственный университет путей сообщения», Новосибирск, Россия) E-mail:
Данный адрес e-mail защищен от спам-ботов, Вам необходимо включить Javascript для его просмотра.
,
С. И. Кабанов (ФАУ «Сибирский научно-исследовательский институт авиации им. С. А. Чаплыгина», Новосибирск, Россия) E-mail:
Данный адрес e-mail защищен от спам-ботов, Вам необходимо включить Javascript для его просмотра.
В. В. Чернова (ФГБОУ ВО «Сибирский государственный университет путей сообщения», Новосибирск, Россия) E-mail:
Данный адрес e-mail защищен от спам-ботов, Вам необходимо включить Javascript для его просмотра.
L. N. Stepanova (FAI “Siberian Aeronautical Research Institute named after S. A. Chaplygin”, Novosibirsk, Russia) E-mail:
Данный адрес e-mail защищен от спам-ботов, Вам необходимо включить Javascript для его просмотра.
A. N. Kurbatov, S. A. Beher (The Siberian Transport University, Novosibirsk, Russia) E-mail:
Данный адрес e-mail защищен от спам-ботов, Вам необходимо включить Javascript для его просмотра.
S. I. Kabanov (FAI “Siberian Aeronautical Research Institute named after S. A. Chaplygin”, Novosibirsk, Russia) E-mail:
Данный адрес e-mail защищен от спам-ботов, Вам необходимо включить Javascript для его просмотра.
V. V. Chernova (The Siberian Transport University, Novosibirsk, Russia) E-mail:
Данный адрес e-mail защищен от спам-ботов, Вам необходимо включить Javascript для его просмотра.
1. Фаворская А. В., Кабисов С. В., Петров И. Б. Моделирование ультразвуковых волн в железнодорожных рельсах с явным выделением дефектов // Доклады Академии наук. Математическая физика. 2018. Т. 181. С. 2 – 23. DOI: 10.31857/S086956520000043-0
2. Бобренко В. М., Брандис М. П., Бобров В. Т., Тарабрин В. Ф. Контроль термонапряжений в железнодорожных рельсах методом акустической тензометрии // В мире неразрушающего контроля. 2018. Т. 21. № 3. С. 73 – 76. DOI: 10.12737/article_5b8cf9d14a7692.92384182
3. Gaundhi N., Michaels J., Jun Lee S. Acoustoelastic Lamb wave propagation in biaxially stressed plates// Journal of the Acoustical Society of America. 2012. September. P. 1284 – 1293.
4. Gokhale S., Hurlebaus S. Monitoring of the stress free temperature in rails using the acoustoelastic effect // Review of Quanatauve Nondestructive Evaluation. 2008. Vol. 27. P. 1368 – 1373.
5. Gokhale S. Determination of applied stresses in rails using the acoustoelastic effect of ultrasonic waves: A Thesis by Shailesh Gokhale Submitted to the Office of Graduate Studies of Texas A&M University in partial fulfillment of the requirements for the degree of Master of science. College Station, 2007. 112 p.
6. Aqeel T. Fadhil, Gleen Washer, Anish Poudel, et al. Ultrasonic Testing of Railroad Rails Cold Temperature Effects and Considerations // IEEE Open Journal of Instrumentation and Measurement. 2004. Vol. 3, Article 3500211. P. 1 – 11. DOI: 10.1109/OYIM. 2024. 3477571
7. Пат. 2601388 РФ. Ультразвуковой способ измерения внутренних механических напряжений / Л. Н. Степанова, А. Н. Курбатов, Е. С. Тенитилов. Заявка № 2014149696/28; заявл. 9.12.2014; опубл. 10.11.2016, Бюл. № 31.
8. Никитина Н. Е., Смирнов В. А. Новая технология определения механических напряжений в металлоконструкциях на основе явления акустоупругости // В мире неразрушающего контроля. 2009. № 1(43). С. 26 – 28.
9. Муравьев В. В., Тапков К. А., Леньков С. В. Неразрушающий контроль внутренних напряжений в рельсах при изготовлении с использованием метода акустоупругости // Дефектоскопия. 2019. №. 1. С. 10 – 16. DOI: 10.1134/S01303082190100020
10. Муравьев В. В., Якимов А. В., Волкова Л. В., Платунов А. В. Исследование двухосного напряженного состояния в рельсах Р65 методом акустоупругости // Интеллектуальные системы в производстве. 2019. Т. 17, № 1. С. 19 – 25. DOI: 10.22213/2410-9304-2019-1-19-25
11. Беляев А. К., Лобачев А. М., Модестов В. С. и др. Оценка величины пластических деформаций с использованием акустической анизотропии // Механика твердого тела. 2016. № 5. С. 124 – 131.
12. Камышев А. В., Макаров С. В., Пасманик Л. А. и др. Обобщенные коэффициенты для измерения механических напряжений методом акустоупругости в конструкциях из углеродистых и низколегированных сталей // Дефектоскопия. 2017. № 1. С. 3 – 10.
13. Степанова Л. Н., Курбатов А. Н., Кабанов С. И. и др. Исследование возможности комплексного применения методов акустической эмиссии, тензометрии и эффекта акустоупругости для контроля углепластиков при статическом нагружении // Контроль. Диагностика. 2025. № 1. С. 13 – 25. DOI: 10.14489/td.2025.01.pp.013-025
14. Степанова Л. Н., Курбатов А. Н., Тенитилов Е. С. Исследование продольных напряжений в рельсах с использованием эффекта акустоупругости на действующем участке железнодорожного пути // Контроль. Диагностика. 2019. № 2. С. 14 – 21. DOI: 10.14489/td.2019.02.pp.014-021
15. Клюев В. В., Бобренко В. М., Бобров В. Т. Акустическая тензометрия разъемных соединений. Состояние и перспективы развития. Часть 2. Результаты исследований, создание оборудования, разработка методик и примеры применения акустической тензометрии // Контроль. Диагностика. 2016. № 2. С. 14 – 26. DOI: 10.14489/td.2016.02.pp.014-026
16. Степанова Л. Н., Курбатов А. Н., Кабанов С. И. и др. Определение напряжения сжатия в рельсе с использованием эффекта акустоупругости и тензометрии // Контроль. Диагностика. 2021. Т. 24, № 7. С. 14 – 23. DOI: 10.14489/td.2021.07.pp.014-023
17. Тензометрия в транспортном машиностроении / А. Н. Серьезнов, Л. Н. Степанова, С. И. Кабанов и др.; под ред. А. Н. Серьезнова, Л. Н. Степановой. Новосибирск: Наука, 2014. 272 с.
18. Пат. 2723148 РФ. Ультразвуковой способ определения механических напряжений в рельсах / Л. Н. Степанова, А. Н. Курбатов. Заявка № 20199134354; заявл. 25.10.2019; опубл. 09.06.2020, Бюл. № 16.
19. Степанова Л. Н., Кабанов С. И., Курбатов А. Н. и др. Ультразвуковая система для определения механических напряжений в рельсах // Датчики и системы. 2023. № 1(266). С. 31 – 39. DOI: 10.25728/datsys.2023.1.5
20. Пат. 2655993 РФ. Ультразвуковой способ определения внутренних механических напряжений / Л. Н. Степанова, А. Н. Курбатов, Е. С. Тенитилов. Заявка № 2017118879; заявл. 30.05.2017; опубл. 30.05.2018, Бюл. № 16.
21. Пат. 2619842 РФ. Ультразвуковой способ определения механических напряжений в рельсах / Л. Н. Степанова, А. Н. Курбатов, Е. С. Тенитилов. Заявка № 2016; заявл. 25.04.2016; опубл. 18.05.2017, Бюл. № 14.
22. Пат. 2723146 РФ. Ультразвуковой способ определения механических напряжений в рельсах и устройство для его осуществления / Л. Н. Степанова, С. И. Кабанов, С. А. Бехер и др. Заявка № 2019135929; заявл. 07.11.2019; опубл. 09.06.2020, Бюл. № 16.
23. Степанова Л. Н., Курбатов А. Н., Бехер С. А. и др. Исследование продольных напряжений в железнодорожных рельсах методом акустоупругости // Деформация и разрушение материалов. 2023. № 2. С. 33 – 40. DOI: 10.31044/1814-4632-2023-2-33-40
24. Степанова Л. Н., Курбатов А. Н., Тенитилов Е. С. Определение продольных напряжений в рельсах с использованием эффекта акустоупругости и тензометрии // Вестник Ростовского государственного университета путей сообщения. 2016. №. 3. С. 104 ‒ 111.
1. Favorovskaya, A. V., Kabisov, S. V., & Petrov, I. B. (2018). Modeling ultrasonic waves in railway rails with explicit identification of defects. Doklady Akademii Nauk. Matematicheskaya Fizika, 181, 2–23. [in Russian language]. https://doi.org/10.31857/S086956520000043-0
2. Bobrenko, V. M., Brandis, M. P., Bobrov, V. T., & Tarabrin, V. F. (2018). Monitoring of thermal stresses in railway rails by the acoustic tensometry method. V Mire Nerazrushayushchego Kontrolya, 21(3), 73–76. [in Russian language]. https://doi.org/10.12737/article_5b8cf9d14a7692.92384182
3. Gaundhi, N., Michaels, J., & Lee, S. J. (2012). Acoustoelastic Lamb wave propagation in biaxially stressed plates. The Journal of the Acoustical Society of America, 132(3), 1284–1293. https://doi.org/10.1121/1.4740491
4. Gokhale, S., & Hurlebaus, S. (2008). Monitoring of the stress free temperature in rails using the acoustoelastic effect. AIP Conference Proceedings, 975(1), 1368–1373. https://doi.org/10.1063/1.2902611
5. Gokhale, S. (2007). Determination of applied stresses in rails using the acoustoelastic effect of ultrasonic waves [Master's thesis, Texas A&M University].
6. Aqeel, T. F., Washer, G., Poudel, A., et al. (2024). Ultrasonic testing of railroad rails cold temperature effects and considerations. IEEE Open Journal of Instrumentation and Measurement, 3, 3500211. https://doi.org/10.1063/1.2902611
7. Stepanova, L. N., Kurbatov, A. N., & Tenitilov, E. S. (2016). Ultrasonic method for measuring internal mechanical stresses (Russian Federation Patent No. RU 2601388 C1). [in Russian language]
8. Nikitina, N. E., & Smirnov, V. A. (2009). A new technology for determining mechanical stresses in metal structures based on the acoustoelasticity phenomenon. V Mire Nerazrushayushchego Kontrolya, 1(43), 26–28. [in Russian language]
9. Muravyev, V. V., Tapkov, K. A., & Lenkov, S. V. (2019). Nondestructive testing of internal stresses in rails during manufacturing using the acoustoelasticity method. Defektoskopiya, (1), 10–16. [in Russian language]. https://doi.org/10.1134/S01303082190100020
10. Muravyev, V. V., Yakimov, A. V., Volkova, L. V., & Platunov, A. V. (2019). Investigation of biaxial stress state in R65 rails by the acoustoelasticity method. Intellektualnye Sistemy v Proizvodstve, 17(1), 19–25. [in Russian language]. https://doi.org/10.22213/2410-9304-2019-1-19-25
11. Belyaev, A. K., Lobachev, A. M., Modestov, V. S., et al. (2016). Assessment of the value of plastic deformations using acoustic anisotropy. Mekhanika Tverdogo Tela, (5), 124–131. [in Russian language]
12. Kamyshev, A. V., Makarov, S. V., Pasmanik, L. A., et al. (2017). Generalized coefficients for measuring mechanical stresses by the acoustoelasticity method in structures made of carbon and low-alloy steels. Defektoskopiya, (1), 3–10. [in Russian language]
13. Stepanova, L. N., Kurbatov, A. N., Kabanov, S. I., et al. (2025). Investigation of the possibility of combined application of acoustic emission, tensometry, and acoustoelasticity methods for monitoring carbon fiber reinforced plastics under static loading. Kontrol. Diagnostika, (1), 13–25. [in Russian language]. https://doi.org/10.14489/td.2025.01.pp.013-025
14. Stepanova, L. N., Kurbatov, A. N., & Tenitilov, E. S. (2019). Investigation of longitudinal stresses in rails using the acoustoelasticity effect on an operational section of the railway track. Kontrol. Diagnostika, (2), 14–21. [in Russian language]. https://doi.org/10.14489/td.2019.02.pp.014-021
15. Klyuev, V. V., Bobrenko, V. M., & Bobrov, V. T. (2016). Acoustic tensometry of detachable joints. State and development prospects. Part 2. Research results, equipment creation, development of methodologies and examples of acoustic tensometry application. Kontrol. Diagnostika, (2), 14–26. [in Russian language]. https://doi.org/10.14489/td.2016.02.pp.014-026
16. Stepanova, L. N., Kurbatov, A. N., Kabanov, S. I., et al. (2021). Determination of compressive stress in a rail using the acoustoelasticity effect and tensometry. Kontrol. Diagnostika, 24(7), 14–23. [in Russian language]. https://doi.org/10.14489/td.2021.07.pp.014-023
17. Serioznov, A. N., Stepanova, L. N., Kabanov,S. I., et al. (2014). Strain measurement in transport engineering. Nauka. [in Russian language]
18. Stepanova, L. N., & Kurbatov, A. N. (2020). Ultrasonic method for determining mechanical stresses in rails (Russian Federation Patent No. RU 2723148 C1). [in Russian language]
19. Stepanova, L. N., Kabanov, S. I., Kurbatov, A. N., et al. (2023). Ultrasonic system for determining mechanical stresses in rails. Datchiki i Sistemy, (1) (266), 31–39. [in Russian language]. https://doi.org/10.25728/datsys.2023.1.5
20. Stepanova, L. N., Kurbatov, A. N., & Tenitilov, E. S. (2018). Ultrasonic method for determining internal mechanical stresses (Russian Federation Patent No. RU 2655993 C1). [in Russian language]
21. Stepanova, L. N., Kurbatov, A. N., & Tenitilov, E. S. (2017). Ultrasonic method for determining mechanical stresses in rails (Russian Federation Patent No. RU 2619842 C1). [in Russian language]
22. Stepanova, L. N., Kabanov, S. I., Bekher, S. A., et al. (2020). Ultrasonic method for determining mechanical stresses in rails and device for its implementation (Russian Federation Patent No. RU 2723146 C1). [in Russian language]
23. Stepanova, L. N., Kurbatov, A. N., Bekher, S. A., et al. (2023). Investigation of longitudinal stresses in railway rails by the acoustoelasticity method. Deformatsiya i Razrushenie Materialov, (2), 33–40. [in Russian language]. https://doi.org/10.31044/1814-4632-2023-2-33-40
24. Stepanova, L. N., Kurbatov, A. N., & Tenitilov, E. S. (2016). Determination of longitudinal stresses in rails using the acoustoelasticity effect and tensometry. Vestnik Rostovskogo Gosudarstvennogo Universiteta Putei Soobshcheniya, (3), 104–111. [in Russian language]
Статью можно приобрести в электронном виде (PDF формат).
Стоимость статьи 700 руб. (в том числе НДС 20%). После оформления заказа, в течение нескольких дней, на указанный вами e-mail придут счет и квитанция для оплаты в банке.
После поступления денег на счет издательства, вам будет выслан электронный вариант статьи.
Для заказа скопируйте doi статьи:
10.14489/td.2025.12.pp.004-017
и заполните форму
Отправляя форму вы даете согласие на обработку персональных данных.
.
This article is available in electronic format (PDF).
The cost of a single article is 700 rubles. (including VAT 20%). After you place an order within a few days, you will receive following documents to your specified e-mail: account on payment and receipt to pay in the bank.
After depositing your payment on our bank account we send you file of the article by e-mail.
To order articles please copy the article doi:
10.14489/td.2025.12.pp.004-017
and fill out the form
.
|
Текущий номер
Разработка концепции и создание сайта - ООО «Издательский дом «СПЕКТР»