Опоры контактной сети относятся к наиболее ответственным элементам системы электроснабжения железных дорог. От их надежности и состояния зависит бесперебойность электроснабжения и безопасность движения поездов.

Железобетонные опоры контактной сети в условиях эксплуатации подвергаются воздействию не только механических нагрузок, но и воздействию электролитической коррозии. В связи с промерзанием грунта наиболее распространены и опасны повреждения подземной части фундамента на границах промерзания. Такие повреждения трудно обнаружить без откопки опор на глубину 1,2 — 1,5 м. Данная работа является трудоемкой и не позволяет своевременно выявлять начинающиеся процессы разрушения подземной части опоры.

Наиболее распространенным методом оценки несущей способности опор является метод, основанный на измерении степени коррозионной составляющей арматуры. Но, как показывает практика, данный метод не позволяет судить о несущей способности железобетонной конструкции в целом.

Использование ультразвуковых (УЗ) методов контроля опор также не показало удовлетворительных результатов. Это связано, по-видимому, с особенностями распространения УЗ-волн в железобетонной конструкции. Кроме того, фиксация дефектов определенной величины и геометрии не определяет несущую способность и остаточный ресурс контролируемого объекта.

Для диагностики железобетонных конструкций в последнее время широко используют метод определения собственной частоты колебаний конструкции при импульсном воздействии на опору. Применяемое ударное возбуждение свободных колебаний имеет ряд недостатков:

• Œ невоспроизводимость процесса возбуждения;
• трудоемкость процесса накопления данных (около 60 измерений в каждой точке испытаний);
• Ž сложность интерпретации полученных результатов;
• зависимость вычисляемого значения декремента затухания не только от жесткости конструкции в целом, но и от свойств железобетона.

Для диагностики несущей способности опор также применялся метод акустической эмиссии (АЭ), а именно: регистрация сигналов АЭ, возникающих от воздействия проходящего состава на опоры контактной сети. Были выявлены следующие недостатки метода:

• недостаточное воздействие состава на опоры для развития дефектов структуры материала;
• отсутствие возможности нормировать нагрузку на опоры;
• влияние неконтролируемых факторов (погода, температура, влажность).

Методика исследования. Предлагаемый подход заключается в использовании виброакустического метода контроля. Виброакустический метод основан на использовании физических параметров и процессов, сопровождающих колебания опоры, возбуждаемые вибратором, и их корреляции с устойчивостью и жесткостью закрепления опоры. Устройство для крепления вибратора к опоре и схема реализации метода приведены на рис. 1 и 2 соответственно.

На исследуемой опоре устанавливают виброакустический комплекс. Стойка 1 установлена на фундаменте 2. На стойку 1 с помощью крепления 5 крепится вибратор 4 на высоте L (1,4-1,6 м). Частота и сила воздействия вибратора 4 регулируются при помощи регулятора 7, который питается переменным напряжением от генератора напряжений 6. Вибродатчик 3 подключен к виброметру 8. Данные, полученные с вибродатчика 3, сохраняются в ПЗУ виброметра 8. Постанализ акустической информации производится на персональном компьютере 9.

Используя корреляционную зависимость жесткости и устойчивости конструкции от параметров колебаний, оценивается общая несущая способность конструкции путем определения параметров вынужденных колебаний (виброскорость, виброперемещение) и сравнения этих параметров с эталонными.

Результаты исследования. На рис. 3 (а, б) и 4 представлены спектры колебаний опор контактной сети. Как видно на рис. 3 (а, б), спектрограмма бездефектной опоры имеет значительно меньшую (0,51 мм/с) амплитуду виброскорости, чем виброскорость дефектной опоры (7,81 мм/с). Можно также наблюдать у резонансного пика дефектной опоры значительно бо́льшую дисперсию по сравнению со спектрограммой бездефектной опоры.

                                                       рис. 3(а)

                                                       рис. 3(б)

Рис. 3. Спектры колебаний опор контактной сети:

а — спектрограммы дефектной и бездефектной опоры; б — спектрограммы дефектной и бездефектной опоры (в увеличенном масштабе)

Важную роль в вопросах диагностики опор контактной сети играет определение наклона опоры. Отклонение оси опоры от нормали в процессе эксплуатации определяется визуально. На рис. 4 представлены спектрограммы виброскоростей опор СКУ 1983 г. установки. Опоры находятся в различном техническом состоянии. Представляет интерес спектр виброскорости опоры СКУ_1983_д, ось которой отклонена от нормали на 12°. Спектральные линии имеют ярко выраженную «размытость», что свидетельствует о чувствительности виброакустического метода к определению отклонений опор контактной сети от нормали.

Рис. 4. Спектрограмма опор СКУ 1983 г. установки, в различном техническом состоянии (ст. Люблино)

С лишением конструкции крепления вибратора всех степеней свободы стало возможным фиксировать график перемещения опоры. Если пренебречь упругой деформацией железобетонной опоры, то график перемещения при абсолютно жестком закреплении вибратора на опоре должен представлять собой окружность (для разработанного крепления — эллипс, так как точка приложения усилия, вызванного периодическими колебаниями вибратора, находится на расстоянии от оси опоры контактной сети).

На рис. 5 представлены совмещенные графики виброскорости опор в различном техническом состоянии.

Рис. 5. Совмещенные графики виброскоростей опор контактной сети:

а — опора СКУ_1974 г. ст. Бронницы (с обнаруженными дефектами в подземной части); б — опора СКУ 1983 г. «Д» с отклонением оси от нормали на 12° (см. рис. 3); в — опора СС 2006 г. ст. Бронницы (бездефектная)

Физическая интерпретация метода. На рис. 6 представлена модель колебаний опоры под воздействием вибратора. При воздействии вибратора, дебаланс которого совершает круговые колебания, опора начинает прецессировать под воздействием вынуждающей силы:

F = P₀×sinQt,

где P₀ — центробежная сила; P₀ = m×R×Q²,

где m — масса дебалансов вибратора; R — расстояние от дебаланса до оси вибратора;

Q = 2×п×n/60 c^-1,

где n — число оборотов вибратора в минуту.

Амплитуда колебаний опоры и виброскорость колебаний V(t) — функции от реакции фундамента (или подземной части стойки) в заделке на уровне условного обреза фундамента (УОФ).

М_x = F×L–F_гр×L_гр,

где L — высота установки вибратора, F — вынуждающая сила вибратора,

F_гр — функция F_гр = f(S, р, L_гр, E_оп), где S — площадь поверхности подземной части опоры; р — плотность грунта; L_гр — глубина заделки подземной части фундамента или мачты; E_оп — модуль упругости опоры.

Рис. 6. Модель колебаний опоры контактной сети под воздействием вибратора

Если рассматривать опору контактной сети с анкерным закреплением на фундаменте, то

М_x = F×L–(F_гр×L_гр+F_зкр)

F_зкр =f(M_з, F_з),

где F_зкр — жесткость закрепления мачты светофора на фундаменте (состояние анкерных болтов, их заделка в фундаменте и их момент затяжки).

На рис. 7 показаны графики перемещения опоры под воздействием колебаний вибратора.

Рис. 7. Графики перемещения опоры под воздействием колебаний вариатора:

а — схема воздействия круговых колебаний вибратора на опору; б — график перемещения опоры в случае «идеальной» заделки; в) график перемещения реальной опоры

Работы по диагностике опор проведены совместно с Управлением электрификации и электроснабжения Центральной дирекции инфраструктуры — филиала ОАО «РЖД». Анализ экспериментальных результатов, полученных с использованием виброакустического метода диагностики, показывает, что метод обладает высокой чувствительностью и достоверностью для оценки несущей способности и остаточного ресурса опор контактной сети. Разработанный метод позволяет проводить экспресс-диагностику жесткости закрепления и устойчивости опоры контактной сети (опорных конструкций мачт железнодорожных светофоров и мачт освещения) без откопки подземной части, что определяет его преимущества перед остальными применяемыми методами диагностики.

С.В. АЛТЫНБАЕВ, В.С. ФАДЕЕВ,

О.В. ЗАХАРОВА, Э.Н. ШОРНИКОВ,

ООО «НТЦ Информационные Технологии», г. Москва

Журнал "Локомотив" №11 (695) ноябрь 2014 г.