Розвиток методів діагностики та прогнозування ступеню ущільнення баластного шару залізничної колії з використанням інерційних цифрових технологій у відповідності до ДСТУ EN 13450.

Abstract

Баластний матеріал залізничної колії відіграє важливу роль у забезпечені функціональності залізничної колії у процесі її життєвого циклу. Важливим параметром якості експлуатації баластного шару є ступінь ущільнення баласту [1–4]. Ступінь ущільнення баластного шару залізничної колії є критичним параметром, що визначає технічний стан залізничної колії [5–6]. Недостатнє, або надмірне ущільнення однаково негативно впливають на надійність та довговічність залізничної колії у процесі життєвого циклу. Нормативний ступінь ущільнення баластного шару забезпечує стабільність положення рейко-шпальної решітки, рівномірний розподіл навантажень від дії рухомого складу залізничного транспорту, ефективний дренаж та призводить до зниження динамічного впливу рухомого складу на конструкцію залізничної колії. Тому, як при укладанні баластного шару, так і при його експлуатації, дуже важливим є діагностика та моніторинг ступеню ущільнення баластного шару із певною періодичністю [7–8]. На основі цього у магістерській роботі наводиться метод діагностики та прогнозування ступеню ущільнення баластного шару залізничної колії з використанням сучасних інерційних цифрових технологій. Об’єкт дослідження – баластний шар залізничної колії. Предмет дослідження – діагностика та прогнозування ступеню ущільнення баластного шару колії. Мета дослідження – розробити метод діагностики та прогнозування ступеню ущільнення баластного шару залізничної колії із використанням інерційних цифрових технологій та вимог ДСТУ EN 13450. За результатами магістерської кваліфікаційної роботи виконано такі задачі досліджень: -проведено аналіз факторів, які впливають на ступінь ущільнення баластного шару в експлуатаційних умовах залізниці; -проведено аналіз методів контролю та оцінювання ступеню ущільнення баластного шару залізничної колії; -наведено методику контролю та прогнозування ступеню ущільнення баластного шару із використанням інерційних вимірювальних технологій; -досліджено швидкість поширення звукової хвилі у залежності від ступеню ущільнення баластного шару залізничної колії; -наведено рекомендації із контролю та прогнозування ступеню ущільнення баластного шару в експлуатаційних умовах залізничної колії. Із проведеного аналізу наукових робіт встановлено, що сучасними методами оцінки ступеню ущільнення баластного шару залізничної колії є метод визначення швидкості руху звукової хвилі удару. Прогресивними є методи MASW та SASW, а також методи кінематичної та динамічної інтерпретації, які базуються на визначені швидкості поширення звукової хвилі удару [9–12]. У роботі для оцінки ступеню ущільнення баластного шару використовується метод інерційних технологій, за яким визначається швидкість поширення звукової хвилі удару у залежності від ступеню ущільнення піщаного баласту. У даному методі використано аналогові датчики прискорень, аналогово-цифровий перетворювач та ноутбук із спеціалізованим програмним забезпеченням. Проведено експериментальні дослідження швидкості поширення звукової хвилі удару через піщаний баластний матеріал у лабораторних умовах у залежності від величини ущільнення баласту. Встановлено, що із підвищенням ступеню ущільнення піщаної баластної призми збільшується швидкість руху звукової хвилі удару. При насипній щільності піщаної баластної призми величина швидкості звукової хвилі склала 112,5 м/с, при ущільнення баластної призми на всю висоту – 142,38 м/с та при пошаровому ущільненні баластної призми величина швидкості руху звукової хвилі склала 197,86 м/с. Показано, що у процесі запису ліній прискорень, максимальна величина прискорень спостерігається у центральній частині баластної призми. На краях баластної призми величини прискорень мають нижчі значення. За результатами виконаних експериментальних досліджень швидкості поширення звукової хвилі удалу у піщаному баластному шарі, методом інерційних досліджень, встановлено, що за швидкістю руху хвилі можна проводити оцінку ступеню ущільнення баластного шару залізничної колії. Однак для проведення такої оцінки слід виконати багатоваріантні дослідження швидкостей руху хвилі у залежності від виду баластного шару, гранулометричного складу баластного шару та експлуатаційних властивостей баласту із врахуванням вимог нормативного документу ДСТУ EN 13450 [13].The ballast material of a railway track plays an important role in ensuring the functionality of the railway track throughout its life cycle. An important parameter for assessing the quality of ballast layer performance is the degree of ballast compaction [1–4]. The degree of compaction of the railway track ballast layer is a critical parameter that determines the technical condition of the railway track [5–6]. Both insufficient and excessive compaction have equally negative effects on the reliability and durability of the railway track during its life cycle. The standard degree of ballast compaction ensures the stability of the rail–sleeper grid, uniform distribution of loads from the railway rolling stock, effective drainage, and reduction of the dynamic impact of rolling stock on the railway track structure. Therefore, both during ballast layer installation and its operation, it is essential to perform diagnostics and monitoring of the ballast layer compaction at specific intervals [7–8]. Based on this, the master’s thesis presents a method for diagnosing and predicting the degree of railway track ballast layer compaction using modern inertial digital technologies. Object of the study – the ballast layer of the railway track. Subject of the study – diagnostics and prediction of the degree of track ballast layer compaction. Purpose of the study – to develop a method for diagnosing and predicting the degree of railway track ballast layer compaction using inertial digital technologies in accordance with the requirements of DSTU EN 13450. The following research tasks were completed in the master’s qualification work: -Analysis of factors affecting the degree of ballast layer compaction under operational conditions of the railway; -Analysis of methods for controlling and evaluating the degree of ballast layer compaction in railway tracks; -Development of a methodology for monitoring and predicting ballast layer compaction using inertial measurement technologies; -Investigation of the propagation speed of a sound wave depending on the degree of ballast layer compaction in a railway track; -Provision of recommendations for monitoring and predicting ballast layer compaction under operational conditions of the railway track. From the conducted analysis of scientific works, it has been established that modern methods for assessing the degree of railway track ballast layer compaction include the method of determining the velocity of a propagating impact sound wave. Advanced techniques include MASW and SASW methods, as well as kinematic and dynamic interpretation methods, which are based on determining the propagation speed of an impact sound wave [9–12]. In this work, to assess the degree of ballast layer compaction, an inertial technology method is used, in which the propagation speed of an impact sound wave is determined depending on the degree of sand ballast compaction. This method employs analog acceleration sensors, an analog-to-digital converter, and a laptop with specialized software. Experimental studies were conducted to measure the propagation speed of an impact sound wave through sand ballast material under laboratory conditions, depending on the level of ballast compaction. It was found that as the degree of compaction of the sand ballast prism increases, the propagation speed of the impact sound wave also increases. At the loose bulk density of the sand ballast prism, the wave velocity was 112.5 m/s; when the ballast prism was compacted to its full height, the velocity was 142.38 m/s; and with layer-by-layer compaction, the wave velocity reached 197.86 m/s. It was shown that during acceleration curve recording, the maximum acceleration values were observed in the central part of the ballast prism, while lower acceleration values were recorded at its edges. Based on the results of experimental studies on the propagation speed of an impact sound wave in a sand ballast layer using inertial research methods, it has been determined that the wave velocity can be used to assess the degree of railway track ballast layer compaction. However, to perform such an assessment, multi-scenario studies of wave velocities should be carried out, taking into account the type of ballast layer, the granulometric composition of the ballast, and its operational properties, in compliance with the requirements of the DSTU EN 13450 standard [13].