Nghiên cứu cảm biến giám sát chuyển dịch ngang sử dụng sóng siêu âm trong ray hàn liền đường sắt

Tác giả: TS. KHÚC ĐĂNG TÙNG
              KS. NGUYỄN TIẾN PHÁT
              Trường Đại học Xây dựng
              KS. NGUYỄN ĐỨC TRUNG
              Techno Bridge NKE, Tokyo, Nhật Bản
              TS. LÊ BÁ DANH
              Trường Đại học Xây dựng

Hiện tượng mất ổn định, cong oằn theo phương ngang của hệ thống CWR

Trong hệ thống đường sắt hiện nay, ray hàn liền (Continuous Welded Rail - CWR) đang được ứng dụng rộng rãi do những ưu điểm vượt trội như giảm rung lắc, cải thiện tốc độ của tàu, giảm tác động xung kích giữa tàu và đường ray. Tuy nhiên, một trong những vấn đề chính thường gặp phải của CWR là các thanh ray không được tự do dãn nở dưới ảnh hưởng của nhiệt độ. Do các ray có độ mảnh rất cao, lực nén dọc trong ray do sự gia tăng nhiệt độ có thể tạo nên hiện tượng mất ổn định, cong oằn theo phương ngang nếu các liên kết giữa ray với tà vẹt hư hỏng [1] (Hình 1.1). Khi sự cố này xảy ra, tàu di chuyển trên đoạn đường ray hư hỏng có thể bị trật bánh, đe dọa tới tính mạng người đi tàu cũng như gây hư hại cho hệ thống đường sắt. Bởi vậy, việc bảo đảm cho hệ thống CWR an toàn là vấn đề rất cần thiết và được đặt lên hàng đầu trong ngành Đường sắt.

Thống kê trên thế giới cho thấy, hiện tượng oằn do nhiệt của CWR là nguyên nhân trực tiếp của khá nhiều tai nạn đường sắt [2]. Trung tâm hệ thống giao thông Quốc gia Volpe và Cục Quản lý Đường sắt Liên bang của Hoa Kỳ đã tiến hành các nghiên cứu về vấn đề này và khẳng định rằng, công tác theo dõi hiện tượng cong oằn và dịch chuyển đường ray là vấn đề rất quan trọng trong ngành Đường sắt [3]. Một trong các hướng nghiên cứu chính khắc phục hiện tượng này là nghiên cứu các hệ thống cảm biến mới để theo dõi và cảnh báo sớm trong giai đoạn khai thác, ví dụ như cảm biến laser, cảm biến gia tốc [4], cảm biến đo biến dạng [5]... Liên quan đến việc phân tích mức độ ổn định tổng thể của CWR, một nghiên cứu đã sử dụng biến đổi Fourier dữ liệu gia tốc và phân tích phần tử hữu hạn nhằm đánh giá hệ thống CWR [6]. Việc tính toán lực dọc trong ray cũng đã được một vài nhóm tác giả nghiên cứu thông qua tần số dao động riêng được xác định từ dữ liệu gia tốc [7] hoặc từ cảm biến đo biến dạng sợi cáp quang FBG [8]. Để theo dõi đánh giá sự làm việc của CWR, một nhóm tác giả đã phát triển hệ thống cảm biến có thể đo đồng thời biến dạng và nhiệt độ trong ray [9].

Ở Việt Nam, tại Hà Nội và TP. Hồ Chí Minh đã có tổng cộng 18 tuyến đường sắt metro với tổng chiều dài lên đến 492 km được quy hoạch, trong đó có 5 tuyến đã được khởi công. Như vậy có thể thấy rằng, nhu cầu theo dõi, đánh giá sức khỏe của các hệ thống đường ray này là rất cần thiết. Bài báo được thực hiện với các mục tiêu và nội dung bao gồm: (1) xây dựng phương pháp theo dõi liên tục dịch chuyển ngang giữa các thanh ray của CWR bằng các cảm biến sóng siêu âm; (2) tiến hành thí nghiệm theo dõi liên tục cùng với việc đồng bộ dữ liệu của nhiều bộ cảm biến siêu âm trong giám sát CWR ở trong phòng và ngoài trời.

Mời độc giả xem nội dung đầy đủ bài khoa học tại đây