CC BY
10Юницкий А.Э.12,
доктор философии транспорта
Бочкарёв Д.И.2'3, кандидат технических наук
Холодилов О.В.3,
доктор технических наук
Разработка концепции интеллектуальной системы непрерывной дистанционной диагностики технического состояния путевых структур экваториальной эстакады общепланетарного транспортного средства
ООО «Астроинженерные
технологии»,
г. Минск, Беларусь
ЗАО «Струнные технологии», г. Минск, Беларусь
Белорусский государственный университет транспорта, г. Гомель, Беларусь
•••'г*?«,-*
' •- :'-Ч-к' '
■ ■ Стартовая эстакада общепланетарного транспортного средства (ОТС), щ Щ размещённая вдоль экватора, представляет собой взлётно-посадочное,
энергетическое, инфраструктурное и коммуникационное сооружение эстакадного типа, которое предназначено для геокосмических перевозок. Эстакада ОТС является сложной инженерной конструкцией, труднодоступной для проведения осмотров по традиционной технологии. В данной связи актуальным видится использование системы непрерывного мониторинга технического состояния основных элементов рассматриваемого ответственного инженерного объекта. В настоящей работе предложена концепция интеллектуальной системы непрерывной дистанционной диагностики технического состояния путевых структур экваториальной эстакады, основанная на применении методов акустической эмиссии и распределённого акустического зондирования, которые позволяют оперативно и с высокой точностью диагностировать дефекты в линейных объектах большой протяжённости.
Ключевые слова: акустическая эмиссия, диагностика, неразрушающий контроль, общепланетарное транспортное средство (ОТС), путевая структура, распределённое акустическое зондирование.
Введение
Одной из важнейших задач при эксплуатации сложно нагруженных технических объектов ответственного назначения, к которым относится эстакада общепланетарного транспортного средства (ОТС) [1], является обеспечение безопасности. В общем случае прочность элементов таких конструкций и их ресурс задаются на стадии разработки и проектирования. Однако воздействие знакопеременных нагрузок, коррозионно-активной среды, колебаний температуры и других эксплуатационных факторов, а также наличие в материале технологических или эксплуатационных дефектов существенно снижают срок службы.
Для предотвращения перехода конструкции в предельное состояние, возникшее по вышеперечисленным причинам, необходимо осуществлять неразрушающий контроль (НК), причём желательно в режиме реального времени.
Традиционные методы и средства дефектоскопии направлены на выявление уже имеющихся дефектов. При этом важнейшая характеристика технических возможностей методов НК - чувствительность, которая определяется наименьшими размерами выявляемых дефектов:
• для поверхностных дефектов - шириной раскрытия у выхода на поверхность, протяжённостью в глубь материала и по поверхности детали;
• для объёмных дефектов - размерами с указанием глубины залегания.
Сравнительные данные по чувствительности некоторых методов НК приведены в таблице 1 [2-4].
Акустические методы НК подразделяются на две группы -активные и пассивные. Активные основаны на излучении, приёме и анализе упругих колебаний (акустических волн),
пассивные - только на приёме и анализе волн, возникающих при образовании дефекта, источником которых служит сам контролируемый объект.
Согласно ГОСТ 18353-79 [5] к пассивным акустическим методам относят:
• метод акустической эмиссии (A3), позволяющий выявлять зарождающиеся дефекты и прогнозировать остаточный ресурс деталей, выработавших свой нормативный срок службы;
• вибрационный метод, анализирующий параметры вибрации какой-либо отдельной детали или узла (ротор, подшипники и др.) с помощью приёмников контактного типа;
• шумодиагностический метод, изучающий спектр шумов работающего механизма с помощью микрофонных приёмников.
Характерным примером активного метода является ультразвуковой контроль (УЗ-контроль). Как вид НК, он объединяет ряд направлений, основные из которых используют эхо-метод, теневой, зеркальный, дифракционно-временной методы (time of flight diffraction - TOFD), метод фазированных решёток, УЗ-толщинометрию и др. Данные методы контроля направлены на поиск локализованных образовавшихся дефектов, однако не способны обнаруживать дефекты размером менее четверти длины УЗ-волны в контролируемом материале, т. е. менее 2-5 мм [6]. При этом информация о дефекте, полученная активными методами, не содержит сведений о динамике его развития. Кроме того, посредством данных методов затруднительно осуществлять непрерывный контроль технического состояния объекта одновременно по всей его длине, что особенно актуально для протяжённых линейных объектов, какими являются путевые структуры эстакады ОТС.
Таблица 1 - Чувствительность некоторых методов НК
Метод Минимальные размеры выявляемых несплошностей, мкм
Ширина раскрытия Глубина Протяжённость
Визуально-оптический 5-100 10-30 100
Капиллярный:
• цветной 1-2 10-30 100-300
• люминесцентный 1-2 10-50 100-300
Магнитопорошковый 1 150-200 30
Вихретоковый 0,5-1 - 600-2000
Ультразвуковой 1-30 2-3 % от толщины изделия -
Радиографический 100 1,5-3 % от толщины изделия -
В процессе эксплуатации объекта происходит накопление в материале усталостных повреждений, которые на начальной стадии развития оперативно не могут быть обнаружены техническими средствами основных методов НК, приведённых в таблице 1. Вопрос о безопасной эксплуатации таких конструктивных элементов возможно решить только с использованием средств НК, чувствительных к развивающимся дефектам. Следовательно, задача выявления растущих трещин, в том числе находящихся на начальной стадии развития, представляется особенно актуальной.
В решении данной задачи хорошо зарекомендовал себя интегральный метод обследования, основанный на явлении акустической эмиссии, который обнаруживает и регистрирует трещины, находящиеся в начальной стадии возникновения или способные к развитию под действием механической нагрузки, и имеет высокую чувствительность к росту дефектов (диагностирует увеличение трещины на 1-10 мкм).
Другое альтернативное направление, используемое для мониторинга технического состояния рельсов путевых структур эстакады ОТС, - метод распределённого акустического зондирования (distributed acoustic sensing -DAS). Данный метод реализуется с помощью оптоволокна, проложенного вдоль каждого пути. Движение транспортных средств вызывает акустическую вибрацию кабеля, при этом поверхностные и глубинные дефекты взаимодействующей системы «колесо - рельс» приводят к изменению отражения сигнала, которое фиксируется посредством фотодетектора. Таким образом, обеспечивается возможность постоянно и непрерывно регистрировать величину акустического воздействия, а следовательно, и техническое состояние рельсов на всём протяжении линии.
Место воздействия на волокно определяется рефлектометром по разности рефлектограмм. Контроль местоположения подвижных объектов проводится с точностью 1-2 м на расстоянии до 40 км от рефлектометра и центрального обработчика. Кроме того, фиксируется их скорость движения, ускорение и местоположение для системы интервального регулирования.
Непрерывный анализ диагностической информации, формируемой на основе воспринимаемых чувствительными элементами (датчиками) акустических сигналов на всём протяжении экваториальной эстакады ОТС, даёт возможность системе контроля технического состояния объективно оценивать опасность процессов, происходящих в деформируемом материале, и спрогнозировать разрушающую нагрузку и остаточный ресурс отдельных элементов конструкции и всего сооружения, а также оперативно
управлять движением. Это позволяет рассматривать каждую путевую структуру эстакады ОТС в качестве интеллектуального устройства, собирающего посредством системы контроля сведения о своём состоянии и оценивающего его в режиме реального времени, обеспечивая таким образом необходимый и достаточный уровень безопасной эксплуатации. Современная компьютерная техника, программное обеспечение, технологии сетевой и беспроводной связи делают реальным непрерывный дистанционный доступ к диагностической информации, что способствует анализу и обобщению получаемых данных как в рамках локальных, расположенных в наиболее неблагоприятных условиях участков, так и в масштабе всей экваториальной эстакады ОТС.
Использование метода акустической эмиссии
Физическая сущность метода АЭ состоит в регистрации установленными на поверхности конструкции пьезоэлектрическими преобразователями (датчиками) дискретных волн разгрузки, вызванных структурной перестройкой материала при его деформировании и локальном разрушении (пластическая деформация, скачкообразное развитие трещины и др.). Источник АЭ изменяет динамическое поле сил (или напряжений). На распространение акустической волны в конструкции влияет взаимодействие волны с микроструктурой материала, неоднородностями, а также условия нагружения объекта контроля (ОК). Такие структурные изменения происходят в результате образовавшихся внутри или приложенных извне механических/ температурных напряжений. Неразвивающиеся дефекты не излучают сигналов АЭ, поэтому материал конструкции должен быть нагружен до напряжений, достаточных для продвижения трещины [7].
Электрические сигналы, полученные с датчика и прошедшие усиление, поступают в измерительный канал диагностической интеллектуальной АЭ-системы, где производится их фильтрация, увеличение мощности и преобразование сигнала из аналоговой формы в цифровую для последующего ввода в компьютер интеллектуальной системы контроля и управления (ИСКУ) (рисунок 1).
Преимущества метода АЭ заключаются в том, что, с одной стороны, он не требует внешнего источника возбуждения для получения данных о состоянии ОК, с другой -позволяет получать информацию о дефектах на значительном удалении от них. Развитие дефектов служит источником акустических волн, которые распространяются в материале на значительные расстояния, а их фиксация несколькими
Акустическая
АЭ-событие волна
у 1 / Датчик
Поле точечного / 1 ^^
возмущения
Выходной сигнал
Обработка сигнала
Динамическое возмущение поля у источника
Механическое распространение до приёмника
Интерпретация данных
Обработка сигнала
Визуализация обработанного сигнала
Рисунок 1 - Цепь анализа сигналов АЭ: а - принципиальная схема; б - общий алгоритм функционирования
датчиками позволяет точно определить местонахождение опасного участка [8]. Кроме того, метод АЭ обеспечивает:
• интегральность, т. е. возможность проведения контроля объекта в целом путём установки на его поверхность необходимого количества преобразователей;
• высокую чувствительность. По расчётным оценкам, предельная чувствительность аппаратуры АЭ составляет =10~6 ммг, позволяя обнаруживать трещины протяжённостью >1 мкм. В реальных условиях уровень шума выше, чем в лаборатории, что приводит к снижению чувствительности. В то же время на практике метод АЭ способствует выявлению приращения трещины порядка десятых долей миллиметра - такого результата невозможно добиться ни одним из традиционных методов НК;
• возможность проведения контроля в реальном масштабе времени, что предотвращает разрушение технических устройств в процессе эксплуатации.
Основные недостатки метода АЭ:
• необходимость нагружения ОК, поскольку только при этом условии возможна инициация процесса развития повреждений и возникновение акустических сигналов;
• высокая чувствительность к электромагнитным, климатическим, акустическим, вибрационным и прочим шумам, что требует применения специальных методик фильтрации сигнала.
Вместе с тем система диагностики может работать не только с датчиками АЭ, но и с другими типами датчиков,
обеспечивая параллельный ввод в ИСКУ акустических, эксплуатационных и технологических параметров в течение длительного времени, а также автоматизированную оценку состояния материала, включающую определение уровня опасности, прогноз разрушающей нагрузки и остаточного ресурса. Таким образом реализуется комплексный подход к оценке материала и конструкции при нагруже-нии - «вектор состояния», рассматривающий не отдельные измеряемые величины, а их комплекс [8].
Проведённые исследователями [8-16] механические испытания в условиях статического, динамического, циклического и ударного нагружения показали, что посредством АЭ можно отследить процесс повреждаемости и разрушения конструкционных материалов фактически на всех стадиях, включая и собственно развитие трещин, вплоть до разрушения [17]. Апробация методов АЭ в процессе диагностики газопроводов помогла оценить влияние накопления повреждений на акустические характеристики материалов различных классов [18]. Это позволило в совокупности с большим объёмом испытаний различных ответственных технических объектов (сосуды, работающие под давлением, топливные баки ракет, трубопроводы высокого давления и др.] разработать программные методы фильтрации сигналов АЭ в условиях зашумления [8,14], что даёт возможность устанавливать датчики на значительной отдалённости друг от друга. Величина данных расстояний определяется поглощением сигнала на границах сред и его угасанием. Конкретное значение расстояний между датчиками требует
экспериментального определения с учётом влияния характеристик материалов, непосредственно применяемых в конструкции элементов ОТС.
В результате анализа состояния материалов изделий, подвергшихся разрушению, а также комплексного исследования кинетики накопления повреждений при изломе образцов из исходного материала и материала, длительное время находившегося в эксплуатации, в [8-19] предложены методики прогнозирования остаточного ресурса на основе оценки постепенного накопления повреждений в процессе работы под нагрузкой.
В качестве примеров процесса АЭ на рисунке 2 представлены частотные характеристики волн, распространяющихся в тонких пластинах со скоростями, меньшими
скорости С2 волны Рэлея, которая равна 0,31 см/мкс. Из рисунка 2а видно: чем толще пластина б, тем выше составляющая в её спектре волны с низкой скоростью. В более толстых пластинах спектр распространяющихся волн сужается; в пластине толщиной 10 см распространяется практически одна волна со скоростью 0,927Сг, близкая к рэлеевской по свойствам.
Как следует из полученной зависимости амплитуды волны от толщины пластины и расстояния от места излучения (рисунки 26,2в), одинаковый по мощности источник генерирует в тонкой пластине более значительные амплитуды волн, чем в толстой. Таким образом можно объяснить, что энергия излучения быстрее поглощается в большем объёме металла.
§
я
7,5 10 12,5 15 17,5 20 22,5 25 Волновое число а, 1/см
2,5
2
3 CD 1,5
=1= 21 V о 1 0,5
CD 0
ш 1= -0,5 1
-1,5
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Расстояние от центра излучения г, см
в)
ЕГ^
CD СЭ
0,8 0,4 0
-0,4 -0,8
» t= 645 мкс i АА А л 6 =1 см
г
200 225 250 275 300 325 350 Расстояние от центра излучения г, см
375 400
Рисунок 2 - Спектры волн и сигналов АЭ для пластин разной толщины [3]: а - зависимость скорости распространения волн от толщины пластины; б - амплитуда и спектр волн, распространяющихся со скоростями <С, = 0,31 см/мкс; в - амплитуда волны, распространяющейся со скоростью С = 0,4375 см/мкс
Полученные результаты могут быть использованы при диагностике технического состояния рельсов путевых структур эстакады ОТС, дорожка качения которых набрана из вертикальных параллельно установленных на ребро стальных пластин (рисунок 3), имеющих толщину в диапазоне, соответствующем представленному на рисунке 2а (основные характеристики приведены в таблице 2).
Данные пластины имеют предварительное напряжение =106 Н и заключены в корпус рельса, изготовленный из алюминиевого сплава, основные характеристики которого приведены в таблице 3. Элементы дорожки качения соединяются равнопрочной сваркой, что позволяет создать пластины бесконечной длины, а корпусные элементы могут быть как мерной длины, так и бесконечной в случае изготовления посредством экструзии.
Таблица 3 - Основные характеристики материала корпуса рельсов путевых структур эстакады ОТС
Параметр Значение
Минимальный предел прочности, МПа 310
Минимальный предел текучести, МПа 260
Твёрдость НВ, не менее 95
Модуль упругости, МПа 70 000 ± 2 %
Относительное удлинение, %, не менее 10
Коэффициент температурного расширения от-40 °С до+60 °С, мкм/(м-°С) 24 ± 2 %
Теплопроводность, Вт/[м - К) 180
Электрическое сопротивление при 20 °С, Ом-ммг/м 0,037
Рисунок 3 - Рельс путевой структуры, дорожка качения которой набрана из параллельно установленных на ребро пластин
Таблица 2 - Основные характеристики материала дорожки качения рельсов путевых структур эстакады ОТС
Параметр Значение
Минимальный предел прочности, МПа 1100
Минимальный предел текучести, МПа 780
Твёрдость Н1}С 40-48
Модуль упругости, МПа 200 000 ± 2 %
Относительное удлинение, %, не менее 20
Коэффициент температурного расширения от-40 °С до +60 °С, мкм/(м-°С) 13,8 ± 2 %
Ударная вязкость при -20 °С, Дж/смг 60
Ударная вязкость при -40 °С, Дж/смг 40
Максимальное скручивание на длине 1000 мм, не менее 1
Использование метода
распределённого акустического зондирования
Волоконно-оптические сенсорные системы, основанные на эффектах упругого или неупругого рассеяния света в стандартных оптических волокнах телекоммуникационного класса, могут эффективно использоваться в качестве инструментов, позволяющих воспринимать и анализировать акустические сигналы, которые вызываются эксплуатационными нагрузками, движением транспортных средств, воздействием внешней среды в исследуемом объекте или транспортном сооружении. Достоинства данных систем: возможность выполнять с применением одного оптоволоконного кабеля дистанционный непрерывный контроль объектов, имеющих большую протяжённость; отсутствие необходимости в электроэнергии и невосприимчивость к электромагнитным помехам.
В последнее время в области акустической диагностики посредством оптоволоконных систем получили распространение технологии, использующие специально подготовленные сегменты волокон (например, системы на основе волоконной решётки Брэгга (fibre Bragg grating - FBG) для мониторинга
в одной или нескольких точках). Однако по-настоящему распределённые технологии, позволяющие диагностировать линейные объекты большой протяжённости и использующие стандартные оптические волокна, реализованы в системах DAS.
В оптических волокнах происходят три процесса рассеяния (бриллюэновское, рамановское и рэлеевское (таблица 4)), которые можно применить при измерении физических величин, характеризующих деформацию или вибрацию объекта контроля с высоким пространственным разрешением.
Бриллюэновское и рамановское рассеяния представляют собой процессы неупругого рассеяния, в которых задействована передача энергии тепловым колебаниям или от них. Рэлеевское рассеяние - упругое рассеяние, вызванное статическими неоднородностями показателя преломления. Каждый процесс рассеяния обладает определённым спектром, характеризующимся конкретными зависимостями от физических величин, которые могут быть проанализированы (рисунок 4).
DAS основано на когерентном рэлеевском рассеянии. Интерференция света рэлеевского рассеяния от множества рассеивающих центров в волокне приводит к образованию спекп-структуры, т. е. случайной интерференционной картины, которая образуется при взаимной интерференции когерентных волн, имеющих случайные сдвиги фаз или случайный набор интенсивностей. Данная структура чувствительна к изменениям длины волны в волокне, поскольку разница в несколько десятков нанометров вызывает значительное изменение фазы для света с типичной длиной волны =1,5 мкм.
Измерения амплитуды рэлеевского сигнала достаточно для чувствительного обнаружения событий, имеющих широкий акустический спектр (например, вибрация, вызванная качением колеса по рельсу). Дополнение полученных данных информацией о фазе позволяет произвести точный количественный анализ сигналов вследствие нелинейного поведения амплитудного сигнала. При этом величина измеряемой амплитуды и информация о фазе могут служить информационным сигналом, свидетельствующим
Таблица 4 - Измеряемые оптические величины и физические параметры процессов рассеяния в оптических волокнах
Процесс рассеяния Измеряемые оптические величины Физические параметры
Рамановское Амплитуда Т Температура
Бриллюэновское Частота V, амплитуда Т Температура, деформация
Рэлеевское Амплитуда Т, фаза 5 Температура, динамическая деформация
Сто кс о во рассеяние
Лазер
Антистоксово рассеяние
Рэлеевское рассеяние
U
Бриллюэновское рассеяние
11 ГГц
Рамановское рассеяние
13 ТГц
Частота V, Гц
Рисунок4- Схематическое представление спектральных компонентов светового рассеяния в оптическом волокне
о появлении дефектов на дорожке качения (поверхности катания) рельса или взаимодействующего с ним колеса, что даёт возможность осуществлять непрерывную дистанционную диагностику путевых структур и транспортных средств.
Периодическое относительное удлинение на 150 нм оптоволоконного отрезка, имеющего длину 15 м, приводит к появлению сигнала, который фиксируется на расстоянии 70 км (рисунок 5). Наблюдаемое пространственное разрешение для этого очень слабого и удалённого события составляет =15 м; на более коротких расстояниях возможно регистрировать удлинения в диапазоне 1-10 нм, что свидетельствует о высокой чувствительности ОАБ-диагностики.
Совершенствование алгоритмов ОАБ-диагностики, основанных на анализе спектральных, временных или пространственных характеристик события, а также использование технологий машинного обучения будет способствовать ещё более надёжной идентификации дефектов, что обуславливает не только непрерывность и дистанционное проведение диагностики, но и высокую точность обнаружения повреждений и отклонений от требуемых эксплуатационных параметров. При этом конструкция рельсов путевых структур ОТС (рисунок 3) позволяет прокладывать оптоволоконные кабели непосредственно внутри корпусных элементов, в которых смонтированы пластины наборной дорожки качения, что обеспечивает высокую чувствительность и рациональную компоновку системы.
Использование
волоконно-оптической сенсорной системы для диагностики предварительно напряжённых элементов эстакады ОТС
Натяжение конструктивных элементов предварительно напряжённой конструкции, к которой относится эстакада ОТС, а также техническое состояние их анкерных узлов (величина возможного проскальзывания) влияют на безопасность, надёжность и долговечность всего сооружения. Приблизительное определение величины натяжения рассматриваемых элементов возможно посредством анализа прогибов межпролётных участков. В то же время подобный метод не обеспечивает требуемой точности. Применение тензометрических датчиков, эффективно используемых для определения напряжений, перемещений и деформаций, в данном случае не может быть реализовано вследствие высокой вероятности их повреждения в процессе натяжения конструктивных элементов, в частности канатов. Методики расчёта величины натяжения предварительно напряжённых элементов конструкции под действием эксплуатационных нагрузок также носят вероятностный характер ввиду большого количества допущений.
Одним из возможных решений данной проблемы может быть задействование канатов, в сердечник которых интегрирован армированный углеродным волокном волоконно-оптический кабель, представляющий собой волоконную
т
10
т-
20
Событие на расстоянии 70 км Относительная деформация 10 нм Сигнал/шум 20 дБ
30 40 50 Расположение, км
60
70
б)
-100 0 100 Расположение, м
Рисунок 5 - Чувствительность метода DAS в отношении события, находящегося на значительном удалении: а - регистрация; б - пространственное разрешение
решётку Брэгга, что было успешно реализовано в [20] и представлено на рисунке 6.
Характеристики данного каната аналогичны стандартным, имеющим равный диаметр, в частности для каната диаметром 15,2 мм предел прочности при растяжении составляет 1860 МПа. Таким образом, данный канат можно рассматривать одновременно как конструктивный элемент сооружения и как измерительный датчик системы диагностики.
Исследования, описанные в [20], показали высокую точность определения величины натяжения предварительно напряжённых канатов железобетонных конструкций с интегрированным волоконно-оптическим кабелем, а также возможность точного установления величины проскальзывания канатов в анкерном креплении.
Волоконно-оптический кабель (волоконная решётка Брэгга)
Прядь (из стальной проволоки)
а)
Рисунок 6 - Канат с интегрированным волоконно-оптическим кабелем: а - общий вид; б - поперечное сечение
Определение надёжности и долговечности волоконно-оптических кабелей системы интеллектуальной диагностики
Определения ресурса, надёжности и долговечности волоконно-оптических кабелей рассмотрены в ряде работ [21,22]. Прочность волоконных световодов зависит от многих факторов, основным из которых является наличие поверхностных и объёмных дефектов и трещин, возникающих вследствие изъянов в заготовках или абразивного воздействия контактирующих с поверхностью кварцевого стекла твёрдых тел. При нагружении волокна дефекты выступают в роли концентраторов напряжений. Процесс разрушения определяется следующими причинами: характером нагруженного состояния, скоростью нагружения, окружающей средой, структурой волокна. Данные параметры необходимо учитывать в расчётах, отражающих конкретные условия эксплуатации (в особенности в случае предварительного напряжения] реальной конструкции или сооружения.
Кроме того, важным контролируемым показателем при проведении испытаний волоконно-оптических кабелей является коэффициент затухания оптического сигнала. Процедура его определения регламентирована в [23]. Однако известны случаи, когда коэффициент затухания практически не изменяется до обрыва оптического волокна; иногда волокна с нормальным затуханием выходят из строя после незначительной наработки [24]. Причина такого явления может заключаться в недопустимом растяжении кабеля при прокладке или в остаточной деформации, возникшей при изготовлении. Проведённые исследования показали существенную зависимость между относительным удлинением волокна в кабеле и его ресурсом [25]. В соответствии с полученными данными допустимое значение относительного удлинения оптического волокна в оптическом кабеле для обеспечения срока службы 30-40 лет не должно превышать 0,25-0,3 % [24]. Следовательно, при проведении испытаний оптических кабелей на стойкость к механическим воздействиям предложено измерять именно относительное удлинение оптического волокна, а не коэффициент затухания [24]. Измерения можно проводить методом регистрации изменения фазы ампли-тудно-модулированного сигнала, проходящего по волокну, или с помощью бриллюэновского рефлектометра. Например, при необходимости обеспечения ресурса оптического кабеля более чем 30 лет относительное удлинение не должно превышать 0,25% [24].
На основании вышеизложенного данный параметр должен быть учтён при разработке проектной и конструкторской документации на эстакаду ОТС и контролироваться в процессе эксплуатации интеллектуальной системы её диагностики.
Прядь
(из стальной проволоки) Сердечник
Волоконно-оптический кабель (волоконная решётка Брэгга)
Автоматизация процесса мониторинга технического состояния элементов эстакады ОТС
Вышеперечисленные методы акустической диагностики для неразрушающего контроля рельсов эстакады ОТС в условиях эксплуатации могут быть реализованы в виде непрерывного мониторинга, в процессе которого акустическая активность отслеживается постоянно, а оснащение системы мониторинга средствами автоматизации позволяет оперативно в реальном времени получать информацию о состоянии ОК и своевременно предотвращать опасные ситуации. Вследствие этого к ОК применимо понятие «интеллектуальная конструкция», которая сама определяет, в каком состоянии она находится и можно ли продолжать её дальнейшую эксплуатацию. Для удовлетворения поставленным требованиям система диагностики такой конструкции должна обеспечивать следующие основные функции:
• измерение, обработку и представление с заданной степенью вероятности исходных данных, необходимых для оценки технического состояния (несущей способности);
• экстраполяцию полученных исходных данных в направлении принятой прогнозной координаты;
• расчёт несущей способности и остаточного ресурса по поступившей прогнозной информации, а также дополнительных сведений, характеризующих условия производства и текущего содержания;
• оценку состояния конструкции и возможных сценариев развития дефекта с отработкой вариантов последствий по степени опасности;
• выбор соответствующего варианта и принятие оптимального решения;
• в соответствии с принятым решением изменение режима работы (ограничение массы транспортных средств, их скорости движения, осевой нагрузки на рельсы) с целью выхода из аварийного состояния, сообщение о необходимости выполнения ремонтно-восстановительных работ, необходимости частичного или полного прекращения функциональной деятельности участков путевых структур или объекта в целом;
• передачу информации о техническом состоянии рельсов путевых структур в центральную интеллектуальную систему управления для принятия решения по дальнейшей эксплуатации или изменению её параметров.
Таким образом, основой интеллектуальной системы диагностики является блок обработки сигнала (БОС), в котором осуществляется усиление акустических сигналов, фильтрация, оцифровка при помощи аналого-цифрового
преобразователя (АЦП), цифровая обработка и регистрация параметров сигналов, их формы и передача этих параметров по радиоканалу в рабочую станцию. БОС, имеющий АЦП АЭ, представляет собой полнофункциональный цифровой канал, осуществляющий вычисление всех параметров акустических сигналов и регистрацию их формы.
Система может работать в двух режимах: в режиме непосредственной передачи сигналов от БОС к модулю центральному приёмо-передающему (МЦПП) и в сетевом режиме, когда БОС передают сигналы к МЦПП по цепи через соседние БОС (рисунок 7). Данный режим наиболее подходит для контроля протяжённых объектов (рельсов путевых структур эстакады ОТС).
__л—л__/Яус-ч /МЦПП
-fr ti-fr ti-fr ti—fr ОС, /
ififif
Рисунок7 - Интеллектуальная система диагностики: а - режим непосредственной передачи сигналов; б - сетевой режим
Выводы
и дальнейшие направления исследования
Анализ технологий НК, применение которых возможно для непрерывной дистанционной диагностики конструктивных элементов ОТС (в частности, путевых структур), показывает наибольшую эффективность методов A3 и DAS.
Первый из них основан на том, что достаточно быстрое протекание физических процессов изменения структуры в ограниченном объёме материала (пластическая деформация, разрушение, образование и рост трещин, движение дислокаций, фазовые превращения, трение и др.) сопровождается излучением акустических волн. Описанное явление называют A3 материала и используют в НК для обнаружения активно развивающихся под нагрузкой дефектов. Важным достоинством представленного метода является прямая связь информативных параметров сигналов A3 с процессами разрушения, не свойственная традиционным методам. Это позволяет постоянно и дистанционно получать информацию о стадии развития и скорости роста дефекта.
Технология DAS использует волоконно-оптический кабель в качестве чувствительного элемента (датчика) для измерения акустического воздействия с высоким пространственным разрешением по всей длине приёмной системы, что оптимально подходит для объектов большой протяжённости, а также позволяет осуществлять контроль натяжения предварительно напряжённых элементов конструкции эстакады ОТС.
Развитие и апробация рассмотренных выше технологий диагностики и мониторинга на основе методов A3 и DAS требуют разработки соответствующих методик и технических нормативных правовых актов, отражающих особенности, связанные с конструктивным исполнением рельсов, путевых структур и других конструктивных элементов эстакады ОТС. Кроме того, необходимо усовершенствовать применяемые методы и средства диагностики. Тем самым будут созданы условия для комплексного системного подхода к диагностированию, оценке и прогнозированию технического состояния такого сложного и ответственного сооружения, как эстакада ОТС, а значит, обеспечены его надёжность и безопасность в течение всего срока службы.
Литература
1. Юницкий, А.Э. Струнные транспортные системы: на Земле и в Космосе: науч. издание/А.Э. Юницкий. - Силакрогс: ПНБ принт, 2019. - 576 е.: ил.
2. Холодилов, О.В. Дефекты материалов и изделий: учеб. пособие/О.В. Холодилов. - Гомель:БелГУТ, 2022. -242с.
3. Неразрушающий контроль: практ. пособие: в 5 кн. / под ред. В.В. Сухорукова. - М.: Высш. шк, 1992. - Кн. 3: Герасимов, В.Г. Электромагнитный контроль/В.Г. Герасимов, АД. Покровский, В.В. Сухорукое. - 512 с.
4. Неразрушающий контроль: справ.: в 7 т./под общ. ред.
B.В. Клюева. - М.: Машиностроение, 2004. - Т. 3: Ермолов, И.Н. Ультразвуковой контроль/И.Н. Ермолов, Ю.В. Ланге. - 864 с.
5. Контроль неразрушающий. Классификация видов и методов: ГОСТ 18353-79.-Взамен ГОСТ 18353-73; введ. 0107.80. -М.: Изд-во стандартов, 1979. - 12 с.
6. Буйло, СИ. Физико-механические, статистические и химические аспекты акустико-эмиссионной диагностики /
C.И Буйло. - Ростов н/Д; Таганрог: Изд-во Юж. федерал, ун-та, 2017. - 183 с.
I. Холодилов, О.В. Акустическая диагностика / О.В. Холодилов // Трибология. Состояние и перспективы: сб. науч. тр.: в 4 т. /под ред. ИГ. Горячевой, М.А. Броновца. - Уфа: РИК УГАТУ 2016. -T. 1.-С. 212-234.
8. Опыт ИЭС им. Е.О. Патона H АН Украины в области акус-тико-эмиссионного контроля / Б.Е. Патон [и др.] // Техническая диагностика и неразрушающий контроль. -2012. -№1- С. 7-22.
9. Чернов, Д.В. Разработка методов диагностики усталостных трещин с помощью акустической эмиссии: дис.... канд. техн. наук: 05.11.13/ДВ. Чернов. - М„ 2018. -148л.: ил.
10. Кареев, А.Е. Разработка методов обработки сигналов акустической эмиссии на основе кластерного анализа для повышения надёжности контроля машиностроительных конструкций: дис. ... канд. техн. наук: 05.02.11/ А.Е Кареев. - Новосибирск, 2006. - 160 л.: ил.
II. Стадниченко, В.Н. Методика исследования переходных процессов в узлах трения гидромашин с использованием метода акустической эмиссии: дис.... канд. техн. наук: 05.04.13/В.Н. Стадниченко. - Харьков, 1997. - 186л.
12. Рудакова, А.В. Идентификация опасных состояний механических конструкций методом акустической эмиссии: дис.... канд. техн. наук05.13.03/А.В. Рудакова. -Херсон, 1997- 162л.
13. Ковтун, ИИ Диагностика прочности неразъёмных элементов конструкций методом акустической эмиссии: дис.... канд. техн. наук: 05.02.02/ИИ Ковтун. - Хмельницкий, 1998. - 175 л.
14. Муравьёв, М.В. Разработка методики неразрушающего контроля рельсов в условиях эксплуатации на основе анализа формы и энергетических характеристик сигналов акустической эмиссии: дис.... канд. техн. наук: 05.11.13/ М.В. Муравьёв. - Новосибирск, 2003. - 167 л.
15. Бехер, С.А. Анализ параметров сигналов акустической эмиссии и её потоковых характеристик при диагностировании металла осей колёсных пар: дис. ... канд. техн. наук: 05.02.11 /СЛ. Бехер. - Новосибирск, 2004. - 145л.
16. Горошко, A.B. Комп'ютерна акустико-емюшна ^агностика техн/'чного стану деталей i конструкцш: автореф. дис.... канд. техн. наук: 05.11.13 / A.B. Горошко; 1вано-Франюв. нац. техн. ун-т на фти ¡газу. - 1вано-Франювськ, 2003.-20 с.
17. Чау сов, Н.Г. Влияние вида напряжённого состояния на параметры акустической эмиссии на заключительных стадиях деформирования металлов / Н.Г. Чаусов, СЛ. Недосека, A.A. Лебедев // Техническая диагностика и неразрушающий контроль. -1993. -№3.~ С. 18-23.
18. Оценка повреждённоети металла действующих газопроводов методом АЭ-сканирования / A.A. Лебедев [и др.] // Техническая диагностика и неразрушающий контроль. - 2001. -№1- С. 8-12.
19. Недосека, С.А. Комплексная оценка повреждённоети и остаточного ресурса металлов с эксплуатационной наработкой / CA Недосека, А.Я. Недосека // Техническая диагностика и неразрушающий контроль. - 2010. - № 1. -С. 9-16.
20. Analysis of Short-Term Prestress Losses in Post-Tensioned Structures Using Smart Strands / К Sang-Hyun [et all// International Journal of Concrete Structures and Materials. -2022. - Vol. 16, No. 1. - P. 1-15.
21. Семенюта, Н.Ф. Волоконно-оптические линии связи и телекоммуникационные системы передачи на железнодорожном транспорте/Н.Ф. Семенюта, П.М. Буй. -Гомель: БелГУТ, 2012. - 205 с.
22. Зубилевич, А.Л. К определению параметров надёжности оптических волокон/АЛ Зубилевич, В.А. Колесников// T-Comm: Телекоммуникации и транспорт. - 2015. - Т. 9, №4.-С. 23-26.
23. Волокна оптические. Часть 1-40. Методы измерений и проведение испытаний. Затухание: ГОСТ Р МЗК 60793-1-40-2012. - Введ. 0107.13. - М.: Стандартинформ, 2012. -19 с.
24. Овчинникова, И.А. Определение надёжности оптических кабелей / И.А. Овчинникова // Технологии и средства связи. - 2009. -№3.- С. 39-41.
25. Овчинникова, И.А. Исследования и разработка оптических кабелей специального назначения: автореф. дис.... д-ра техн. наук: 05.09.02 / И.А. Овчинникова; Всерос. науч.-исслед. проект.-конструкт. и технолог, ин-т кабел. пром-сти. - М., 2021. - 41 с.
РАЗРАБОТКА КОНЦЕПЦИИ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СИСТЕМЫ НЕПРЕРЫВНОЙ ДИСТАНЦИОННОЙ ДИАГНОСТИКИ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ПУТЕВЫХ СТРУКТУР ЭКВАТОРИАЛЬНОЙ ЭСТАКАДЫ ОБЩЕПЛАНЕТАРНОГО ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА
Юницкий А.Э, Бочкарёв Д.И., Холодилов О.В.
