CC BY
13
УДК 629.424
Ю. I. ОСЕН1Н, В. П. ВОЙТЕНКО
(Схщноукрашський нацiональний ушверситет ÏMeHÏ Володимира Даля)
ПРИСТР1Й ДЛЯ Д1АГНОСТУВАННЯ РЕЙКОВОÏ КОЛIÏ З АДАПТАЦИЮ ДО УМОВ
НЕКОНТРОЛЬОВАНИХ АКУСТИЧНИХ ПЕРЕШКОД
Запропоновано пристрш для д1агностування рейково! коли з адаптащею до умов неконтрольованих аку-стичних перешкод техногенного походження, як1 поширюються в матер1ал1 рейки, шляхом застосування спектрального анал1зу на основ1 перетворення Фур'е, цифровоï' фiльтрацiï' i статистично! обробки сигнал1в. Розглянуто блок-схему i роботу пристрою.
Предложено устройство для диагностирования рельсового пути с адаптацией к условиям неконтролируемых акустических помех техногенного происхождения, распространяющихся в материале рельса, путем применения спектрального анализа на основе преобразования Фурье, цифровой фильтрации и статистической обработки сигналов. Рассмотрена блок-схема и работа устройства.
The paper suggests a railway track diagnostic device adaptable to the conditions of uncontrolled acoustic interferences of man-caused origin propagating in the rail material by means of using the spectral analysis based upon the Fourier transformation, digital filtration and statistical signal processing. The device block diagram and its operation are considered.
Одним iз заходiв, необхщних для забезпе-чення надшно! роботи залiзничного транспорту, е дiагностування залiзничноi коли. У робот [1] розглянуто можливють застосування акус-тичних методiв для безперервного комплексного контролю техшчного стану залiзничноi коли на наявнють стороншх предмеив, дефектiв по-верхнi головки рейки у виглядi трiщин i напли-вiв, якост крiплення рейки до шпал, запропоновано пристрш для цих цшей. У роботi [2] проведено моделювання процесу дiагностуван-ня залiзничноi коли на наявнють стороннiх предметiв. У роботах [3; 4] запропоновано при-стро! для виявлення стороннiх предмепв на контрольованiй дiлянцi залiзницi.
На роботу акустичних дiагностуючих при-стро!в можуть здiйснювати вплив акустичнi пе-решкоди техногенного походження, що виника-ють i поширюються в рейщ у результатi взаемоди рухомого складу з рейкою тд час руху поiздiв, особливо при перетинаннi потягом стршочних переводiв, стикових з'еднань рейкових ланок та гальмуваннi. Тому захист таких пристро!в вiд акустичних перешкод е актуальним.
Цi акустичнi перешкоди мають деякi харак-тернi особливосп, однак, вплив багатьох фак-торiв на розподiл спектрально! щiльностi акустично! емiсii перешкоди не дозволяе однозначно щентифшувати перешкоду. Тому задача ще-нтифiкацii перешкоди не ставиться.
Метою дано! роботи е розробка пристрою для дiагностування залiзничноi коли з адапта-цiею до умов неконтрольованих акустичних перешкод техногенного походження.
Основний змкт дослщження
Щдвищити надiйнiсть акустичних дiагносту-ючих пристро!в, призначених для роботи в умовах неконтрольованих акустичних перешкод, що поширюються в рейщ, можна шляхом адаптацл до даних умов. Для цього необхiдно проаналiзувати спектр акустично! перешкоди й автоматично змь нити робочу частоту акустичного пристрою таким чином, щоб вона приходилася на область спектра, максимально вiльну вiд перешкоди.
Аналiзувати спектр акустично! перешкоди зручно за допомогою одного з штегральних перетворень. Для цього за допомогою аналого-во-цифрового перетворювача перешкода пере-
творюеться в масив даних у(х), що мiстить 2" елементiв, причому, чим бiльша кшькють чис-лових даних, тим вище спектральне роздiлення. Сукупностi даних у(х) ставлять у вiдповiднiсть деяку функцiю /(V). Розглянемо штегральне перетворення Фур'е, найбiльше часто застосо-вуване в спектральному аналiзi.
Як вiдомо, математичний змiст перетворення Фур'е складаеться у зображенш сигналу у(х) у виглядi нескiнченноi суми синусо!д виду /(V) • sin(v • х). Аргумент V функцл /(V) мае значення частоти вiдповiдного складового сигналу. Перетворення Фур'е /(V) е комплексною величиною навiть у випадку дiйсного сигналу
/(V) = | у(х) • exp(-7 • V • х)йх .
Для одержання функцп / (V) по масиву дш-сних даних юнуе ефективний алгоритм швид-кого перетворення Фур'е, що, зокрема, реалiзо-ваний на апаратному рiвнi у великих штеграль-них схемах, якi випускаються промисловiстю.
Практична реалiзацiя дiагностуючого акустич-ного пристрою, що адаптуеться до умов акустич-них перешкод, вимагае застосування широкосму-гових п'езоелектричних перетворювачiв для перетворення електричних сигналiв в акустичт i на-впаки. Стандартнi п'езоелектричш перетворювачi, що випускаються промисловiстю для дефектоско-пи виробiв, мають вузький робочий дiапазон, що лежить у межах декшькох сотень кiлогерц. Та-ко! порiвняно вузько! смуги частот може ви-явитися недостатньо для пошуку дiлянки, вшь-но! вщ акустичних перешкод. Тому як широко-смуговий перетворювач зручно використовувати п'езоелектричний перетворювач у виглядi плас-тини перемiнно! товщини. Гарнi результати мо-жуть бути отриманi за допомогою перетворювача, у якого одна сторона плоска, а шша - вигнута [5].
При зниженнi частоти ультразвукова хви-ля випромiнюеться кшьцем бiльшого дiамет-ра зi стшкою бшьшо! товщини, завдяки чому дiаграма спрямованостi у випадку, якщо п'езопластина звернена до поверхш призми плоскою стороною, залишаеться незмiнною у всьому дiапазонi частот перетворювача. Блок-схема акустичного пристрою для дiагностуван-ня рейково! коли на наявнiсть дефектов матер> алу рейки i стороншх предметiв на поверхнi рейки з адаптащею до умов акустичних перешкод наведена на рисунку.
4
3
2
1
прилад 1
Рис. Блок-схема акустичного пристрою для д1агностування рейково! коли з адаптащею до умов акустичних перешкод:
1 - випром1нюючий п'езоелектричний перетворювач; 2 - генератор хитно!' частоти; 3 - формувач штервал1в часу; 4 - нуль-детектор;
5 - приймальний п'езоелектричний перетворювач;
6 - тдсилювач з регульованою смугою посилення;
7 - аналогово-цифровий перетворювач;
8 - мжроконтролер; 9 - нуль-детектор;
10 - кодер; 11 - передавач 1з ЧМ модулящею; 12 - резонансна електромагнггна антена
Пристрш (рисунок) складаеться з двох приладiв, рознесених мiж собою на вщстань, яка дорiвнюе довжинi контрольовано! дшян-ки залiзницi. Прилад 1 мютить у собi такi блоки: випромшюючий п'езоелектричний перетворювач 1, з' еднаний з виходом генератора, хитнi частоти 2, що керуеться формува-чем iнтервалiв часу 3, синхронiзованим нуль-детектором 4 iз приладом 2.
Прилад 2 мютить: приймальний п'езоелектричний перетворювач 5, з'еднаний iз входом шдсилювача 6 з регульованою смугою посилення, вихд якого з'еднаний з аналогово-цифровим перетворювачем 7, цифровi виходи якого з'еднанi з портом м^оконтролера 8. Мiкрокон-тролер 8 з'еднано з детектором 9 i кодером 10, вих1д якого з'еднано з входом модулятора пере-давача з частотною модулящею (ЧМ) 11, тдклю-ченого до зовшшньо! електромагштно! антени 12.
Пристрiй працюе в такий спосiб. Кожнi 20 мс випромшюючий п'езоелектричний перетворювач 1 першого приладу перетворюе в акустичну хвилю, що поширюеться в поверхш рейки, елек-тричний сигнал тривалютю 2 мс постiйно! амп-лпуди генератора 2 хитнi частоти, що задаеться формувачем 3 iнтервалiв часу, синхрошзовано-му за моментом перетинання перемiнною на-пругою живильно! мереж1 частотою 50 Гц ну-льового значення, що визначаеться за допомо-гою нуль-детектора 4, який забезпечуе синхрош-защю роботи приладу 1 iз приладом 2.
Прилад 2 працюе в такий споаб. Приймальний п' езоелектричний перетворювач 5 перетворюе шум акустичних перешкод, що поширюються в поверхневому шарi рейки, в електричний сигнал, який шдсилюеться п1дсилювачем 6 з регульова-ною смугою посилення, причому смуга поси-лення вщповщае робочiй смузi приймального п'езоелектричного перетворювача. Приймальний п'езоелектричний перетворювач - це диск, одна з поверхонь якого плоска, а iнша - сферична.
Посилений електричний сигнал, що мютить шформащю про амплпудно-частотний спектр акустичних перешкод у рейщ, надходить на вх1д аналогово-цифрового перетворювача 7, що пере-дае цифрову iнформацiю про сигнал у м^оконт-ролер 8 через промiжок часу 10 мс iз моменту подачi сигналу вiд нуль-детектора 9, що здшснюе синхронiзацiю приладiв 1 i 2 по переходу через нуль живильно! напруги частотою 50 Гц.
Спещальна пiдпрограма мiкроконтролера 8 реалiзуе алгоритм швидкого перетворення Фур'е за дво!чними даними, отриманими вщ ана-логово-цифрового перетворювача 7. Визнача-еться дiлянка спектра, вщносно вiльна вiд пе-
прилад 2
решкод, якш ставляться у вщповщшсть пере-мiннi пiдпрограми, що реалiзують цифрову фшьтращю прийнятого сигналу, а також ширина смуги посилення тдсилювача 6 з регу-льованою смугою посилення. По переходу живильно! напруги частотою 50 Гц через нуль, п'езоперетворювачем 1 першого приладу ви-промiнюеться акустичний сигнал у виглядi пакета постiйноi амплiтуди i перемшно! час-тоти, що змiнюеться лшшно вiд нижнього до верхнього значення. У цей же час по сигналi нуль-детектора 9 другого приладу мшроконт-ролер 8 установлюе смугу посилення тдсилювача 6 з регульованою смугою посилення вщ-повщно до дшянки спектра, вщносно вшьнш вiд акустичних перешкод у даний момент часу.
Випромшюваний п'езоперетворювачем 1 першого приладу сигнал разом з акустичними перешкодами приймаеться п'езоперетворювачем 5 другого приладу. Пюля цього електричний сигнал тдсилюеться пiдсилювачем 6, у результат чого на вхщ аналогово-цифрового перетво-рювача 7 надходить тiльки та частина сигналу, що у момент випромшювання знаходилася в смузi частот вiдносно вшьнш вщ перешкод. Мiкроконтролер 8 додатково проводить фшьтращю сигналу за допомогою тдпрограми, що реалiзуе алгоритм цифрового фшьтра за допомогою прямого i зворотного перетворен-ня Фур'е. У результат програмно! обробки ви-значаеться максимальне значення амплiтуди прийнято! посилки i на пiдставi порiвняння об-мiрюваноi амплiтуди з величиною, записаною у флеш-пам'ять мшроконтролера при калiбру-ваннi пристрою, робиться висновок про наяв-нiсть дефекту матерiалу рейки або стороннього предмета на поверхш рейки.
Для пiдвищення надшносп пристрою в умо-вах сильних акустичних перешкод, викликаних, наприклад, наближенням потяга, застосовують-ся методи статистично! обробки декiлькох десят-юв вимiрiв. Розглянутий пристрiй повiдомляе про результати виявлення стороннiх металевих предмета на поверхш рейки за допомогою ра-дюзв'язку. Для цього мшроконтролер 8 (див. рисунок) передае даш в кодер 10, як пiсля коду-вання передаються в диспетчерську за допомо-гою передавача 11 iз ЧМ модуляцiею, що мае зовшшню резонансну антену 12. У диспетчерсь-кш iнформацiя, що надходить вщ акустичного пристрою, аналiзуеться разом з шшою шформа-цiею, що надходить вщ систем забезпечення без-пеки на контрольованiй дiлянцi залiзницi.
Висновки
1. Пiдвищити надiйнiсть роботи дiагносту-ючого пристрою в умовах акустичних перешкод на рейковiй колii можна завдяки його адаптацii до цих умов шляхом застосування спектрального аналiзу, цифрово! фiльтрацii i статистично! обробки сигналiв. Пристрiй може бути використаний для дiагностики потенцiйно небезпечних д^нок рейково! колii, на яких ймовiрнiсть випадання вантаж1в, будiвельних матерiалiв, елеменлв екь пажно! частини транспортних засобiв е великою (залiзничнi пере!зди, стршочш переводи) та д^-нок, на яких наявтсть стороннiх предметiв може викликати тяжкi наслiдки (криволiнiйнi дшянки коли, мости, тунел^.
2. Забезпечити синхрошзащю роботи двох приладiв, установлених на протилежних кiнцях дiлянки залiзницi, що входять до складу акустичного дiагностувального пристрою, можна за рахунок застосування нуль-детектора, тдклю-ченого до мшроконтролера.
3. Застосування дiагностувального пристрою з адаптацiею до умов неконтрольованих акустичних перешкод дозволить шдвищити безпеку руху на залiзницi.
Б1БЛ1ОГРАФ1ЧНИЙ СПИСОК
1. Войтенко В. П. Д1агностування техшчного стану рейкового шляху за допомогою акустичних метод1в / В. П. Войтенко, Ю. I. Осенш // В1сник Схщноукрашського нацюнального ушверситету ш. В. Даля, 2005. - № 5(87). - С. 272-278.
2. Войтенко В. П. Моделювання процесу д1агнос-тування зал1зничного рейкового шляху та анал1з результапв дослвдження / В. П. Войтенко, Ю. I. Осенш // В1сник Схвдноукрашського нацюналь-ного ушверситету 1м. В. Даля, 2005. - № 6(88). -С. 244-254.
3. Войтенко В. А. Обнаружение препятствий на железнодорожном пути / В. П. Войтенко, Ю. I. Осенш // В1сник Схвдноукрашського нацюналь-ного ушверситету 1м. В.Даля, 2005. - № 3(85). -С. 54-60.
4. Войтенко В. П. Пристрш для виявлення сторон-шх предмепв на зал1зничнш коли / В. П. Войтенко, Ю. I. Осенш // В1сник Схвдноукрашського нацюнального ушверситету 1м. В. Даля, 2005. -№ 8(90), ч. 2. - С. 118-123.
5. Приборы для неразрушающего контроля материалов и изделий. Справочник. Т.1 / Под ред. В. В. Клюева. - М.: Машиностроение, 1986. - 487 с.
Надшшла до редколегп 11.11.2005.
