Ви є тут

Забезпечення безаварійного руху високошвидкісного потяга на основі безперервного моніторингу стану рейкового шляху

Автор: 
Войтенко Володимир Панасович
Тип роботи: 
Дис. канд. наук
Рік: 
2006
Артикул:
0406U003285
129 грн
Додати в кошик

Вміст

РОЗДІЛ 2
БЕЗПЕРЕРВНИЙ МОНІТОРИНГ СТАНУ РЕЙКОВОГО ШЛЯХУ ЗА ДОПОМОГОЮ АКУСТИЧНИХ ХВИЛЬ
2.1. Методика розрахунку акустичних властивостей системи “рейка – перешкода”
Об'єктом дослідження є система “рейка – перешкода”, умови поширення акустичних
хвиль у якій відрізняються від умов їхнього поширення в рейці, що граничить з
повітрям. Наявність на поверхні рейки перешкоди руху потяга приводить до появи
віддзеркалених від межі розподілу рейка – перешкода і переломлених хвиль, кути
віддзеркалення і переломлення, а також коефіцієнти віддзеркалення і
переломлення яких залежать від фізичних властивостей контактуючих середовищ
[172].
Напрямок поширення акустичних хвиль на межі розподілу двох середовищ
визначається акустичними властивостями матеріалів рейки і перешкоди руху потяга
відповідно до виразів [173]:
(2.1)
де – швидкості поширення, відповідно, подовжніх і поперечних хвиль у
матеріалі рейки щільністю ;
– швидкість поширення подовжніх хвиль у матеріалі стороннього предмета
щільністю ;
– кут переломлення в друге середовище (перешкоду руху потяга);
– кут падіння поперечної хвилі на межу розподілу двох середовищ, відлічуваний
від нормалі до неї;
– кут поширення трансформаційної подовжньої хвилі.
Розрахуємо коефіцієнти віддзеркалення за енергією акустичних хвиль від
перешкод руху потяга, що знаходяться на поверхні рейки, для перешкод з різних
матеріалів. Приймемо у якості початкових умов щільність сталі, з якої
виготовлено рейку, кг/м3; швидкості поширення подовжніх і поперечних акустичних
хвиль у рейці, відповідно, м/с; м/с.
Згідно (2.1) законі зміни кутів і :
(2.2)
Вирази для коефіцієнта віддзеркалення поперечної хвилі має вигляд:
(2.3)
а вираз для коефіцієнту віддзеркалення з трансформацією поперечної хвилі в
подовжню
(2.4)
де
(2.5)
Згідно (2.3), (2.4) вирази для коефіцієнтів віддзеркалення за енергією мають
вигляд:
(2.6)
(2.7)
Сумарний коефіцієнт віддзеркалення за енергією
(2.8)
Змінюючи значення кута падіння, одержимо значення коефіцієнтів віддзеркалення
за формулами (2.3-2.8) для різних матеріалів другого середовища (перешкоди на
поверхні рейки).
На рис. 2.1 наведено сімейство кривих для модулів коефіцієнтів віддзеркалення
поперечної хвилі від вільної поверхні – крива 1 (друге середовище – повітря,
кг/м3, м/с) і навантаженої поверхні перешкодою руху потяга із заліза – крива 2
( кг/м3, м/с, характеристичний імпеданс кг/м2с), з чавуна – крива 3 ( кг/м3,
м/с, кг/м2с), з бетону – крива 4 ( кг/м3, м/с, кг/м2с).
Кут падіння поперечної хвилі, при якому відбита подовжня хвиля є неоднорідною
(третій критичний кут), може бути розрахований за формулою [173]:
При кутах падіння на межу розподілу двох середовищ, більших за третій критичний
, модуль коефіцієнта віддзеркалення поперечних хвиль зі збільшенням імпедансу
перешкоди руху потяга зменшується. При > коефіцієнт трансформації поперечних
хвиль у подовжні є мнимим. Для кутів падіння < зменшення модуля коефіцієнта
трансформації поперечних хвиль у подовжні (рис. 2.2) при збільшенні імпедансу
перешкоди руху потяга і пов’язане з цим зменшення потоку енергії акустичної
хвилі перекриває деяке збільшення випромінювання в друге середовище
(перешкоду), унаслідок цього зростає коефіцієнт віддзеркалення поперечних
хвиль. При = точне значення коефіцієнта трансформації поперечних хвиль у
подовжні визначається виразом:
Рис. 2.1. Модуль коефіцієнта віддзеркалення поперечної хвилі від вільної
поверхні (1) і поверхні, навантаженої перешкодою із заліза (2), чавуна (3),
бетону (4)
Рис. 2.2. Модуль коефіцієнта віддзеркалення з трансформацією поперечної хвилі в
подовжню від вільної поверхні (1) і поверхні, навантаженої перешкодою з чавуна
(2), заліза (3), бетону (4)
Результати розрахунків коефіцієнтів віддзеркалення і трансформації за енергією,
а також сумарного коефіцієнта віддзеркаленої поперерчной хвилі і
трансформованої в подовжню з урахуванням дійсних значень кута для вільної і
навантаженої перешкодою руху потяга із заліза, чавуна і бетону поверхні,
наведені на рис. 2.3-2.6. На рис. 2.7 наведено графіки, що характеризують зміну
сумарного коефіцієнта за енергією віддзеркаленої поперечної хвилі і
трансформованої в подовжню з урахуванням дійсних значень кута для розглянутих
вище матеріалів. Аналіз графіків (рис. 2.7) показує, що при куті падіння
сумарний коефіцієнт за енергією хвилі, віддзеркаленої від межі розподілу двох
середовищ, зменшується при збільшенні імпедансу перешкоди руху потяга.
При віддзеркаленні від вільної поверхні (див. рис. 2.3, 2.7) сумарний
коефіцієнт віддзеркалення за енергією (крива 3, рис. 2.7) дорівнює одиниці для
всіх кутів . Коефіцієнт для кута падіння дорівнює нулю. Для розглянутих
матеріалів перешкод руху потяга коефіцієнт для кутів падіння, відмінних від
нуля, менше одиниці. Це пояснюється відтоком частини пружної енергії хвилі в
перешкоду за рахунок збудженої в ній подовжньої хвилі. Таким чином, поява на
поверхні рейки перешкоди руху потяга приводить до відтоку частини енергії
акустичної хвилі, що поширюється в рейці, у перешкоду, що викликає зменшення
амплітуди акустичного сигналу, прийнятого перетворювачем.
Рис. 2.3. Коефіцієнти віддзеркалення за енергією в залежності від кута падіння
поперечної хвилі для вільної поверхні
Рис. 2.4. Коефіцієнти віддзеркалення за енергією в залежності від кута падіння
для поверхні, навантаженої перешкодою руху з чавуна
Рис. 2.5. К