Акустический тракт постовой системы ранней диагностики буксовых подшипников для обеспечения экологической безопасности движущихся поездов Текст научной статьи по специальности «Физика»

УДК 534:620.179.1:656.254

АЛ. Куценко, Ю.В. Савич, Д.С. Слуцкий

АКУСТИЧЕСКИЙ ТРАКТ ПОСТОВОЙ СИСТЕМЫ РАННЕЙ ДИАГНОСТИКИ БУКСОВЫХ ПОДШИПНИКОВ ДЛЯ ОБЕСПЕЧЕНИЯ

ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ДВИЖУЩИХСЯ ПОЕЗДОВ

Статья посвящена исследованию и оптимизации акустического тракта системы ПАК-02.000 (постовой акустический комплекс), предназначенной для повышения экологической безопасности. Для повышения отношением сигнал-помеха ПАК-02.000 был проведен анализ акустического тракта, предложены методы оптимизации ближнего и дальнего полей приемного акустического тракта .

Шут; подшипник; буксовый узел; постовая система; диагностика; направ; ; ; ;

.

A.N. Kutsenko, Y.V. Savich, D.S. Slutskiy ACOUSTIC TRACT OF MONITORING SYSTEM OF EARLY DIAGNOSTICS FOR ECOLOGICAL SAFETY PROVISION OF MOVING

TRAIN BEARINGS

The paper covers researching and optimization of acoustic tract of monitoring system SAC-02.000 intended for ecological safety increasing. For increasing signal-to-noise ratio of the SAC-02.000 the analysis of the acoustic tract was held, the ways of optimization of near- and far-fields of reception path were brought forward.

Noise; bearing; box; monitoring system; diagnostics; directivity; angle of equalization; amplitude distribution; phase distribution; tracking.

В течение более ста последних лет железнодорожный транспорт является основным в перевозках пассажиров и грузов, в том числе и экологически опасных. В современных условиях эксплуатации широкое распространение получили теле, -чивают хорошее вписывание в кривые участки пути и меньшие вертикальные перемещения при передвижении по неровностям рельсов. В общем случае тележка состоит из двух колесных пар с буксовыми узлами, на которые свободно устанавливаются литые боковые рамы с рессорными комплектами и литой надрессорной балкой (рис. 1). Буксовый узел обеспечивает трансформацию вращательного движения колесной пары в поступательное перемещение вагона. Поэтому буксовые узлы являются чрезвычайно ответственными элементами ходовых частей вагонов.

, , -боте и угрожает безопасности движения поездов.

Опыт эксплуатации буксовых узлов показал, что главными причинами выхода их из строя (отказов) является нарушение работоспособности роликовых подшипников, установленных на шейку оси. В настоящее время для выявления дефектов подшипников обычно используются стационарные дефектоскопы, при этом контроль происходит в депо. Однако наиболее перспективными системами кон-

троля работоспособности буксовых узлов считаются постовые системы ранней диагностики, размещаемые в железнодорожных узлах.

Рис. 1. Железнодорожная тележка: 1 - колесиая пара; 2 - букса;

3 - боковая рама; 4 - рессорный комплект; 5 - горизонтальный скользун; 6 - .

В КБ им. Макеева была разработана постовая система ранней диагностики буксовых подшипников движущихся поездов ПАК-02.000. Данная система хорошо зарекомендовала себя в натурных условиях, она позволяет выявлять большинство известных дефектов буксовых подшипников. Однако в процессе эксплуатации было выявлено относительно невысокое отношение сигнал-помеха. В связи с этим была поставлена задача - проанализировать акустический тракт этой системы и дать рекомендации по увеличению отношения сигнал-помеха.

В ходе испытаний постовой системы ранней диагностики буксовых подшипников движущихся поездов были получены спектры шумов для дефектного и бездефектного буксовых узлов. Из полученных спектрограмм шумов дефектного узла были выделены 3 узкополосных пика с центральными частотами 1600, 2800, 7000 Гц при скорости движения поезда 60 км/ч. Расчеты показывают, что частота 1600 Гц соответствует дефектам внутреннего и наружного колец буксового подшипника, частота 2800 Гц - дефектам сепаратора, частота 7000 Гц - дефектам роликов .

Приемная акустическая система постовой системы ранней диагностики буксовых подшипников движущихся поездов ПАК-02.000 состоит из двенадцати , . 2.

(1 !І Л

-0О .

. 2.

Анализ данной акустической системы проводился в дальнем и ближнем по.

формуле, полученной путем разбиения антенны на элементарные, и использованием теорем о направленности:

Sin

nkd

2

sm(#)

2п sin

—sm(#) 2

1 + е

—ikd cos(^o)(sin(^)-sin(^o)) + еcos(#o)(sin(#)—sin(#o))

12

+

+ -

1 + е —ikd cos(0o )^іп(0)—sin(^0 )) + е ~2Ы cos(^0 )(sin(^)—sin(^0))

12

(1)

где п=6 - число элементов части антенны без введения угла компенсации; к - волновое число; d - расстояние между элементами антенны; 0О - угол компенсации .

На рис. 3 приведены диаграммы направленности приемной антенны ПАК-02.000, рассчитанные в соответствии с формулой (1). Из рисунка видно, что с повышением частоты флуктуации амплитуды звукового давления поля антенны уве.

Рис. 3. Диаграммы направленности антенны на частотах 1600 Гц (а), 2800

Гц (б) и 7000 Гц (в)

Анализ дальнего поля показывает, что при разных углах компенсации в0 (рис. 4) можно добиться уменьшения числа дополнительных единичных максимумов и уровня боковых лепестков. При некоторых углах компенсации максимум основного лепестка меньше уровня боковых лепестков. При углах 00=1,5° (рис. 4 б), 00=4,3° (рис. 4,г) можно получить уровень основного лепестка выше уровня боковых лепестков.

, -шипников движущихся поездов устанавливается на расстоянии 1,5 м от железно. -тоте 1,6 кГц составляет 254 м, а на частоте 2,8 кГц - 445 м. Таким образом, мож-, -ходит в ближнем поле.

и

г

О 4

В

О 4

Г

Рис. 4. Диаграмма направленности антенны при углах компенсации в0=0° (а), 00=1,5° (б), 00=2,5° (в), 00=4,3° (г)

Ближнее поле приемной антенны постовой службы ранней диагностики буксовых узлов ПАК-02.000 было рассчитано с использованием функций Грина [1]:

Рх, у) = зр

2п

N/2

Б

е]Ц (x-+;0.5N-+).5-n)d)2+y2

N

ЇХ+0^Ш ^(х—(п—0*—0-ЭД2 +2

е'к! (x-0n-05N-0.5)d)1+y1

п=1

(2)

(2) -( . 5, )

1,5 ( . 5,

). , -

( .5).

Такая пространственная неоднородность ближнего поля не позволяет однозначно измерить уровень давления шумового сигнала от буксового узла проходящего по.

( ) .

, -

верхности линейной непрерывной антенны поперечное распределение амплитуды давления в ближнем поле будет повторять нормальный закон распределения [2]. Рассмотрим влияние других типов распределения амплитуды по поверхности антенны на характер распределения звукового давления в ближнем поле антенны. Для дальнейших расчетов рассмотрим модель линейной непрерывной антенны. В качестве законов изменения амплитуды давления по поверхности антенны возь-, -

.

ь

кр 2Г (ххГ)*у +^г))

Рх, у) = 3

2п

\

Л

( +г2)+у2

-dr

(3)

Рис. 5. Пространственное распределение давления в ближнем поле (а) и сече-

ние амплитуды давления на расстоянии 1,5 м (б)

Результаты расчетов приведены на рис. 6. Здесь приведены формы нормированного равномерного (рис. 6,а), линейно спадающего к краям (рис. 6,г), линейно возрастающего к краям (рис. 6,ж) амплитудных распределений и соответствую-

( . 6, , , ) ( . 6, , , ) -ния в ближнем поле на расстоянии 1,5 м от линии антенны.

( . 6) ,

, , увеличиваются по сравнению со случаем введения равномерного амплитудного распределения (рис. 6, а - б), в), при этом искажается фронт волны (рис. 6, ж-и). При введении амплитудного распределения, спадающего к краям, флуктуации амплитуды и фазы давления значительно уменьшаются, форма сечения амплитуды практически повторяет закон амплитудного распределения (рис. 6, г, д). Фазовый

( . 6, )

В теории локации известен прием динамического сопровождения цели, реализуемый посредством введения фазового распределения по поверхности антенны. Один из таких методов (динамическая фокусировка) использует в качестве закона изменения фазы уравнение окружности. В соответствии с выражением (3) было

рассчитано ближнее поле линейной непрерывной антенны с введением различных законов изменения фазы (рис. 7). Законы изменения фазы по поверхности антенны приведены на рис. 7, а, г, ж. На рис. 7, б, д, з приведены сечения амплитуды звукового давления, на рис. 7, в, е, и - сечения фазы звукового давления в ближнем поле на расстоянии 1,5 м от линии антенны. Видно, что введение фазового распределения практически не влияет на флуктуации амплитуды, а фронт волны практически полностью повторяет закон изменения фазы по поверхности антенны (рис. 7).

-2 0 2 а

2

3 *М/7\'цЛ

V

180

90

0

2

\

3

Г 1 Ж' "\ \ 2 1

-2 0 2 3

и

б

е

д

Рис. 6. Форма амплитудного распределения (а, г, ж) и сечение амплитуды (б, д, з) и фазы (в, е, и) давления на частотах 1600 Гц (кривая 1), 2800 Гц (кривая 2) и

7000 Гц (кривая 3)

, , амплитудного распределения является определяющим фактором в определении закона изменения давления в ближнем поле. Следует отметить, что спадающее к краям амплитудное распределение дает наиболее «гладкое» поле давлений в ближней зоне антенны.

Рассмотрим далее поведение ближнего поля линейной непрерывной антенны при введении спадающего к краям амплитудного распределения и смещении максимума амплитудного распределения относительно фазовой оси антенны.

Выше было сказано, что при введении нормального амплитудного распределения по поверхности линейной непрерывной антенны поперечное распределение амплитуды давления в ближнем поле будет повторять нормальный закон распределения. При смещении максимума распределения относительно фазовой оси антенны нормальный закон заменяется законом распределения Рэлея. На рис. 8,а приведены нормированные нормальное (кривая 1) и Рэлеевские (кривые 2 и 3) амплитудные распределения, на рис. 8, б - соответствующие им сечения амплитуды,

на рис. 8, в - фазы звукового давления в ближнем поле. Из рис. 8 видно, что при введении распределения Рэлея поперечное распределение амплитуды давления «зеркально» повторяет закон распределения Рэлея. Видно, что распределение Рэлея гипотетически дает возможность путем смещения максимума давления осуществлять динамическое слежение за целью в ближнем поле антенны, аналогично сканированию в дальнем поле путем введения фазового распределения.

ф, град. 90 0 -90

ф, град.

-2 О 2 г, м б

-А* 1 2

2

~Т~

ф, град.

-2 0 2 г, л

д

ф,град.

е 2 г.

2

"Г /*'4

Ґ \ / \у 1 Ч \ > V/

-2 0 2 г, м

И

-2 0 2 г

3

Рис. 7. Форма фазового распределения (а, г, ж) и сечение амплитуды (б, д, з) и фазы (в, е, и) давления на частотах 1600 Гц (кривая 1), 2800 Гц (кривая 2) и 7000

Гц (кривая 3)

о

Г, М

а

в

>*■ со / Ч- /\ / \ Г \ \ 2 V

/ / ' / / \ \ \\

>*• со X А / \ \ 2 V

( / / / ✓ я

3 / 1 \

“Г 2

а б в

Рис. 8. Влияние нормального (кривая 1) и рэлеевского (кривые 2 и 3) амплитудных распределений на ближнее поле

Ближнее поле при нормальном и Рэлеевском амплитудных распределениях не имеет ярко выраженного максимума амплитуды, что значительно уменьшит точность такого метода слежения за целью. В отличие от нормального, амплитудное , , более острый максимум (рис. 9).

■ 2 /. ,

\ 1

а б в

Рис. 9. Форма амплитудного распределения (а), сечение амплитуды (б) и фазы (в) давления в ближнем поле при амплитудном распределении, равномерно спадающем к краям, для разных положений максимума амплитуды давления

На рис. 9, а приведены нормированные амплитудные распределения, линейно спадающие к краям, при разных положениях максимума амплитуды звукового давления относительно акустической оси антенны, на рис. 9, б - соответствующие им сечения амплитуды, на рис. 9, в - фазы звукового давления в ближнем поле. Из рис. 9 видно, что введение треугольного амплитудного распределения позволяет получить более острый пик амплитуды давления, чем введение нормального рас.

.

Принципиальное отличие способа слежения за целью, осуществляемого путем смещения максимума амплитуды давления относительно акустической оси , , слежения за целью - колесной парой - осуществляется толь ко при помощи амплитудного распределения, что значительно проще реализовать технически, чем введение фазового распределения.

Описанные выше закономерности справедливы не только для непрерывной, но и для дискретной антенны из точечных источников, расположенных друг от друга на расстоянии меньше критического расстояния - длины волны.

, - -то за счет введения амплитудного распределения. При помощи смещения максимума амплитудного распределения можно осуществлять слежение за целью.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. ЛепендинЛ.Ф. Акустика. - М.: Высшая школа, 1978.

2. Новиков Б.К., Руденко О.В., Тимошенко В.И. Нелинейная гидроакустика. - Л.:

Судостроение, 1981.

Куценко Александр Николаевич

Технологический институт федерального государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Южный федеральный университет» в г. Таганроге

E-mail: [email protected]

347928, Россия, г. Таганрог, пер. Некрасовский, 44 , тел.: (8634)311-132

Савич Юлия Вадимовна

E-mail: [email protected]

Слуцкий Дмитрий Сергеевич E-mail: sdiman8 5 @mail. ru

Kutsenko Alexandr Nikolaevich

Taganrog Institute of Technology - Federal State-Owned Educational Establishment of Higher Vocational Education “Southern Federal University”

E-mail: [email protected]

44, Nekrasovsky, Taganrog, Rostov region, 347928, Russia, Ph.: (634)-311-132

Savich Yulia Vadimovna E-mail: [email protected] Slutsky Dmitry Sergeevich

E-mail: [email protected]

УДК 612.424:613.693:615.471

А. А. Рыбченко, Г. А. Шабанов, Ю. А. Лебедев,

. . , . .

ПОДХОДЫ К ОРГАНИЗАЦИИ ИНФОРМАЦИОННОЙ СЕТИ ДЛЯ

МОНИТОРИНГА ИНДИВИДУАЛЬНОГО ЗДОРОВЬЯ НАСЕЛЕНИЯ НА ОСНОВЕ АНАЛИЗА РИТМИЧЕСКОЙ АКТИВНОСТИ ГОЛОВНОГО МОЗГА

При диспансеризации населения очевидна актуальность реализации мониторинга индивидуального здоровья - длительного динамического наблюдения за состоянием здоровья человека с целью раннего выявления выраженных дисфункции и предупреждения развития заболеваний. В основу технологии положены представления о мозге человека как органе, постоянно контролирующем и способном корректировать работу и состояние внутренних органов и организма в целом. Обсуждаются вопросы создания информационной сети мониторинга здоровья .

Мониторинг здоровья; диспансеризация населения; состояние здоровья человека; коррекция состояний; информационная сеть.

A. A. Rybchenko, G. A. Shabanov, J. A. Lebedev,

V. V. Korochentsev, S. B.Naumov

APPROACHES TO THE ORGANIZATION OF THE INFORMATION NETWORK FOR MONITORING INDIVIDUAL HEALTH OF THE POPULATION ON THE BASIS OF THE ANALYSIS of RHYTHMIC ACTIVITY OF THE BRAIN

In the field of peoples’ clinical examination, the individual health monitoring has evident actuality, considering that the individual health monitoring is a long-term dynamic observation of human’s health conditions aiming to reveal apparent dysfunctions