Исследование влияния дефекта типа полости на частоты свободных колебаний рельсов радиолокационным методом

Внедрение: 2019 г.

В настоящее время проблема неразрушающего контроля рельсовых плетей или подвижного состава стоит достаточно остро, так как с каждым годом возрастают требования как к скоростным характеристикам, так и к безопасности на транспорте. Целью настоящего исследования [1] являлось определение возможности регистрации частот собственных колебаний радиолокационным методом для рельсовых плетей и влияние размеров дефекта типа «полость». Для этого был создан лабораторный стенд с установленным стандартным рельсом марки Р‑65, в котором при помощи ударной импульсной нагрузки возбуждались свободные колебания. Измерения частот собственных колебаний рельса регистрировали с помощью 24‑разрядного АЦП LTR24 и специализированного акселерометра ZETLAB ВС110. Для регистрации колебаний использовали допплер радиолокатор частотой 10 ГГц, установленный в фокус параболической зеркальной офсетной антенны. Было выявлено, что дефект типа «полость» сдвигает частотную моду колебаний 750 Гц вверх. Показано, что отверстие в шейке рельса диаметром 10 мм вносит изменение частоты порядка 14 Гц.

На рисунке 1 приведена схема измерения.

Рисунок 1. Схема проведения эксперимента.

Для регистрации колебания рельса использовали допплер локатор, и напряжение на его выходе составляло ≈ 1,16 мВ, что при современной элементной базе позволило сделать низкочастотный усилительный тракт с коэффициентом усиления K_u=5000; далее сигнал подавали на 24‑разрядный АЦП LTR24 в составе крейта LTR‑CEU‑1‑4. Частота дискретизации составляла 19 кГц, напряжение опоры ±10 В; учитывая это, шаг квантования составлял 1,2 мкВ, что в данном случае позволяло регистрировать колебания рельса с достаточным разрешением по напряжению. Запись сигналов проводили при помощи пакета программ LGraph, а дальнейшую обработку, в том числе и вычисление преобразования Фурье, – при помощи Matlab.

На рисунке 2 изображены спектры сигналов, полученные при помощи радиолокатора и акселерометра, закрепленного сверху на головке рельса. На рисунке 2а, b приведены данные, полученные на рельсе без отверстия; в этом случае частота колебательной моды составила ≈ 747,5 Гц, при наличии отверстия диаметром 10 мм частота данной моды равнялась f ≈ 761,5 Гц, т.е. на данной моде колебаний отверстие диаметром 10 мм дает частотный сдвиг Δf ≈ 14 Гц.
 

Рисунок 2. Спектры сигналов: а – радиолокатор, рельс без отверстия; b – акселерометр, рельс без отверстия; c – радиолокатор, отверстие диметром 10 мм; d – акселерометр, рельс c отверстием диаметром 10 мм.

Авторы сделали вывод, что для регистрации дефектов типа «полость» наиболее подходящим является диапазон частот около 10 ГГц, который позволяет регистрировать колебания рельса с требуемой точностью, без существенного влияния погодных условий. Было показано, что дефекты такого типа могут регистрироваться при помощи радиолокатора за счет сдвига частотной моды колебаний вверх. При дефектах типа «трещина» происходит сдвиг не скольких частотных мод вниз и имеется возможность не только обнаружения, но и идентификации различных дефектов в рельсах. Данное утверждение требует дополнительного исследования с одновременным физическим моделированием дефектов типа «полость» и «трещина».

Работа выполнена при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (РФФИ), проект № 16‑07‑00426.

Источник:
Потылицын В.С., Кудинов Д.С., Кохонькова Е.А. Исследование влияния дефекта типа полости на частоты свободных колебаний рельсов радиолокационным методом // Журнал Сибирского федерального университета. – 2019. – № 12(8). – С. 1006‑1012.

Разработчик: Потылицын В.С., Кудинов Д.С., Кохонькова Е.А. (Сибирский федеральный университет, Красноярск)