При движении поездов по железнодорожному полотну, возникает множество видов вибрационных волн. Вибрационные воздействия оказывают влияние на верхние строения пути и близлежащие сооружения. Основным источником вибраций является взаимодействие системы «колесо-рельс».
Известно, что вибрация конкретного объекта полностью определяется силой возбуждения, ее направлением и частотой. Именно по этой причине вибрационный анализ позволяет выявить силы возбуждения, для последующей обработки и принятию мер по их устранению[1].
Анализ вибраций, возникающих в результате движения подвижного состава, очень важен, так как железная дорога является основной транспортной системой, охватывающей большую часть территории нашей страны и стран ближнего зарубежья . С каждым днем растут объемы и количество перевозимых по железной дороге грузов. Одновременно с этим, растут нагрузки, как на составы, так и на верхние строения пути. Поэтому важно и необходимо учитывать вибрационные воздействия, как при эксплуатации железных дорог, так и при их проектировании, и строительстве. Требуется учитывать не только степень вибрационного воздействия при растущем уровне нагрузок, но учитывать и географическое положение конкретного участка железнодорожной магистрали.
Вопрос строительства железных дорог в северных и полярных широтах, является крайне актуальным в наши дни. В России строительство железных дорог в большинстве случаев, осуществляется посредством отсыпки подушки под укладку полотна [2,3]. Применение данного метода строительства в условиях вечной мерзлоты имеет ряд недостатков, таких как просадка насыпи вследствие движения поверхностных и грунтовых вод, а также разрушения вечной мерзлоты в результате воздействия вибрации. В Канаде и на Аляске в аналогичных климатических условиях, железные дороги строят на сваях. Такой метод дает возможность точечной привязки укладываемого полотна [4]. Он более трудоемок и требует больших финансовых вложений при строительстве, но гораздо более практичен: вечно мерзлотные грунты в основании дорог, построенных по такому типу менее подвержены вибрационному воздействию. Как следствие, обслуживание железной дороги на сваях стоит дешевле, чем периодический ремонт железнодорожной насыпи.
Вибрации, возникающие при движении подвижного состава, также влияют на качество работы напольных устройств железнодорожной автоматики и телемеханики (ЖАТ). В системах ЖАТ возникают механические поломки, такие как разрушение пайки основных элементов, усиливается коррозирующие процессы [5]. Отказы устройств ЖАТ могут стать причиной крушений поездов.
Во многих густозаселенных регионах железные дороги располагаются вблизи жилых массивов и оказывают пагубное влияние на людей. Длительное влияние вибрации, порождаемое движением железнодорожных составов приводит к стойким патологическим нарушениям в организме человека. Опасность развития вибрационной болезни возрастает с увеличением интенсивности и длительности действия вибрации; при этом существенное значение имеет индивидуальная чувствительность. При воздействии вибраций с большой амплитудой возникают нарушения в мышцах, связках, суставах, костях. Люди подверженные длительному вибрационному воздействию испытывают недомогания, такие как слабость, быструю утомляемость, раздражительность, головные боли, плохой сон. Установлено, что вибрационная болезнь может длительное время протекать компенсировано, в течение этого периода люди сохраняют трудоспособность и не обращаются за врачебной помощью. Развиваются мышечные и костные (вплоть до дегенеративно-дистрофических) изменения, а также расстройства нервной системы по типу неврозов. В отличие от местной, при общей вибрации возникают клинические симптомы, связанные с расстройствами деятельности мозга [6]. Требуется защищать людей от воздействия вибрационных и шумовых воздействий возникающих при движении поездов в густозаселенных районах. Проектировать защитные сооружения можно, только зная характер распространения вибрационных волн.
В настоящее время нет достоверных данных о том, каким именно образом вибрации, возникающие при движении подвижного состава по рельсам, распространяются по поверхности земли. В рамках исследовательской работы группой специалистов ЗабИЖТ разработан способ визуализации распространения вибрационных волн. Суть метода заключается в следующем:
Вблизи железнодорожного полотна размещают поле
вибрационных датчиков (в количестве 400 штук, на расстоянии друг от
друга 50см, размеры поля 10
10м),
с помощью которых регистрируется распространение вибрационных волн с
последующей обработкой данных на компьютере (рис.1).
Система
управления и обработки информации измерительной установки состоит из
генератора тактовой частоты, счетчика, дешифратора, аналого-цифрового
преобразователя и ЭВМ. Функция генератора тактовой частоты -
включение и выключение счетчика, к которому подключен дешифратор. В
зависимости от поступающей со счетчика кодовой комбинации, дешифратор
замыкает электронные ключи, последовательно подключающие к
аналого-цифровому преобразователю (АЦП) строки датчиков.
Опрос поля датчиков производится в реальном масштабе времени и повторяется циклически с частотой 32 кГц. Алгоритм процесса приведен на рис.2.
После накопления некоторого массива данных, в программе компьютерной обработки для каждого момента времени строится матрица (рис 3), которая отражает степень возбужденности датчиков, каждая ячейка матрицы соответствует одному датчику.
Для
обработки экспериментальных данных было разработано программное
обеспечение на базе Читинского техникума железнодорожного транспорта.
использовалась среда объектно-логического программирования Delphi
7.0 (рис 4).
Ячейки матрицы (рис.3) окрашиваются в определенный цвет в соответствии со степенью возбуждения. Красная зона - интенсивное вибрационное воздействие, желтая зона - среднее вибрационное воздействие, зеленая - зона не подверженная вибрационному воздействию.
Разработанный
метод анализа позволяет определить характер распространения
вибрационных волн с точной привязкой по времени, а также степень
вибрационного воздействия на те или иные участки железнодорожного
полотна, тоннели, мосты и расположенные вблизи жилые массивы. На
основании полученных экспериментальных данных можно разработать
рекомендации для реконструкции существующих и проектировании новых
участков железных дорог.
-
- Литература:
Основы измерения вибрации по материалам фирмы DLI / под ред. В.А. Смирнова. – СПб.: Элмор,2003. – 192с.
Справочник по строительству на вечномерзлых грунтах / Под ред. Ю.Я. Велли, В.И. Докучаева, Н. Л. Федорова. - Л.; Стройиздат, 1977.- 652 с.
Железные дороги России: настоящее и возможное будущее. - Электрон. дан. – Режим доступа: http://www.apn.ru/publications/article17542.htm
Железные дороги и поезда в Канаде. - Электрон. дан. – Режим доступа: http://archive.travel.ru/canada/transport/railways/
Расчет надежности систем ЖАТ. - Электрон. дан. – Режим доступа: http://www.twirpx.com/files/machinery/rail/railway_design/
Безопасность жизнедеятельности: Тексты лекций / Сост.: А.И. Павлов. - М.: МИЭМП, 2003. - 20 с.
