Występowanie uszkodzeń w zależności od natężenia ruchu

2. ANALIZA PRZYCZYN ZUŻYWANIA SIĘ SZYN W ZALEŻNOŚCI OD

2.3. Analiza uszkodzeń szyn

2.3.3. Występowanie uszkodzeń w zależności od natężenia ruchu

Do analizy przyjęto liczbę pociągów poruszających się po analizowanych liniach kolejowych. W tabeli 2.3 przedstawiono zestawienie pociągów pasażerskich i towarowych za pomocą którego określono natężenie ruchu na analizowanych liniach.

Najbardziej obciążoną linią kolejową w Polsce jest linia nr 131 – około 30 Tg/ rok, natomiast najmniej obciążoną, z analizowanych linii, jest linia nr 213 – około 4 Tg/ rok.

W tabeli przedstawiono zestawienie liczby pociągów na wybranych liniach kolejowych

0 10 20 30 40 50

221 2251 2252 2223 227

Liczba uszkodzeń Numer uszkodzenia wg [58]

linia nr 213 linia nr 353 linia nr 131 linia nr 9

0 2 4 6

2251 2252 2223 227

Liczba uszkodzeń

32 z podziałem na pociągi pasażerskie i towarowe. Pod względem przejazdów towarowych, największe natężenie ruchu występuje na linii 131. Najwięcej przejazdów pociągów pasażerskich występuje na linii nr 271.

Tabela 2.3. Dobowa liczba pociągów na wybranych liniach kolejowych [opracowanie własne na podstawie 75]

Numer linii Pociągi pasażerskie [szt.] Pociągi towarowe [szt.]

9 20 – 50 2 – 10

131 20 – 50 powyżej 40

271 50 – 80 10 – 20

353 20 – 50 20 – 30

213 10 – 20 1 – 2

Na rysunku 2.4 przedstawiono wykresy występowania uszkodzeń typu wybuksowanie i squat w zależności od panującego ruchu na określonej linii kolejowej. Wskaźnik został obliczony na podstawie zależności 2.2.

( )

nwad – liczba uszkodzeń określonej kategorii.

Rys. 2.4. Wskaźnik występowania uszkodzeń typu wybuksowanie i squat w zależności od sytuacji ruchowej na linii kolejowej [opracowanie własne na podstawie 75]

33 Na podstawie zależności 2.2 i rysunku 2.4 stwierdzono, że istnieje istotna zależności pomiędzy występującym rodzajem ruchu na linii (towarowym, pasażerskim) a liczbą uszkodzeń. Na linii nr 131, na której przeważa ruch transportu ciężkiego – towarowego, wskaźnik miał największą wartość dla uszkodzeń typu squat oraz wybuksowanie. Linia nr 213, na której przeważa ruch lekki osobowy, wykazała najniższy wskaźnik dla obu analizowanych uszkodzeń. Na linii nr 9, z przeważającym ruchem pociągów osobowych, przeprowadzona analiza wykazała wartości skrajne dla obu typów uszkodzeń. Wyniki mogą być niewiarygodne z powodu krótkiej eksploatacji od 2014 roku na nowych parametrach techniczno – eksploatacyjnych [34, 75, 114].

2.3.4. Miejsca występowania analizowanych wad

W podrozdziale przeprowadzono analizę miejsc występowania omawianych uszkodzeń w kontekście położenia ich na elementach geometrii toru. Na podstawie danych diagnostycznych [75] z opisem lokalizacji poszczególnych uszkodzeń oraz znajomością profili podłużnych analizowanych linii, wyszczególniono odcinki na których następowało duże zagęszczenie omawianymi uszkodzeniami. Znaczna ich liczba występowała przed łukami oraz na wstawkach prostych. Head checking zarejestrowano również na łukach o małych promieniach a przykładem mogą być wybrane odcinki geometrii linii nr 9, gdzie tych wad w położeniu na łukach odnotowano najwięcej. Najdłuższe uszkodzenia typu head check odnotowano na linii nr 131 Chorzów Batory – Tczew i ich długość osiągała 30 m.

Występowanie kolejnego uszkodzenia w geometrii toru jakim jest wybuksowanie, nie jest już tak oczywiste. Największą liczbę wybuksowań zarejestrowano na odcinkach prostych toru w szczególności w pobliżu punktów eksploatacyjny takich jak: stacje kolejowe, punkty eksploatacyjne w ruchu towarowym i pasażerskim oraz przejazdy kolejowo – drogowe. Na liniach poddanych rewitalizacji w ostatnich latach, gdzie nie została przeprowadzona ciągła wymiana szyn oraz na liniach znacznie wyeksploatowanych, wybuksowania występują na każdym elemencie geometrii. Na podstawie danych diagnostycznych, zauważono, że można określić zależność pomiędzy liniami zmodernizowanymi, gdzie nastąpiła również zmiana geometrii a liniami eksploatowanymi od 30-stu lat. Na liniach poddanych modernizacji, projekty geometrii toru uwzględniają usytuowanie semaforów na odcinkach prostych. Ze względu na dokonywane hamowania składów przed semaforami wjazdowymi liczba uszkodzeń w tych punktach wzrasta. Dodatkowo położenie wybuksowań występuje na obu tokach symetrycznie. Na nowych liniach kolejowych uszkodzenia różnią się długością natomiast

34 na liniach eksploatowanych długość ich przeważnie jest jednakowa. Długość tych uszkodzeń na analizowanych liniach wyniosła 1,73 m – pojedyncze wybuksowania i 4,82 m – wielokrotne wybuksowania.

2.4. Analiza korelacyjna pomiędzy zmiennymi a liczbą wad

Współczynnik korelacji liniowej Pearsona jest współczynnikiem określającym zależność liniową pomiędzy zmiennymi losowymi. Interpretacja wyników polega na określeniu siły zależności pomiędzy określonymi zmiennymi. Uzyskanie wyników z przedziału  −0,5 0;0 0,5   świadczy o słabej zależności pomiędzy zmiennymi, natomiast uzyskanie wyniku z przedziału  −  −1 0,5;0,5 1  określa silną zależność analizowanych czynników [23].

Siłę związków korelacyjnych opisaną poprzez istotność korelacji przedstawiono na rys.

2.5 [23].

Rys. 2.5. Siła związków korelacyjnych [opracowanie własne na podstawie 23]

Celem przeprowadzenia analizy korelacji było zbadanie wpływu poszczególnych zmiennych na powstawanie uszkodzeń szyn. Przeanalizowano zależności na podstawie wyników badań Centrum Diagnostyki Polskich Linii Kolejowych.

2.4.1. Zależność pomiędzy typem szyny a liczbą wad

Pierwsza analiza korelacji uwzględniała typ szyny i liczbę występujących na niej uszkodzeń. W tabeli 2.4 zawarto długości toków szynowych, pogrupowanych typów szyn oraz liczbę poszczególnych uszkodzeń. W analizie, dążono do określenia stopnia korelacji pomiędzy typem szyny a liczbą występujących na niej uszkodzeń. Do analizy przyjęto długości toków szynowych 60E1, UIC60, 49E1, S49 na poszczególnych liniach kolejowych oraz wszystkie rodzaje analizowanych uszkodzeń.

Wynik korelacji poniżej 0,2 0,2 – 0,4 0,4 – 0,6 0,6 – 0,8 0,8 – 0,9 0,9 – 1,0

Istotność korelacji korelacja słaba korelacja niska

korelacja umiarkowana korelacja wysoka korelacja bardzo wysoka zależności praktycznie pełna

35 W ujęciu ogólnym, łączny, odwrotny współczynnik korelacji dla każdego rodzaju szyn przyjął wartość -0,37, co świadczy o niskiej sile zależności pomiędzy tymi zmiennymi.

Tabela 2.4. Współczynniki korelacji pomiędzy typem szyny a liczbą wad [opracowanie własne na podstawie 75]

Numer

Współczynnik korelacji: -0,79 Współczynnik korelacji -0,59 Współczynnik korelacji (wszystkie typy szyn): -0,37

Analizując korelację z podziałem na typ szyny 60E1 i UIC60, współczynnik korelacji wyniósł -0,79 w porównaniu do zależności między szynami typu S49 i 49E1 dla których współczynnik wyniósł -0,59. Zgodnie z wynikiem przeprowadzonej analizy, stwierdzono, że zastępując szyny S49 i 49E1 szynami UIC60 i 60E1, w szczególności w nowych inwestycjach przy zmianie geometrii toru, będzie malała liczba wad. W stosunku do szyn 49E1 i S49 uzyskano współczynnik korelacji na poziomie -0,59, który określa umiarkowaną zależność pomiędzy tym typem szyny a liczbą uszkodzeń.

2.4.2. Liczba wad na wagon

Kolejnym czynnikiem, który został poddany analizie korelacji jest natężenie ruchu z podziałem na ruch towarowy i pasażerski. W tabeli 2.5 przedstawiono liczbę pociągów towarowych i pasażerskich poruszających się po analizowanych liniach na dobę oraz liczbę analizowanych uszkodzeń/wad.

Tabela 2.5. Współczynniki korelacji natężenia ruchem a liczbą wad [opracowanie własne na podstawie 75]

Numer

Współczynnik korelacji 0,26 Współczynnik korelacji 0,79 Współczynnik korelacji łącznie 0,94

36 Rozpatrywana zależność pomiędzy liczbą uszkodzeń/wad a natężeniem ruchu istnieje jeśli przyjmiemy za ruch towarowy – ruch ciężki, za przyczyną którego szybciej ulegają degradacji powierzchnie toczne szyn niż w przypadku ruchu pasażerskiego – ruchu lekkiego. W szczególności do takich zjawisk dochodzi na linii nr 131 Chorzów Batory – Tczew, gdzie przewaga ruchu towarowego jest znaczna nad ruchem pasażerskim.

Analizując szczegółowo przedstawiony problem należy uwzględnić obciążenie linii, które ma bezpośredni wpływ na szybkość zużycia i powstawanie wad powierzchni tocznej. Na podstawie analizy korelacji pomiędzy natężeniem ruchu a liczbą wad stwierdzono, że istnieje pełna zależność pomiędzy dwoma omawianymi czynnikami o czym świadczy wysoki współczynnik korelacji 0,94.

2.4.3. Zależność pomiędzy obciążeniem linii a liczbą wad

Najbardziej obciążoną linią kolejową w Polsce jest analizowana linia nr 131 Chorzów Batory – Tczew. Rocznie przeniesione obciążenie na tej linii wynosi 30 Tg. Natomiast, linią najmniej obciążoną, analizowaną w pracy, jest linia nr 213 Reda – Hel – ok. 3 Tg.

W tabeli 2.6 przedstawiono zależność między obciążeniem analizowanych linii a liczbą występujących na nich wad.

Tabela 2.6. Współczynniki korelacji obciążenia linii a liczbą wad [opracowanie własne]

Numer linii

(rewitalizacja) 30 126,39

Współczynnik korelacji = 1,00 9

(modernizacja) 12 7,09

131

(rewitalizacja) 30 126,39

213 (częściowa rewitalizacja)

3 8,3

Współczynnik korelacji = 0,94

Przedstawione w tabeli dwa współczynniki mają na celu wskazanie zależności pomiędzy obciążeniem rocznym analizowanej linii a liczbą opisanych wad. Pierwszy wariant dla którego współczynnik korelacji wyniósł 1, został opracowany dla linii w których nastąpiła ciągła wymiana szyn. Dane na temat liczby wad szyn uwzględniają przeprowadzone procesy modernizacyjne i rewitalizacyjne. Po roku eksploatacji szyn

37 i przeniesionym obciążeniu znacznie różniącym od siebie linię nr 9 i 131 uzyskano całkowitą zależność pomiędzy przeniesionym obciążeniem a liczbą występujących wad.

W wariancie drugim, do analizy uwzględniono linię nr 213 Reda – Hel, która jest poddana częściowej rewitalizacji a szyny na niej wbudowane osiągają wiek 40 lat. Po mimo tego, że nie nastąpiła na tej linii jeszcze ciągła wymiana szyn to współczynnik korelacji wyniósł 0,94 co świadczy o tym, że wraz ze wzrostem obciążenia wzrasta liczba omawianych wad.

2.5. Podsumowanie

Na analizowanych liniach kolejowych średni poziom częstotliwości występowania wad wahał się od kilku do nawet kilkunastu uszkodzeń/wad na 1 km toku szyny. Najczęściej występujące uszkodzenia to pojedyncze wybuksowania. Występowały one również na liniach nowych, których modernizacja przebiegła w ostatnich latach jak i na liniach wyeksploatowanych i poddanych częściowej rewitalizacji. Tak duża liczba uszkodzeń/wad wskazuje na globalny problem sieci Polskich Linii Kolejowych w stosunku do którego brakuje nowoczesnych metod ich identyfikacji.

W przeprowadzonej analizie określono współczynniki korelacji pomiędzy typem szyny, panującym natężeniem oraz obciążeniem linii a liczbą występujących wad. Istnieje pełna zależność pomiędzy obciążeniem panującym na linii a liczbą występujących wad. Wzrost liczby przejazdów składów towarowych na dobę, spowoduje znaczne pogorszenie warunków technicznych powierzchni tocznych szyn kolejowych. W świetle wzrastającej liczby przewozów towarowych, brak nowych inwestycji oraz modernizacji i rewitalizacji istniejących linii kolejowych, spowoduje drastyczne pogorszenie stanu technicznego powierzchni tocznych szyn co w konsekwencji prowadzi do obniżenia poziomu bezpieczeństwa na całej sieci kolejowej.

Przedstawiona analiza poszczególnych czynników wskazuje, że problem jednoznacznego identyfikowania przyczyn występowania uszkodzeń nie jest zagadnieniem prostym. Zależy on od wielu czynników takich jak zmienność rocznego obciążenia linii kolejowych w zależności od zapotrzebowania na przewozy osobowe i towarowe, zmiany atmosferyczne – wysokie temperatury, wpływ jakości wykonania szyn – uwarunkowania materiałowe, proces transportu i składowania szyn w procesie modernizacyjnym i wiele innych.

3. ANALIZA PROBLEMU BADAWCZEGO

3.1. Stan badań z zakresu diagnostyki szyn

Jak wspomniano we wprowadzeniu, w Europie do pierwszej połowy lat 90 ubiegłego wieku uszkodzenia powierzchni tocznych nie zaliczano do uszkodzeń najczęściej występujących, jednak po 2000 roku stały się nasilającym problemem dla polskich zarządców linii kolejowych. Uszkodzenia powierzchni tocznej powodowały setki rocznych złamań szyn co wiązało się z uszkadzaniem taboru kolejowego oraz obniżaniem poziomu bezpieczeństwa przewożonych osób i towarów. Problem ten stworzył konieczność prowadzenia wielu prac badawczych nad przyczynami powstawania uszkodzeń (wad powierzchni tocznych).

W Polsce do ośrodków badawczych zajmujących się badaniem przyczyn powstawania uszkodzeń powierzchni tocznej szyn należą m. in.: Instytut Kolejnictwa, Akademia Górnicza – Hutnicza, Politechnika Śląska, Politechnika Gdańska. Na podstawie wyników prowadzonych badań powstało wiele prac odnoszących się do określenia przyczyn powstawania i czynników wpływających na dalszy rozwój uszkodzeń powierzchni tocznych szyn [2, 13, 34, 50, 51, 52, 58, 77].

Brak jednoznacznej odpowiedzi odnośnie przyczyn powstawania niektórych uszkodzeń (wad) powierzchni tocznej szyn spowodowały konieczność prowadzenia badań nad skutecznymi rozwiązaniami diagnostyki nawierzchni kolejowej w tym diagnostyki skutecznego wykrywania uszkodzeń (wad) szyn. Badania nad nowoczesnymi rozwiązaniami diagnostyki nawierzchni kolejowej prowadzono w Uniwersytecie Technologiczno – Humanistycznym w Radomiu, Politechnice Warszawskiej, Politechnice Gdańskiej. Wyniki badań nad prowadzeniem skutecznej diagnostyki zawarto w wybranych pracach [2, 31, 32, 35, 36, 39, 40, 41, 42, 66]. W wymienionych pracach wykorzystano metody wizyjne, optyczne, wibroakustyczne, pomiary falistości/ chropowatości szyn.

Rozwoj infrastruktury transportu kolejowego w Polsce związany jest przede wszystkim z prowadzeniem licznych robót modernizacyjnych. Zwiększanie parametrów techniczno – eksploatacyjnych linii kolejowych realizowane jest poprzez podwyższanie standardu konstrukcyjnego nawierzchni kolejowej, najczęściej wymiany toru klasycznego z przytwierdzeniem typu K i podkładami drewnianymi na tor bezstykowy z przytwierdzeniem SB i podkładami strunobetonowymi. Wymiana poszczególnych elementów nawierzchni, wykorzystanie nowego taboru jak również zmiany prawne stworzyły możliwość prowadzenia licznych prac dotyczących hałasu pochodzącego od

39 środków transportu kolejowego. Badania nad hałasem kolejowym w Polsce i na świecie były prowadzone w zależności od zakresu oddziaływania zjawiska.

Do ośrodków zagranicznych prowadzących badania dotyczące modelowania hałasu na styku koło – szyna należą m.in.: University of Technology, Institute of Noise Control Engineering (USA), The University of Queensland (Australia), University of Southampton (Anglia). W Polsce prace badawcze nad modelowaniem hałasu pomiędzy kołem a szyną były prowadzone m. in. w: Politechnice Śląskiej, Politechnice Poznańskiej oraz Instytucie Kolejnictwa [19, 29, 48, 49, 59, 61, 63, 64, 65, 67, 68, 69,73].

Kolejnym kierunkiem badań nad hałasem kolejowym, były prace oceniające zasadność stosowania specjalistycznych elementów infrastruktury kolejowej w tym ekranów akustycznych w pobliżu linii kolejowych pochłaniających hałas. Do prac z zakresu elementów pochłaniających hałas można zaliczyć [1, 45, 53, 54, 55, 74].

Wiele badań zostało poświęconych również zjawiskom wibroakustycznym w odniesieniu do wpływu drgań i hałasu na otoczenie i środowisko oraz komfort podróżnych. Do tych prac należą m.in. [12, 15, 18, 20, 26, 27, 28, 30, 38, 46, 47, 72, 76].

Normy oraz obowiązujące przepisy odnośnie drgań zostały wymienione w pozycjach literatury [79, 81, 92, 93, 94, 95], natomiast obowiązujące rozporządzenia i akty prawne dotyczące hałasu zawarto w następujących pozycjach literatury [82, 83, 84, 85, 86, 87, 88, 89, 96, 97, 98, 99, 100, 101, 102, 103, 104, 105]. Dodatkowo przedstawiono dokumenty określające strategię rozwoju transportu w tym transportu miejskiego i kolejowego uwzględniając oddziaływanie na środowisko [78, 90, 91, 106, 107].

3.2. Cel i teza pracy

W wyniku przeprowadzonych analiz obecnego stanu wiedzy oraz badań zjawisk wibroakustycznych na wybranych liniach kolejowych sformułowano następującą tezę rozprawy doktorskiej:

Możliwa jest ocena wybranych rodzajów uszkodzeń szyn kolejowych w oparciu o wybrane miary (estymaty) procesów wibroakustycznych.

Na podstawie tak przyjętej tezy pracy, sformułowano następujący cel pracy:

Celem pracy jest zbadanie możliwości oceny wybranych uszkodzeń (wad) powierzchni tocznej szyn kolejowych z wykorzystaniem zjawisk wibroakustycznych generowanych podczas przejazdu pociągu.

40 3.3. Zakres pracy

Do zrealizowania postawionego celu pracy opracowano następujące zadania szczegółowe:

− analiza problemu badawczego,

− studia literaturowe,

− przegląd rodzajów uszkodzeń i wad powierzchni tocznych szyn kolejowych oraz ich diagnostyka,

− analiza stanu infrastruktury kolejowej w Polsce w kontekście uszkodzeń/wad powierzchni tocznych,

− opracowanie metodyki badań zjawisk wibroakustycznych generowanych przez pojazdy szynowe przy przejeździe po odcinku toru z wadą,

− przeprowadzenie badań terenowych zjawisk wibroakustycznych na wybranych odcinkach toru z wadą oraz na odcinkach toru referencyjnych podczas przejazdu pociągów,

− przeprowadzenie analizy uzyskanych wyników badań,

− zbadanie relacji i wrażliwości estymat sygnałów wibroakustycznych w zależności od występującej wady.

Praca została podzielona na trzy części: część ogólną, badawczo – eksperymentalną oraz porównawczo – weryfikacyjną. Praca składa się z 6 rozdziałów, czterech załączników, spisu najważniejszych oznaczeń i symboli oraz spisu literatury.

Część ogólna (rozdziały 1÷4) uzasadnia słuszność podjętego tematu, zawiera wprowadzenie do zagadnień związanych z diagnostyką powierzchni tocznych szyn oraz do zagadnień związanych z sygnałami wibroakustycznymi. W rozdziale pierwszym przedstawiono charakterystykę najczęściej występujących uszkodzeń powierzchni tocznej szyn, omówiono ich diagnostykę prowadzoną przez głównego zarządcę infrastruktury kolejowej w Polsce oraz przedstawiono metody zapobiegania występowaniu omawianych uszkodzeń. W rozdziale drugim przeprowadzono analizę uszkodzeń szyn w zależności od warunków techniczno – eksploatacyjnych toru oraz analizę korelacyjną pomiędzy zmiennymi a liczbą występujących uszkodzeń. Analizy zostały przeprowadzone na danych rzeczywistych udostępnionych przez Centrum Diagnostyki Polskich Linii Kolejowych w Warszawie. W rozdziale czwartym zawarto podstawowe informacje na temat zjawisk wibroakustycznych oraz przedstawiono kolejowy klimat akustyczny w Polsce.

41 Przeprowadzone w tych rozdziałach analizy oraz przeglądy norm i przepisów pozwoliły na sformułowanie tezy oraz celu pracy.

W części badawczo – eksperymentalnej (rozdział 5) zawarto autorską metodykę badań wykorzystującą aktualne przepisy i akty prawne związane z hałasem w tym prowadzeniem pomiarów poziomów dźwięku w pobliżu linii kolejowych [88, 103] według której przeprowadzono pomiary drgań i hałasu na wybranych liniach kolejowych przy wybranych uszkodzeniach powierzchni tocznej szyn podczas przejazdu pociągu. Omówiono wykorzystaną aparaturę pomiarową do badań, punkty pomiaru drgań i hałasu, mierzone wielkości, badane pociągi oraz warunki atmosferyczne towarzyszące pomiarom.

W części porównawczo – weryfikacyjnej (rozdział 6) przedstawiono wyniki z pomiarów terenowych drgań i hałasu. Wykonano analizę poszczególnych estymat wyników drgań jednocześnie udowadniając postawioną tezę, że możliwa jest ocena wybranych rodzajów uszkodzeń szyn kolejowych w oparciu o wybrane miary (estymaty) procesów wibroakustycznych. W rozdziale 6 zawarto również syntezę wyników badań.

W podsumowaniu pracy przedstawiono wnioski, dalsze perspektywy rozwoju diagnostyki powierzchni tocznych szyn kolejowych w tym rozwoju metod nieniszczących jakimi są zjawiska wibroakustyczne.

Do pracy dołączono spis ważniejszych symboli i oznaczeń w celu poprawy jej czytelności. W załącznikach przedstawiono przebiegi czasowe drgań i hałasu uzyskane z badań terenowych podczas przejazdu pociągów.

4. WYBRANE ZAGADNIENIA DIAGNOSTYKI WIBROAKUSTYCZNEJ

4.1. Podstawowe wiadomości dotyczące wibroakustyki

Wibroakustyka powstała w Polsce około 50 lat temu. Współtwórcą jej był między innymi Profesor Czesław Cempel oraz Profesor Witold Engel. Wibroakustyka powstała za przyczyną szybko rozwijającej się w tamtych czasach szeroko pojętej mechaniki a mianowicie mechaniki w kontekście zagadnień związanych z teorią drgań oraz akustyką.

Szkoły Polska Szkoła Teorii Drgań oraz Krakowska Szkoła Drganiowa były tworzone przez profesorów Stefana Ziembę, Władysława Bogusza, Zbigniewa Osińskiego, Kazimierza Piszczka oraz innych. Do rozwoju drugiej dyscypliny naukowej jaką jest akustyka przyczyniły się prace naukowe Marka Kwieka, Edmunda Karaśkiewicza, Ignacego Maleckiego i innych. Obecnie, wibroakustyka jest nową dziedziną nauki zajmująca się wszelkimi problemami drganiowymi i akustycznymi zachodzącymi w środowisku. Celem wibroakustyki jest obniżenie wszelkich zakłóceń maszyn, urządzeń do minimum możliwego na danym etapie wiedzy i technologii a także wykorzystanie informacji zawartych w sygnale wibroakustycznym do oceny jakości maszyn, budowli czy dla celów diagnostyki medycznej [6, 9, 10, 11, 16].

Istnieje pięć podstawowych zadań wibroakustyki, które zostały określone przez Profesora Cz. Cempla. Jednym z nich jest identyfikacja źródeł energii, która polega na określeniu lokalizacji tych źródeł w obrębie badanego obiektu. W momencie lokalizacji należy określić charakterystyki źródeł oraz sprawdzić współzależność pomiędzy innymi źródłami określając przy tym moc akustyczną oraz charakter generacji drgań i dźwięków.

Identyfikacja dróg transmisji energii wibroakustycznej polega na opracowaniu teorii przenoszenia energii, rozdzielenia sygnałów, określenie biernych i czynnych metod kontroli zjawisk zachodzących w określonym środowisku.

Diagnostyka wibroakustyczna obiektów wykorzystuje emitowane sygnały, które zawierają informacje o obiektywnym stanie obiektu. Nieniszczące badania diagnostyczne stosowane są w każdej fazie istnienia maszyn i urządzeń, od fazy konstruowania, wytwarzania po fazę eksploatacji.

Diagnostyka maszyn ma co najmniej cztery rodzaje zastosowań:

• diagnostykę konstrukcyjną, której celem jest identyfikacja źródeł zakłóceń wibroakustycznych oraz własności dynamicznych na każdym etapie badań prototypu.

• diagnostykę kontrolną mającą na celu ocenę jakości początkowej wytworzonych elementów.

• diagnostykę eksploatacyjną polegającą na ocenie bieżącego i przyszłego stanu eksploatacyjnego urządzeń w trakcie ich eksploatacji

• diagnostykę procesów technologicznych, która służy ocenie jakości poszczególnych etapów procesu.

Procesy wibroakustyczne zostały opisane i scharakteryzowane w następujących pozycjach literatury: [4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 70, 71].

4.2. Charakterystyka zjawisk wibroakustycznych

4.2.1. Drgania

Urządzenia mechaniczne podczas swojej pracy wzbudzają drgania, których ośrodkiem przenoszenia są elementy pracującego urządzenia oraz otaczające je środowisko.

Przyczyną powstawania drgań w ośrodkach ciągłych jest naruszeniem ich równowagi.

Drgania wibroakustyczne rozprzestrzeniające się w ośrodku sprężystym są przyczyną powstawania dźwięku (hałasu).

Na rysunku 4.1. przedstawiono schemat powstawania diagnostycznego sygnału wibroakustycznego w obiekcie mechanicznym.

Gdzie:

1 - ciąg impulsów uderzeniowych, 2 - sygnał odniesienia, 3 - źródła sygnału (pary kinematyczne), 4 - kodowanie sygnału wibroakustycznego, 5 - kadłub maszyny (ośrodek), 6 - zakłócenia, 7 - czujnik drgań, 8 - mikrofon, 9 - układ rozdzielenia układu, 10 - układ pomiaru parametrów sygnału, x1,x2,...,xn – wartości parametrów struktury (luz, zużycie itp.), s1,s2,...,sn – sygnały par kinematycznych, s(t) – diagnostyczny sygnał drganiowy, š(t) – diagnostyczny sygnał hałasu, s'1,s'2,...,s'n – składowe sygnału wibroakustycznego, x'1,x'2,...,x'n – zmierzone wartości parametrów struktury.

Rys. 4.1. Schemat powstawania diagnostycznego sygnału wibroakustycznego w obiekcie mechanicznym [70]

44 Sygnał (2) generowany jest na skutek zderzeń par kinematycznych (3), które wytwarzają ciąg impulsów uderzeniowych (1). Na skutek zderzeń części maszyny, generowane są drgania w których zakodowana jest informacja o stanie par kinematycznych. Treść informacji jest zawarta w czasowym położeniu impulsu, czasie zderzenia tz, amplitudzie A oraz w jego kształcie. Drgania rozprzestrzeniają się w ośrodku 5 przekazując przetwornikom energii – czujnikom drgań (7) oraz mikrofonom (8) informacje o charakterze wzajemnego oddziaływania części inaczej informację o stanie

W dokumencie P O L I T E C H N I K A P O Z N A Ń S K A W yd z i a ł M as zyn R o b o c z yc h i (Stron 32-114)