Існуючий на сьогоднішній день досвід розвитку техносфери показує, що відмови, аварії і катастрофи завжди були невід'ємною частиною життєвого циклу всіх без винятку технічних систем. Однією з причин пов'язано з думкою, що аварії є малоймовірним подіями, настання яких можна уникнути.
Залізниці є складними інженерно-технічними об'єктами з підвищеної відповідальністю за безпеку перевезень. Більшість, відомих на сьогодні високошвидкісних транспортних засобів (ВШТЗ), виконані на базі магнітолевітаціонних технологій транспортних засобів (Transrapid в Німеччині і Maglev в Японії), що в процесі руху не стосуються дорожнього полотна. Сучасний магнітолевітуючий транспорт, позбавлений традиційної пари колесо-рейка і представляє дві взаємозалежні системи - нерухома активна шляхова структура (АШС), що представляє набір закріплених на ній електротехнічних пристроїв, і рухливий екіпаж ( РЕ).
Здійснювати контроль АШС такого транспортного засобу практично неможливо, так як конструктивно в експлуатаційному режимі він на проектному рівні не передбачений або вимагає складних і дорогих допоміжних робіт, тим більше, якщо цей контроль проводиться в експлуатаційних умовах безперервного технологічного процесу.
У багатьох випадках здійснювати безперервний моніторинг або звичайний періодичний контроль стану конструктивних матеріалів (якщо не відбулося форс-мажорні обставини або не з'явились вимоги до зміни системи експлуатації, або перед реконструкцією) досить складно або просто неможливо.
Для проведення контролю технічних систем більшість пристроїв контролю вимагають припинення застосування за призначенням (функціонування), або використання окремих систем контролю, яких нема у складі транспортного засобу. Результати контролю в даному випадку не є функцією часу.
АШС транспортного засобу є однією з важливих систем, значно впливає на безпеку і надійність транспортного засобу в цілому. З огляду на високу швидкість переміщення, відсутність контакту з поверхнею шляховий структури, необхідний ступінь безпеки - потрібна побудова пристрою контролю, що забезпечує контроль шляхової структури в реальному масштабі часу.
Вчені Інституту транспортних систем та технології Національної академії наук провели дослідження можливості забезпечення контролю АШС і довели можливість його здійснення безпосередньо у процесі руху РЕ.
Як відомо, практично всі матеріали мають певну неоднорідність, притаманну в початковому стані або придбану в процесі експлуатації (деформування). У неоднорідних матеріалах, до складу яких входить більшість матеріалів, в тому числі і матеріали шляхової структури транспортного засобу, внутрішню будову, взаємодію мікрочастинок і великих складових елементів непостійно як за обсягом, так і за часом. У їх структуру входять мікро - та макропори, тріщини.
Всі деструктивні процеси, що протікають в конструктивних матеріалах, є тривалими і млявими до певного критичного періоду. Практично всі конструктивні матеріали в початковому стані містять мікротріщини, які зароджується в результаті пластичних деформацій, більшість яких не є руйнівно - небезпечними, але попередні процесу руйнування. Як відомо, всі типи зв'язків між атомами обумовлені силами електромагнітної природи і в основі фізики міцності твердих тіл лежать електромагнітні явища, які супроводжують формування реальної структури і її еволюцію.
Існує понад тридцять гіпотез виникнення електромагнітної емісії при руйнуванні, але їх об'єднує той факт, що тверді тіла в процесі деформування випромінюють електромагнітні хвилі, породжуються процесами тріщиноутворення.
Тому для оцінки міцності матеріалів можливо використовувати ефект електромагнітних випромінювань, що виникають при тріщиноутворенні поверхні АШС, що представляє найбільш високоінформативний, зручний та ефективний носій інформації, що володіє високою швидкодією.
Процес руйнування являє собою сукупність явищ, який починається набагато раніше, ніж з'являться перші візуально помітні прояви.
Серед фізичних явищ, придатних для вирішення задачі динамічного контролю конструктивної міцності елементів і процесів їх руйнування, найбільш перспективним е явище механоелектричного перетворення, що має дві складові компоненти – електромагнітну (ЕМЕ) і акустичну (АЕ).
Причина генерації електромагнітних випромінювань пов'язана з неоднорідністю і локальної нерівномірністю пластичних течій і з вибухоподібним зародженням мікротріщини. Частотний діапазон, на якому виявляють електромагнітне випромінювання при руйнуванні твердих тіл, лежить в межах від 1 кГц до 10 МГц.
Утворення тріщин супроводжується виникненням на її краях поверхневих і об'ємних зарядів, рух яких викликає появу ЕМЕ. Bвстановлено, що відношення часу від початку імпульсу до його максимального значення амплітуди імпульсу пропорційно площі поверхні руйнування і швидкості виникнення розлому.
Реєстровані електромагнітні імпульси пов'язані з кінетикою процесу руйнування. Перед руйнуванням поверхні відбувається збільшення амплітуди сигналу ЕМЕ, змінюється форма імпульсів і частота сигналу електромагнітної емісії.
При перерозподілі напруг в матеріалі відбувається безперервне перетворення механічної енергії в електричну, її накопичення і подальше виділення у вигляді електромагнітного випромінювання. При цьому виникає ЕМЕ і АЕ емісії, які розвиваються з наростанням інтенсивності і досягають свого максимального значення під час мікроруйнування.
Існує певний зв'язок між параметрами ЕМЕ і АЕ, обумовлений характером механоелектричного перетворень в них.
Фізична природа такого випромінювання пов'язана з утворенням сильного локального електричного поля, зосередженого в гирлі рушійною тріщини.
В результаті елементарного акту руйнування - зародження мікротріщини, виникає імпульсний сигнал, тривалість і форма якого визначаються механізмом релаксації заряду і характером руху поверхні при поширенні тріщини.
Число ж реєстрованих імпульсів ЕМЕ зв'язується з кількістю новоутворених мікротріщини. Втрата суцільності і зміна міцності матеріалів, супроводжується виникненням електромагнітних полів на поверхні ушкодження, що підкоряються загальній системі хвильових рівнянь.
Поширюючись з великою швидкістю тріщина несе в своїй вершині заряд, а на берегах якої виникає поверхневий заряд, причому берега тріщини виявляються зарядженими протилежно. Деформування і руйнування твердих тіл збуджують в них ряд нерівноважних процесів - емісію електронів та іонів, а також пружні хвилі в діапазонах електромагнітних хвиль, що може служити діагностичним сигналом.
У ближній зоні випромінювання поле окремої тріщини, на один-три порядки перевищує поле ії заряду. Так як, ближня зона випромінювання тріщин простягається аж до частот 106 -107 Гц, в якій загасання імпульсу електромагнітного випромінювання мінімально, в той час як в хвильової зоні випромінювання практично відсутня внаслідок його експоненціального затухання, то необхідно розглядати спектри електромагнітної емісії тріщин в ближній зоні, а враховуючи магнітолевітуючих зазор між АШС та РЕ транспортного засобу становить 10-15см, виникає можливість його прийому.
Процес руйнування носить S-подібний характер, кожній стадії руйнування відповідає свій спектр випромінювання. Електромагнітні випромінювання, що виникають в процесі порушення цілісності матеріалів використані нами для побудови пристрою динамічного контролю АШС, що враховує час-швидкісні характеристики процесу деградації елементів шляхової структури. Виходячи з механізмів виникнення ЕМЕ і АЕ, концепція побудови пристрою динамічного контролю АШС може бути реалізована на основі пасивної радіолокації, так як фізичні поля ЕМЕ і АЕ випромінюються дефектами самої АШС.
Пристрій має 2-х канальну систему прийому інформаційних ознак у вигляді сигналів ЕМЕ і АЕ, та пристроїв, в яких забезпечуються збір, обробка, аналіз, зберігання та передачу інформації про узагальнені параметри стану АШС. В мікропроцесорному пристрої зберігаються еталонні рівні ЕМЕ і АЕ для всієї протяжності АШС.
Весь спектр випромінювань АШС, що виникає при утворенні процесу руйнування на початковій та наступних стадіях, у пасивному режимі приймається на приймальний пристрій, розташований на транспортному засобі.
Сигнали ЕМЕ і АЕ, що випромінюються АШС, надходять на приймальні антени відповідних каналів.
Функція каналу ЕМЕ – виявлення початку процесу утворення тріщин і динаміки переміщення, а каналу АЕ – визначення швидкості процесу і втрати суцільності. Застосування двох каналів обумовлено труднощами виділення сигналів АЕ з перешкод, так як сигнал АЕ є стохастичний імпульсний шумоподібний. При розвитку дефекту, коли його розміри наближаються до критичного значення, амплітуда сигналів АЕ і темп їх генерації різко збільшується, що призводить до значного зростання ймовірності виявлення такого джерела АЕ. Для забезпечення неспотвореної передачі по тракту оба сигнали, що прийняті антенними пристроями, попередньо посилюються в підсилювачах кожного з каналів і фільтруються фільтрами.
Сигнали відповідних каналів надходять на схеми рахунку сигналів ЕМЕ і АЕ. Результат рахунку формується лічильником і може зберігатися необхідний час. У моменти виникнення випромінювань, пов’язаних з тріщиноутворенням, запускається генератор рахункових імпульсів лічильника, і рахункові імпульси починають надходити на сумуючий лічильник. Код в сумуючому лічильнику починає зростати, і в момент припинення випромінювання, пов’язаного з тріщиною, генератор рахункових імпульсів припиняє дію, лічильник імпульсів зупиняється і відображає число імпульсів. Еталонні кінетичні криві накопичення числа імпульсів для різних ділянок шляховий структури транспортного засобу зберігаються в пам'яті мікропроцесорного пристрою. Поточна інформація про стан АШС бездротовими засобами передається диспетчеру, але, може передаватися і черговому (наступному) РЕ, що переміщується по АШС, для проведення поточного порівняльного аналізу в режимі реального часу як диспетчером, так і РЕ наступного транспортного засобу. Так як пристрій контролю розміщується на РЕ, то поточні параметри руху транспортного засобу визначаються і фіксуються бортовим позиціонером, інформація з якого потім записується на носій, та передається в режимі реального часу по радіоканалу, накопичується на інформаційному сервері.
Наявність у диспетчера повідомлень про стан АШС як від усіх РЕ, дозволяє оцінити зміну стану шляху, проаналізувати динаміку, зробити висновки щодо ступені небезпеки і прийняти управлінські рішення.
Для забезпечення прив'язки поточних координат джерел випромінювання на АШС до поточних координат місця розташування транспортного засобу повинен бути пристрій синхронізації. Координати місць знаходження джерел випромінювань реєструються в пам'яті мікропроцесорного пристрою в базі даних поточних координат.
Створений пристрій контролю АШС реалізує нетрадиційну систему контролю, що використовує її електромагнітні випромінювання на різних стадіях процесу руйнування, дозволяє суттєво підвищити надійність та безпеку магнітолевітаційного транспорту.
