Wykorzystanie parametrów statystycznych sygnałów pomiarowych w procesie diagnozowania stanu zawieszenia pojazdu szynowego

Rafa Melnik

Politechnika Warszawska, Wydzia Transportu

WYKORZYSTANIE PARAMETRÓW

STATYSTYCZNYCH SYGNAÓW POMIAROWYCH

W PROCESIE DIAGNOZOWANIA STANU

ZAWIESZENIA POJAZDU SZYNOWEGO

Streszczenie: Zawieszenie pojazdu, wchodzce w skad ukadu biegowego, ma istotny wpyw na

dynamik jazdy, bezpieczestwo oraz komfort i jego stan powinien by co najmniej regularnie sprawdzany, a nawet monitorowany w sposób cigy. W celu uzyskania informacji o stanie technicznym zawieszenia w trakcie wykonywania regularnych przewozów opracowano system monitorowania ramach projektu MONIT. Zadaniem systemu jest jakociowa ocena stanu na podstawie analiz sygnaów przyspieszenia rejestrowanych na ramie wózka i nadwoziu.

Badania eksperymentalne systemu przeprowadzono na wagonach z wprowadzonymi uszkodzeniami zawieszenia: redukcj sztywnoci I stopnia w wagonie towarowym oraz redukcj tumienia II stopnia w wagonie pasa erskim. W artykule przedstawiono metod detekcji uszkodze w procedurze monitorowania oraz wyniki bada eksperymentalnych.

Sowa kluczowe: pojazd szynowy, zawieszenie, monitorowanie stanu

1. WSTP

Obecny stan metod monitorowania pojazdów szynowych reprezentuj metody i systemy nadzorujce dziaanie ukadów bezporednio zwizanych ze sterowaniem pojazdu, np. zasilania, ukadu napdowego, hamulcowego, a w przypadku kolei du ych prdkoci obligatoryjne jest monitorowanie temperatury o ysk ma niczych. Pomimo istotnego wpywu na zachowanie dynamiczne i bezpieczestwo zawieszenie pojazdu szynowego nie byo do tej pory obiektem podlegajcym monitorowania za pomoc systemów zainstalowanych na poje dzie. System monitorowania pojazdu szynowego, pozwalajcy na jakociow ocen stanu zawieszenia, zosta opracowany w ramach projektu MONIT – Monitorowanie stanu technicznego konstrukcji i ocena jej ywotnoci. Jednym z zao e systemu jest wykorzystanie procedur i urzdze pomiarowych jak najbardziej zbli onych do standardowych. Ponadto system przeznaczony jest do pracy w trakcie wykonywania

przewozów, a wic nie zachodzi potrzeba wyczania pojazdu z eksploatacji na czas badania.

System monitorowania zosta przetestowany na wagonach w stanie nominalnym, a nastpnie z uszkodzeniami elementów zawieszenia. Zarejestrowane przez system dane w trakcie bada eksperymentalnych dostarczyy informacji o zachowaniu dynamicznym pojazdów pod wpywem uszkodze zawieszenia.

2. SYSTEM MONITOROWANIA

Praktyczn cech opracowanego systemu monitorowania jest jego uniwersalno i moduowa architektura, dziki czemu mo e zosta zainstalowany na ka dym poje dzie szynowym. Celem systemu jest jakociowa ocena stanu zawieszenia I i II stopnia. Ponadto system ten pozwala na ocen stanu toru oraz monitorowania temperatury o ysk ma niczych. W niniejszej pracy skupiono si tylko na funkcjonalnoci zwizanej z monitorowaniem stanu zawieszenia.

W skad systemu wchodz nastpujce elementy:

• Centralna jednostka akwizycji danych – komputer przemysowy MOXA V2406-XPE, • Router Sierra Wireless AirLink GX400 z moduem GPS,

• Lokalne jednostki akwizycji danych, • Akcelerometry piezoelektryczne VIS-311A, • Czujniki temperatury Pt100,

• Serwer system ze stacj operatorsk.

Sygnay przyspieszenia rejestrowane w punktach znajdujcych si na ramie wózka nad koem wykorzystywane s w ocenie stanu zawieszenia I stopnia. Majc na uwadze architektur systemu i koszt aparatury pomiarowej, liczba punktów pomiarowej na ramie wózka wynosi dwa. Rozwizanie to w dalszym cigu pozwala na dokonanie jakociowej oceny. Czujniki przyspieszenia zainstalowane na nadwoziu, nad rodkiem ramy wózka (C1, C2) wykorzystywane s do monitorowania stanu zawieszenia II stopnia. W ka dym punkcie pomiarowym sygnay przyspieszenia rejestrowane s w kierunku pionowym (Z) i poprzecznym (Y). Rozmieszczenie punktów pomiarowych przedstawiono na rys. 1.

W systemie monitorowania istnieje mo liwo ustalenia dugoci odcinka pomiarowego, tzn. dugoci na której system dokonuje rejestracji sygnaów. Warto ta zostaa ustalona na 500 metrów. Sygnay s rejestrowane do pakietu danych po ich uprzedniej analizie. Pakiet danych zawiera wartoci sygnaów po resamplingu do czstotliwoci spacjalnej fs = 5 m-1. Ponadto znajduj si w nim informacje o poje dzie,

czasie rejestracji i wspórzdne miejsca, w którym rozpoczto rejestracj danych. W przypadku przekroczenia wartoci wska nika diagnostycznego generowany jest pakiet kontrolny zawierajcy ostrze enia i alarmy (w zale noci od wielkoci przekroczenia). Pakiety przesyane s na stacj operatorsk (serwer systemu) przez sie GSM, gdzie nastpnie rejestrowane s informacje o stanie i lokalizacji pojazdu.

3. PROCES MONITOROWANIA STANU ZAWIESZENIA

Metoda detekcji uszkodze przeznaczona do systemu monitorowania powinna by efektywna, atwa w implementacji oraz niewymagajca znacznych mocy obliczeniowych. W literaturze mo na znale  metody powicone detekcji uszkodze zawieszenia pojazdów szynowych bazujce na filtrze Kalmana [3, 4] lub wykorzystujce podejcie wielomodelowe [6, 7]. Metody te wymagaj modelu matematycznego pojazdu, którego parametry takie jak: masy, momenty bezwadnoci, sztywnoci, tumienia, które mog by niedostpne. Proponowana metoda nie wykorzystuje modelu matematycznego pojazdu a tym samym zaimplementowania wartoci powy szych parametrów.

Wpyw uszkodze elementów zawieszenia na rejestrowane wartoci przyspieszenia jest do zo ony. Rozpatrujc prosty ukad oscylatora harmonicznego mo na stwierdzi, e redukcja sztywnoci powoduje zmniejszenie wartoci takich RMS czy warto maksymalna sygnaów przyspieszenia. Natomiast redukcja tumienia powoduje zwikszenie wartoci tych parametrów. Wniosek ten jest suszny dla ukadu o liniowej charakterystyce. Zawieszenie pojazdu szynowego jest skomplikowanym ukadem, skadajcym si ze znacznej liczby elementów spr ystych i tumicych, czsto o nieliniowej charakterystyce. Przy ró nych wartociach prdkoci jazdy, wpyw uszkodzenia na wartoci rejestrowanych sygnaów przyspieszenia mo e by inny ni w przypadku prostego oscylatora.

We wczeniejszych pracach [1, 2, 5] badano wpyw uszkodze elementów zawieszenia na zmiany wartoci ró nych parametrów statystycznych sygnaów pomiarowych. Do dalszej analizy wskazano nastpujce parametry:

 RMS,

 rozstp kwartylny (IQR),  warto szczytowa (Zero-Peak).

Do tej pory brak byo algorytmu, który powizaby ze sob analizowane parametry. Rozpatrywanie ka dego z nich osobno wymaga ustalenia osobnych wartoci dopuszczalnych dla ka dego z nich. W celu usprawnienia procesu diagnozowania w niniejszej pracy przedstawiono podejcie wykorzystujce wielowymiarow przestrze diagnostyczn.

Podstawowe zao enia podejcia wielowymiarowego to:

 Punkt wielowymiarowej przestrzeni stanu jest okrelony wspórzdnymi, których wartoci odpowiadaj wartociom parametrów diagnostycznych.

 Punkt reprezentujcy stan uszkodzony jest odlegy od punktu okrelajcego stan nominalny.

 Przekroczenie pewnej zao onej (dopuszczalnej) odlegoci jest symptomem diagnostycznym.

Dla pojazdu nominalnego (sprawnego) mo na utworzy wiele punktów Niv (1)

znajdujcych si w przestrzeni diagnostycznej. Ka dy z tych punktów odpowiada bdzie i–temu przejazdowi po danym (tym samym) odcinku toru testowego z t sam prdkoci

v. Sygnay powinny by rejestrowane na odcinkach o tej samej dugoci.

Niv - punkt odpowiadajcy stanowi nominalnemu dla prdkoci v o wspórzdnych xvN1,i,

xvN2,i,..., xvNn,i

i - numer pomiaru

xvN1,i, xvN2,i,..., xvNn,i – kolejne wartoci parametrów diagnostycznych dla stanu nominalnego

od 1 do n, dla prdkoci v

Punkt referencyjny Sv (2) to punkt, którego wspórzdne powstaj poprzez urednienie wartoci wspórzdnych (wartoci wska ników diagnostycznych) wielu punktów Niv dla

stanu nominalnego (2.16). Punkt ten reprezentuje pojazd referencyjny (wzorcowy) w stanie nominalnym o urednionych wartociach wska ników diagnostycznych.

¦

xvS1, xvS2,..., xvSn – kolejne wartoci wspórzdnych od 1 do n dla punktu referencyjnego, dla

prdkoci v

Punkt przestrzeni reprezentujcy aktualny stan Ujv (3) okrelony jest wartociami

wspórzdnych (parametrów) dla sygnaów rejestrowanych w trakcie j - tego pomiaru podczas eksploatacji, po tym samym odcinku toru jak w przypadku punktu Niv i tej samej

prdkoci.

Ujv- punkt dla pojazdu reprezentujcego stan aktualny dla prdkoci v o wspórzdnych

xvU1,j, xvU2,j,..., xvUn,j

xvU1,j, xvU2,j,…, xvUn,j – kolejne wartoci parametrów diagnostycznych od 1 do n dla

prdkoci v

Diagnostyka stanu ukadu biegowego, w szczególnoci zawieszenia, opiera si w tej metodzie na analizowaniu metryki (odlegoci) d(Sv,Ujv) pomidzy punktem referencyjnym

a punktem reprezentujcym aktualny stan pojazdu. Symptomem diagnostycznym jest przekroczenie zao onej (dopuszczalnej) odlegoci F od punktu referencyjnego (4). Warto F mo e by dobrana na podstawie wyników bada pojazdów z uszkodzeniami zawieszenia. niesprawny F U S d sprawny F U S d v j v v j v t d ) , ( ) , ( (4)

Punkty odnoszce si do stanu aktualnego Ujv powinny znajdowa si w pewnym

dozwolonym obszarze punktu referencyjnego Sv okrelonych przez F. Analizujc przekroczenie zao onej odlegoci F nieistotne jest, z której strony punktu Sv znajduje si punkt Ujv. Dziki temu metoda mo e by wykorzystana do detekcji uszkodze, które

wpywaj na zmniejszenie jak i zwikszenie wartoci wska ników diagnostycznych. Zakada si, e warto F bdzie identyczna dla wszystkich wybranych wska ników diagnostycznych. Postulat ten nakada pewne ograniczenie na wyselekcjonowane parametry, tzn. zakres mo liwych wartoci jednego parametru nie mo e znaczco odbiega od zakresu mo liwych wartoci pozostaych parametrów. W przeciwnym wypadku, obrana warto F mo e okaza si za maa dla jednego parametru - nie zostanie nigdy przekroczona, pomimo gdy inne parametry wskazuj na uszkodzenie.

Mo na temu zaradzi normalizujc wartoci parametrów poprzez podzielenie wartoci wspórzdnych punktu Sv oraz Ujv przez wartoci wspórzdnych Sv. Dla punktu

referencyjnego otrzymamy wspórzdne o wartociach równych 1. Dziki zastosowaniu normalizacji zakresy wartoci parametrów dla punktu Ujv bd do siebie zbli one, co

umo liwi ustalenie jednej wartoci dopuszczalnej F dla wszystkich parametrów.

4. BADANIA EKSPERYMENTALNE

Celami bada eksperymentalnych byo przeprowadzenie walidacji systemu monitorowania oraz analiza wpywu uszkodze elementów zawieszenia na rejestrowane sygnay. Badania eksperymentalne przeprowadzono na torze dowiadczalnym w migrodzie. System monitorowania zosta zainstalowany na wagonie pasa erskim typu 111A oraz towarowym 415W (o masie cakowitej 90 t). Walidacj przeprowadzono w oparciu o wyniki zarejestrowane przez dodatkowo zainstalowany ukad pomiarowy Instytutu Kolejnictwa wykorzystywany w badaniach dopuszczeniowych. Jazdy dowiadczalne przeprowadzono dla dwóch stanów technicznych zawieszenia: nominalnego oraz uszkodzonego. W wagonach wprowadzono nastpujce uszkodzenia:

 usunicie jednego pakietu spr yn zawieszenia I stopnia przy pierwszym zestawie koowym z lewej strony – redukcja sztywnoci (rys. 2),

 odcznie tumika drga II stopnia (przód pojazdu, prawa strona) w wagonie pasa erskim - redukcja tumienia (rys. 3).

Rys. 2. Uszkodzenie zawieszenia I stopnia w wagonie towarowym - usunicie pakietu spr yn z lewej strony obudowy o yska ma niczego

Rys. 3 Odczony tumika drga II stopnia w wagonie pasa erskim

5. ANALIZA WYNIKÓW BADA EKSPERYMENTALNYCH

Zarejestrowane w trakcie eksperymentu sygnay przyspieszenia zostay poddane analizie z wykorzystaniem proponowanej metody. Liczba punktów (rys. 4 - 7) odpowiada liczbie przejazdów po danym odcinku toru. Warto F równa si wartoci pótorakrotnego odchylenia standardowego wartoci odlegoci (pojazdu nominalnego) od punktu referencyjnego i jest obliczana dla ró nych wartoci prdkoci. W systemie monitorowania wykorzystywanym komercyjnie warto ta mo e by ustalona na podstawie bada eksperymentalnych i symulacyjnych. Ze wzgldu na odmienne skalowanie osi z wartociami RMS, IQR oraz Zero-Peak na rys. 4 - 7 dopuszczalny obszar przedstawiony jest w postaci elipsoidy.

Wyniki analiz dla wagonu pasa erskiego przedstawiono na rys. 4 i rys. 5. Do oceny stanu zawieszenia posu yy sygnay przyspieszenia pionowego zarejestrowane na tym

samym odcinku toru prostego. Symbol gwiazdy przedstawia punkt referencyjny, kwadrat odpowiada pojazdowi, którego stan oceniono na sprawny, punkt reprezentuje stan uszkodzony. Wyniki te wskazuj na to, e uszkodzenie pojazdu (redukcja tumienia) nie dla wszystkich pomiarów objawia si w postaci przekroczenia dozwolonego obszaru. Niemniej, dla pozostaych przejazdów wartoci metryki s znaczne i wskazuj jednoznacznie na uszkodzenie. W przypadku sygnaów zarejestrowanych w kierunku pionowym i v = 80 km/h F = 0.76, dla v = 100 km/h F = 0.348.



Rys. 4. Wyniki analizy dla wagonu pasa erskiego, przysp. w kierunku Z, v = 80 km/h, tor prosty

Wpyw redukcji sztywnoci zawieszenia I stopnia w przypadku jednego koa na rejestrowane sygnay przedstawiaj punkty na rys. 6 i rys. 7. Wyniki odnosz si do przejazdów po uku o R = 900 m. Na podstawie analizy sygnaów przyspieszenia rejestrowanych w kierunku poprzecznym (rys. 6) mo na jednoznacznie stwierdzi, i pojazd znajduje si w stanie uszkodzonym. Wszystkie punkty odnoszce si do poszczególnych pomiarów znajduj si poza dopuszczalnym obszarem, którego promie

F = 0.167. Analiza metryki dla sygnaów rejestrowanych w kierunku pionowym, wykazaa

i poowa punktów znajduje si wewntrz dopuszczalnego obszaru (F = 0.216). Fakt ten nie pozwala na jednoznaczn ocen stanu pojazdu tak jak w przypadku sygnaów zarejestrowanych w kierunku poprzecznym.

Rys. 7. Wyniki analizy dla wagonu towarowego, przysp. w kierunku Z, v = 80 km/h, uk R 900

6. WNIOSKI

Metoda wykorzystujca analiz parametrów w wielowymiarowej (trójwymiarowej) przestrzeni pozwala na detekcj uszkodze i jakociow ocen stanu pojazdu szynowego. Stan pojazdu jest okrelany na podstawie analizy metryki pomidzy punktem referencyjnym a punktem odnoszcym si do stanu aktualnego. Jak wskazuj wyniki bada eksperymentalnych, do poprawnej oceny stanu konieczna jest analiza co najmniej jednego punktu (odlegoci) z obu kierunków rejestracji sygnaów. Pomimo tego, i pojazd mo e by uszkodzony, niektóre z otrzymanych punktów mog znajdowa si wewntrz dozwolonego obszaru (sfery) okrelonej wartoci F. Dobór odpowiedniej wartoci F powinien zosta poprzedzony analiz statystyczn danych uzyskanych z bada pojazdu w stanie nominalnym i uszkodzonym. W rozpatrywanym przypadku równa bya pótorakrotnej wartoci odchyleniu standardowemu odlegoci punktów reprezentujcych stan nominalny od punktu referencyjnego.

Bibliografia

1. Chudzikiewicz A, Sowinski B., Szulczyk A.: Statistical parameters of vibrations as measures of rail vehicle condition. Proceedings of 17th International Congress on Sound and Vibration, Cairo, Egypt 18-22 July 2010, pp.73.

2. Chudzikiewicz A., Sowinski B: Problems of Choosing Statistical Parameters In the Process of Monitoring the System of Railway Vehicle. 8th International Conference on Railway Bogies and Running Gears, Hungary, Budapest, 8-10 November 2010, pp.127-129.

3. Goda K., Goodall R.: Fault-detection-and-isolation system for a railway vehicle bogie. Vehicle System Dynamics Supplement 41 (2004), Taylor & Francis Ltd, pp.468-476.

4. Li P., Goodall R.: Model-based condition monitoring for railway vehicle systems. Control 2004, University of Bath, UK, September 2004.

5. Melnik R., Kostrzewski M.: Rail Vehicle's Suspension Monitoring System - Analysis Of Results Obtained From Tests Of The Prototype. Key Engineering Materials Vol. 518, 2012, pp 281-288.

6. Tsunashima H., Hayashi Y., Mori H., Marumo Y.: Condition Monitoring and Fault Detection of Railway Vehicle Suspension using Multiple-Model Approach. Proceedings of the 17th World Congress The International Federation of Automatic Control, Seoul, Korea, July 6-11, 2008.

7. Tsunashima H., Mori H.: Condition Monitoring of Railway Vehicle Suspension Using Adaptive Multiple Model Approach. International Conference on Control, Automation and Systems 2010, Oct. 27-30, Gyeonggi-do, Korea, 2010.

Praca zostaa wykonana ramach projektu badawczego MONIT - Monitorowanie Stanu Technicznego Konstrukcji i Ocena jej ywotnoci. Program Operacyjny - Innowacyjna Gospodarka (PO IG). Poddziaanie 1.1.2 - Strategiczne programy bada naukowych i prac rozwojowych.

APPLICATION OF STATISTICAL PARAMETERS OF ACCELERATION SIGNALS IN THE PROCESS OF RAIL VEHICLE’S SUSPENSION CONDITION ASSESSMENT

Summary: Rail vehicle’s suspension, determines riding dynamics, safety and comfort. Its condition should

be checked regularly, and even monitored continuously. In order to acquire information on suspension condition during commercial operation, the rail vehicles’ monitoring system has been developed at Monitoring of Technical State of Construction and Evaluation of its Lifespan Project (MONIT). The aim of the system is qualitative assessment of suspension condition basing on acceleration signals recorded on bogie frames and body.

The experimental tests of the system were performed on wagons with introduced suspension damages: stiffness reduction of primary suspension in freight car and the loss of damper of secondary suspension in passenger car. The monitoring procedure and test results are presented in the work.