IDENTIFIERING AV FELFUNGERANDE BOGGIER PROGRAMVARAN EXPERT SOFTWARE FÖR ETT HELT AUTOMATISERAT LYNXRAIL- SYSTEM

Transkript

1 IDENTIFIERING AV FELFUNGERANDE BOGGIER PROGRAMVARAN EXPERT SOFTWARE FÖR ETT HELT AUTOMATISERAT LYNXRAIL- SYSTEM Kris Kilian MESc. Monica Kilian PhD, Vladimir Mazur PHD James Robeda B Eng Transportation Technology Centre Inc. (TTCI), USA Sammanfattning Felfungerande boggier är dynamiskt instabila boggier som inte bara kan påverka fordonet och utrustninen men även orsaka infrastrukturskador och urspårningar. Boggiers dynamiska instabiliteten orsakas av en rad av faktorer inklusive felaktigt justerade hjulpar. Det primära tecknet på dynamiskt instabila boggier är krängning. Denna artikel framställer ett vägnära system som matar in information i expert-programvaran för att kontrollera felfungerande boggier. Systemet wayside använder teknologin för maskinellt seende och avkännande anordningar. Krängande boggier och boggier som åker på järnvägsspåren med ojämn hjulförslitnig ( tracking ) identifieras så fort tåget har passerat systemet. Systemet ger operatören en omedelbar varning om dynamiskt instabila boggier och en tidig varning om misstänkta boggier. Programvaran används för tillståndsövervakning och identifierar farligt instabila boggier. Till följd av detta är operatörer istånd att minimera felrisken och infrastrukturskadan. Systemet testades av TTCI i Pueblo, USA. 1. INLEDNING Den laterala höghastighetsinstabiliteten av krängande vagnar leder ofta till lastningsskador och är en potentiell risk för urspårning. Dessutom är krängande fordon en ytterligare faktor som bidrar till den allmänna påfrestningstillståndet i systemet för järnvägsfrakt i Nordamerika. Industrin kommer att ha en stor nytta av ett system som identifierar felaktiga fordon med hjälp av en effektiv vägnära detektering. Tidigare försök att utveckla vägnära detekteringssystem för krängning fokuserades på användning av styrkemätningar med trådtöjningsgivaren inom en specifik zon för att identifiera krängande fordon och enligt TTCI har de inte givit tillfredställande resultat. Lynxrail har utvecklat ett vägnära system som använder en rad av kameror för att fastställa hjulläget inom en avsedd zon för att bestämma krängningsbenägenheter började Lynxrail modularisera dess automatiserade tågkontrollsystem. En av dessa moduler är hjulprofilmätningssystemet (WPMS) som fastställer flänshöjden, flänsbredden, fördjupningen och kranstjockleken. Det visade sig snart att möjligheter av WPMsystemet kunde utvidgas för att få andra viktiga informationer sådana som hjuparläget på skenan och infallsvinkeln. De båda parametrarna kan användas för att identifiera krängning och åkning på spåret med ojämn hjulförslitning. WPM-systemet utvidgades därför för att övervaka funktionen av hjulparet på spåret. Det utvecklades en specialiserad programvara för att identifiera problematiska boggier. 1

2 1. HJULPARRARMETRAR Utöver hjulparametrar är följande hjulparparametrar också viktiga för att garantera driftssäkerheten. a) mätningar frånvänd yta mot frånvänd yta (för att kontrollera om hjul på axeln är inkorrekt monterade eller om avståndet från frånvänd yta till frånvänd yta förändras under hjulparets livslängd b) infallsvinkel c) läget av hjulparet i förhållande till spåret (dvs. åkning med ojämn hjulförslitning) Stabiliteten av en boggi beror på hjulparets beteende på spåret eftersom det påverkar det dynamiska beteendet av boggin samt hela vagnen. Lyxrail-systemet samlar data på varje axeln som går igenom systemet. Dessa uppgifter utvärderas med avseende på varje axel, boggi och hela fordonet för att kontrollera om boggin kränger eller åker på spåret med ojämn hjulförslitning. En krängningsbenägenhet kan även kontrolleras. Detta kunskapsbaserande system analyserar registrerade data och fastställer krängningsfaktorn för varje boggy. Lynxrail-systemet är avsett för att bedöma problematiska boggier bara under en genomgång så att de genast kan identifieras. Mätningen frånvänd yta mot frånvänd yta säkerställer även att det nytt införda hjulparet. överensstämmer med den specifikation som krävs. Systemet registrerar såväl hjul på samma axel vid densamma tidpunkten. Detta möjliggör en korskorrelation av frånvända ytor på hjulen. Varje gång då hjulparet passerar systemet bedömer systemet om det har skett något förändring i jämförelse med den senaste mätningen. Noggranheten av mätningen är här +/- 1 mm vilket är tillräckligt för att bestämma några förändringar. 2.2 Infallsvinkel och rörelse i sidoled som indikering för krängning Infallsvinkeln definieras av läget av de båda hjulkransarna i förhållade till rälsen. (se bild 1). Systemet identifierar läget av hjulet och hjulparet i förhållande till rälsen. Det finns även läget av hjulparet tvärsöver rälsen och därigenom identifieras infallsvinkeln. 2.1 Mätningar av ojämn hjulförslitning frånvänd yta mot frånvänd yta Mätningen frånvänd yta mot frånvänd yta skall vara beständig under hjulparets livslängd. Denna mätning skulle kunna påverka hjulparets gångdynamiska egenskaper eftersom det finns en ökad eller minskad glapp mellan hjulflänsen och spåret. Förändringar av avståndet mellan frånvända ytor kan även påverka det sätt på vilket hjulparet kan klara växelhävstänger och järnvägsväxlar. 2

3 Under färden uppvisar vart och ett hjulpar ett dynamiskt bettende antingen ojämn hjulförslitning eller sinusgång. Stabila vagnar har olika perioder och amplituden av svängningar. I de dynamiskt instabila järnvägsvagnarna är perioden och amplituden av varje hjulpar liknande eftersom hjulparen arbetar harmoniskt med varandra. Det är emellertid möjligt att en boggi i vagnen visar mer dynamisk instabil än en annan boggi. Bild 1 Varje axel registreras i fem olika lägen vilket visar infallsvinkeln. Infallsvinkeln visar hjulparets tendens att åka på spåret eller kränga. Om infallsvinkeln förblir mer eller mindre konstant kan hjulparet utveckla en tunn fläns bara på ett hjul vilket leder till ojämn hjulförslitning ( vilket anses som tracking ). I ett krängande hjulpar förändras infallsvinkeln från posititiv till neagtiv under färden vilket får hjulen att förslitas på ett relativt jämnt sätt. Fastställande av infallsvinkeln är förenat med bedömning av avståndet mellan den frånvända ytan och rälsen i syfte för att berskriva axelgeometrin i förhållande till rälsen under färden, Detta ger ett snaphot på axeln vid en bestämd tidpunkt i syfte att fastställa hjulparets gångdynamiska egenskaper, detta snapshot upprepas några gånger tills tillräckliga uppgifter har samlats för att bedöma hjulparets gångdynamiska egenskaper. Ett hjulpar har en naturlig tendens att kränga på grund av geometrin för hjul och rälsprofiler. Den naturliga tendensen minimeras dock på grund av den sidostyvhet som säkerställs av boggin. Krängningen föreligger när ett hjulpar rör sig omåttligt i sidled under färd. Omåttlig rörelse innebär att sinusvågen har en stor amplitud ( hjulflänsen är ofta i kontakt med rälsen) och en specifik period. En fullfjädrad krängning om en vagn uppnår en kritisk krängningshastighet (vilket är funktion av den dynamiska styvheten av boggier och vagnen). Genom att registrera en serie av snapshot medan boggin åker är systemet istånd att identifiera boggier som kränger. Systemet kan även identifiera (vid icke kritiska hastigheter) boggier som har tendenser att kränga. 3. SITE AUDIT AV SYSTEMET AV TTCI I PUEBLO Den första granskningen av systemet på ort och ställe (site audit) genomfördes med användning av en vagn som man vet att den kränger ungefär 45 m/h (se bild 2). Denna vagn är fullständigt försedd med mät- och kontrollutrustning som skall dokumentera dess gångdynamiska egenskaper (bilder 3,4 och 5). Det genomfördes ett test för att utvärdera effektiviteten af Lynxrails vägnära truckkrängnings detektering med att identifiera en vagn som är i ett aktivt krängningsmodus. Målet med testet var att granska systemets förmåga att identifiera potentiella vagnar med boggikrängning vid 3

4 hastigheter som ligger under krängningens tröskelvärde. Transportation Technology Center Inc. (TTCI) ett dotterbolat till Association of American Railroads genomförde testet av Lynxrail-systemet på TTCIs testspåret (RTT). RTT är en stäng slinga på 13,5 av spåret av klass VIII på betongplattor.testet genomfördes på den tangerande sträckan på slingan. En vagn med kända krängningstendenser utrustades med mät- och kontrollutrustningen och den åkte med olika hastigheter genom testzonen. Uppgifter från den utrustade vagnen samlades och jämfördes med uppgifter från Lynxrails vägnära system. Bild 3 Boggi utrustad med mät- och kontrollutrustning Bild 4 Mittsyll utrustad med mät- och kontrollutrustning Bild 2 Det första testtågsättet lokomotiv och vagnen med känd boggikrängning Bild 5 Datainsamlingsdatorn visar när vagnen börjar kränga. 4

5 En sidoaccelometer placerades på den ofjädrade delen av trucksidan i varje boggi i vagnen för att registrera truckaccelariotioner. Ytterligare accelometer placerades på varje ände av vagnen på mittsyllen för registrera laterala accelerationer av vagnkorgen. Data samlades vid 256 Hz med användning av ett analogt filter på 30 Hz. Automatiska lägesdetektorer användes för att utlösa datainsamlingssystemet när vagnen åkte över testzonen. Zonen var 100 fot lång. Datainsamlingsfärder genomfördes med hastigheter 10, 20, 30,40, 45 och 50 MPH. Vagnen var i ett synligt krängningsmodus under testet inom testzonen vid en hastighet på 45 och 50 MPH. Bild 6 Resultat som visar jämförelse mellan Lynxrail-systemet och TTCIdata. Bild 7 visar förskjutning av hjulets frånvända yta på varje axel i fyra lägen. Det visar sinusvågen som hjul gör innan den kritiska hastigheten uppnås. Bilden 6 visar en korrelation av accelerationer som mättes av TTCI på vagnen utrustad med mät- och kontrollutrustningen och accelerationer kom från Lynxrail-systemet. Bild 7 Beteende av hjulpar vid mindre hastigheter för en vagn som har benägenhet att kränga vid 65 km/timme. 5

6 Hunting report Krängningsrapport Latest senast History historik Data data och 2) har inte uppnått den kritiska hastigheten med de visar fortfarande harmoniskt beteende vilket indikerar benägenheten att kränga. Hjulparet på den andra boggin har uppnått den kritiska krängningshastigheten och krängningen är tydlig. Axle 1 Axel 1 Axle 2 Axel 2 Axle 3 Axel 3 Axle 4 Axel 4 Bild 8 visar att den ena boggin är redan i ett krängningsmodus medan den andra boggin har en benägenhet att kränga men den ännu inte har uppnått fullständiga krängningsegenskapar. Bild 9 visar att alla hjulpar har uppnått krängning. Bild 9 Beteende av hjulpar i de båda boggierna vid krängningshastigheten. Alla hjulpar uppvisar krängningsegenskaper. Bild 8 Beteende av fyra hjulpar. Hjulparet på den första boggin ( axel 1 Ett ytterligare test genomfördes med användning av 17 vagnar. Om tre av de visste man att de krängdes. Vagnarna var inte försedda med mät- och kontrollutrustningen för denna provning eftersom vagnarna som granskades i det 6

7 första testet även användes för det andra testet. Eftersom det första testet visade en full korrelation mellan Lynxrail-systemet och vagnen med mät- och kontrollutrustningen antogs det att upprepad användning av det ursprungliga krängande vagnen för detta test var tillräcklig för att bekräfta giltigheten av resultat. 4. SLUTSATSER Lynxrail-systemet använder data från maskinellt seende för att identifiera boggier med krängning och ojämn hjulförslitning. Det behövs fler test ute i fältet för att bekräfta pålitligheten vid identifiering av krängande vagnar vid lägre (icke kritiska) hastigheter; det påvisades dock att systemet fungerar utomordentligt bra vid kritiska hastigheter. 7