МОНИТОРИНГ НАГРУЗКИ НА КОМПЛЕКТУЮЩУЮ ДЕТАЛЬ В ПРОЦЕССЕ ЭКСПЛУАТАЦИИ
MONITORING THE LOAD TO THE COMPONENT IN THE OPERATION PROCESS

Настоящее изобретение относится к способу определения эксплуатационной нагрузки на комплектующую деталь в процессе ее эксплуатации и рельсовому транспортному средству, предназначенному для реализации способа.
Для многих комплектующих, в частности, комплектующих для рельсового транспортного средства, невозможна непосредственная регистрация эксплуатационной нагрузки. Кроме того, из-за сложных, зачастую нелинейных факторов воздействия, затруднена косвенная оценка эксплуатационной нагрузки. Для таких комплектующих деталей эксплуатационная нагрузка определяется в ходе плановых осмотров.
Так, например, регистрация эксплуатационной нагрузки на тормозные накладки и тормозные колодки рельсового транспортного средства производится в ходе технического обслуживания через заданные регулярные интервалы времени. Сбор дополнительных данных может производиться после какого-либо особого события, например, экстренного торможения на высокой скорости, так как может быть необходим визуальный контроль на предмет наличия трещин или деформаций тормоза. С другой стороны, при низкой эксплуатационной нагрузке тормозов можно отказаться от планового осмотра тормоза или соответствующим образом изменить интервал технического обслуживания.
В основе изобретения лежит задача создания способа определения эксплуатационной нагрузки на комплектующую деталь в процессе ее эксплуатации.
Данная задача решена с помощью технических решений, охарактеризованных признаками независимых пунктов формулы изобретения. Усовершенствованные и другие варианты исполнения раскрыты в зависимых пунктах формулы.
В соответствии с изобретением способ определения эксплуатационной нагрузки на комплектующую деталь, в частности комплектующую деталь транспортного средства, в процессе ее эксплуатации включает в себя следующие этапы:
a. запись результатов измерений заданных измеряемых величин при эксплуатации комплектующей детали в, по меньшей мере, n, где n ≥ 2 отличающихся друг от друга заданных эксплуатационных режимах, где измеряемые величины не равны искомой эксплуатационной нагрузке на комплектующую деталь;
1
m
б. определение m действующих операндов от W до W в заданной зависимости от измеряемых величин для каждого из n эксплуатационных режимов, причем 2 ≤ m ≤ n;
в. запись каждого измеренного значения эксплуатационной нагрузки после эксплуатации комплектующей детали в каждом из n заданных режимов эксплуатации, причем n ≥ 2;
1
m
1
m
г. составление и решение системы n уравнений таким образом, чтобы получить m весовых коэффициентов от a до a, с помощью которых можно назначить веса для m действующих операндов от W до W, причем сумма взвешенных действующих операндов для каждого из n режимов эксплуатации равна измеренному значению эксплуатационной нагрузки для соответствующего режима эксплуатации, причем n ≥ m ≥ 2;
д. составление правила расчета эксплуатационной нагрузки на комплектующую деталь в процессе ее эксплуатации с использованием полученных весовых коэффициентов;
m и n – натуральные числа.
В частности, этап а выполняют в процессе фазы настройки, а правило расчета в соответствии с этапом д для определения эксплуатационной нагрузки на комплектующую деталь, напротив, в процессе эксплуатационной фазы. Это означает, что результаты измерений заданных измеряемых величин в процессе эксплуатации комплектующей детали в фазе настройки получают для, по меньшей мере, n различных режимов эксплуатации. Правило расчета предложено, чтобы определить эксплуатационную нагрузку в процессе последующей эксплуатационной фазы, не регистрируя ее напрямую или косвенно, в частности, с помощью измерений.
Комплектующая деталь представляет собой, в частности, комплектующую деталь, в частности, рельсового транспортного средства. Транспортные средства предназначены для перевозки людей и/или грузов. Наряду с наземными транспортными средствами, существуют также водные, воздушные и авиационные транспортные средства, а также их гибридные варианты.
Эксплуатационная нагрузка на комплектующую деталь включает в себя износ детали. Если в качестве эксплуатационной нагрузки определяется износ, то комплектующую деталь можно описать как изнашивающуюся деталь. Износом называют прогрессирующую потерю массы корпуса, в частности, его поверхности, вызываемую, в основном, механическими причинами. Износ иногда называют амортизацией. Износ является одной из главных причин повреждения деталей и связанного с ним выхода из строя машин и аппаратов. Изнашивающиеся детали – это также сменные детали, которые подвержены существенному износу при надлежащем использовании.
Эксплуатационная нагрузка комплектующей детали в принципе измеряема. Однако часто это невозможно сделать в процессе эксплуатации комплектующей детали. Поэтому эксплуатационную нагрузку указывают с помощью измеряемых величин.
На этапе способа а получают результаты измерений измеряемых величин, прямо или косвенно воздействующих на эксплуатационную нагрузку. Эти измеряемые величины являются отражением параметров воздействия или износа. Данные параметры воздействия непосредственно или косвенно влияют на эксплуатационную нагрузку, однако не равны эксплуатационной нагрузке. Однако для определения, в частности, косвенной оценки, эксплуатационной нагрузки с помощью результатов измерений величин воздействия, которые описываются с помощью измеряемых величин, требуются различные математические операции.
Сначала задают отдельные действующие операнды, характеризующие эксплуатационную нагрузку. Действующие операнды не обязательно являются непосредственным результатом измерения – это не обязательно измеряемые величины. Их можно определить с помощью известных из физики или установленных математических отношений на основании измеряемых величин, для которых справедливы непосредственные измерения. Действующий операнд определяют согласно предложенному правилу расчета исходя из, по меньшей мере, одного фактора воздействия. Таким образом, действующие операнды зависят от вышеназванных результатов измерений и определяются с помощью предложенного правила расчета или математической формулы.
Таким образом, действующие операнды получают с помощью заданных функций и в соответствии с улучшенным вариантом изобретения с помощью заданных математических операций, причем в качестве операндов математических операций служат полученные на этапе способа а результаты измерений заданных измеряемых величин. В некоторых случаях дополнительные операнды могут представлять собой константы, которые, задаются в частности в зависимости от соответствующего режима эксплуатации. В усовершенствованном варианте для получения действующих операндов служат исключительно константы и полученные на этапе а результаты измерений в качестве операндов.
Если комплектующей деталью является тормозной диск, тормозная колодка или тормозная накладка, в частности гидравлического или пневматического тормоза рельсового транспортного средства, то непрерывно или дискретно с заданной измерительной частотой измеряют, например, время торможения и/или тормозной путь и/или тормозное давление в тормозном цилиндре тормоза рельсового транспортного средства и/или текущую скорость рельсового транспортного средства и таким образом получают результаты измерений указанных измеряемых величин с помощью подходящих датчиков. Тогда первый действующий операнд можно получить с помощью интеграла по тормозному пути от квадрата измеренного значения тормозного давления. Для получения второго действующего операнда берут интеграл от произведения тормозного давления и текущей скорости рельсового транспортного средства по тормозному пути. Третий действующий операнд может быть получен посредством взятия интеграла от тормозного давления по тормозному пути. При количестве действующих операндов m = 3 необходимо задать, по меньшей мере, n = 3 независимых друг от друга различных режимов эксплуатации, для которых зарегистрированы результаты измерений заданных измеряемых величин, и для которых регистрируются эксплуатационные нагрузки. Тогда первый режим эксплуатации включает в себя, например, нормальное торможение на заданных скоростях при подъезде к остановке. Второй режим эксплуатации, напротив, может включать в себя экстренное или быстрое торможение на высоких скоростях. Тогда третий режим эксплуатации включает в себя, например, экстренное или быстрое торможение на низких скоростях, например, когда непосредственно перед остановкой рельсового транспортного средства на путях остановки оказывается человек.
Режимы эксплуатации могут только минимально отличаться друг от друга. Так результаты измерений для первого режима эксплуатации могут быть получены в течение заданного промежутка времени или отрезка пути, например, из пункта В в пункт С, при надлежащей эксплуатации комплектующей детали с многими торможениями средней интенсивности и немногими аварийными торможениями. Обратный путь из пункта С в пункт В при надлежащей эксплуатации комплектующей детали может служить в качестве второго режима эксплуатации даже при схожих условиях эксплуатации. Важно, чтобы комплектующая деталь эксплуатировалась в отдельных и различных режимах эксплуатации, и результаты измерений регистрировались, а затем обрабатывались. Режимы эксплуатации могут отличаться друг от друга только различными условиями внешней среды, если условия внешней среды также регистрируются в результатах измерений и используются при определении действующих операндов. Так, например, может быть учтено воздействие климатических условий. В этом случае в качестве результатов измерений записывается, например, температура или влажность воздуха. Определение действующих операндов производится, как описано выше, в заданной, в частности, жесткой зависимости от результатов измерений, зарегистрированных в течение заданного временного интервала, например, истекшего времени надлежащей эксплуатации комплектующей детали в соответствующем режиме эксплуатации. В соответствии с примером исполнения изобретения определение действующих операндов выполняется только с помощью зарегистрированных результатов измерений и констант и математических операций.
При составлении системы уравнений на этапе г действующим операндам приписываются веса, причем каждый из действующих операндов умножается на весовой коэффициент. Таким образом количество весовых коэффициентов равно количеству действующих операндов. Это выполняется отдельно для каждого режима эксплуатации. Затем для каждого режима эксплуатации сумма взвешенных действующих операндов приравнивается к результату измерений эксплуатационной нагрузки в соответствующем режиме эксплуатации. В случае n режимов эксплуатации получают n уравнений.
Если напрямую измеренную эксплуатационную нагрузку для каждого режима эксплуатации обозначить как z, то система уравнений будет выглядеть следующим образом:
1
m
1
m
Затем решают эту систему уравнений, и получают значения весовых коэффициентов от a до a. Во время решения системы уравнений один из весовых коэффициентов может оказаться равен нулю. Как правило, значения от a до a принадлежат множеству действительных чисел, например, множеству положительных рациональных чисел.
Систему уравнений решают согласно усовершенствованному этапу г с помощью эквивалентных преобразований, которые хорошо известны.
Правило для определения эксплуатационной нагрузки и правило расчета действующих операндов, а также полученные значения весовых коэффициентов сохраняются в памяти для дальнейшей обработки во время эксплуатационной фазы.
В соответствии с другими усовершенствованными вариантами исполнения изобретения после этапа д следуют этапы:
е. запись результатов измерений заданных измеряемых величин в ходе эксплуатационной фазе комплектующей детали, причем измеряемые величины не равны искомой эксплуатационной нагрузке на комплектующую деталь;
1
m
ж. определение действующих операндов от W до W в заданной зависимости от результатов измерений;
з. определение эксплуатационной нагрузки на комплектующую деталь в ходе эксплуатации с помощью разработанного правила расчета и с использованием полученных весовых коэффициентов.
Этап е выполняется в ходе эксплуатационной фазы, за которой следует фаза настройки. Заданные измеряемые величины из этапов а и е идентичны.
Фаза настройки может осуществляться с помощью одной или нескольких идентичных комплектующих деталей, а в эксплуатационной фазе применяются дополнительные комплектующие детали, идентичные комплектующим деталям фазы настройки. Разработанное правило расчета вместе с весовыми коэффициентами справедливо не только для отдельных комплектующих деталей, но и для всех деталей группы идентичных деталей. Таким образом, перед этапом е комплектующую деталь можно обменять на деталь из общей группы аналогичных деталей. В вышеописанном примере на фазе настройки этапы от а до д выполняют, например, с первой тормозной накладкой. Затем первую тормозную накладку заменяют на другую тормозную накладку из группы идентичных и выполняют с ней этапы от е до з.
В соответствии с усовершенствованными вариантами исполнения на этапе з в ходе эксплуатации комплектующей детали может быть выдана полученная эксплуатационная нагрузка. Например, она может быть показана водителю транспортного средства или передана в центральную диспетчерскую для дальнейшей обработки и анализа. Кроме того, выдача полученной эксплуатационной нагрузки может производиться в зависимости от полученной эксплуатационной нагрузки. Если она превышает заданное пороговое значение, то ее отображают и/или выдается аварийный сигнал. Если пороговое значение не превышено, что выдача полученной эксплуатационной нагрузки и/или аварийного сигнала не производится. Эксплуатационная нагрузка может определяться во время эксплуатации комплектующей детали в эксплуатационной фазе непрерывно или дискретно через заданные временные интервалы. Регистрация может производиться в случае заданных событий, например, после аварийного торможения на высокой скорости.
В одном из вариантов исполнения изобретения на этапе а регистрируют результаты измерений для k заданных измеряемых величин в ходе эксплуатации комплектующей детали, причем k является натуральным числом большим или равным m, причем k ≥ m. Альтернативно может быть сформировано большее количество действующих операндов из меньшего количества измеряемых величин. Тогда справедливо: k ≤ m.
Рельсовое транспортное средство для реализации способа из изобретения включает в себя, по меньшей мере, один датчик для измерения значений заданных измеряемых величин, по меньшей мере, одно устройство памяти для записи и считывания весовых коэффициентов и, по меньшей мере, один анализатор, в частности, микроконтроллер для определения эксплуатационной нагрузки на комплектующую деталь в ходе эксплуатации детали с помощью описанного правила расчета. По меньшей мере один датчик предназначен для считывания значений заданных измеряемых величин и реализован соответствующим образом.
Кроме того, изобретение предусматривает компьютерную программу для выполнения способа, описанного в изобретении. Компьютерная программа включает в себя программный код, предусмотренный для выполнения способа, описанного в изобретении, который выполняется на предназначенном для этого вычислительном устройстве, которое, в частности, является частью рельсового транспортного средства, описанного в изобретении. Кроме того, задача, лежащая в основе изобретения, решается с помощью машинно-считываемого носителя данных, на котором записана компьютерная программа, описанная в изобретении. При этом машинно-считываемый носитель данных также может являться составной частью рельсового транспортного средства, в частности, частью устройства памяти для записи и считывания весовых коэффициентов.
Изобретение позволяет реализовывать многочисленные варианты исполнения. Оно описано более подробно с помощью приводимого ниже примера, но не ограничивается им.
Производитель рельсовых транспортных средств изготавливает первое из парка идентичных рельсовых транспортных средств. Оно включает в себя пневматический тормоз. После изготовления с транспортным средством выполняют различные испытательные пробеги на испытательной трассе.
При этом транспортное средство эксплуатируется в различных режимах. На фазе настройки для определения эксплуатационной нагрузки тормозной накладки сначала собирают результаты измерений измеряемых величин для каждого режима эксплуатации. При этом измеряемые величины не равны искомой эксплуатационной нагрузке тормозной накладки. В качестве эксплуатационной нагрузки тормозной накладки в данном случае регистрируется уменьшение толщины тормозной накладки после каждого использования рельсового транспортного средства в заданных режимах эксплуатации. Другими примерами эксплуатационной нагрузки могут быть: износ или глубина канавки тормозного диска, а также текущая рабочая температура тормозного диска. В режиме эксплуатации в качестве измеряемых величин, напротив, задаются, например, текущая скорость транспортного средства, тормозной путь или время, а также текущее давление в тормозном цилиндре.
Сначала на фазе настройки транспортное средство эксплуатируют в заданном первом режиме эксплуатации, в ходе эксплуатации измеряют заданные факторы воздействия и после эксплуатации измеряют эксплуатационную нагрузку. Затем транспортное средство эксплуатируют на фазе настройки в заданном втором, отличающемся от первого режиме эксплуатации, в ходе эксплуатации измеряют заданные факторы воздействия и после эксплуатации измеряют эксплуатационную нагрузку.
После эксплуатации транспортного средства в трех различных режимах получают три результата измерения уменьшения толщины тормозной накладки, а также несколько результатов текущей скорости v транспортного средства и текущего давления p в тормозном цилиндре в каждом из режимов эксплуатации. При этом текущая скорость v транспортного средства и текущее давление p в тормозном цилиндре являются функциями от тормозного пути s s (p = p(s) и p = p (s)) или от времени t (p = p(t) и p = p (t)).
Аналогично в этом случае определяют не более трех действующих операндов в заданной зависимости от результатов измерений текущей скорости v транспортного средства и текущего давления р в тормозном цилиндре для каждого из трех режимов эксплуатации. В этом случае действующие операнды равны:
1
m
1
m
Теперь можно составить уравнение для расчета эксплуатационной нагрузки в каждом эксплуатационном режиме. Для этого действующим операндам от W до W, приписывают соответствующие весовые коэффициенты от a до a таким образом, что в каждом режиме эксплуатации напрямую зарегистрированное уменьшение толщины тормозного диска равнялось бы сумме взвешенных действующих операндов. Уменьшение толщины тормозной накладки далее в тексте обозначено как z. В целом для каждого режима эксплуатации справедливо:
Как показано выше, в случае n режимов эксплуатации получаем систему уравнений в общем случае:
И в данном случае:
1
1
2
2
3
3
1
1
2
3
2
3
Индексы учитывают три различных режима эксплуатации. В данном случае первый режим эксплуатации представляет собой торможение до полной остановки с заданным небольшим рывком и заданным средним тормозным ускорением на средней заданной скорости. Для торможения требуется тормозной путь s. Оно приводит к уменьшению толщины тормозного диска на z. Во втором режиме эксплуатации предусмотрено торможение до полной остановки с заданным большим рывком и заданным большим ускорением торможения на заданной высокой скорости. Для торможения требуется тормозной путь s, и оно приводит к уменьшению толщины тормозного диска на z. В третьем режиме эксплуатации, напротив, предусмотрено торможение до полной остановки с заданным большим рывком и заданным большим тормозным ускорением на низкой заданной скорости, при котором требуется тормозной путь sи происходит уменьшение толщины тормозного диска на z. Текущая скорость при торможении в первом режиме эксплуатации обозначена как v. Текущее давление в тормозном цилиндре в первом режиме эксплуатации обозначено как p. Аналогично текущие скорости и текущие тормозные давления во втором и третьем режимах эксплуатации соответственно обозначены как v и v; p и p.
Режим эксплуатации может также включать в себя несколько идентичных торможений. В этом случае транспортное средство многократно ускоряют до заданной скорости и заданным образом тормозят. Только после этого измеряют эксплуатационную нагрузку, в данном случае уменьшение толщины тормозной накладки. Преимуществом является высокая информативность. Если обозначить количество последовательных торможений в каждом из режимов эксплуатации как x, где x – натуральное число больше единицы, то без дополнительных корректировок показателей уравнений система уравнений будет выглядеть так:
1
3
Вышеописанная система уравнений решается для получения весовых коэффициентов от a до d.
Затем значения весовых коэффициентов, а также упомянутое правило расчета записывают на машинно-считываемый носитель данных для каждого из рельсовых транспортных средств из парка одного производителя. После доставки транспортных средств заказчикам они вводятся в действие. Эксплуатационная фаза рельсового транспортного средства включает в себя следующие поездки в обычном режиме, включающем надлежащее использование тормозной системы.
Рельсовые транспортные средства отличаются друг от друга, однако оснащены конструктивно идентичными тормозами. С использованием сохраненных данных и измеренных во время эксплуатационной фазы результатов измеряемых величин можно получить эксплуатационную нагрузку. Замена конструктивно идентичных тормозных накладок также не представляет сложностей.
1
m
В следующей за фазой настройки эксплуатационной фазе для каждого из транспортных средств сначала измеряют результаты значений заданных измеряемых величин в ходе эксплуатации комплектующих деталей, причем измеряемые величины не равны искомой эксплуатационной нагрузке на комплектующую деталь. Затем получают действующие операнды от W до W в заданной зависимости от результатов измерений и эксплуатационную нагрузку на деталь во время эксплуатации с помощью составленного правила расчета с полученными весовыми коэффициентами. Для этого из памяти или с машинно-считываемого носителя данных считывают правило расчета и весовые коэффициенты для дальнейшей обработки и обрабатывают их в анализаторе.
Преимущество изобретения состоит, в частности, в том, чтобы с помощью способа, описанного в изобретении, эксплуатационную нагрузку на комплектующую деталь в эксплуатационной фазе можно оценить косвенным путем, отказавшись от ее регистрации напрямую в тех случаях, когда непосредственное измерение эксплуатационной нагрузки в процессе эксплуатации невозможно. Для этого достаточно измерить факторы износа или воздействия в качестве измеряемых значений в процессе эксплуатации комплектующей детали. В основе этого лежит модель эксплуатационной нагрузки. Таким образом, в ходе эксплуатации комплектующей детали в эксплуатационной фазе, используя способ в соответствии с изобретением можно отказаться от непосредственного определения эксплуатационной нагрузки. Данная модель отражает воздействие отдельных действующих операндов на эксплуатационную нагрузку в различных режимах эксплуатации. Для определения параметров необходимо только выполнить прогоны в, по меньшей мере, двух различных режимах эксплуатации в фазе настройки, выделить результаты значений измеряемых величин и обработать их в соответствии с моделью. Данная модель описана математически с помощью заданного правила расчета. Это оказывается возможным благодаря разделению фаз настройки и эксплуатации. Модель разрабатывают и записывают в память на фазе настройки, а применяют на эксплуатационной фазе.
При превышении заданного порогового значения эксплуатационной нагрузки может выдаваться сигнал, например, аварийная сигнализация, таким образом, позволяя своевременно предупредить водителя транспортного средства о возможном отказе комплектующей детали. Вместо выдачи сигнала может производиться дальнейшая обработка полученной эксплуатационной нагрузки, например, для подготовки к техническому осмотру или корректировки интервалов между осмотрами. Кроме того, становится возможным оценивать ожидаемый срок службы комплектующей детали и осуществлять почти непрерывный мониторинг эксплуатационной нагрузки в течение срока службы комплектующей детали.
Посредством эмпирического определения весовых коэффициентов для правила расчета можно учитывать воздействие факторов окружающей среды, например, климата. Так как комплектующая деталь эксплуатируется надлежащим образом при разных условиях окружающей среды, то можно регистрировать также значения внешних условий, например, температура или влажность воздуха среды, в которой эксплуатируется комплектующая деталь, и получать действующие операнды в зависимости от собранных результатов измерений условий окружающей среды.
Полученное правило расчета справедливо для комплектующих деталей из группы конструктивно идентичных деталей конструктивно идентичных транспортных средств и может быть распространено на однотипные транспортные средства. Таким образом требуется только одна фаза настройки. Это дает преимущество, прежде всего, в случае эксплуатационных нагрузок, которые очень трудоемки для измерения. Кроме того, во время фазы настройки в разных режимах эксплуатации не обязательно используется одна и та же деталь, а деталь из группы конструктивно идентичных деталей, из которых затем выбирается деталь для эксплуатационной фазы.
С помощью способа, описанного в изобретении, можно определять оптимальные режимы эксплуатации комплектующей детали. Для этого способ включает в себя соответствующий этап, следующий за этапом д.
Кроме того, способ позволяет легко определять различные эксплуатационные нагрузки на комплектующие детали различных производителей.
Благодаря тому, что режиму эксплуатации могут лишь незначительно отличаться друг от друга, например, что касается, участков дороги, продолжительности или условий окружающей среды, во время фазы настройки не требуется имитировать особые условия эксплуатации, в частности, специальные режимы движения. Достаточно осуществлять мониторинг за соответствующими результатами измерений во время обычных пуско-наладочных прогонов.