ДИАГНОСТИКА СОСТОЯНИЯ КОЛЕС РЕЛЬСОВОГО ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА
RAILWAY VEHICLE WHEELS CONDITION DIAGNOSTICS

Область техники
Изобретение касается способа диагностики состояния колес рельсового транспортного средства какого-либо рельсового транспортного средства. Кроме того, настоящее изобретение включает в себя устройство, предназначенное для диагностики состояния колес рельсового транспортного средства.
Общеизвестно, что колеса рельсового транспортного средства со временем подвергаются естественному износу или, соответственно, повреждению и изнашиванию, которое приемлемо только в известных, предварительно определенных областях эксплуатации. Когда достигаются пределы этих предварительно определенных областей эксплуатации, то должно проводиться техническое обслуживание или, соответственно, перепрофилирование колеса рельсового транспортного средства, напр., по DIN EN 15313:2010 «Железнодорожный транспорт. Колесные пары, находящиеся в эксплуатации. Техническое обслуживание во время эксплуатации и после демонтажа.» или, соответственно, при необходимости следует заменить все колесо рельсового транспортного средства.
Так как повреждение и изнашивание колес рельсового транспортного средства по виду и объему очень сильно зависимы от эксплуатационного применения, необходимы регулярные проверки, чтобы можно было оценивать, находятся ли колеса рельсового транспортного средства в годном к эксплуатации состоянии. Эти проверки иногда связаны с очень высокими расходами, поэтому они проводятся в полном объеме только в серьезных случаях или, соответственно, через заданные интервалы (напр., через заданные интервалы времени, или после заданного пробега). Однако редкие проверки колес транспортного средства приводят к повышенному риску необходимости проведения внеплановых мероприятий по текущему ремонту, из-за чего снижается готовность рельсовых транспортных средств к использованию в полном объеме.
Причем обычно пробег колес рельсового транспортного средства чаще всего измеряется и оценивается в километрах пройденного участка пути (мера длины) и реже - в единицах времени (напр., часах эксплуатации), так как эксплуатационные состояния транспортных средств слишком сильно варьируются по сравнению со статическими машинами. При этом на практике пройденный участок пути оказался более целесообразным критерием сравнения. Соответственно этому, замер профилей колес происходит, например, после каждых 20000 км.
Кроме того, после каждой проверки должно приниматься решение, находится ли это колесо рельсового транспортного средства не только в годном к эксплуатации состоянии, но и останется ли это колесо рельсового транспортного средства в годном к эксплуатации состоянии до следующей проверки. Однако это, в итоге, оценивается монтажником на основании его опыта и ожидания. Таким образом, слишком редкие проверки при определенных обстоятельствах могут приводить к тому, что в более позднем будущем дополнительно должны будут проводиться ненужные мероприятия по текущему ремонту, из-за чего снижается рентабельность. При этом расходы на текущий ремонт колес чаще всего составляют наибольшую часть всех расходов на текущий ремонт ходовой части рельсового транспортного средства.
При этом оценка монтажника может оказаться неправильной из-за чередующихся, внезапно изменяющихся условий эксплуатации (напр., транспортное средство после изменения графика движения применяется совсем на других участках пути). Ярким примером этого является универсальный локомотив, который в большом количестве экземпляров используется в Европе. Обычно он почти не обнаруживает износа гребня бандажа и между двумя перепрофилированиями достигает пробегов намного больше 200000 км. Замер профилей колес, то есть также оценка износа гребня бандажа, происходит через каждые 100000 км. При этом, однако, возникают также «выбросы» (резко выпадающие значения), при которых единичные транспортные средства использовались особым образом, так что вследствие износа гребня бандажа именно они когда-либо достигали интервала прибл. в 40000 км, то есть меньше половины пробега от перепрофилирования до первого замера. Такие выбросы обнаруживаются только при визуальном контроле, когда гребни бандажа имеют удивительно большую потерю материала, и поэтому проводится «специальный замер».
К этому надо добавить также так называемые «единичные события», которые тоже могут приводить к внезапным дефектам. Примером являются ошибки торможения, которые могут приводить к ползунам. Если они остаются необнаруженными, то из-за этого могут возникать отрицательные последствия, которые дополнительно снижают срок службы колес рельсового транспортного средства и других компонентов.
Уровень техники
В настоящее время проверки колес рельсовых транспортных средств осуществляются путем осмотров или путем измерения разных показателей. Для измерения показателей имеются в распоряжении механические измерительные системы с ручным обслуживанием, оптические измерительные системы с ручным обслуживанием, а также автоматические измерительные системы, которые проложены в рельсовом пути. Подробный обзор таких автоматических измерительных систем дан в публикации Георга Хаушильда и Петера Нойманна «Автоматическая диагностика состояния железнодорожных колес с помощью системы АРГУС», в ZEV+DET Glas, периодическое издание 124, №12 от 2000 г.
Возможны также акустические измерительные системы для ползунов и некруглостей. Точно так же в качестве критерия могут измеряться и оцениваться динамические силы в вертикальном направлении, а также вертикальное ускорение на осевом подшипнике. У некоторых эксплуатационников производится также регулярная оценка сотрудником, который едет вместе с транспортным средством, чтобы видеть, как в общем и целом ведет себя это транспортное средство. При таких совместных поездках могут, напр., также распознаваться ползуны и некруглости.
По сути, общим для многих измерительных систем является то, что для измерения рельсовое транспортное средство должно подъезжать к заданной испытательной площадке, чтобы можно было замерять или, соответственно, проверять колеса рельсового транспортного средства через обычно предварительно заданные интервалы.
В принципе, для диагностики состояния колес рельсовых транспортных средств в рельсовых транспортных средствах могли бы применяться по меньшей мере оптические системы, что, однако, не было до сих реализовано по финансовым причинам, а также по технологическим причинам, так как, например, оптические системы очень чувствительны в отношении загрязнений, в частности, потому что для каждого колеса рельсового транспортного средства нужна была бы собственная измерительная система. Современные системы диагностики ходовой части до сих пор удовлетворяют непосредственно только единичным отдельным аспектам, например, замер/расчет диаметра колеса, или опосредствованно, например, измерение нестабильности проката бандажа колес или ползунов.
Ползуны чаще всего можно распознать только опосредствованно с помощью акустических сенсоров или по вертикальным силам или, соответственно, ускорениям, в то время как в отношении диаметров колес требуется также расчет с разными входными величинами, чтобы можно было прийти к фактически имеющемуся в данное время диаметру колеса. Однако, в противоположность ползунам, тогда получают значение диаметра колеса в мм.
2
В отличие от этого, при методах обнаружения ползунов, которое в соответствии с нормами должно осуществляться по длине ползуна в мм, для каждой измерительной системы должны индивидуально задаваться пределы для акустического сигнала или же динамические силы (кН) или ускорения (м/с).
Однако при этих способах может определяться только фактическое состояние колес рельсового транспортного средства. Прогноз возможен только посредством экстраполяции предшествующих результатов измерений на основе предшествующей эксплуатации колес рельсового транспортного средства. Однако в случае, если эксплуатация колес рельсового транспортного средства неожиданно изменяется, например, из-за того, что рельсовое транспортное средство получает новый отведенный для него участок пути, дать прогноз уже невозможно или, соответственно, последний сделанный прогноз неверен.
Математическая модель, которая допускает расчет естественного износа профиля колес по меньшей мере оффлайн, то есть, не непосредственно на рельсовом транспортном средстве, и при этом либо с большой задержкой во времени, либо вообще задним числом, была разработана Бьерном Олафом Кэмпфером в рамках его диссертации «Модель характеристики износа колес рельсовых транспортных средств» в Техническом университета в Граце в 2005 году. Однако при этом невозможно регистрировать эксплуатационные состояния колес рельсового транспортного средства или участки пути, по которым движется рельсовое транспортное средство, в текущем режиме на ходу, то есть онлайн, из-за чего возникают большие неточности в прогнозах.
Изложение изобретения
Поэтому задачей настоящего изобретения является создать способ, с помощью которого может даваться надежный прогноз о необходимости проведения следующего технического обслуживания колес рельсового транспортного средства в зависимости от вида их нагрузки, при этом речь идет, например, о весе поезда или возникающих тяговых или тормозных силах. Кроме того, должна быть получена возможность, в любой момент времени после последнего технического обслуживания давать заключение относительно состояния колес рельсового транспортного средства.
Эта задача решается с помощью способа с признаками пункта 1 формулы изобретения, при этом в пределах заданного интервала (напр., интервала времени или интервала участка пути или маршрута следования) с помощью по меньшей мере одной измерительной системы находится по меньшей мере одно значение нагрузки какого-либо вида нагрузки колес рельсового транспортного средства, и с помощью математической модели из указанного по меньшей мере одного значения нагрузки, а также из нулевого измерения или промежуточного измерения начального значения изнашивания, определяется, напр., рассчитывается текущее значение изнашивания колес рельсового транспортного средства. Таким образом может находиться абсолютное текущее значение изнашивания, то есть, напр., текущий размер толщины гребня бандажа или высоты гребня бандажа. Изобретение не исчерпывается указанием только одного относительного значения изнашивания, то есть, напр., указанием только того, насколько изменяется толщина гребня бандажа или высота гребня бандажа при данной нагрузке.
Таким образом, изобретение заключается в том, чтобы проводить расчет повреждения колес рельсового транспортного средства, которые находятся на рельсовых транспортных средствах, в зависимости от фактической эксплуатации или, соответственно, пройденного участка пути, без необходимости подъезжать к собственной испытательной площадке. Это значит, рельсовое транспортное средство находится в эксплуатации, когда осуществляется измерение с помощью измерительной системы. Расчет значения изнашивания может осуществляться посредством компьютера на рельсовом транспортном средстве. При этом в одном из альтернативных вариантов осуществления возможно также, чтобы измерение осуществлялось только на рельсовых транспортных средствах, и необработанные данные (данные измерений=значения нагрузки) или «промежуточные данные» передавались в стационарный компьютер за пределами рельсового транспортного средства, который затем выполняет непосредственный расчет.
Другими словами, целью настоящего изобретения является, получить возможность отказаться от точечных измерений после определенных пробегов, и получить возможность наиболее оптимального возможного использования эксплуатационных пределов для соответствующих видов повреждения. В качестве следующего шага следует рассматривать уменьшение указанного вида повреждения или, соответственно, его устранение, это касается, напр., составление расчета для токарного станка, или можно было бы также давать диспоненту транспортного средства рекомендации, как он должен использовать транспортное средство в будущем, чтобы колеса служили как можно дольше.
При этом может быть полезным, если с помощью системы локации/связи в рельсовом транспортном средстве считывается текущее положение рельсового транспортного средства.
Можно ежедневно считывать с помощью системы связи или, соответственно, сообщать на пульт управления текущее состояние колес рельсового транспортного средства. Это значит, можно в текущем режиме на ходу отображать ежедневное текущее состояние колес рельсового транспортного средства не только в рельсовом транспортном средстве, но и на пульте управления, или передавать на пульт управления значения измерений, например, посредством USB-стика, радиоустройства и т.п.
Также могут регистрироваться чрезвычайные события, например, такие как остановы колес, которые возникают во время движения рельсового транспортного средства и приводят к ползунам колес. При этом часто речь идет о блокировании колес при торможении, которое у рельсового транспортного средства на самом деле называется боксованием, при этом ABS у легкового автомобиля у рельсовых транспортных средств называется защитой от боксования. Блокирующее колесо при останове колес скользит по рельсу и изнашивается только в одном месте. Это сопровождается выделением тепла, которое, с одной стороны, может вызывать изменения в материале (и соответствующие отрицательные последствия), а с другой стороны, также оплавление стали. Таким образом, основной предпосылкой для ползунов является движение транспортного средства и действие тормозных сил на колеса. Однако в принципе, термическое повреждение возможно также, когда колеса прокручиваются при приводе, хотя при этом и не возникают ползуны, а происходит только термическое повреждение колес.
При знании состояния колес рельсового транспортного средства возможно также, чтобы рельсовое транспортное средство самостоятельно делало заявку диспоненту мастерских на перепрофилирование или замену колес. При этом возможно также, чтобы составлялся список очередности транспортных средств, с помощью которого диспонент автоматически информируется о том, у каких рельсовых транспортных средств диспонент в первую очередь должен принять дополнительные меры.
Соответствующее предлагаемое изобретением устройство для диагностики состояния колес рельсового транспортного средства включает в себя компьютер, причем это устройство включает в себя также по меньшей мере одну измерительную систему для измерения по меньшей мере одного вида нагрузки, и компьютер выполнен так, что в пределах заданного интервала с помощью по меньшей мере одной измерительной системы могло находиться по меньшей мере одно значение нагрузки какого-либо вида нагрузки колес рельсового транспортного средства, и с помощью математической модели из указанного по меньшей мере одного значения нагрузки, а также из нулевого измерения или промежуточного измерения начального значения изнашивания рассчитываться текущее значение изнашивания колес рельсового транспортного средства. Компьютер может, например, иметь компьютерный программный продукт, который включает в себя некоторую программу и может непосредственно загружаться в память компьютера, имеющую программные средства для выполнения всех шагов предлагаемого изобретением способа, когда эта программа выполняется компьютером.
В одном из предлагаемых изобретением вариантов осуществления текущее значение изнашивания отправляется в банк данных износа за пределами рельсового транспортного средства. При этом банк данных износа при необходимости включает в себя не только текущие значения изнашивания рельсового транспортного средства, но и значения изнашивания целого парка рельсовых транспортных средств.
Это имеет то преимущество, что внешние инстанции на ходу имеют доступ к банку данных износа или, соответственно, могут считывать его и таким образом получать информацию относительно состояния колес рельсового транспортного средства, благодаря чему эти внешние инстанции заранее могут принимать первые подготовительные меры по техническому обслуживанию или, соответственно, по замене колес, а также по дальнейшему использованию рельсового транспортного средства. При этом значения изнашивания в банке данных износа отправляются, например, диспоненту мастерских или диспоненту рельсового транспортного средства.
Таким образом, на основании расчетного значения изнашивания или, соответственно, повреждения может даваться рекомендация диспоненту рельсового транспортного средства, как наилучшим образом должно использоваться это рельсовое транспортное средство, исходя из его текущего эксплуатационного состояния, чтобы могли достигаться оптимальные интервалы перепрофилирования. Например, при прямых участках железнодорожного пути следует принимать в расчет расширяющуюся толщину гребня бандажа, в то время как у участков железнодорожного пути с большой кривизной она уменьшается. При регулярной смене этих двух областей использования может, таким образом, поддерживаться постоянная толщина гребня бандажа в пределах некоторого поля допусков, так что достижение минимального или максимального предела поля, на профессиональном жаргоне называемого также предельным эксплуатационным размером по DIN 27200, для толщины гребня бандажа наступает не так быстро, и колесо рельсового транспортного средства дольше находится в эксплуатации. Например, минимальный предельный эксплуатационный размер высоты гребня бандажа при диаметре колеса больше 760 мм составляет 27,5 мм, а при диаметре колеса от 330 мм до 760 мм - около 32 мм, в том и другом случае при максимальном предельном эксплуатационном размере 36 мм. Эти предельные значения действуют для европейских магистральных железных дорог с нормальной шириной колеи, для которых действует EN 15313. У дорог с другой шириной колеи, магистральных железных дорог с нормальной шириной колеи за пределами Европы (напр., в США или Китае), метро, трамвайных дорог и пр., могут действовать другие предельные значения, при этом предлагаемый изобретением способ применим равным образом.
При этом автоматически генерируемое оповещение диспонента мастерских или машиниста тяговой единицы подвижного состава при достижении предельного эксплуатационного размера или, соответственно, при возникновении чрезвычайного события, например, ползуна, снижает потребность в персонале и вместе с тем текущие расходы (вследствие выхода из строя или, соответственно, уменьшения количества текущих проверок). Кроме того, могут предотвращаться отрицательные последствия, например, в виде глубоко идущих трещин как следствия ползунов. Благодаря автоматическому оповещению диспонента мастерских становится возможным оптимальное использование колес рельсового транспортного средства, благодаря чему дополнительно повышается эксплуатационная долговечность колес. При этом следует учитывать, что, вопреки традиционному определению термина, она относится не к мере времени, а к мере длины.
В одном из предлагаемых изобретением вариантов осуществления возможно также, чтобы на основании банка данных износа, проводилась аналитическая обработка нескольких значений изнашивания, причем эта аналитическая обработка может относиться к рельсовому транспортному средству, моторвагонному поезду или всему парку рельсовых транспортных средств. Могут рассчитываться соотношения между различными колесами, сравниваться возникающие дефекты, может определяться, при каком пробеге возникают эти дефекты, или каково прогрессирование дефекта.
Может быть предусмотрено, чтобы измерения, и предпочтительно также соответствующие расчеты, проводились в заданном интервале времени в диапазоне от 1 с до 10 с, предпочтительно от 1 с до 2 с, при этом предпочтительно имеется система, способная работать в реальном времени. Следует принимать в расчет, что при прогрессирующем усовершенствовании измерительных систем дополнительно уменьшается время расчета. Однако, в принципе, интервалы времени не подлежат никакому ограничению и могут составлять от одной тысячной секунды (и меньше) до нескольких лет, в зависимости от исследуемой нагрузки.
В частности, возможно также, чтобы в случае применения интервала маршрута следования определялся диапазон от 1 м до 100000 км, причем этот интервал маршрута следования определяется в зависимости от данного вида нагрузки, который также задается предназначенным для движения участком пути. В принципе, интервалы маршрута следования не подлежат никакому ограничению и могут составлять от нескольких миллиметров до миллионов километров, в зависимости от исследуемой нагрузки.
При этом виды нагрузки, которые должны находиться измерительными системами, могут представлять собой скорость движения и/или вес рельсового транспортного средства и/или возвышение наружного рельса и/или радиус кривой рельсового пути и/или коэффициент трения между колесом рельсового транспортного средства и рельсом и/или по меньшей мере одну тяговую/тормозную силу или т.п. Разумеется, возможны также другие виды нагрузки и могут комбинироваться в названными видами нагрузки.
В случае, если для учитываемых в данном случае видов нагрузки имеются в распоряжении математические модели, которые могут соответственно быстро рассчитывать значение изнашивания, то, конечно, предпочтительно применять такие математические модели. Некоторые примеры математических моделей уже назывались.
Однако для быстроты определения значений изнашивания может быть предпочтительно, заранее рассчитывать и сохранять в памяти соответствующие значения изнашивания с помощью математических моделей для определенных видов нагрузки и при этом также для определенных значений нагрузки. После осуществленного измерения какого-либо значения нагрузки на находящемся в эксплуатации рельсовом транспортном средстве затем может считываться подходящее (= связанное с соответствующими значениями нагрузки) значение изнашивания и выдаваться в качестве фактического значения нагрузки.
Необходимая для выполнения способа математическая модель может, например, включать в себя по меньшей мере одну справочную таблицу со значениями изнашивания для разных видов нагрузки для соответствующих нескольких значений нагрузки каждого вида нагрузки, при этом с помощью математической модели могут выполняться следующие шаги:
- измерение значения нагрузки по меньшей мере одного вида нагрузки на рельсовом транспортном средстве в пределах заданного интервала;
- определение фактического значения изнашивания для измеренного вида/измеренных видов нагрузки, предпочтительно в пределах заданного интервала, из справочной таблицы.
На основе значений изнашивания, взятых из справочной таблицы для каждого вида нагрузки, может находиться максимальное имеющееся в это время значение изнашивания, а также при необходимости планироваться дальнейшее использование рельсового транспортного средства.
Дополнительно математическая модель с применением справочной таблицы может включать в себя следующий шаг:
- определение фактического значения изнашивания путем интерполяции между значениями изнашивания справочной таблицы.
Так как в справочной таблице может сохраняться только конечное множество значений изнашивания для конечного множества значений нагрузки (или, соответственно, комбинаций значений нагрузки различных видов нагрузки), при значениях нагрузки, для которых не сохранено значение изнашивания, в качестве результата может использоваться некоторое значение изнашивания, рассчитанное из имеющихся, напр., соседних, значений нагрузки и поставленных им в соответствие значений изнашивания. Альтернативно этому для сохраненных значений нагрузки могут определяться области (которые следуют без промежутков друг за другом), так чтобы каждое значение нагрузки, которое попадает в эту область, приравнивалось к сохраненному значению нагрузки, и в качестве результата выдавалось то значение изнашивания, которое поставлено в соответствие сохраненному значению нагрузки.
Особенно простой расчет значения изнашивания получается, когда математическая модель с применением справочной таблицы включает в себя также следующие шаги:
- умножение найденных значений изнашивания на коэффициент частости, заданный для данной комбинации значений нагрузки (в частности, в соответствии с поясняемой ниже программой эксплуатации или, соответственно, поясняемыми ниже условиями использования);
- суммирование значений умножения с получением общего значения изнашивания.
Этот вид расчета соответствует методу 1: сначала находится только частость отдельных эксплуатационных состояний (то есть некоторого значения нагрузки или некоторой комбинации определенных значений нагрузки различных видов нагрузки) применительно к длине участка пути (или при необх. времени). Коэффициенты частости соответствуют по существу влиянию отдельных видов нагрузки на общую нагрузку, и с помощью суммирования может непосредственно находиться имеющееся в данный момент на рельсовом транспортном средстве значение изнашивания.
Пример: из 100000 км пройденного участка пути 20% были пройдены в эксплуатационном состоянии A, 15% - в эксплуатационном состоянии B и т.д. Затем значения изнашивания для повреждений в справочной таблице/справочных таблицах взвешиваются, исходя из процентного или относительного распределения эксплуатационных состояний, и затем суммируются с получением общего результата, который экстраполируется на фактический общий пробег, то есть 100000 км.
Другой расчет значения изнашивания предусматривает метод 2: эксплуатационные условия между двумя измерениями принимаются за постоянные. Теперь из справочной таблицы/справочных таблиц можно выбрать соответствующее значение повреждения для этого эксплуатационного состояния и масштабировать на пройденный участок пути до следующего измерения. Затем это значение повреждения можно сложить с предыдущим повреждением и повторить процесс при следующем измерении.
Метод 3 представляет собой комбинацию из метода 1 и метода 2: для некоторого промежутка времени или участка пути (напр., один день) маршрута следования определяют относительную частость применительно к пройденному участку пути маршрута следования. После этого рассчитывают повреждение для этого участка пути маршрута следования и прибавляют его к предыдущему повреждению. Этот третий вариант интересен, прежде всего, тогда, когда знают, что транспортное средство имеет некоторые перерывы движения (напр., ночные перерывы в эксплуатации), при которых гарантировано, что у центрального процессора имеется достаточно времени для сложных расчетов.
При этом общим для всех трех методов является то, что стартовые значения должны задаваться извне. Так, например, толщина гребня бандажа после перепрофилирования может изготавливаться с различными значениями. Так как способ расчета находит только лишь изменение (в этом случае толщину гребня бандажа), нужно стартовое значение, чтобы можно было найти текущее абсолютное значение - это может осуществляться, разумеется, автоматически или вручную. Опционально расчетные значения при всевозможных измерениях эксплуатационного состояния колес могут корректироваться.
При этом суммирование необходимо только при видах повреждения, которые прогрессируют медленно (например, при естественном износе). При единичных событиях (напр., ползуны) достаточно, если критическая ситуация рассчитывается один раз. Тогда как бы переключается выключатель с «повреждение (т.е. ползун) отсутствует» на «имеется повреждение»).
Таким образом, в начале или, соответственно, после перепрофилирования колес рельсового транспортного средства или после их замены должно проводиться нулевое измерение начальной степени изнашивания колес рельсового транспортного средства. Это нулевое измерение должно учитываться математической моделью или, соответственно, последующий расчет значений износа проводится, исходя из результатов нулевого измерения.
Равным образом возможно, чтобы математическая модель включала в себя также промежуточное измерение начального значения изнашивания колес рельсового транспортного средства.
В другом варианте осуществления изобретения математическая модель дополнительно учитывает ограниченные во времени чрезвычайные события рельсового транспортного средства. Эти чрезвычайные события могут, например, представлять собой остановы колес, которые возникают во время движения и вызывают ползуны по периметру колес.
Кроме того, полученные с помощью измерительных систем данные частично могут также предоставляться для других целей. Так, например, возможно, чтобы с помощью локационной системы проводилась смазка гребня бандажа релевантных кривых участка пути, благодаря чему снижается расход смазочного средства и одновременно снижается или, соответственно, находится износ гребня бандажа. Кроме того, могут также обосновываться принятые нагрузки или, соответственно, максимально допустимый общий вес.
Преимуществом, которое получается из измерения онлайн на ходу, является то, что одновременно имеются данные из одного источника, так что в любой момент времени известно, какая скорость движения, какой радиус кривой и какое возвышение рельса возникают одновременно.
Другим преимуществом является, что способ в соответствии с настоящим изобретением может дополняться другими математическими моделями, напр., «математической моделью RCF» для колес Адама Бевана: "„Development of the Vehicle Track Interaction Strategiс Model: WP1 - Development of the Wheel Profile Damage Model", RSSB T792, Stage 2, от 2011 года. Точно также возможно применение других математических моделей, которые будут разработаны в будущем.
На основании приведенных выше вариантов осуществления получается то преимущество, что можно обойтись без обычно принятого замера и визуального контроля колес рельсового транспортного средства или, соответственно, он должен выполняться только лишь в ограниченном объеме. При этом собираемые измерительными системами данные могут также предоставляться для автоматической аналитической обработки.
Из-за теперешней точечной проверки колес рельсового транспортного средства с определенными интервалами, мероприятия по текущему ремонту на основе различных предписаний по безопасности часто выполняются преждевременно до достижения допустимых предельных размеров. Непрерывная диагностика, в отличие от этого, позволяет лучше использовать резерв износа и вместе с тем продлить эксплуатационную долговечность колес.
Кроме того, благодаря непрерывной диагностике состояния износа колес рельсового транспортного средства имеется возможность планирования текущего ремонта или, соответственно, технического обслуживания колес рельсового транспортного средства, так что повышается также готовность к использованию.
Краткое описание фигур
Для дальнейшего пояснения изобретения в последующей части описания делается ссылка на фигуру, из которой явствуют другие предпочтительные варианты осуществления, подробности и усовершенствования изобретения. При этом показано:
фиг.1: схематичное изображение принципиальной взаимосвязи отдельных шагов способа диагностики состояния колес рельсового транспортного средства, а также взаимосвязь между рельсовым транспортным средством и пультом (пультами) управления, а также
фиг.2: принципиальное изображение шестимерной справочной таблицы.
Осуществление изобретения
Основной идеей решения, схематично показанного на фиг.1, является непосредственное измерение значений нагрузки на рельсовом транспортном средстве 1 и расчет из них значений изнашивания, релевантных для колес рельсового транспортного средства, непосредственно на рельсовом транспортном средстве 1 (или в другом месте), при этом в пределах заданного интервала с помощью по меньшей мере одной измерительной системы 4 находится по меньшей мере одно значение нагрузки какого-либо вида нагрузки колес рельсового транспортного средства, и с помощью математической модели 7 из указанного по меньшей мере одного значения нагрузки рассчитывается текущее значение изнашивания колес рельсового транспортного средства. Соответствующий интервал представляет собой либо интервал времени, либо интервал маршрута следования.
Расчетные значения изнашивания (значения износа) предпочтительно передаются в находящийся вовне банк 8 данных износа за пределами рельсового транспортного средства 1.
На основании этого банка 8 данных износа осуществляется аналитическая обработка 10 текущего значения изнашивания, чтобы можно было оценивать состояние колес рельсового транспортного средства, и чтобы при необходимости составлять сравнительную статистику между колесами рельсового транспортного средства и их нагрузками, а также участками железнодорожного пути, по которым должно совершаться движение, при этом значение изнашивания в банке 8 данных износа предпочтительно отправляется диспоненту 9 мастерских или диспоненту 11 рельсового транспортного средства, причем при необходимости осуществляется автоматическая заявка на текущий ремонт и техническое обслуживание колес рельсового транспортного средства, благодаря чему экономятся время и расходы. Равным образом могло бы осуществляться автоматическое оповещение машиниста локомотива, чтобы он мог при необходимости вводить срочные меры, например, в случае если дальнейшая эксплуатация в соответствии с местными предписаниями невозможна.
В случае, если значения изнашивания передаются диспоненту 11 рельсового транспортного средства, то существует возможность планирования им дальнейшего использования рельсового транспортного средства, так как, например, при прямых участках железнодорожного пути следует принимать в расчет расширяющуюся толщину гребня бандажа, в то время как толщина гребня бандажа у участков дороги с большой кривизной уменьшается.
В показанном здесь на фиг.1 примере осуществления на рельсовом транспортном средстве 1 предусмотрены банк 2 данных, система 3 локации/связи, измерительная система 4, память 5 для чрезвычайных событий, память 6 для нулевых измерений, а также математическая модель 7. Однако банк 8 данных износа и 10 аналитическая обработка 10 не расположены на рельсовом транспортном средстве. Система 3 локации/связи, а также измерительная система 4 должны быть расположены на рельсовом транспортном средстве. Распределение, какие из прочих названных компонентов системы расположены на рельсовом транспортном средстве, а какие нет, для осуществления изобретения несущественно. Так, например, банк 8 данных износа и/или аналитическая обработка 10 могли бы быть также предусмотрены на рельсовом транспортном средстве 1. Результаты аналитической обработки могли бы тогда выдаваться на рельсовом транспортном средстве, напр., на дисплее. Точно также можно было бы иметь банк 2 данных и математическую модель 7 оффлайн, то есть не на рельсовом транспортном средстве 1. Тогда рельсовое транспортное средство 1 просто только проводило бы измерения и передавало бы данные измерений в каком-либо виде (напр., по радио) на стационарный компьютер, который располагает банком 2 данных и выполняет непосредственные расчеты. Затем результат расчетов мог бы - также - передаваться в рельсовое транспортное средство 1.
В любом случае с помощью способа, выполняемого на рельсовом транспортном средстве 1 непосредственно или опосредствованно во время обычной эксплуатации на ходу, считывается состояние колес рельсового транспортного средства, причем при необходимости с помощью системы 3 локации/связи в рельсовом транспортном средстве 1 при необходимости считывается текущее положение рельсового транспортного средства 1. Причем при необходимости система 3 локации или, соответственно, связи поддерживает предлагаемый изобретением способ при сопоставлении предварительно найденного изнашивания с эксплуатационными условиями и помогает при диспозиции.
При этом банк 2 данных должен содержать информацию о трассировании, такую как радиус кривой и возвышение наружного рельса на участке пути маршрута следования. Тогда можно было бы вместе с локацией соответственно непосредственно регистрировать эти величины, при этом в одном из альтернативных вариантов осуществления можно непосредственно измерять эти величины с помощью также называемой инерциальной платформы или, соответственно, сенсора поперечного ускорения, который расположен непосредственно на транспортном средстве, так чтобы не обязательно нужна была система 3 локации или, соответственно, связи.
Скорость движения обычно находится с помощью стандартной бортовой электроники, причем при необходимости имеются в распоряжении различные альтернативы. То же самое относится к моменту привода и торможения двигателя, который преобразуется в силу между колесом и рельсом, причем в случае пневматического тормоза речь идет о давлении тормозного цилиндра.
В качестве системы локации может использоваться любая подходящая система, например, в виде GPS. Система, которая применяется в технике безопасности поездов, основывается, например, на том, что в рельсовом пути проложены путевые датчики, так называемые бализы, которые сообщают транспортному средству текущее положение. Тогда между двумя бализами транспортное средство самостоятельно определяет свое местонахождение на участке пути маршрута следования, по которому оно движется.
Для передачи данных в простейшем случае используется стандартная мобильная радиосеть, причем при необходимости имеются в распоряжении различные альтернативы, например, в виде USB-стика.
Однако в предлагаемом изобретением способе является существенным, что в зависимости от того, какие нагрузки фактически возникают при эксплуатации, становятся релевантными различные виды дефектов.
Этот подход имеет то преимущество, что в зависимости от потребности и возрастающего знания могут применяться, дополняться или заменяться сколь угодно моделей повреждений, так что предлагаемый изобретением способ является, в принципе, открытым.
При этом образование трещин при усталости в контакте качения (RCF) (англ. Rolling Contact Fatigue) в некоторой мере соответствует естественному износу. При этом наплавки, как правило, являются следствием ползунов, причем в таблицах, точнее говоря, справочных таблицах, отмечена расчетная температура в контакте колесо-рельс для каждого эксплуатационного состояния. Так как при этом речь идет о сингулярных событиях, которые являются релевантными, однократного превышения критической температуры достаточно, чтобы создать дефект, поэтому должна делаться отметка, что теперь имеется дефект.
В связи с этим в следующей таблице 1 показана упрощенная двухмерная справочная таблица применительно к скорости и радиусу кривой, для каждого из которых внесено соответствующее значение изнашивания на единицу длины для комбинации этих двух видов нагрузки. При этом дополнительно в скобках отмечено соответствующее распределение P частости в процентах, что соответствует, таким образом, поясненному выше методу 1.
Скорость (V)
10 км/ч
30 км/ч
40 км/ч
50 км/ч
60 км/ч
Радиус кривой (R)
100 м
6 (5%)
…….
…….
30 (60%)
…….
400 м
…….
…….
…….
700 м
10 (20%)
…….
17 (15%)
…
…….
Таб.1: двухмерная справочная таблица
При этом важно, что сумма %-значений для определенного участка пути всегда дает 100%, причем при другом использовании в эксплуатации на другом участке пути получаются, конечно, другие процентные значения.
Тогда общее повреждение Wобщ. на длине участка получается из следующей формулы:
Wобщ.=сумма [W*P]
Wобщ.=[6*0,05]+[30*0,3]+[10*0,2]+[17*0,15]=13,85 (2)
Так как это общее значение повреждения Wобщ. все еще относится к длине данного участка пути, его надо также умножить на пройденный общий участок пути, что тогда соответствует изменению повреждения, которое возникает во время движения на этом общем участке пути, причем к этому значению потом еще должно прибавляться значение нулевого измерения, в принципе предварительного повреждения или исходного значения.
При поясненном выше методе 2 таблица со значениями W повреждения идентична. Однако при любом измерении проверяют, в каком поле таблицы повреждений находятся (напр., R=700 м; V=10 км/ч), затем по соответствующему ему значению повреждения (значение изнашивания, в этом случае W(R=700 м; V=10 км/ч) и для пройденного участка до следующего измерения находится инкрементальное повреждение, причем суммируется также предварительное повреждение. Затем при следующем измерении поступают аналогично.
Однако в реальности справочная таблица является не двухмерной, а, напр., шестимерной, то есть учитываются шесть видов нагрузки и их взаимное влияние. Принципиальное изображение шестимерной справочной нагрузки представлено при этом на фиг.2.
При этом коэффициент «W» представляет значения повреждения или, соответственно, изнашивания, в зависимости от используемой математической модели. Другие буквы представляют собой следующие шесть факторов влияния, в случае которых речь идет по меньшей мере об указанных видах нагрузки, которые должны находиться измерительной системой 4, например, о скорости движения и/или весе рельсового транспортного средства и/или возвышении наружного рельса и/или радиусе кривой рельсового пути и/или коэффициенте трения между колесом рельсового транспортного средства и рельсом и/или по меньшей мере одной тяговой/тормозной силе. При этом с возрастающими требованиями ко всей системе могут учитываться также и другие виды нагрузки, такие как, например, поперечное ускорение на кривой.
Коэффициенты частости берутся из фактической эксплуатации и указывают частость (как долю проходимого участка пути), которая получается при комбинации шести величин. При этом получается шестимерная таблица, в которой вместо значений повреждения указаны коэффициенты частости.
Обычно заданный интервал времени, в который выполняются измерения и расчеты, лежит в диапазоне от 1 с до 10 с, предпочтительно от 1 с до 2 с, причем при необходимости имеется система, способная работать в реальном времени. При этом также следует учитывать, что равным образом используемый интервал маршрута следования включает в себя диапазон от 1 мм до 100000 м, причем, конечно, предпочтительно тоже имеется система, способная работать в реальном времени. Разумеется, эти данные диапазонов зависимы от используемой измерительной системы 4 устройства, предназначенного для этого способа, и от скорости используемого средства передачи, поэтому на основе дальнейших разработок в этих диапазонах также может достигаться способность к работе в реальном времени.
Теоретически можно было бы, конечно, как-либо пополнить необходимые поясненные выше величины, например, контактной геометрией между колесом-рельсом (так называемую эквивалентную конусность) или же шириной колеи. Кроме того, возможны были бы измерительные системы для метеорологических данных для нахождения коэффициента трения между колесом и рельсом. При этом возможно было бы также измерение боксования или, соответственно, скорости бокосвания между колесом и рельсом.
Вообще, простейшим вариантом нахождения скорости движения считается расчет, основанный на частоте вращения колес и их диаметре. Однако когда передаются тяговые/тормозные силы, то при этом автоматически возникает ошибка, потому что эти силы могут передаваться только при легком проскальзывании колес (так называемое бокосование или, соответственно, скорость бокосования). В экстремальном случае это блокирование колес при торможении или, соответственно, ускорении при разгоне. Эти ошибки должны при необх. корректироваться. Зачастую имеется также незатормаживаемая эталонная ось, которая тогда дает сигнал скорости для всего моторвагонного поезда. Однако при этом, в принципе, возможны и другие системы измерения скорости, например, в виде радара.
В общем и целом, вес в порожнем состоянии транспортного средства известен, так что надо найти только дополнительный груз. В случае тормоза, зависящего от загрузки (напр., у грузового вагона), может использоваться и эта информация, что тогда, однако, чаще всего соответствует очень грубому приближению. Некоторые транспортные средства (напр., метро или подземные железные дороги) имеют на дверях автоматические системы подсчета пассажиров, так что, предположив средний вес пассажира, можно также рассчитать загрузку. Другим вариантом является применение пневматических рессор для закрытия дверей при (статическом) давлении, так как оно зависимо от загрузки, при этом между двумя открытиями дверей не должно изменяться состояние загрузки транспортных средств. В простейшем случае берут опытные значения эксплуатационника о поступлении пассажиров, причем тогда это должно быть зависимо от времени дня и данного участка пути, для чего нужны как часы, так и система локации, и в банк данных должны были бы быть также заложены значения загрузки. Возможны также места измерения в рельсовом пути, от которых результат передается затем в транспортное средство.
У локомотивов, например, дополнительный груз скорее нерелевантен, потому что масса машиниста чаще всего (относительно общего веса) значительно не варьируется. Исключением являются, возможно, дизельные локомотивы, у которых масса дизельного масла, возможно, все же составляет значительную долю. Но здесь можно прибегнуть к контролю уровня наполнения.
При предлагаемом изобретением способе имеются в распоряжении, в принципе, два разных варианта для считывания текущего положения в пределах определенного интервала.
Вариант 1
Транспортное средство располагает системой локации и банком данных или, соответственно, банком данных участка пути, в котором заложены данные трассирования в виде радиуса кривой и возвышение в зависимости от хода участка пути. Тогда путем сравнени сигнала локации с банком данных участка пути выбирается соответствующее текущее значение радиуса кривой и возвышения. Для этого нужна непрерывная локация и при необх. несколько независимых систем локации, причем этот вариант функционирует только на известных участках пути.
Подвариантом этого варианта является применение спутниковой локации, при этом характеристика сигнала локации может также применяться для расчета радиуса кривой. Причем при необх. может также использоваться самообучающаяся система, при которой транспортное средство замечает, какие участки пути оно уже однажды проходило, и как проходят радиусы кривой на этих участках пути, в результате чего транспортное средство закладывает собственный банк данных участка пути. Теоретически этой информацией рельсовые транспортные средства могли бы также обмениваться между собой через систему связи.
Вариант 2
Но можно также, например, находить радиус кривой с помощью инерциальной платформы. Такая инерциальная платформа была бы тогда смонтирована непосредственно на транспортном средстве и, по меньшей мере для этой цели, не нужна была бы ни система локации, ни банк данных участка пути. Когда скорость движения и радиус кривой известны, возвышение наружного рельса может при этом рассчитываться также по так называемому поперечному ускорению, так что дополнительно на транспортном средстве надо также измерять поперечное ускорение. Это осуществляется с помощью уравнения движения по кругу, при этом возвышение должно уравнивать центростремительное ускорение.
Предлагаемая изобретением математическая модель 7 включает в себя, таким образом, справочную таблицу, которая содержит значения изнашивания для разных видов нагрузки, при этом с помощью математической модели 7 выполняются следующие шаги расчета:
- измерение значения нагрузки по меньшей мере одного вида нагрузки на рельсовом транспортном средстве в пределах заданного интервала;
- определение фактического значения изнашивания для измеренного вида нагрузки/измеренных видов нагрузки, предпочтительно в пределах заданного интервала, из справочной таблицы.
Так как рельсовое транспортное средство чаще всего едет не точно, напр., с одной из указанных в справочной таблице скоростей, для точного расчета фактического значения изнашивания между двумя данными скоростей, между которыми в это время находится данная скорость, должна проводиться интерполяция.
В частности, должна осуществляться интерполяция между значениями видов нагрузки и только после этого рассчитываться значение изнашивания в зависимости от скорости, то есть тоже на основе интерполяции. Однако предпочтительно выбор значения осуществляется между двумя значениями одного вида нагрузки, при этом имеется некоторая граница. Все, что выше этой границы, относится к большему значению, а все, что меньше, относится к меньшему значению.
Отобранные из справочной таблицы для отдельных видов нагрузки значения изнашивания могут в дальнейшем анализироваться таким образом, что, например, выбирается максимальное значение изнашивания, и в дальнейшем через банк 8 данных износа сообщается диспоненту 9 мастерских или диспоненту 11 рельсового транспортного средства. Возможно также, чтобы, когда возникает максимальное значение изнашивания какого-либо вида нагрузки, в соответствии с приведенным выше пояснением касательно толщины гребня бандажа, участок железнодорожного пути менялся, и таким образом повышался срок службы.
Кроме того, математическая модель 7 может также включать в себя следующие шаги расчета:
- умножение найденных значений изнашивания на коэффициент частости, заданный для данной комбинации значений нагрузки;
- суммирование значений умножения с получением общего значения изнашивания.
Коэффициенты частости находятся предварительно с помощью разных тестовых прогонов или же основываются на опытных значениях или, соответственно, экспертном знании. В частности, эти коэффициенты частости соответствуют так называемым факторам влияния, а именно, какой вид нагрузки имеет какое влияние на значение изнашивания или, соответственно, значение повреждения. Другими словами, распределения частости должны отображать фактическую эксплуатацию.
Чтобы могло эффективно рассчитываться значение изнашивания или, соответственно, значение повреждения, вначале должно выполняться нулевое измерение 6, при этом измеряется степень начального изнашивания колес рельсового транспортного средства, например, после перепрофилирования, а затем сообщается математической модели 7. При этом равным образом предлагаемый изобретением способ может также включать в себя промежуточное измерение значения изнашивания колес рельсового транспортного средства.
Опционально при этом, конечно, можно также путем дополнительных измерений корректировать расчетное значение и заменять новым нулевым измерением.
В другом предлагаемом изобретением варианте осуществления возможно, чтобы математическая модуль 7 дополнительно учитывала ограниченные во времени чрезвычайные события 5 рельсового транспортного средства 1. Эти чрезвычайные события 5 представляют собой, например, остановы колес, которые возникают во время движения и вызывают ползуны по периметру на колесе рельсового транспортного средства.
Для выполнения вышеописанного и изображенного в основных чертах на фиг.1 шага способа необходимо устройство для диагностики состояния колес рельсового транспортного средства. Это устройство включает в себя компьютер, а также при необходимости систему измерения скорости. Кроме того, устройство включает в себя по меньшей мере одну измерительную систему 4 для измерения по меньшей мере одного другого вида нагрузки.
На фиг.1 видно, что вся информация указанной по меньшей мере одной измерительной системы 4, системы 3 локации/связи, а также информация касательно начального нулевого измерения 6 и при необходимости информация касательно возникающих чрезвычайных событий 5 предоставляются в распоряжение математической модели 7 для расчета значения изнашивания колес рельсового транспортного средства непосредственно во время эксплуатации рельсового транспортного средства 1.
СПИСОК ССЫЛОЧНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ
1 Рельсовое транспортное средство
2 Банк данных
3 Система локации/связи
4 Измерительная система
5 Чрезвычайные события
6 Нулевое измерение
7 Математическая модель
8 Банк данных износа
9 Диспонент мастерских
10 Аналитическая обработка
11 Диспонент рельсового транспортного средства.