WYKORZYSTANIE PARAMETRÓW STATYSTYCZNYCH SYGNA ÓW POMIAROWYCH W PROCESIE DIAGNOZOWANIA STANU ZAWIESZENIA POJAZDU SZYNOWEGO

Transkrypt

1 PRACE NAUKOWE POLITECHNIKI WARSZAWSKIEJ z. 98 Transport 2013 Rafa Melnik Politechnika Warszawska, Wydzia Transportu WYKORZYSTANIE PARAMETRÓW STATYSTYCZNYCH SYGNAÓW POMIAROWYCH W PROCESIE DIAGNOZOWANIA STANU ZAWIESZENIA POJAZDU SZYNOWEGO Rkopis dostarczono, kwiecie 2013 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 pasaerskim. 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 duych prdkoci obligatoryjne jest monitorowanie temperatury oysk maniczych. Pomimo istotnego wpywu na zachowanie dynamiczne i bezpieczestwo zawieszenie pojazdu szynowego nie byo do tej pory obiektem podlegajcym monitorowania za pomoc systemów zainstalowanych na pojedzie. 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 zaoe systemu jest wykorzystanie procedur i urzdze pomiarowych jak najbardziej zblionych do standardowych. Ponadto system przeznaczony jest do pracy w trakcie wykonywania

2 418 Rafa Melnik 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 moe zosta zainstalowany na kadym pojedzie szynowym. Celem systemu jest jakociowa ocena stanu zawieszenia I i II stopnia. Ponadto system ten pozwala na ocen stanu toru oraz monitorowania temperatury oysk maniczych. 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 kadym punkcie pomiarowym sygnay przyspieszenia rejestrowane s w kierunku pionowym (Z) i poprzecznym (Y). Rozmieszczenie punktów pomiarowych przedstawiono na rys. 1. Rys. 1. Rozmieszczenie punktów pomiarowych

3 Wykorzystanie parametrów statystycznych sygnaów pomiarowych w procesie 419 W systemie monitorowania istnieje moliwo 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 f s = 5 m -1. Ponadto znajduj si w nim informacje o pojedzie, czasie rejestracji i wspórzdne miejsca, w którym rozpoczto rejestracj danych. W przypadku przekroczenia wartoci wskanika diagnostycznego generowany jest pakiet kontrolny zawierajcy ostrzeenia i alarmy (w zalenoci 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 mona 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 powyszych parametrów. Wpyw uszkodze elementów zawieszenia na rejestrowane wartoci przyspieszenia jest do zoony. Rozpatrujc prosty ukad oscylatora harmonicznego mona 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 sprystych i tumicych, czsto o nieliniowej charakterystyce. Przy rónych wartociach prdkoci jazdy, wpyw uszkodzenia na wartoci rejestrowanych sygnaów przyspieszenia moe by inny ni w przypadku prostego oscylatora. We wczeniejszych pracach [1, 2, 5] badano wpyw uszkodze elementów zawieszenia na zmiany wartoci rónych 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 kadego z nich osobno wymaga ustalenia osobnych wartoci dopuszczalnych dla kadego z nich. W celu usprawnienia procesu diagnozowania w niniejszej pracy przedstawiono podejcie wykorzystujce wielowymiarow przestrze diagnostyczn.

4 420 Rafa Melnik Podstawowe zaoenia 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 zaoonej (dopuszczalnej) odlegoci jest symptomem diagnostycznym. Dla pojazdu nominalnego (sprawnego) mona utworzy wiele punktów N i (1) znajdujcych si w przestrzeni diagnostycznej. Kady z tych punktów odpowiada bdzie i temu przejazdowi po danym (tym samym) odcinku toru testowego z t sam prdkoci. Sygnay powinny by rejestrowane na odcinkach o tej samej dugoci. N i xn1, i, xn 2, i,..., xnn, i (1) gdzie: N i - punkt odpowiadajcy stanowi nominalnemu dla prdkoci o wspórzdnych x N1,i, x N2,i,..., x Nn,i i - numer pomiaru x N1,i, x N2,i,..., x Nn,i kolejne wartoci parametrów diagnostycznych dla stanu nominalnego od 1 do n, dla prdkoci Punkt referencyjny S (2) to punkt, którego wspórzdne powstaj poprzez urednienie wartoci wspórzdnych (wartoci wskaników diagnostycznych) wielu punktów N i dla stanu nominalnego (2.16). Punkt ten reprezentuje pojazd referencyjny (wzorcowy) w stanie nominalnym o urednionych wartociach wskaników diagnostycznych. S S n 1 Ni n i 1 (2) x S1, x S 2,..., s gdzie: x S1, x S2,..., x Sn kolejne wartoci wspórzdnych od 1 do n dla punktu referencyjnego, dla prdkoci Punkt przestrzeni reprezentujcy aktualny stan U j (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 N i i tej samej prdkoci. Sn U j xu 1, i, xu 2, i,..., xun, i (3) gdzie: U j - punkt dla pojazdu reprezentujcego stan aktualny dla prdkoci o wspórzdnych x U1,j, x U2,j,..., x Un,j j - numer pomiaru

5 Wykorzystanie parametrów statystycznych sygnaów pomiarowych w procesie 421 x U1,j, x U2,j,, x Un,j kolejne wartoci parametrów diagnostycznych od 1 do n dla prdkoci Diagnostyka stanu ukadu biegowego, w szczególnoci zawieszenia, opiera si w tej metodzie na analizowaniu metryki (odlegoci) d(s,u j ) pomidzy punktem referencyjnym a punktem reprezentujcym aktualny stan pojazdu. Symptomem diagnostycznym jest przekroczenie zaoonej (dopuszczalnej) odlegoci F od punktu referencyjnego (4). Warto F moe by dobrana na podstawie wyników bada pojazdów z uszkodzeniami zawieszenia. d( S, U ) F d( S, U ) F j j sprawny niesprawny (4) Punkty odnoszce si do stanu aktualnego U j powinny znajdowa si w pewnym dozwolonym obszarze punktu referencyjnego S okrelonych przez F. Analizujc przekroczenie zaoonej odlegoci F nieistotne jest, z której strony punktu S znajduje si punkt U j. Dziki temu metoda moe by wykorzystana do detekcji uszkodze, które wpywaj na zmniejszenie jak i zwikszenie wartoci wskaników diagnostycznych. Zakada si, e warto F bdzie identyczna dla wszystkich wybranych wskaników diagnostycznych. Postulat ten nakada pewne ograniczenie na wyselekcjonowane parametry, tzn. zakres moliwych wartoci jednego parametru nie moe znaczco odbiega od zakresu moliwych wartoci pozostaych parametrów. W przeciwnym wypadku, obrana warto F moe okaza si za maa dla jednego parametru - nie zostanie nigdy przekroczona, pomimo gdy inne parametry wskazuj na uszkodzenie. Mona temu zaradzi normalizujc wartoci parametrów poprzez podzielenie wartoci wspórzdnych punktu S oraz U j przez wartoci wspórzdnych S. Dla punktu referencyjnego otrzymamy wspórzdne o wartociach równych 1. Dziki zastosowaniu normalizacji zakresy wartoci parametrów dla punktu U j bd do siebie zblione, co umoliwi 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 pasaerskim 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 spryn zawieszenia I stopnia przy pierwszym zestawie koowym z lewej strony redukcja sztywnoci (rys. 2),

6 422 Rafa Melnik odcznie tumika drga II stopnia (przód pojazdu, prawa strona) w wagonie pasaerskim - redukcja tumienia (rys. 3). Rys. 2. Uszkodzenie zawieszenia I stopnia w wagonie towarowym - usunicie pakietu spryn z lewej strony obudowy oyska maniczego Rys. 3 Odczony tumika drga II stopnia w wagonie pasaerskim 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 rónych wartoci prdkoci. W systemie monitorowania wykorzystywanym komercyjnie warto ta moe 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 pasaerskiego przedstawiono na rys. 4 i rys. 5. Do oceny stanu zawieszenia posuyy sygnay przyspieszenia pionowego zarejestrowane na tym

7 Wykorzystanie parametrów statystycznych sygnaów pomiarowych w procesie 423 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 = 80 km/h F = 0.76, dla = 100 km/h F = Rys. 4. Wyniki analizy dla wagonu pasaerskiego, przysp. w kierunku Z, = 80 km/h, tor prosty Rys. 5. Wyniki analizy dla wagonu pasaerskiego, przysp. w kierunku Z, = 100 km/h, tor prosty

8 424 Rafa Melnik 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) mona jednoznacznie stwierdzi, i pojazd znajduje si w stanie uszkodzonym. Wszystkie punkty odnoszce si do poszczególnych pomiarów znajduj si poza dopuszczalnym obszarem, którego promie F = 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. 6. Wyniki analizy dla wagonu towarowego, przysp. w kierunku Y, = 80 km/h, uk R 900

9 Wykorzystanie parametrów statystycznych sygnaów pomiarowych w procesie 425 Rys. 7. Wyniki analizy dla wagonu towarowego, przysp. w kierunku Z, = 80 km/h, uk R 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 moe 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 ibrations as measures of rail ehicle condition. Proceedings of 17th International Congress on Sound and Vibration, Cairo, Egypt July 2010, pp.73.

10 426 Rafa Melnik 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 Noember 2010, pp Goda K., Goodall R.: Fault-detection-and-isolation system for a railway ehicle bogie. Vehicle System Dynamics Supplement 41 (2004), Taylor & Francis Ltd, pp Li P., Goodall R.: Model-based condition monitoring for railway ehicle systems. Control 2004, Uniersity of Bath, UK, September 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 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, Tsunashima H., Mori H.: Condition Monitoring of Railway Vehicle Suspension Using Adaptie Multiple Model Approach. International Conference on Control, Automation and Systems 2010, Oct , Gyeonggi-do, Korea, Praca zostaa wykonana ramach projektu badawczego MONIT - Monitorowanie Stanu Technicznego Konstrukcji i Ocena jej ywotnoci. Program Operacyjny - Innowacyjna Gospodarka (PO IG). Poddziaanie 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 ehicle s suspension, determines riding dynamics, safety and comfort. Its condition should be checked regularly, and een monitored continuously. In order to acquire information on suspension condition during commercial operation, the rail ehicles monitoring system has been deeloped at Monitoring of Technical State of Construction and Ealuation of its Lifespan Project (MONIT). The aim of the system is qualitatie 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. Keywords: rail ehicle, suspension, condition monitoring