PRACE NAUKOWE POLITECHNIKI WARSZAWSKIEJ z. 84 Transport 2012 Bartosz Firlik Bartosz Czechyra Politechnika Poznańska, Instytut Silników Spalinowych i Transportu SYMULACYJNE PODSTAWY METODY MONITOROWANIA STANU TECHNICZNEGO TORU TRAMWAJOWEGO Rękopis dostarczono, styczeń 2012 Streszczenie: Artykuł przedstawia podstawy symulacyjne systemu monitorowania stanu technicznego toru tramwajowego. Omówiono główne cele i metodykę prowadzenia badań symulacyjnych, przedstawiono modele oraz zakres badań symulacyjnych. Zamieszczono przykładowe charakterystyki drganiowe uzyskane na podstawie symulacji komputerowej, które mogą być podstawą systemu monitorowania stanu technicznego toru tramwajowego. Słowa kluczowe: dynamika pojazdu szynowego, diagnostyka, monitorowanie stanu toru 1. WSTĘP Poprawa bezpieczeństwa i niezawodności pojazdów w tym także tramwajów, jest jednym z bardzo ważnych zagadnień w działaniach przedsiębiorstw transportu publicznego. Częste monitorowanie stanu pojazdu i toru ma istotny wpływ na optymalne planowanie i obniżenie kosztów utrzymania taboru oraz infrastruktury. Wczesne rozpoznanie stopnia zaawansowania zużycia toru oraz klasyfikacja jego stanu, umożliwia odpowiednie zaplanowanie jego utrzymania, zmniejszając ryzyko wykolejenia pojazdu. Tymczasem przeprowadzona na potrzeby niniejszej pracy analiza istniejącego stanu wykazała, że jednostki zarządzające infrastrukturą tramwajową w Polsce nie posiadają systemów monitorowania stanu toru i prognozowania stopnia jego zużycia. Miejskie przedsiębiorstwa komunikacyjne dysponują jedynie urządzeniami do miejscowego pomiaru geometrii toru lokalnie określając stopień jego zużycia i to zazwyczaj tylko w sytuacjach krytycznych po wykolejeniach, po skargach pasażerów lub uwagach motorniczych, rzadziej przy inwentaryzacji torów. Niestety powszechną praktyką jest określanie stanu toru na podstawie oględzin wskazanej sekcji toru, bazując na doświadczeniu rewidenta. Jeśli zachodzi taka potrzeba, ograniczana jest prędkość tramwajów na najbardziej zużytych odcinkach tras tramwajowych, przy czym
30 Bartosz Firlik, Bartosz Czechyra dopuszczalna prędkość określana jest również w sposób arbitralny przez pracowników sekcji utrzymania torów, zazwyczaj z dużym marginesem bezpieczeństwa [1]. Konsekwencją zużycia toru jest pogorszenie nie tylko parametrów bezpieczeństwa przed wykolejeniem, ale również stabilność biegu tramwaju oraz wpływ na wzrost poziomu hałasu generowanego do otoczenia. W związku z tym monitorowanie stanu toru w sieciach tramwajowych powinno przyczynić się nie tylko do poprawy własności biegowych tramwaju, ale również pozwoli na kontrolę negatywnego wpływu eksploatacji pojazdu na środowisko. Może także usprawnić proces zarządzania naprawami poszczególnych sekcji toru, wskazując miejsca wymagające natychmiastowej interwencji a także kolejkując terminy i zakres napraw odcinków pozostających w eksploatacji. Istotnym zagadnieniem jest również możliwość wyznaczenia optymalnej z punktu widzenia komfortu i bezpieczeństwa jazdy prędkości poruszania się tramwaju w zależności od stopnia zużycia toru. Dodatkowym zyskiem z monitorowania stanu technicznego infrastruktury w skali całego systemu transportowego jest możliwość uwzględnienia w sterowaniu zasobami materiałowymi oraz długoterminowej optymalizacji kosztów funkcjonowania sytemu zagadnienia intensywności zużywania torów. 2. GŁÓWNE ZAŁOŻENIA SYSTEMU Głównym założeniem prezentowanego systemu monitorowania stanu technicznego toru tramwajowego jest możliwość jego aplikacji niezależnie od wielkości i lokalnych cech monitorowanej infrastruktury. Uwzględniając techniczne i ekonomiczne aspekty opracowania i wdrożenia systemu monitorowania przyjęto następujące założenia funkcjonalne: miarą zużycia toru tramwajowego będzie poziom dynamicznego oddziaływania pojazd-tor w czasie jazdy, monitorowanie stanu toru realizowane będzie z pozycji pojazdu, w procesie monitorowania stanu, jako podstawowy nośnik informacji wykorzystany będzie sygnał wibroakustyczny (pomiar przyspieszeń drgań), badane zjawiska oceniane będą wyłącznie jakościowo, monitorowane będzie przekroczenie dopuszczalnych poziomów odpowiedzi elementów pojazdu, których miary progowe będą wyznaczone w czasie badań eksperymentalnych, podstawową cechą systemu powinna być prostota wykonania i niskie koszty implementacji tak na nowych jak i już eksploatowanych pojazdach, system nie może w żaden sposób wpływać na układy i systemy pojazdu a w szczególności zakłócać funkcjonowania pokładowych systemów informatycznych bez względu na warunki eksploatacji i prowadzenia pojazdu, do monitorowania toru wykorzystany będzie pierwszy, atakujący wózek pojazdu, architektura systemu powinna być otwarta tak, aby na każdym etapie jego ewaluacji systemu możliwe było rozszerzenie funkcjonalności,
Symulacyjne podstawy metody monitorowania stanu technicznego toru tramwajowego 31 informacje o stanie toru z podziałem na sekcje i węzły specjalne (przystanki, rozjazdy, krzyżownice, mosty, estakady, itp.) będą gromadzone i analizowane poza pojazdem, a dostęp do wyników analiz będzie administrowany. System monitorowania stanu technicznego toru tramwajowego powinien umożliwiać monitorowanie i jakościową ocenę następujących zjawisk: korugacje, pęknięcia szyn, zmiana podstawowych parametrów makrogeometrycznych toru, lokalne zmiany sztywności podtorza (ugięcie toru), ewaluacja stanu rozjazdów i krzyżownic, intensywność postępującego zużycia toru. System przeznaczony będzie do zastosowania we wszystkich tramwajach eksploatowanych przez miejskie przedsiębiorstwa komunikacyjne w całej Polsce, a w przyszłości może stać się standardowym elementem wyposażenia przynajmniej jednego tramwaju u każdego operatora w danym mieście. Ponadto w ramach projektu MONIT prowadzone są również niezależne prace nad systemem monitorowania toru kolejowego [2, 3], jednakże z założenia ukierunkowane są one przede wszystkim na badanie globalnej jakości danego odcinka toru, z opracowaniem nowych kryteriów oceny staniu włącznie bez algorytmów detekcji uszkodzeń poszczególnych typów. 3. PODSTAWY SYMULACYJNE METODY MONITOROWANIA STANU TORU 3.1. CEL I PROGRAM BADAŃ Celem badań symulacyjnych było określenie efektywności metody monitorowania i diagnozowania stanu toru tramwajowego, jak również określenie optymalnej liczby punktów pomiarowych na pojeździe oraz opracowanie i wyznaczenie odpowiednich miar oraz wskaźników oceny stanu toru, które zostaną wykorzystane przy budowie prototypu systemu monitorowania. Dodatkowym celem prowadzenia badań numerycznych nad wybranymi zagadnieniami dynamiki tramwaju było określenie możliwości detekcji wybranych zjawisk przytoczonych w rozdziale 2 oraz wstępne oszacowanie podatności diagnostycznej poszczególnych typów procesów zużycia infrastruktury tramwajowej. Symulacje wykonane zostały wariantowo, dla różnych, zmieniających się warunków jazdy. Zmiennymi były: parametry toru, prędkość jazdy, rodzaj i typ pojazdu. Symulacje były wykonywane dla dwóch typów toru, najczęściej stosowanych w sieciach tramwajowych polskich miast toru składającego się z szyn kolejowych S60 (lub wariantowo S49) [4], oraz toru składającego się z rowkowych szyn tramwajowych Ri59N, stosowanych na łukach i w miejscach, gdzie torowisko zabudowane jest w jezdni [5]. Przyjęto, że symulacje będą wykonywane z pozycji następujących pojazdów: wagon tramwajowy o 100% udziale wysokiej podłogi (najpopularniejszy pojazd eksploatowany przez przedsiębiorstwa komunikacyjne w Polsce)
32 Bartosz Firlik, Bartosz Czechyra przegubowy tramwaj niskopodłogowy, o 70-100% udziale niskiej podłogi (powszechnie kupowany obecnie przez wiele polskich miast). W badaniach numerycznych wykorzystano symulacje ruchu pojazdów w różnych warunkach geometrii toru oraz poziomu i typu jego zużycia. Prowadzone symulacje obejmowały kombinacje charakterystycznych cech infrastruktury tramwajowej, tj.: nierówności toru i rodzaj trasy w postaci odcinków prostych, łuków o różnych promieniach, rozjazdy oraz krzyżownice. Rezultatem symulacji były wyznaczone wielkości charakteryzujące ruch pojazdu (jego wybranych elementów) w przestrzeni kinematycznej i dynamicznej. Wirtualnie zarejestrowane sygnały przemieszczeń, prędkości, przyspieszeń, sił oraz naprężeń, poddano odpowiedniej analizie w dziedzinie czasu i częstotliwości. Wyznaczone charakterystyki tych sygnałów zostały poddane analizie porównawczej, co pozwoliło na wstępną symptomizację procesu zużywania. 3.2. MODELOWANIE I SYMULACJA DYNAMIKI TRAMWAJU Z uwagi na znaczne różnice konstrukcyjne pomiędzy klasycznym a lekkim pojazdem szynowym typu tramwaj zrezygnowano z ogólnego, siedmiomasowego modelu pojazdu szynowego. Na potrzeby badań symulacyjnych opracowano własne modele pojazdów uwzględniając szczegóły konstrukcyjne pojazdów wysoko- i niskopodłogowych. Modele przykładowych pojazdów uwzględniające specyfikę stosowanych elementów konstrukcyjnych przedstawiono na poniższych rysunkach. Na rys. 1 pokazano schemat wzajemnych powiązań poszczególnych brył sztywnych modelu tramwaju typu 105N: 1,2,3,4 - zestawy kołowe 5,6 - ramy wózków z umocowanymi silnikami trakcyjnymi 7,8 - belki skrętowe wózków 9 - nadwozie 10,11,12,13 - korpusy silników trakcyjnych Bryły sztywne połączone są następującymi elementami podatnymi: 1,2,3,...8 - zespół uspr. ramy wózka i prowadzenia zestawów kołowych 9,10,11,12 - sprężyny II-go stopnia dla strony wózka (Flexicoil) 13,14,15,16 - ograniczniki wzdłużne i skrętu belki bujakowej wzgl. ramy wózka 17,18 - poprzeczne ograniczniki przesuwu nadwozia względem wózków 19, 20,21,22 - poprzeczne tłumiki hydrauliczne II-go stopnia 23, 24,25,26 - pionowe tłumiki hydrauliczne II-go stopnia 27,28 - czopy skrętu nadwozia na belkach skrętowych 29,30,31,32 - zawieszenie silników trakcyjnych na ramie wózka 33,34,35,36 - zawieszenie przekładni trakcyjnych na ramie wózka 37,38,39,40 - sprzęgła silników z przekładniami trakcyjnymi
Symulacyjne podstawy metody monitorowania stanu technicznego toru tramwajowego 33 Rys. 1. Model mechaniczny wagonu tramwaju typu 105N W odróżnieniu od pojazdu 105N, którego model zaprezentowano na rysunku 1 poniżej przedstawiono model nowoczesnego pojazdu niskopodłogowego. Model ten (rys.2) odpowiada fizycznie konstrukcji pojazdu niskopodłogowego, o budowie modułowej z przegubami. Rys. 2. Model mechaniczny 5-członowego tramwaju niskopodłogowego W modelu tym wyróżniono i opisano odpowiednimi charakterystykami mechanicznymi następujące bryły sztywne: 1,2 - zestawy kołowe członu I 3 - rama wózka z umocowanymi silnikami trakcyjnymi 4,5 - nadwozie członu I i wiszącego członu II 6,7 - zestawy kołowe członu III
34 Bartosz Firlik, Bartosz Czechyra 8 - rama wózka tocznego 9,10 - nadwozie członu III i wiszącego członu IV 11,12 - zestawy kołowe członu V 13 - rama wózka z umocowanymi silnikami trakcyjnymi 14 - nadwozie członu V Zdefiniowane i przedstawione wyżej bryły połączone są następującymi elementami podatnymi: 1,2,3,4,21, 24 - usprężynowanie I stopnia wózków napędnych członu 1 i 5 11,12,13,14 - usprężynowanie I stopnia wózka tocznego członu 3 5,25 - usprężynowanie nadwozia członu 1 i 5 na wózkach napędnych 6,26 - hydrauliczne tłumiki poprzeczne nadwozia członu 1 i 5 7,8,27,28 - hydrauliczne tłumiki pionowe nadwozia członu 1 i 5 15 - usprężynowanie nadwozia członu 3 na wózku tocznym 16 - hydrauliczne tłumiki poprzeczne nadwozia członu 3 17,18 - hydrauliczne tłumiki pionowe nadwozia członu 3 9,10,19,20 - węzeł połączenia międzynadw. członów 1-2, 2-3, 3-4 i 4-5 Analizy symulacyjne przeprowadzono wykorzystując programy komercyjne (SIMPACK, Universal Mechanism) oraz autorskie programy symulacyjne. Dodatkowe funkcjonalności tego systemu w postaci dedykowanych bloków programowych, umożliwia szybkie opracowanie modeli matematycznych do analiz statycznych i dynamicznych badanego obiektu. 4. WYBRANE WYNIKI SYMULACJI 4.1. WYMUSZENIA W POSTACI KORUGACJI Zużycie faliste powierzchni tocznych szyn, w postaci korugacji o niewielkiej długości fali (rys. 3), jest bardzo częstym zjawiskiem występujących na sieciach tramwajowych polskich miast. Przykład zużycia falistego w postaci korugacji przedstawiono na rys. 3a). Natomiast na rysunku 3b) przedstawiono sposób matematycznego opisu efektów toczenia koła po szynie noszącej znamiona zużycia falistego.
Symulacyjne podstawy metody monitorowania stanu technicznego toru tramwajowego 35 a) b) Rys. 3a). Zużycie faliste szyn w postaci korugacji - widok zużycia powierzchni tocznej szyny Rys. 3b). Zużycie faliste szyn w postaci korugacji - opis matematyczny toczenia koła po szynie z korugacją
36 Bartosz Firlik, Bartosz Czechyra Widoczne na rys. 3a) charakterystyczne jaśniejsze paski to wierzchołki kolejnych nierówności stanowiących w profilu wzdłużnym szyny typowe dla tego typu zużycia ciągłą falę o regularnych kształtach. Modelowanie procesu toczenia koła po tak zużytej szynie w sposób przedstawiony na rysunku 3b) pozwala opisać kinematyczne zależności pomiędzy geometrią nierówności (wymuszenia) a chwilową zmianą położenia środka obrotu koła (odpowiedź układu). Poniżej (rys. 4) przedstawiono przebieg dynamicznej odpowiedzi układu w postaci przyspieszeń drgań obudowy łożyska zestawu kołowego na jazdę po torze zużytym zużycie w postaci korugacji. Symulacja została przeprowadzona dla pojazdu poruszającego się z prędkością 5 m/s (18 km/h), na kołach z idealnym profilem tocznym. Przyspieszenie drgań [m/s 2 ] Czas [s] Rys. 4. Przyspieszenie drgań zestawu kołowego w kierunku pionowym, jako odpowiedź na wymuszenie typu korugacja Jak widać na rys. 4 efektem wymuszenia w postaci korugacji jest niesymetryczne, cykliczne, modulowane amplitudowo przyspieszenie zestawu kołowego. Z przeprowadzonych analiz jednoznacznie wynika, że chwilowa wartość amplitudy przyspieszeń drgań w kierunku pionowym jest ściśle związana z geometrią fali korugacji i pozostaje w nieliniowym związku z prędkością poruszania się pojazdu. 4.2. PĘKNIĘCIE SZYNY (USKOK TORU) Pęknięcie szyny np. w miejscu połączenia dwóch kolejnych sekcji toru nie jest zjawiskiem częstym, ale występującym w torowiskach tramwajowych polskich miast. Dużo częstszym zjawiskiem o bardzo podobnych efektach geometrycznych są błędy montażowe i niska jakość wykonania połączenia szyn. W konsekwencji dochodzi do chwilowego odciążenia koła oraz lokalnej zmiany warunków kontaktu koła z szyną. Każde takie zaburzenie geometrii toru jest miejscem potencjalnie niebezpiecznym i w skrajnych przypadkach może prowadzić do wykolejenia pojazdu. Na rysunku 5 przedstawiono sposób modelowania uskoku toru, wraz z niezbędnymi zależnościami geometrycznymi.
Symulacyjne podstawy metody monitorowania stanu technicznego toru tramwajowego 37 Rys. 5. Sposób modelowania przejazdu koła przez pionowy uskok toru Przeprowadzone badania numeryczne wykazały poprawność przyjętej metodyki modelowania tego typu uszkodzenia szyn. Na rysunku 6 przedstawiono przykładowe wyniki symulacji przeprowadzonej warunkach przejazdu przez przyjętą nierówność toru poła o idealnym profilu tocznym z prędkością 5 m/s (18 km/h). Przyspieszenie drgań [m/s 2 ] Czas [s] Rys. 6. Przebieg czasowy przyspieszeń drgań pionowych zestawu kołowego, ramy wózka i pudła tramwaju
38 Bartosz Firlik, Bartosz Czechyra Na rys. 6 przedstawiono przebieg czasowy przyspieszeń drgań pionowych będących odpowiedzią zestawu kołowego (linia punktowa), ramy wózka (linia kreskowa) i pudła pojazdu (linia ciągła) na jedną z przyjętych postaci wymuszenia. Jak wynika z prezentowanego przebiegu przyspieszeń drgań odpowiedź ma przebieg o charakterze impulsowym. Zauważalna asymetria odpowiedzi wynika ze charakterystyk dynamicznych elementów metalowo-gumowych stosowanych w układzie biegowym tramwaju. 5. WNIOSKI W rozważaniach nad dynamiką pojazdu szynowego niezależnie, czy klasycznego, czy lekkiego należy zawsze uwzględnić system koło-szyna, jako spójny obszar analityczny. Tylko w ten sposób uzyskane wyniki analiz będą dobrze korelować z rzeczywistym zachowaniem pojazdu w torze. I o ile modelowanie pojazdu, jako układu niezależnego od typu wymuszeń jest słuszne w aspekcie programowania własności biegowych pojazdu uwzględniających komfort podróżowania, o tyle nie jest takie odejście słuszne w badaniach diagnostycznych czy eksploatacyjnych (weryfikujących). Przeprowadzone analizy symulacyjne wykazały, że dla badanych typów tramwajów istnieje związek pomiędzy charakterystycznymi formami zużycia toru, a wartościami przyspieszeń drgań pionowych poszczególnych elementów pojazdu, jako odpowiedzi na zdefiniowane wymuszenie. Uzyskane charakterystyki czasowo-amplitudowe sygnałów przyspieszeń drgań odpowiedzi wybranych elementów układu biegowo wskazują na potencjalną możliwość sformułowania jakościowych kryteriów oceny stanu technicznego toru wykorzystując model. Przeprowadzone liczne symulacje wskazały, że możliwe jest wykorzystanie sygnału drganiowego zestawu kołowego do monitorowania zużycia falistego szyn o różnej długości fali. Ze względu na wprowadzone uproszczenia modelu, wynikające z możliwości programu symulacyjnego oraz czasochłonności obliczeń, zbudowany system analityczny pozwala na jakościową ocenę wskazanych zjawisk. Z przeprowadzonych analiz symulacyjnych wynika również, że dla wszystkich prędkości jazdy jest możliwa detekcja lokalnej zmiany sztywności podtorza wskutek rozluźnienia (podmycia) podsypki i powstania tzw. wychlapu. Możliwość separacji zjawisk wychlapu, przechyłki toru, uskoku toru a także geometrycznej nieciągłości toru, generujące bardzo podobne efekty oddziałujące na zestaw kołowy, są przedmiotem dalszych prac. Pewne możliwości obiektywizacji i kalibracji uzyskiwanych wyników, a tym samym ilościową analizę procesu zużywania szyn, dostrzeżono przy zmianie dziedziny analizy sygnałów drgań. Z uwagi na charakter pobudzenia oraz lepsze przenoszenie drgań strukturalnych w wyższych częstotliwościach, należy brać pod uwagę sygnały przyspieszeń drgań zestawu kołowego znacznie powyżej częstotliwości drgań własnych układu wielomasowego. Rozwinięciem metody może być analiza stanu toru oparta na analizie częstotliwościowej sygnału drgań w paśmie 20-60 Hz, wg metod prezentowanych w literaturze [np. 6, 7, 8, 9, 10].
Symulacyjne podstawy metody monitorowania stanu technicznego toru tramwajowego 39 Podziękowania Artykuł powstał w związku z realizacją projektu MONIT (Monitorowanie technicznego stanu konstrukcji i ocena jej żywotności), Program Operacyjny Innowacyjna Gospodarka Oś priorytetowa 1: Badania i rozwój nowoczesnych technologii, Działanie 1.1: Wsparcie badań naukowych dla budowy gospodarki opartej na wiedzy. Bibliografia 1. Firlik B.: Wpływ stanu zużycia profili szyn oraz geometrii toru na bezpieczeństwo jazdy lekkiego pojazdu szynowego. Rozprawa doktorska, Warszawa 2008. 2. Bogacz R., Meinke P.: On evaluation of the train and railway track quality. Zeszyty Naukowe Instytutu Pojazdów / Politechnika Warszawska, rok: 2006, z. 1/60, s. 15 20. 3. Bogacz R., Frischmuth K.: On some corrugation related dynamical problems of wheel/rail interaction. The Archives of Transport, 2010,Vol. XXII, No 1, pp. 27 41. 4. Norma PN-70/H-93421, Szyny normalnotorowe. 5. Norma PN-92/H-93440, Stal. Szyny tramwajowe z rowkiem. 6. Molodova, M., Li, Z., & Dollevoet, R.: An investigation of the possibility to use axle box acceleration for condition monitoring of welds. Proc. of International Conference of Noise and Vibration Engineering, September 15-17, 2008 in Leuven, Belgium. 7. Sauvage G.: The dynamics of vehicles on roads and on tracks. Proceedings of 12th IAVSD-Symposium held in Lyon, France, August 1991. 8. Luber, B., Haigermoser, A., Grabner, G., Schleinzer, G., Hirschberg, W.: Methods for Classification and Track Geometry Evaluation based on Vehicle Response Analysis. In: Proceedings of the 11th MINI Conference on Vehicle System Dynamics, Identification and Anomalies, Budapest, 10.11.2008. 9. Czechyra B., Firlik B., Tomaszewski F.: Technical state monitoring method of light rail track wear Proceedings of the Fourth European Workshop on Structural Health Monitoring 2008, Edited by: UHL, OSTROWSKI, HOLNICKI-SZULC; DEStrech Publications, Inc., 439 North Duke Street Lancaster, Pennsylvania 17602 USA; page 167-174; ISBN 978-1-932078-94-7. 10. Czechyra B.: Operational excitations in experimental research into dynamics of light rail vehicles. XXIV SYMPOSIUM VIBRATIONS IN PHYSICAL SYSTEMS, Będlewo (near Poznań, Poland), 11th-15th May 2010, Editors: Cempel C., Dobry W.M. ISBN 978-83-89333-35-3, str. 81-86. TECHNICAL STATE MONITORING SYSTEM FOR LIGHT RAIL TRACK ASSUMPTIONS AND SIMULATION BASICS Abstract: The article is dedicated to the assumptions and simulation basics of the technical state monitoring system for light rail track. Authors present the multi-body models of chosen tram type worked out for diagnostics activities area. The paper discusses the main objective of this work, and the methodology used for the computer simulations. It contains also some examples of vibration characteristics from the simulation of the light rail vehicle dynamics on worn track. These characteristics became the basis for determining the assumptions to build a monitoring system of technical state monitoring for light rail track. Keywords: rail vehicle dynamics, diagnostics, technical state monitoring of tramway Acknowledgement: All work presented in the article is realised within the framework of a research project MONIT (Monitoring of Technical State of Construction and Evaluation of its Lifespan) within the Innovative Economy Operational Programme, Measure 1.1 Support for scientific research for establishment of a knowledge based economy, Sub-measure 1.1.2 Strategic programmes of scientific research and development works.