ANDRZEJ SOWA Problemy wspomaganej komputerowo oceny stanu technicznego zestawów kołowych pojazdów szynowych Key words: Technical diagnosis technical state evaluation wheel sets rail-vehicles Sło wa kluczo we: Diagnostyka techniczna ocena stanu technicznego zestawy kołowe pojazdy szynowe Streszczenie W artykule przedstawiono zagadnienia związane z budową systemu wspomaganej komputerowo oceny stanu technicznego zestawów kołowych pojazdów szynowych. Cechy fizykalne tworzące wektor cech diagnostycznych. można wykorzystać do identyfikacji stanu technicznego pojazdu. Na podstawie ocen przykładowych cech określono formuły pozwalające na wyodrębnienie klas stanów technicznych pojazdów szynowych. Przedstawiono również wytyczne do budowy bazy danych dla wspomaganego komputerowo systemu oceny stanu technicznego zestawów kołowych.. Wprowadzenie Zestawy kołowe są zespołem pojazdów szynowych którego stan techniczny zmienia się w trakcie eksploatacji wskutek zachodzących procesów zużycia i uszkodzeń czego przykłady przedstawiono w [4] i co decyduje o możliwości dopuszczenia pojazdu do ruchu. Wymaga to wykonania pomiarów określonych cech w jednostkach zaplecza technicznego i porównania ich wartości z wartościami granicznymi dla zidentyfikowania bieżącego stanu technicznego Institute of Rail Vehicles Cracow University of Technology Al. Jana Pawła II nr 37 3-864 Cracow Poland email: andre@mech.pk.edu.pl
zestawów kołowych. Pozwala to na podjęcie decyzji dopuszczających pojazd do ruchu lub kierujących go do systemu obsługi. Wyniki poszczególnych pomiarów i ocen zapisuje w sposób w tradycyjny papierowy. Znacznie lepszym rozwiązaniem jest w tym względzie wprowadzenie wspomaganej komputerowo oceny stanu technicznego zestawów kołowych czyli systemu który umożliwiałby rejestrowanie wyników badań i automatyczne generowanie decyzji a także czynne kontrolowanie procesu rejestrowania poprzez analizę danych archiwalnych przebiegającą w czasie rzeczywistym. Zagadnienia związane z budową takiego systemu są przedmiotem niniejszej pracy. 2. Cechy diagnostyczne zestawów kołowych i ich klasyfikacja Zestawy kołowe można opisać zbiorem całego szeregu cech fizykalnych - czyli cech struktury wewnętrznej [2] a jego stan techniczny zdefiniować jako właściwość determinowaną przez wektor tych cech o postaci [5]: ta x f t x f t... x f t X () a 2 2a gdzie: X ta wektor stanu technicznego po okresie eksploatacji t w warunkach a x... x n wartości cech struktury wewnętrznej f a... f n a funkcje opisujące zmiany wartości tych cech w eksploatacji n ilość składowych wektora stanu technicznego. Cechy te są cechami bezpieczeństwa ruchu i ich zbiór liczy 29 pozycji [5]. Można je podzielić na grupy cech mierzalnych: pierwotnych (indywidualnych i zbiorowych) i wtórnych (własnych i obcych) oraz cech niemierzalnych. Większość cech mierzalnych to cechy pierwotne które mogą być zmierzone w sposób bezpośredni (np. grubość obrzeża średnica koła) lub pośredni (grubość obręczy) przy użyciu odpowiednich przetworników wielkości fizycznych. Cechy mierzalne typu indywidualnego są ocenione na podstawie jednego wyniku pomiaru (moment niewyważenia czy rezystancja zestawu kołowego) a dla cech typu zbiorowego wartością ocenianą jest średnia z kilku wyników (np. grubość obręczy mierzona w trzech płaszczyznach co 20). Wtórne cechy dotyczą dodatkowych powiązań pomiędzy cechami pierwotnymi i posiadają odpowiednie wartości graniczne tych powiązań. Wtórne cechy własne dotyczą jednego zestawu kołowego podlegającego ocenie a obce odnoszą się do powiązań pomiędzy cechami pierwotnymi zestawów kołowych danego wózka lub pojazdu szynowego. Również cechy niemierzalne podlegają ocenie i ocena ta jest istotna podczas podejmowania decyzji o dopuszczeniu do ruchu całego pojazdu szynowego. Przykładami takich cech mogą być np. czystość dźwięku koła czy pokrywanie n na
się znaków kontrolnych na obręczy i kole bosym. Aby cechy te można było uwzględnić w procesie komputerowego przygotowania decyzji wynikowi sprawdzenia tych cech powinna być przypisana pewna wartość typu binarnego np. [ 0] lub [prawda fałsz]. Dysponując zmierzonymi lub przypisanymi wartościami poszczególnych cech diagnostycznych i pomijając ich pochodzenie możemy zidentyfikować bieżący stan techniczny zestawu kołowego w określonej chwili eksploatacji t Y ta o następującej postaci [5]: na podstawie wektora cech diagnostycznych t a y t y t y t Y a 2 2 a... 29 29 a (2) gdzie: y... y 29 cechy diagnostyczne zestawu kołowego a...n a postaci funkcji opisujących zmiany wartości tych cech diagnostycznych podczas eksploatacji. Sposób oceny poszczególnych cech tworzących składowe wektora Y ta nie jest jednolity i wymaga użycia odpowiednich operatorów relacyjnych dla porównania wartości zmierzonej i granicznej danej cechy lub dla zidentyfikowania niemierzalnej niezdatności zestawu kołowego. Ponadto w przypadku niektórych cech nie można wskazać jednolitego trendu zmian ich wartości w trakcie eksploatacji. Trendy takie mogą dotyczyć poszczególnych okresów eksploatacji wyznaczanych przez obróbkę skrawaniem kół. Ilustracją tego może być Rys. przedstawiający przykład zmian grubości obręczy oraz grubości i wysokości obrzeża koła. Każdorazowa odnowa profilu koła znacznie zmniejsza grubość obręczy podczas gdy w okresie użytkowania pojazdu zmniejszenie tej grubości jest systematyczne ale stosunkowo nieznaczne. Inaczej jest w przypadku grubości obrzeża koła która zmniejsza się znacząco a odnowa profilu powoduje przywrócenie tego wymiaru w pobliże wartości nominalnej. Każda odnowa profilu musi być odnotowana w rejestrze wyników badań. Jeśli chodzi o wysokość obrzeża to w prezentowanym przypadku jest ona praktycznie niezmienna co może wynikać z błędów zapisu. Aby tego uniknąć należy odpowiednio zaprojektować strukturę bazy danych jak również budowę formuł oceny poprawności wyników pomiarów której komputerowy system oceny stanu technicznego powinien użyć podczas edycji danych.
26 Og 28 30 32 26 34 27 Ow 28 29 30 80 O = D - D 70 60 50 Y 40 Fig.. An example of the technical condition state vector of the wheel set (Y) for the chosen diagnostic features {y y 2 y 3 } i.e. the thickness of a rim and the thickness and height of a wheel flange Rys.. Przykładowy wektor stanu technicznego zestawu kołowego (Y) dla wybranych cech diagnostycznych {y y 2 y 3 } tj. grubości obręczy oraz grubości i wysokości obrzeża koła 3. Klasyfikacja formalna stanów technicznych pojazdów szynowych ze względu na zestaw kołowy Określenie formuł klasyfikacji stanów technicznych dla prostego przypadku oceny jednej cechy pewnego elementu wymaga przyjęcia przynajmniej jednej wartości granicznej zmian tej cechy. Zupełnie inna sytuacja jest w przypadku cech ocenianego zestawu kołowego tworzących określony zbiór. Przy występowaniu więcej niż dwu wartości granicznych niektórych cech każdą zmierzoną wartość cechy należy porównywać z kilkoma wartościami granicznymi. Przy istniejącej liczbie cech stwarza to możliwość inicjowania błędnych działań ponieważ ostateczna decyzja eksploatacyjna podejmowana w stosunku do pojazdu jest uzależniona również od różnic wartości cech pomiędzy poszczególnymi zestawami kołowymi danego pojazdu.
Różnorodność występujących ograniczeń wymaga także przyjęcia więcej niż trzech klas stanów technicznych które to zwykle wymienia się w literaturze np. w [23]. Formuły pozwalające na automatyczne generowanie oceny stanu technicznego zestawów kołowych a co za tym idzie na podjęcie decyzji eksploatacyjnej w stosunku do danego badanego pojazdu mogą być sformułowane na podstawie wartości granicznych cech zawartych w [5]. Dla cech których zmiany przedstawia rys. zakresy wartości granicznych zawiera tablica. Na jej podstawie można zbudować przykładowe formuły wyznaczające klasy stanów technicznych pojazdu badanego oraz odpowiednie decyzje spośród zbioru czterech decyzji użytkowych i dwu obsługowych. Formuły te są następujące: - dla stanu zdatności S z i decyzji U 0 U 0 ( y 40) (25 y2 32) S z i {234} yi : (3) (25 y3 33) ( y4 53) - dla stanu zdatności warunkowej S zw i decyzji U U (32 y2 36) (22 y3 25) S zw i {234} yi : (4) (48 y4 53) - dla stanu zdatności warunkowej S zw2 i decyzji U 2 U 2 S zw 2 i { } yi : 30 y 40 (5) - dla stanu zdatności warunkowej S zw3 i decyzji U 3 U 3 S zw 3 i { 4} yi : y4 48 (6) - dla stanu niezdatności S nz i decyzji O O ( y2 25) ( y2 36) Snz i {23} yi : (7) ( y3 22) ( y3 33) - dla stanu niezdatności S nz2 i decyzji O 2 O 2 Snz 2 i { } yi : y 30 (8)
Table. The boundary values of the selected safety features for the rim wheel set for an electric locomotive Tablica. Wartości graniczne wybranych cech bezpieczeństwa dla zestawu kołowego z obręczą do lokomotywy elektrycznej Poz. Oznaczenie i nazwa cechy Relacje do wartości granicznych w [mm] Rodzaj decyzji Znaczenie decyzji użytkowanie bez. y 40 U 0 ograniczeń y grubość ruch towarowy lub 2. obręczy O 30 y < 40 U 2 pasażerski v<70 km/h 3. y < 30 O 2 wymiana obręczy 4. użytkowanie bez 25 y y 2 wysokość 2 32 U 0 ograniczeń 5. obrzeża Ow 32 < y 2 36 U v<40 km/h 6. y 2 <25 y 2 > 36 O odtworzenie profilu 7. użytkowanie bez 25 y y 3 grubość 3 33 U 0 ograniczeń 8. obrzeża Og 22 y 3 <25 U v<40 km/h 9. y 3 <22 y 3 > 33 O odtworzenie profilu 0. y 4 suma użytkowanie bez y grubości 4 53 U 0 ograniczeń. obrzeży w y 4 <53 U v<40 km/h 2. zestawie Og l +Og p y 4 <48 U 3 ruch towarowy W formułach (3 8) występują różne operatory relacyjne jak również różna jest ilość wartości granicznych ocenianych cech. Wymaga to napisania odpowiednich wariantów procedur komputerowej oceny uwzględniających wszystkie możliwe sytuacje. Nie należy to do zadań zbyt trudnych ponieważ niezależnie od przyjętego języka programowania można z łatwością skonstruować odpowiednie proste lub złożone instrukcje warunkowe typu: if... then...else. 4. Wytyczne do budowy bazy danych dla wspomaganej komputerowo oceny stanu technicznego zestawów kołowych Realizacja systemu wspomaganej komputerowo oceny stanu technicznego zestawów kołowych oprócz zbudowania aplikacji użytkowej wymaga również odpowiedniego zaprojektowania bazy danych [6] umożliwiającej zachowanie całego szeregu niezbędnych informacji. Są to dane o: - wartościach mierzonych bądź ocenianych cech - wartościach granicznych mierzonych lub ocenianych cech - trendach zmian wartości cech i operatorach relacyjnych ich oceny
- repertuarze decyzji eksploatacyjnych - sposobie identyfikacji zestawów i ich usytuowaniu w pojazdach - osobach prowadzących badania diagnostyczne. Odpowiednio zaprojektowana struktura bazy danych pozwala na zapisanie informacji pochodzących z wymienionych grup w odpowiednio powiązanych tabelach bazy danych. Stwarza to możliwość nie tylko rejestracji wyników badań za pomocą wartości cech opisujących zużycie i uszkodzenia zestawów kołowych lecz także podejmowania stosownych decyzji eksploatacyjnych jak również sporządzania i analizowania trendów tych niekorzystnych zmian. Daje to w miarę rozbudowy bazy możliwość wykorzystania archiwalnych zapisów do czynnej kontroli wprowadzania danych o wynikach pomiarów bieżących. Mogą być wtedy samoczynnie uruchomione odpowiednie funkcje ostrzegające w każdym przypadku próby zapisania wartości nieuzasadnionych obserwowanym trendem zmian. Ponadto umieszczenie w bazie danych informacji o usytuowaniu zestawów w pojeździe umożliwia bieżącą analizę wartości cech wtórnych. Inne dane również posiadają swe znaczenie np. identyfikacja osób prowadzących badania sprzyja podniesieniu wiarygodności uzyskiwanych wyników. 5. Podsumowanie Przedstawione w artykule zagadnienia związane z komputerowo wspomaganą oceną stanu technicznego zestawu kołowego mają istotne znaczenie dla procesu kierowania eksploatacją pojazdów szynowych. Odpowiednia aplikacja realizująca funkcje rejestracyjne danych o zestawach kołowych w pojazdach oraz wyników badań tych zestawów a także generująca stosowne decyzje eksploatacyjne jest w trakcie budowy. Przewiduje się również możliwość prowadzenia analizy wyników badań co może być jednak efektywnie wykorzystywane po próbnym okresie stosowania takiej aplikacji i po zgromadzeniu wystarczającej ilości danych w bazie. Literatura [] Będkowski L.: Elementy diagnostyki technicznej WAT Warszawa 99. [2] Hebda M. Niziński S. Pelc H.: Podstawy diagnostyki pojazdów mechanicznych WKŁ Warszawa 980. [3] Niziński S.: Elementy eksploatacji obiektów technicznych Wydawnictwo Uniwersytetu Warmińsko-Mazurskiego Olsztyn 2000. [4] Sowa A.: Wykorzystanie krzywych zużycia w konstrukcji wektora stanu technicznego obiektu diagnostyki. Problemy Eksploatacji z.2/2007. ITE Radom 2007 s. 65-76.
[5] Sowa A.: Wykorzystanie wektora cech diagnostycznych w ocenie stanu technicznego zestawu kołowego. Problemy Eksploatacji z.2/2009. ITE Radom 2009 s. 6-72. [6] Sowa A.: The database for the evaluation system of the technical condition of rail-vehicle wheel sets. Monograph Problems of maintenance of sustainable technological systems. The Polish Maintenance Society Warszawa 200. Volume I p. 88-00. Problems of computer-aided technical state evaluation of rail- vehicle wheel sets Summary This article presents issues related to the construction of the computer-aided system evaluation of the technical condition of rail-vehicle wheel sets. Physical features which make a diagnostic feature vector were discussed and classified in the paper. This vector may be used for the identification of a vehicle condition state. Examples of formulas for distinguishing the classes of the technical states of rail-vehicles based on the evaluation of the thickness of a rim and the thickness and height of a wheel flange have been specified. The article also presents the guidelines for building database for the computeraided evaluation system of wheel sets. Prezentowane wyniki badań zrealizowane w ramach tematu nr M8/5/DS/202 zostały sfinansowane z dotacji na naukę przyznanej przez Ministerstwo Nauki i Szkolnictwa Wyższego.