BR112014004288B1 - método implementado por computador e sistema para monitorar e detectar trincas ou rupturas em trilhos de uma via ferroviária - Google Patents

Abstract

MÉTODO IMPLEMENTADO POR COMPUTADOR E SISTEMA PARA MONITORAR E DETECTAR TRINCAS OU RUPTURAS EM TRILHOS DE UMA VIA FERROVIÁRIA. A presente invenção relaciona-se a um sistema para monitorar condição de elementos estruturais alongados, e, em particular, mas não exclusivamente, a um sistema para monitorar e detectar trincas e rupturas em trilhos em vias ferroviárias. A presente invenção, ademais, se estende a uma metodologia para projetar e desenvolver tal sistema. O método inclui as etapas de: identificar os modos de propagação e freqüências de sinal dos quais se esperam cubram grandes distâncias através de um elemento estrutural alongado; selecionar um modo adequado de propagação e freqüência de operação; projetar um transdutor adaptado para excitar o modo selecionado na freqüência selecionada; modelar numericamente o transdutor afixado ao elemento estrutural alongado; e analisar a resposta harmônica do modo selecionado de propagação à excitação pelo transdutor para validar o projeto do transdutor.

Description

Histórico da Invenção

[001] A presente invenção relaciona-se a um sistema para monitorar a condição de elementos estruturais alongados, e, mais particularmente, mas não exclusivamente, a um sistema para monitorar e detectar trincas em trilhos de uma via ferroviária. A presente invenção adicionalmente se estende a uma metodologia para projetar e desenvolver tal sistema.

[002] Há diversos métodos e sistemas que foram propostos com propósito de monitorar a integridade de elementos estruturais alongados, em particular, trilhos de uma via ferroviária. Estes métodos e sistemas visam detectar trincas nos trilhos antes de desenvolverem uma ruptura completa, e também trincas ou rupturas nos trilhos depois de as mesmas terem ocorrido. Se uma trinca ou ruptura nos trilhos não for detectada prematuramente, tal trinca ou ruptura pode provocar o descarrilamento de uma composição ferroviária, correndo nestes trilhos. Deve ser apreciado que tal descarrilamento causa perdas financeiras, e pode vir a ocasionar ferimentos e perdas de vida. Ademais, também deve ser notado que embora esta especificação se atenha a trilhos de uma via ferroviária, tais sistemas são igualmente aplicáveis a outras aplicações, onde se utilizam extensões de aço estrutural, tais como, por exemplo, eixos de minas e pontes.

[003] Um método para detectar trincas e rupturas em trilhos em vias ferroviárias está descrito na Patente da África do Sul 99/6936, cujo conteúdo está incorporado nesta por referência. O sistema inclui a etapa de prover um número de unidades transmissoras acústicas e um número de unidades receptoras acústicas, que são localizadas entre as unidades transmissoras. As várias unidades são espaçadas entre si de uma distância pré-determinada. As unidades transmissoras introduzem uma série de pulsos acústicos, tendo uma composição de frequência específica, nos trilhos, e as unidades receptoras detectam e analisam tais pulsos, para monitorar uma condição indesejável em relação àquela via. Este método requer o uso de transmissores e receptores para monitorar a condição dos trilhos.

[004] O desenvolvimento de transdutores para este método de detectar e monitorar trilhos e rupturas é discutido em "Development of piezoelectric transducers for a railway integrity monitoring system", de Philip W Loveday, “Smart Structures and Materials 2000: Smart Systems for Bridges, Structures, and Highways, Proceedings of SPIE Volume 3988, 2000, Newport Beach, pp 330-338. O sistema utiliza transdutores piezos-elétricos montados (fixados) sob a cabeça do trilho na parte externa da via. O método de fixação dos transdutores piezoelétricos está na PCT WO 2004/098974, cujo conteúdo está incorporado nesta por referência.

[005] Os transdutores piezoelétricos são espaçados entre si ao longo do comprimento da via ferroviária e periodicamente transmitem ondas ultrassônicas através dos trilhos. As ondas acústicas se propagam através dos trilhos a partir de um transdutor a montante, que atua como estação transmissora, para um transdutor a jusante, este atuando como estação receptora. Tipicamente, os transdutores são espaçados entre si uma distância de cerca de 1 quilômetro. Se o sinal ultrassônico não for detectado na estação receptora, a estação receptora dá um alarme, indicando que o trilho tem uma ruptura ou trinca.

[006] Uma desvantagem associada ao sistema acima reside no fato de os transdutores piezoelétricos serem afixados sob a cabeça do trilho, à parte externa da via ferroviária. Os transdutores piezoelétricos são grandes e não podem ser dispostos sob a cabeça na parte interna da via ferroviária, porque viriam a interferir com as rodas do trem. Os transdutores piezoelétricos têm que ser removidos do trilho em intervenções de manutenção rotineiras, porque a máquina usada para posicionar o lastro sobre os dormentes tem rodas que engatam a parte externa da cabeça. A remoção e refixação (que requer o reaperto de grampos, duas semanas após a refixação) dos transdutores piezoelétricos aumenta o custo de manutenção do sistema, e demanda um período de tempo em que o sistema fica inoperável.

[007] Em adição, o sistema existente não é adequado para distâncias maiores que 1 quilômetro, por que o sinal transmitido não é suficientemente forte, e o transdutor não tem a precisão requerida para o elemento estrutural ao qual será afixado, em termos de frequência de propagação e operação.

[008] O sistema de detecção descrito acima foi desenvolvido de modo geral usando uma metodologia de projeto, que incorpora de modo não ótimo o uso de técnicas de modelação matemática, nas quais a resposta de transdutor e trilho são modeladas matematicamente, e para as quais o transdutor é projetado de maneira interativa. Isto resulta na seleção de transdutores não necessariamente otimizados para uma aplicação, e que resulta em transdutores maiores que aqueles requeridos na prática, enquanto também não desempenham de maneira ideal, uma vez que se objetiva a transmissão e recepção de sinais.

[009] Trata-se, portanto, de um objetivo da presente invenção prover um sistema para monitorar e detectar trincas e rupturas em trilhos de vias ferroviárias que supere as desvantagens acima.

[0010] Também constitui um objetivo da presente invenção prover um transdutor piezoelétricos para uso em um sistema de acordo com a presente invenção.

[0011] Trata-se de um objetivo adicional da presente invenção prover um método para desenvolver um sistema de detecção de falha baseado em transdutor, que, pelo menos parcialmente, supera as desvantagens citadas, e que também constitua uma alternativa inédita e útil para as metodologias de projeto existentes.

Sumário

[0012] De acordo com um primeiro aspecto da invenção, é provido um método para desenvolver um sistema de detecção de falha baseado em transdutor, incluindo as etapas de: - identificar modos de frequências de sinal e propagação dos quais se espera que cubram grandes distâncias através de um elemento estrutural alongado; - selecionar um modo adequado de propagação e frequência de operação; - projetar um transdutor que seja adaptado para excitar o modo selecionado na frequência selecionada; - modelar numericamente o transdutor afixado ao elemento estrutural alongado; e - analisar a resposta harmônica do modo selecionado de propagação por excitação pelo transdutor, para validar o projeto do transdutor.

[0013] A etapa de identificar o modo de propagação e frequências dos quais se espera cobrir grandes distâncias através de um elemento estrutural alongado, preferivelmente compreende o uso de um modelo numérico de um perfil de trilho particular, tendo pré-determinadas propriedades de material.

[0014] A seleção de um modo adequado de propagação e frequência de operação, preferivelmente implica em selecionar um modo de propagação que tenha uma baixa atenuação ao longo de uma ampla gama de frequências, e que seja relativamente insensível a pequenas mudanças no perfil do trilho.

[0015] O método pode adicionalmente incluir etapas adicionais para mudar interativamente as dimensões de componentes de transdutor para conseguir uma resposta ideal do modo selecionado de propagação na frequência de operação, e computar o tempo de resposta de deslocamento predito do trilho por excitação elétrica do transdutor.

[0016] O método pode adicionalmente incluir uma fase de verificação, incluindo as etapas de: - fabricar um protótipo de acordo com o transdutor modelado; - medir a transmitância elétrica livre do transdutor e comparar a transmitância elétrica livre medida com a transmitância predita pelo modelo descrito acima.

[0017] A fase de verificação também pode incluir as etapas de: afixar o transdutor a uma pré-determinada extensão do elemento estrutural; - medir a resposta de deslocamento em uma superfície do elemento estrutural; e - comparar a resposta medida com o tempo de resposta de deslocamento.

[0018] A fase de verificação ainda pode incluir as etapas de realizar medições de campo, em uso, para confirmar excitação no modo selecionado, assim como a propagação com baixa atenuação.

[0019] De acordo com um segundo aspecto da presente invenção, é provido um sistema para monitorar e detectar trincas ou rupturas nos trilhos de uma via ferroviária, o sistema incluindo uma pluralidade de transdutores definindo uma estação transmissora e estação receptora do sistema, o sistema sendo caracterizado pelo fato de os transdutores preferivelmente serem localizados dentro dos trilhos.

[0020] É provido que a pluralidade de transdutores tenha a forma de uma série de transdutores discretos localizados em pré-determinadas posições espaçadas, sendo que as ondas ultrassônicas são transmitidas periodicamente ao longo dos trilhos a partir de um transdutor usado como transmissor para um transdutor subsequente usado como receptor.

[0021] Também é provido que a pluralidade de transdutores tenha a forma de uma série de transdutores discretos espaçados em intervalos pré-determinados, sendo que as ondas ultrassônicas são periodicamente transmitidas ao longo dos trilhos a partir de um transdutor, que atua como estação transmissora, em seguida as ondas acústicas são refletidas por uma trinca no trilho e retornam para o mesmo transdutor, que agora atua como estação receptora.

[0022] É adicionalmente provido que os transdutores (a pluralidade de transdutores) se localizem em pré- determinadas posições de modo a definir arranjos de transdutores. Um número de arranjos pode ser provido, sendo que os arranjos de transdutores são espaçados em pré- determinados intervalos.

[0023] Em uma configuração, os transdutores ficam permanentemente fixados aos trilhos na parte interna dos trilhos.

[0024] Preferivelmente, os trilhos incluem uma alma e uma cabeça, e sendo provido que os transdutores sejam fixados sob a cabeça ou alternativamente à alma dos trilhos.

[0025] Vantajosamente, os transdutores têm um tamanho, forma, e configuração geométrica que permita sua fixação aos trilhos, sem interferir com as rodas de um veículo ferroviário correndo nos trilhos.

[0026] Em uma configuração, o sistema é configurado de modo que um transdutor disposto a montante transmita ondas ultrassônicas ao longo do trilho, que são recebidas por um transdutor disposto a jusante, se não houver trincas no trilho. O sistema, adicionalmente, é configurado de modo que, se o transdutor a jusante não receber as ondas ultrassônicas transmitidas pelo transdutor a montante, um alarme é disparado, alertando uma possível presença de uma trinca ou ruptura no trilho.

[0027] Em outra configuração, o sistema é configurado de modo que um transdutor transmita ondas ultrassônicas ao longo do trilho, e que o mesmo transdutor receba as ondas ultrassônicas de volta, se as ondas ultrassônicas forem refletidas por uma trinca no trilho. O sistema, ademais, é configurado de modo que, se o transdutor receber as ondas ultrassônicas refletidas, um alarme é disparado, alertando a possível presença de uma trinca ou ruptura nos trilhos.

[0028] Em ainda uma outra configuração, o sistema compreende ambas as funcionalidades descritas acima.

[0029] Em uma configuração, os transdutores são espaçados entre si uma distância de cerca de 1 a 3 quilômetros. Preferivelmente, uma distância de cerca de 2 quilômetros.

[0030] Preferivelmente, o transdutor é um transdutor piezoelétrico.

[0031] De acordo com outro aspecto da presente invenção, é provido um transdutor adequado para uso em um sistema para monitorar e detectar trincas ou rupturas em trilhos de uma via ferroviária, o sistema incluindo uma pluralidade de transdutores definindo estações transmissoras e receptoras, caracterizado pelo fato de os transdutores serem localizados na parte interna dos trilhos.

Descrição dos Desenhos

[0032] Uma configuração preferida da presente invenção será descrita por meio de um exemplo não-limitante, em conexão com os desenhos anexos, nos quais:

[0033] A Figura 1 mostra um sistema de acordo com uma configuração da presente invenção, incluindo dois transdutores piezoelétricos fixados aos trilhos de uma via ferroviária para monitorar e detectar trincas ou rupturas dos trilhos;

[0034] A Figura 2 mostra o resultado de um processo de modelação inicial usado para selecionar um modo apropriado de frequência de propagação e operação para um particular perfil de trilho; e

[0035] A Figura 3 mostra uma comparação experimental entre o desempenho de um sistema de técnica anterior e o desempenho do sistema da presente invenção.

Exemplo da metodologia de projeto

[0036] A metodologia e o procedimento de desenvolvimento usado para desenvolver um sistema de detecção de falha baseado em transdutor de acordo com a presente invenção será descrito com referência à Figura 2. O método consiste de um método implementado por computador.

1. Análise de dispersão de perfil de trilho no suporte amortecedor

[0037] Esta etapa compreende desenvolver um modelo numérico (método de elemento finito semi-analítico) do perfil de trilho, que também incorpora propriedades de material do trilho. O desenvolvimento de um modelo numérico finito semi-analítico é uma metodologia bem conhecida na técnica, mas que até agora não tinha sido aplicada a esta particular aplicação. O modelo foi analisado para determinar quais modos de propagação e frequências dos quais se espera cobrir grandes distâncias. Alguns modos de propagação e frequência dos quais se espera apresentar baixa atenuação são dados pelas setas na Figura 2. O tamanho dos pontos representa o desempenho de propagação esperado. Os pontos formam curvas descrevendo diferentes modos de propagação. As setas indicam três modos que poderiam ser adequados, sendo que se decidiu usar um sinal com uma frequência centrada na localização da seta.

2. Seleção de modo apropriado de propagação e frequência

[0038] Baseado nos resultados da Etapa 1, selecionou-se um modo de propagação de frequência de operação. O modo selecionado apresentava baixa atenuação, em uma gama relativamente ampla de frequências, de modo que poderia se esperar que trabalhasse em uma faixa de temperaturas. Esta análise é um procedimento qualitativo, no qual modos e frequências com atenuação relativamente mais baixa foram considerados. A análise, no entanto, não tentou quantificar a atenuação real. Aqueles habilitados na técnica deverão ser capazes de entender e aplicar corretamente esta solução qualitativa. Em essência, se for requerido que o sistema detecte um particular tipo de trinca, o modo selecionado de propagação deve conter energia na região onde a trinca ocorre. O modo de propagação e gama de frequências foi escolhido por ser relativamente insensível a mudanças na geometria de trilho. Neste exemplo, em particular, selecionou-se um modo com um número de onda de 82 rad/m a 35 kHz, e realizou-se uma análise adicional para garantir um ponto selecionado insensível ao polimento do trilho, mudanças de temperatura, e carga axial.

3. Projeto conceituai de configuração de transdutor

[0039] Uma configuração de transdutor adequada para fixação permanente ao trilho foi subsequentemente conceitualizada. Neste exemplo, um transdutor tipo sanduíche, adequado para ser fixado sob a cabeça de trilho, foi projetado. O projeto do transdutor não foi conceitualmente diferente em estrutura e configuração dos projetos de transdutor existentes, mas esperava-se que se correspondesse melhor ao sistema, em seu todo, devido à metodologia de projeto integrado.

4. Modelação numérica de configuração de transdutor fixado ao trilho e dimensionamento para prover uma resposta intensa na frequência requerida

[0040] Um modelo numérico (método de elemento finito 3D) do transdutor piezoelétrico foi preparado e acoplado ao modelo numérico (método de elemento finito semi-analítico) do trilho. A resposta harmônica do modo selecionado por excitação elétrica do transdutor foi subsequentemente analisada. As dimensões dos componentes do transdutor, então, foram alteradas, de modo interativo, para prover uma resposta ideal do modo selecionado na frequência de operação. Esta metodologia foi previamente desenvolvida pelo inventor, e sendo descrita com mais detalhes em “Simulation of Piezoelectric Excitation of Guided Waves Using Waveguide Finite Elements", Loveday P W, IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency control; Volume 54 No 10, de outubro de 2007, cujo conteúdo está incorporado nesta por referência. Finalmente, o tempo de resposta de deslocamento predito do trilho por excitação elétrica em um surto de tom (tone-burst) do transdutor foi determinado para uso em uma fase de verificação subsequente. Esta metodologia também foi previamente desenvolvida pelo inventor e sendo descrita com mais detalhes em “Analysis of Piezoelectric Ultrasonic Transducers Attached to Waveguides Using Waveguide Finite Elements", Loveday P W, IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control; Volume 55, No 9; de setembro de 2008, cujo conteúdo está incorporado nesta por referência.

5. Fabricação e medição de protótipo de transdutor em laboratório

[0041] Baseado na modelação acima, um número de transdutores protótipo foi fabricado. A admitância elétrica livre de cada transdutor foi medida e comparada com a predição modelada para verificar a fabricação. Subsequentemente, um transdutor foi fixado a uma extensão curta de trilho em laboratório e uma excitação elétrica de surto de tom foi aplicada à mesma. A resposta ao deslocamento na superfície do trilho a uma distância de 1 metro, foi medida usando um vibrômetro laser. Os resultados medidos foram então comparados com o tempo de resposta de deslocamento predito na Etapa 4.

6. Medições de campo para confirmar desempenho e modo de propagação no trilho

[0042] O transdutor foi subsequentemente afixado a um trilho no campo e acionado eletricamente. Medições com vibrômetro laser de escaneamento foram realizadas na superfície do trilho a diferentes distâncias do transdutor (e.g., 5, 300, 500 metros). Os modos constantes nos dados medidos foram extraídos para confirmar a excitação do modo selecionado, e que este modo de fato não se propagava em baixa atenuação. Medições de transmissão/recepção de longa extensão foram realizadas com os novos transdutores, e comparadas com medições realizadas com transdutores de técnica anterior.

7. Industrialização de transdutor

[0043] Subsequente ao processo de projeto de transdutor descrito acima, o transdutor foi industrializado, qual processo incluiu a preparação de pacotes de dados de fabricação e procedimento de teste de qualificação e aceitação.

[0044] O processo acima produziu um projeto de transdutor otimizado que atendeu o critério de projeto requerido, enquanto também tinha um tamanho reduzido em relação aos transdutores existentes usados em aplicações de detecção similares.

[0045] A metodologia de projeto, ademais, pode ser usada em um projeto otimizado de transdutor, específico de aplicação e perfil, e, por conseguinte, provê um projeto mais preciso de transdutores, para uso em sistemas de detecção de falha.

Descrição de uma configuração do sistema

[0046] O tamanho relativamente pequeno do transdutor projetado, usando a metodologia de projeto descrita acima, permite o uso de uma nova configuração, que será descrita a seguir, mostrado com mais detalhes com referência à Figura 1.

[0047] Tipicamente vias ferroviárias incluem dois trilhos paralelos 11, montados sobre dormentes 12. Tipicamente, os trilhos 11 têm um perfil incluindo uma base 13, apoiada sobre os dormentes 12, uma alma 14, que se estende verticalmente a partir da base 13, e uma cabeça 15 que se estende transversalmente à alma 14, sobre quais trilhos correm as rodas 16 de um veículo ferroviário. No entanto, deve ser apreciado que o sistema da presente invenção pode ser usado com modificações em qualquer perfil de trilho. Deve ser apreciado que a configuração descrita se relaciona a um uso particular em uma aplicação ferroviária, e que tal sistema pode ser usado igualmente em qualquer aplicação envolvendo extensões de aço estrutural, tal como, por exemplo, pontes e eixos de minas.

[0048] De acordo com a presente invenção, o sistema 10 inclui transdutores 17, para detectar trincas e rupturas nos trilhos. Os transdutores usados no sistema da presente invenção são transdutores piezoelétricos 17. Os transdutores piezoelétricos 17 podem ser permanentemente afixados sob a cabeça 15 ou à alma 14 dos trilhos 11. Os transdutores piezoelétricos 17 têm uma forma, tamanho, e configuração geométrica, que permite sua afixação aos trilhos 11, sem interferir com as rodas 16 de um veículo ferroviário que corre nos trilhos 11. Na configuração preferida da presente invenção, estes transdutores piezoelétricos 17 são fixados na parte interna dos trilhos 11.

[0049] Os transdutores piezoelétricos 17 transmitem ondas ultrassônicas, que correm o longo dos os trilhos 11, e também operam como receptores, para receber as ondas ultrassônicas transmitidas ao longo dos trilhos 11. Estes transdutores piezoelétricos 17 periodicamente transmitem ondas ultrassônicas ao longo dos trilhos 11 para monitorar sua condição, i.e. detectar trincas e rupturas nos trilhos 11.

[0050] Os transdutores piezoelétricos 17 são espaçados em pré-determinadas distâncias ao longo dos trilhos 11. Tipicamente, os transdutores piezoelétricos 17 são espaçados entre si distâncias de cerca de 1 a 3 quilômetros.

[0051] O sistema 10 é configurado de modo que um transdutor 11 localizado no trilho 11 transmita um sinal em forma de onda ultrassônica ao longo do trilho 11 que é recebido por um transdutor 17 a jusante do transdutor a montante 17. Se, contudo, a onda ultrassônica transmitida pelo transdutor a montante 17 for recebida pelo transdutor a jusante 17, o sistema 10 determina a inexistência e trincas e rupturas no trilho 11. No entanto, se o transdutor a montante 17 transmite uma onda ultrassônica que não chega no transdutor a jusante 17, então, o sistema 10 determina a possibilidade de haver uma trinca ou ruptura no trilho 11.

[0052] No evento de o transdutor 17 a jusante não receber a onda ultrassônica transmitida pelo transdutor a montante 17, o sistema 10 é configurado para gerar um sinal indicando a possível presença de uma trinca ou ruptura no trilho 11. O sinal dispara um sinal de alarme alertando para a possível presença de uma trinca ou ruptura no trilho 11. O alerta é transmitido para uma estação base ou veículo ferroviário correndo na via ferroviária.

[0053] No exemplo acima, o sistema é usado como sistema transmissor de sinal. No entanto, em outra configuração, (não mostrada), os mesmos transdutores também podem ser usados em uma configuração pulso-eco, onde o mesmo transdutor transmite e recebe sinais. O sinal é transmitido pelo transdutor, e se houver uma trinca nos trilhos, o sinal será refletido de volta para o transdutor, que, então, funciona como receptor. Os transdutores, desenvolvidos usando a metodologia de projeto descrita acima, serão particularmente adequados para este tipo de sistema de monitoramento pulso- eco, devido à intensidade de sinal reforçada.

[0054] Independente da configuração do sistema (pulso-eco ou transmissão), um arranjo de transdutores (por exemplo, quatro transdutores) pode ser provido em cada uma das pré- determinadas posições, para melhorar o desempenho do sistema, em função de os transdutores adicionais permitirem um controle melhor dos modos a serem excitados, e transmissão em uma direção ao longo dos trilhos, e recepção a partir de uma direção.

[0055] Deve ser apreciado que a combinação de sistemas de transmissão e pulso-eco seria uma solução ideal. Isto agora é possível devido à nova metodologia de projeto, que resulta em transdutores com intensidade de sinal mais forte, enquanto também significativamente reduz o tamanho dos transdutores usados. No passado, transdutores de grande porte de projeto robusto foram usados para propagar as ondas através dos trilhos. Isto se deve em parte à falta de uma modelação mais detalhada do sistema, e além do tamanho físico dos transdutores, a metodologia de projeto usada não permitia uma intensidade ideal de sinal e a propagação deste sinal através dos trilhos. Em consequência da metodologia descrita acima, o sinal resultou otimizado, e permitiu prever os resultados da propagação de onda com mais precisão. Surpreendentemente, em consequência da modelação matemática e experimentação, descobriu-se que os transdutores poderiam ser menores que originalmente se pensou, e que transdutores menores desempenham melhor que os antigos transdutores maiores e mais robustos. Em consequência do menor tamanho físico, forma, e configuração dos transdutores, o sistema resulta otimizado e ganha funcionalidade, e, em particular, e supera as desvantagens mencionadas acima.

[0056] Uma comparação entre o desempenho do sistema de técnica anterior e o novo sistema foi feita em uma particular extensão de via ferroviária. Concluiu-se que o desempenho de transmissão e o desempenho de recepção dos novos transdutores resultaram ambos melhorados em 20dB, em relação aos transdutores de técnica anterior. Isto está ilustrado graficamente na Figura 3. Na Figura 3, as duas barras no lado esquerdo representam o desempenho do sistema de técnica anterior, relativo a dois trilhos adjacentes de uma via ferroviária. A voltagem de transmissão foi 1300 Vp. As duas barras na parte média representam os resultados a partir de um sistema combinado, onde os transmissores do sistema antigo foram usados, enquanto os receptores eram transdutores projetados de acordo com a nova metodologia de projeto. A voltagem de transmissão, de novo, foi 1300 Vp. As duas barras do lado direito representam os resultados do novo sistema, i.e. ambos transdutores de transmissão receptor foram projetados usando a nova metodologia de projeto. Neste caso, a voltagem de transmissão, no entanto, foi 280 Vp. Deve ser apreciado a obtenção de um melhoramento de 40 dB.

[0057] Em vista do desempenho de transmissão/recepção de 40 dB, descobriu-se que, enquanto o sistema de técnica anterior poderia operar apenas em um espaçamento de 900 metros, nesta particular seção de trilho, os novos transdutores permitem operação com um espaçamento de 2000 metros.

[0058] O sistema da presente invenção superou os problemas discutidos acima. Em primeiro lugar, eliminando a necessidade de remover transdutores piezoelétricos durante uma manutenção rotineira de via e a necessidade de torna a fixar transdutores piezoelétricos após manutenção. Vantajosamente, os transdutores piezoelétricos da presente invenção são fixados sob a cabeça ou à alma do transdutor na parte interna do transdutor, e, por conseguinte, não sendo preciso removê-los durante uma manutenção rotineira de via ferroviária. Ademais, também é eliminada a necessidade de reapertar os grampos depois de duas semanas da refixação, de acordo com o sistema anterior. Em segundo lugar, o sistema desempenha muito melhor que o sistema de técnica anterior, e pode ser implementado com sucesso em distâncias operacionais de 2000 metros, em más condições de via, onde, antes, seria possível apenas 900 metros. Este é um resultado direto da nova metodologia, que resulta uma transmissão de sinal mais forte e uma sensibilidade de recepção melhorada.

[0059] Deve ser a apreciado que a especificação acima diz respeito a apenas uma configuração da presente invenção, e que pode haver um número de variações sem sair do espírito e escopo da presente invenção.

Claims (5)

1. Método implementado por computador, para desenvolver um sistema de detecção de falha baseado em transdutor (17), dito método caracterizadopelo fato de incluir as etapas de: - identificar modos propagação e frequências de sinal dos quais se esperam cobrir grandes distâncias através de um elemento estrutural alongado; - selecionar um modo adequado de propagação e frequência de operação; - projetar um transdutor (17) adaptado para excitar o modo selecionado na frequência selecionada; - modelar numericamente o transdutor (17) afixado ao elemento estrutural alongado; e - analisar a resposta harmônica do modo selecionado de propagação por excitação pelo transdutor (17) para validar o projeto do transdutor; e - mudar interativamente as dimensões de componentes de transdutor (17) para prover uma resposta ideal do modo selecionado de propagação na frequência de operação, e computar um tempo de resposta de deslocamento predito do elemento estrutural alongado par uma excitação elétrica do transdutor (17).

2. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de a etapa de identificar modos de propagação e frequências, dos quais se espera cobrir grandes distâncias através de um elemento estrutural alongado, compreender o uso de um modelo numérico de um particular perfil de trilho (11), tendo pré-determinadas propriedades de material.

3. Método, de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizadopelo fato de a seleção de um modo apropriado de propagação e frequência implica em selecionar um modo de propagação de baixa atenuação, em relação a uma ampla gama de frequências, e que seja relativamente insensível a pequenas mudanças no perfil do trilho (11).

4. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações de 1 a 3, caracterizado pelo fato de incluir uma fase de verificação, incluindo as etapas adicionais de: - fabricar um protótipo, de acordo com o transdutor modelado; - fixar o transdutor (17) a um pré-determinado comprimento do elemento estrutural; - medir uma resposta de deslocamento em uma superfície do elemento estrutural; e - comparar a resposta medida com o tempo de resposta de deslocamento predito.

5. Sistema para monitorar e detectar trincas ou rupturas em trilhos de uma via ferroviária, o sistema (10) incluindo uma pluralidade de transdutores (17) definindo estações transmissoras e estações receptoras do sistema (10), caracterizado pelo fato de os transdutores (17) serem projetados de acordo com o método implementado por computador, conforme definido em qualquer uma das reivindicações de 1 a 4.

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