CZ37623U1 - Zařízení pro vážení a monitorování kolejových vozidel - Google Patents

Description

Zařízení pro vážení a monitorování kolejových vozidel

Oblast techniky

Technické řešení se týká zařízení pro vážení a monitorování kolejových vozidel.

Dosavadní stav techniky

V současnosti jsou pro vážení kolejových vozidel využívána technická řešení založená na elektrických tenzometrických a piezoelektrických snímačích. Pro monitoring průjezdů a počítání náprav kolejových vozidel se v současnosti používají technická řešení založená na elektromagnetických indukčních snímačích. Tyto tenzometrické snímače a indukční senzory potřebují pro svoji funkci přívod elektrického napájení a umístění vyhodnocovací jednotky v blízkosti senzoru.

Kola používaná v železniční dopravě se skládají z různých částí např. okolku a plochy odvalování, obruče atd. Na vnitřní straně, tj. strana směrující ke středu dráhy, má svislou patku (okolek), přírubu, která udržuje soustavu kolejových vozidel ve směru trati. Jsou-li dvě kola spojena prostřednictvím hřídele, je celá konstrukce označována jako dvojkolí. Poškozené plochy kol označované jako plocha odvalování jsou hlavním zdrojem problémů v železničních systémech, protože způsobují silné opotřebení jak v kolejové infrastruktuře, tak na vlakových vozidlech. Z dostupných zdrojů a známých řešení lze nalézt také řešení využívající aplikaci vláknových senzorů na bázi FBG (Fibre Bragg Grating) pro detekci asymetrie či jiné poruchy kol vysokorychlostních vlaků. Ukázalo se, že poruchy kol označované jako „plochá kola“ způsobují vysokoenergetické nárazy na koleje, které lze monitorovat pomocí FBG vibračních senzorů umístěných v kolejové dráze.

Dalším možným využitím optovláknových senzorů s implementovanými FBG mřížkami je možnost detekce průjezdů a počítání náprav kolejových vozidel. Tato aplikace nalézá využití v oblasti železničních systémů a kolejových systémů.

Optické vlákno s FBG strukturou je speciálním typem optovláknového senzoru, který na základě periodických změn indexu lomu v jádře optického vlákna selektivně odráží úzkou část světla, které se šíří optickým vláknem. Zpětně odražená část světelného záření frekvenčně (spektrálně) odpovídá vzdálenosti periodických změn indexu lomu FBG mřížky. V případě, že dojde k mechanickému prodloužení optického vlákna například vibracemi, mechanickým napětím nebo teplotou, dojde ke změně vzdálenosti těchto periodických změn a tím se změní i frekvence (spektrum) odraženého světelného záření.

Tato technologie může být použita k detekci průjezdu kolejových vozidel na určitém úseku tratě. Jakmile kolejové vozidlo projede přes úsek trati, ve kterém jsou instalovány senzory na bázi optických vláken s FBG mřížkami, dochází k mechanickému tlaku a deformaci vlákna, což může být zaznamenáno jako spektrální změna v odraženém záření od FBG mřížek.

Vzhledem k rychlosti a citlivosti senzoru lze na základě analýzy signálů FBG mřížek určovat, kolik náprav kolejových vozidel projelo přes detekovaný úsek. To může být užitečné pro sledování provozu, plánování údržby nebo sběr dat o průjezdech kolejových vozidel.

Tato technologie nabízí několik výhod, včetně vysoké přesnosti, rychlosti odezvy, imunitě vůči elektromagnetickým polím, odolnosti proti povětrnostním podmínkám a relativně snadné analýze výstupního signálu. Díky optickému vláknu lze detekční úseky umístit i na místech, kde je obtížné použít tradiční senzory, a to například v místech s absencí elektrické sítě, nebo v místech s výskytem výbušných látek, kde nelze využít konvenční elektronické senzory.

- 1 CZ 37623 UI

Celkově jde o pokročilou technologii, která umožňuje efektivní sledování kolejové dopravy a poskytuje důležité informace pro provozovatele kolejové infrastruktury a dopravce.

Mezi známé aplikace FBG senzorů pro monitorování železničního provozu patří například zkušební instalace těchto senzorů pro monitorování vysokorychlostní trati Madrid-Barcelona s různými typy vlaků (S-102 TALGO-BOMBARDIER, S-103 SIEMENS-VE LARG a S-120 CAF). Senzory FBG byly umístěny na kolejích 70 km od Madridu tedy v místě, kde jsou vlaky primárně testovány v komerčním provozu s maximálními rychlostmi mezi 250 až 300 km/h. Použitý monitorovací systém umožňuje současné monitorování čtyř senzorů FBG s rychlostí 8000 vzorků/s. Různá poloha snímačů FBG ve vztahu ke kolejnici může být použita pro různé účely, jako je identifikace vlaku, počítání náprav, detekce rychlosti a zrychlení, sledování nedokonalostí kol a výpočet dynamického zatížení.

Další aplikace optovláknového detektoru náprav kolejových vozidel využívá optické vlákno s implementovanými FBG mřížkami uchycenými ke kolejnici. Základem jsou dvě senzorické FBG mřížky zapsané v jádru optického vlákna, které jsou vystaveny mechanickému namáhání (průjezd nápravy kolejového vozidla). Vlivem mechanického namáhání je prodloužena délka optického vlákna s FBG mřížkami, což se projeví spektrální změnou odráženého světla. Součástí optovláknového detektoru náprav kolejových vozidel je třetí, referenční FBG mřížka. Tato referenční mřížka není mechanicky namáhána průjezdem náprav, jejím úkolem je monitorovat teplotu, jež ovlivňuje všechny tři FBG mřížky a sloužit tak jako kompenzátor vlivu teploty. Tato referenční FBG mřížka je umístěna mezi senzorickými mřížkami a slouží k nastavení úrovně pro detekci náprav při zpracování signálu vyhodnocovací jednotkou. Optovláknový senzor detekce náprav kolejových vozidel má i další funkce. Při implementaci dvou těchto systémů je možno stanovit směr jízdy vozidla a díky znalosti rozteče snímacích mřížek lze stanovit jeho rychlost. Optovláknový detektor náprav kolejových vozidel se skládá ze dvou základních částí. Upínací těleso detektoru je připevněno pomocí šroubů ke kolejnici. Jeho tvar a způsob přichycení umožňují přenos mechanického namáhání na lištu senzoru, která je osazena FBG mřížkami. Optické vlákno s FBG mřížkami je vhodným způsobem přichyceno k liště. Lišta senzoru je odnímáteIná od upínacího tělesa senzoru. Lišta senzoru zároveň chrání optické vlákno před mechanickým poškozením a povětrnostními vlivy. Toto řešení však neposkytuje žádnou informaci o hmotnosti kolejového vozidla a ani informaci o zátěži na jednotlivá kola nebo soukolí železničního vozidla.

Podstata technického řešení

Předkládané technické řešení představuje zařízení pro vážení a monitorování kolejových vozidel zahrnující deformační zónu opatřenou optickým vláknem s implementovanými FBG mřížkami, kdy je deformační zóna uložena ve fixačním členu, který je upevněn ke kolejnici, jehož podstata spočívá v tom, že zahrnuje váhový senzor, jehož deformační zónu tvoří nosník spolu s přírubou, které jsou opatřeny drážkou pro optické vlákno, jenž je osazeno Braggovou FBG mřížkou ateplotní Braggovou (FBGT) mřížkou, přičemž dále zahrnuje mechanismus, který je tvořen dvojící fixačních členů, z nichž jeden je opatřen vybráním, kde fixační členy jsou uspořádány proti sobě a vzájemně spojeny šrouby pod patou kolejnice.

Výhodou navrhovaného zařízení je vážení jednotlivých stran dvojkolí železničních vozidel s váhou do 20 t/kolo s chybou měření do 2 % pokud uvažujeme konstantní rychlost pohybu železničního vozidla. Systém včetně mechanismu uchycení umožňuje rychlé nasazení váhového senzoru na železniční trati.

Konfigurace systému se 2 a 4 senzory umožňuje vážení, monitoring počtu náprav, rozložení váhy vagonu na jednotlivá kola, monitorování rychlosti jednotlivých vlakových souprav, určování směru jízdy a vyhodnocování rozložení celkového zatížení na jednotlivé kolejnice.

-2CZ 37623 U1

Mechanismus uchycení využívá pro fixaci patu kolejnice, ke které je upevněn pomocí šroubů (bez mechanického narušení kolejnice). Základním požadavkem je rychlá a jednoduchá instalace a zejména možnost výměny deformační zóny, která sestává z příruby a nosníku. Tyto slouží k uchycení mechanismu k patě koleje, nastavení výšky deformační zóny vůči okolku a pro ochranu optického vlákna.

Výhodou mechanismu uchycení je, že jak fixační členy mechanické části, tak deformační část jsou navrženy způsobem, který umožnuje nastavení zdvihu deformační části. Toto nastavení zdvihu je důležité z důvodu přizpůsobení váhového senzoru různým typům koleje dle výšky kolejnice. Fixační členy jsou uzpůsobeny pro dokonalé obepnutí těla a paty kolejnice a lze je pomocí šroubů připevnit ke kolejnici bez narušení kolejnice.

Další výhoda mechanismu je jeho rozebíratelnost a možnost implementace kdekoliv na kolejišti.

Pro účely této přihlášky se deformační částí míní opracovaný kovový nosník s povrchovou úpravou, na jehož spodní straně je vyfrézována drážka. V drážce jsou uspořádány FBG mřížky, které mají funkci váhy a teplotní autokalibrace.

Mechanismem pro uchycení se míní vybrání vytvořené v jednom fixačním členu, do kterého lze uchytit nosník. Následně lze mechanismus s uchyceným nosníkem připevnit na kolejnici. Mechanismus pro uchycení lze následně doplnit o rozpěrné tyče z důvodu omezení torzních sil působících na kolejnice.

Objasnění výkresů

Řešení bude blíže objasněno pomocí výkresů, kde obr. 1a znázorňuje bokorys deformačního prostředku na kolejnici a jeho osazení pomocí mechanismu pro jeho uchycení, obr. 1b znázorňuje půdorys spolu s mechanismem pro jeho uchycení obr. 2a znázorňuje v půdorysu osazení Braggové mřížky FBG a teplotní Braggové mřížky FGBT v nosníku, obr. 2b znázorňuje bokorys osazení Braggové mřížky FBG a teplotní Braggové mřížky FGBT v nosníku, obr. 3 znázorňuje možnost využití dvou senzorů pro počítání náprav, monitorování váhy, zatížení jednotlivých kol, rychlosti a určování směru jízdy s nižší přesností, obr. 4 znázorňuje umístění 4 ks senzorů pro počítání náprav, monitorování váhy, zatížení jednotlivých kol, rychlosti a určování směru jízdy s vyšší přesností, kde je systém doplněn o vzpěry, které minimalizují torzní namáhání kolejnic.

Příklad uskutečnění technického řešení

Řešení bude blíže vysvětleno na příkladech jeho uskutečnění s odkazem na příslušné výkresy. Provedení zařízení pro vážení a monitorování kolejových vozidel bude osvětleno na příkladném provedení zařízení znázorněném na přiložených výkresech.

Zařízení pro vážení a monitorování kolejových vozidel zahrnuje váhový senzor, který je založen na principu deformační zóny, která je osazena optickým vláknem 5 s integrovanými mřížkami FBG (Fiber Bragg Grating) a dále mechanismus pro upevnění váhového senzoru v železničním svršku.

První Braggova (FBG) mřížka 7 je osazena do středu nosníku 3, a slouží jako váhový senzor, druhá teplotní Braggova (FBGT) mřížka je umístěna na kraji nosníku 3 a slouží jako teplotní kompenzační člen. Další důležitou částí je mechanismus pro uchycení nosníku 3 ke kolejnici 1.

Provedení váhového senzoru je znázorněno na obr. 1a a obr. 1b, dále pak na obr. 2a a obr. 2b. Váhový senzor zahrnuje deformační část. Základním prvkem deformační části je nosník 3, který je uzpůsoben pro najetí železničního vozidla a dále příruba 11. V nosníku 3 a přírubě 11 je

- 3 CZ 37623 U1 vytvořena drážka 9 pro optické vlákno 5. Optické vlákno 5 je osazeno dvěma FGB (Fiber Bragg Grating) mřížkami 6 a 7, které jsou předepnuty a upevněny do drážky 9 v nosníku 3. Jak je patrné z obr. 2a a 2b první Braggova FGB mřížka 7 je uspořádána ve středu deformační zóny a monitoruje pnutí v nosníku 3. Tato mřížka plní funkci váhového senzoru, zatímco druhá teplotní Braggova (FBGT) mřížka 6 je umístěna na kraji zóny deformační části, kde nedochází k pnutí způsobeného vahou kolejového vozidla, ale pouze k tepelné roztažnosti a následnému pnutí v materiálu nosníku 3. Tato mřížka plní funkci teplotního kompenzačního členu. Měřením jak Bragovy FGB mřížky 7, tak teplotní Braggovy (FBGT) mřížky 6 na jednom optickém vlákně 5 lze docílit autokalibrace deformační zóny.

Další důležitou částí zařízení je mechanismus pro uchycení nosníku 3 ke kolejnici 1.

Mechanismus pro uchycení se skládá ze dvou částí, které lze jednoduše uchytit ke kolejnici 1. Pro minimalizaci torzních sil v kolejnici 1 lze dva protilehlé váhové senzory doplnit o rozpěrné tyče 8.

Mechanismus je tvořen dvojicí fixačních členů 2 z vysokopevnostního kovového materiálu, kde tyto fixační členy 2 jsou upraveny podle tvaru kolejnice 1. Těmito dvěma fixačními členy 2 lze pomocí šroubů 4 pevně sevřít kolejnici 1. Do jednoho fixačního členu 2, jenž je opatřen vybráním 10 lze připevnit a výškově nastavit nosník 3. Pro snížení zkrutu kolejnice 1 lze fixační členy 2 doplnit o rozpěrné tyče 8, jež jsou určeny pro kompenzaci torzní síly na senzorickém systému zařízení při průjezdu vlakových souprav. Osazení rozpěrné tyče 8 minimalizuje namáhání kolejnice 1, přičemž instalace rozpěrných tyčí 8 je doporučeno pro dlouhodobé umístění senzoru v kolejišti, a též při vážení objemných nákladů.

V konstrukčním provedení deformační zóny se využívá průhybu nosníku 3 při najetí okolku železničního kola na deformační zónu. Průhyb nosníku 3 je monitorován předepnutou Braggovou FBG mřížkou 7, která převádí její pnutí na změnu odraženého spektra optického signálu. Braggova FGB mřížka 7 je určená pro měření napětí v optickém vlákně, vyvolaném prohnutím nosníku 3 pro změření průhybu při průjezdu vlakových souprav s různou vahou. Aby bylo možné vyhodnocení pnutí v Braggových FBG mřížkách 6 a 7, je zapotřebí připojení vyhodnocovací jednotky. Vyhodnocovací jednotku lze umístit ve vzdálenosti několika km od samotného váhového senzoru. Zóny nosníku 3 lze připojit jedním nebo vícero optickými vlákny, dle podmínek užití, přičemž vyhodnocovací jednotka vysílá širokospektrální optické záření do optického vlákna 5 k Braggové FBG mřížce 7. Na stejném optickém vlákně 5 měří vyhodnocovací jednotka zpětně odražené spektrum od Braggové FBG mřížky 7. Pro přívod a odvod světelného záření se využívají optická vlákna 5.

Pro stanovení celkové hmotnosti kolejového vozidla, její rozložení na jednotlivá kola a nápravy, pro stanovení rychlosti pohybu vozidla, směru pohybu vozidla mohou být aplikovány 4 mechanismy podle obr. 3 a obr. 4 nebo lze aplikovat pouze dva mechanismy, viz obr. 3 a 4 vlevo v případech menších hmotností kolejových vozidel a časově omezených měření.

Na obr. 3 je znázorněno umístění 2 senzorů (tj. 1 páru) pro monitorování váhy, zatížení jednotlivých kol, rychlosti, počítání náprav a určování směru jízdy. Senzory umístěné naproti sobě neumožňují měřit rychlost nebo určovat směr jízdy. Změnou konfigurace páru senzoru, kdy jsou jednotlivé senzory od sebe osově posunuty o 1 m, lze s nižší přesností provádět vážení i určování rychlosti a směru jízdy.

Na obr. 4 je znázorněno umístění 4 senzorů (tj. 2 párů). Dvojice senzorů uložené na jednotlivých kolejnicích 1 ve známé vzdálenosti umožňují měření rychlosti. Ta se stanovuje ze známé rozteče mezi jednotlivými senzory na stejné kolejnici 1 a měřením doby průjezdu mezi nimi. Protože se jedná o krátkou vzdálenost (typicky kolem 1 metru), nedochází ke změně rychlosti a pohyb kolejového vozidla lze považovat za rovnoměrný a rychlost vozidla pak počítat jako rychlost rovnoměrného pohybu. V případě, že je požadována znalost hmotnosti (zátěže) na kolo, je vhodné

- 4 CZ 37623 UI střídavé osazení jednotlivých senzorů, pokud je vyžadována znalost hmotnosti na jednotlivé kolo a celou nápravu, je vhodné uspořádání, kdy jsou senzory umístěny proti sobě.

Dále je na obr. 4 znázorněno umístění 4 ks senzorů pro monitorování váhy, zatížení jednotlivých kol a rychlosti, kde je systém doplněn o vzpěry, které minimalizují namáhání kolejnic L Rozpěmé tyče 8, které jsou použity jako výztuha fixačních členů 2, mají dvě funkce. První je zmenšení namáhání ve zkrutu mechanismu fixačního členu 2 vlivem odlišných tvarů a průměrů okolků vlivem různého opotřebení kol vozidel během provozu. Toto namáhání se přenáší na samotnou kolejnici j_, která je vlivem vysoké tvrdosti povrchové vrstvy kolejnic 1 náchylná ke křehkým lomům. Vliv zkrutu mechanismu fixačního členu 2 roste se zátěží na kolo a nápravu, tedy roste s hmotností vozidla. Proto pro použití tam, kde se očekává vážení velkých hmotností, je vhodné zejména pro dlouhodobý provoz tyto rozpěmé tyče 8 použít. Druhým důvodem je zvýšení bezpečnosti provozu vozidel, kdy opotřebení kol a okolků je značné a vzájemně rozdílné. Zde rozpěry přispívají k minimalizaci vzájemných pohybů okolků a tělesa senzoru a tím zvyšují stabilitu vedení kol.

Průmyslová využitelnost

Vážící a monitorovací systém může být použit ve více aplikacích, včetně monitorování železničního provozu, detekce problémů na kolejích (např. rozbité nápravy), a také pro sběr dat pro analýzu výkonu kolejových vozidel a infrastruktury. Využití deformační zóny a mechanismu pro uchycení na kolejnici se nachází v oblasti kolejové dopravy, a to jak v osobní, tak i nákladní dopravě a dále též na kolejích ve výrobních závodech těžkého a petrochemického průmyslu. Hlavní význam spočívá v možnosti rychlého vážení (vážení jednotlivých kol jízdní soupravy, dvojkolí a celých podvozků), detekce směru rychlosti a počítání náprav kolejových vozidel v reálném čase. Toto řešení lze nasadit i v provozech s vysokým elektromagnetickým rušením a oblastech s vysokým výskytem výbušných a hořlavých látek.

Claims (2)

1. NÁROKY NA OCHRANU

   1. Zařízení pro vážení a monitorování kolejových vozidel zahrnující deformační zónu opařenou optickým vláknem s implementovanými Braggovými FBG mřížkami, kde deformační zóna je 5 uspořádána ve fixačním členu, který je upevněn ke kolejnici, vyznačující se tím, že zahrnuje váhový senzor, jehož deformační zónu tvoří nosník (3) spolu s přírubou (11), které jsou opatřeny drážkou (9) pro optické vlákno (5), jenž je osazeno Braggovou FBG mřížkou (7) a teplotní Braggovou FBGT mřížkou (6), přičemž dále zahrnuje mechanismus, který je tvořen dvojící fixačních členů (2), z nichž jeden je opatřen vybráním (10), kde fixační členy (2) jsou uspořádány proti sobě a vzájemně 10 spojeny šrouby (4) pod patou kolejnice (1).
2. 2. Zařízení pro vážení a monitorování kolejových vozidel podle nároku 1, vyznačující se tím, že pro kompenzaci torzní síly zařízení jsou mezi fixační členy (2) upevněny rozpěrné tyče (8).