ES2290107T3 - Procedimiento y dispositivo para detectar un rodamiento defectuoso de un vehiculo ferroviario. - Google Patents
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- G01H1/003—Measuring characteristics of vibrations in solids by using direct conduction to the detector of rotating machines
Abstract
Procedimiento para detectar al menos un rodamiento (WLA) dañado de ruedas de un vehículo ferroviario apoyadas tal que pueden girar en apoyos del eje (AXL), generándose en la zona de al menos un apoyo del eje (AXL) al menos una señal de aceleración (BSI) y dictaminándose en base a esta señal si existe un daño en el rodamiento, caracterizado porque a partir de al menos una señal de aceleración (BSI) se calcula una cantidad que puede predeterminarse de armónicos de rodadura del anillo exterior (ARH), calculándose con exactitud los armónicos de falta de redondez de la rueda y diferenciándose de los armónicos de rodadura del anillo exterior y porque al menos a partir de los armónicos de rodadura del anillo exterior (ARH) se calcula al menos un parámetro característico (KEN) para caracterizar el estado del rodamiento, comparándose el parámetro característico (KEN) con al menos un valor de consigna (SOL).
Description
Procedimiento y dispositivo para detectar un
rodamiento defectuoso de un vehículo ferroviario.
La invención se refiere a un procedimiento para
detectar al menos un rodamiento defectuoso de ruedas de un vehículo
ferroviario que pueden girar apoyadas en apoyos del eje de un
vehículo ferroviario, generándose en la zona de al menos un apoyo
del eje al menos una señal de aceleración y dictaminándose en base a
esta señal si el rodamiento está dañado.
Además, se refiere la invención a un dispositivo
para detectar al menos un rodamiento defectuoso de ruedas de un
vehículo ferroviario que pueden girar apoyadas en apoyos del eje,
estando previsto en la zona de al menos un apoyo del eje al menos
un sensor de aceleración conectado con una unidad evaluadora, que
está equipada para recibir al menos una señal de aceleración del
sensor de aceleración y dictaminar en base a esta señal si el
rodamiento está dañado.
En vehículos ferroviarios está apoyado
usualmente el eje de rueda de una rueda en un rodamiento, tal que
puede girar. Cuando está dañado el rodamiento de una rueda, ya no
puede asegurarse la rodadura sin problemas de esta rueda. En el
funcionamiento práctico de un vehículo ferroviario, un rodamiento
dañado implica por lo tanto un gran riesgo para la seguridad.
Además, un bloqueo de la rueda provocado por un rodamiento dañado
puede aumentar considerablemente el desgaste del vehículo
ferroviario, con lo que aumentan considerablemente los gastos en
mantenimiento preventivo y con ello también los costes que ello
implica.
Un método frecuentemente utilizado consiste en
controlar visualmente el rodamiento de un vehículo ferroviario a
intervalos periódicos y caso necesario desmontarlo, así como
someterlo a otra comprobación adicional. Este proceder es muy
costoso, ya que implica mucho tiempo y además una vigilancia
permanente de los rodamientos tampoco es posible durante el
funcionamiento del vehículo ferroviario.
Se conocen dispositivos que se basan en la
generación de señales electrónicas, por ejemplo de señales de
aceleración en componentes que pueden determinarse previamente,
debiéndose deducir a partir de las señales obtenidas el estado del
componente considerado, por ejemplo de un rodamiento.
Un dispositivo del tipo citado al principio se
describe en la EP 0 058 705. El dispositivo dado a conocer allí
presenta en la zona de cada apoyo del eje de las ruedas un sensor,
por ejemplo un sensor de aceleración, que capta vibraciones del
cojinete del eje y las retransmite como señales a una unidad de
evaluación. A partir de estas señales puede deducir la unidad
evaluadora el estado del rodamiento.
La US 5 433 111 A describe un dispositivo y un
procedimiento para detectar daños en las ruedas de un vehículo
ferroviario. El dispositivo conocido presenta una unidad de medida
para detectar la rotación del eje de un bloque de ruedas y un
sensor de movimiento, por ejemplo un sensor de aceleración, para
detectar movimientos verticales respecto al plano de los carriles.
Cuando los carriles están dañados, se genera por cada sensor de
aceleración una señal. Si surge un daño en la rueda, se genera
debido al mismo, con el periodo de rotación del eje, una señal de
aceleración en dirección vertical, que permite deducir si la rueda
está dañada o no.
La DE 198 26 422 A1 se refiere a un sistema de
sensores combinado para el control continuo de los bloques de
ruedas, en el que se detectan daños en los cojinetes de las ruedas
mediante sensores de sonidos de los cuerpos. Para ello se comparan
los ruidos de los cojinetes de un cojinete de rueda con los ruidos
de los cojinetes de un cojinete de rueda nuevo.
La US 5 150 618 A describe un dispositivo para
detectar daños en un cojinete, estando prevista en una instalación
de vía una zona de detección con un detector. Al pasar por delante
un vehículo ferroviario, pueden transformarse mediante sensores
acústicos los ruidos de los cojinetes en señales eléctricas, que se
investigan en una unidad evaluadora en relación con la existencia
de determinadas frecuencias.
La US 5 924 654 da a conocer un dispositivo para
detectar los movimientos de un vehículo ferroviario, estando
dispuesto en la parte interior de un bastidor del vehículo
ferroviario un sensor, equipado para detectar los movimientos del
vehículo ferroviario. En una unidad evaluadora unida con el sensor
pueden detectarse en base a las señales transmitidas por el sensor
daños en el vehículo ferroviario.
Otro procedimiento del tipo citado al principio
se ha dado a conocer por ejemplo por la WO 0051869.
Por la EP 0 982 579 se conoce un dispositivo
para vigilar un cojinete de un motor de un vehículo ferroviario. Al
respecto, se vigila mediante un sensor de aceleración el
comportamiento en cuanto a vibraciones del cojinete. El dispositivo
conocido no es adecuado, por razones constructivas, para vigilar un
rodamiento del tipo citado al principio, ya que los resultados de
la medida se falsean debido a la geometría de la rueda.
En los procedimientos conocidos es un
inconveniente que en el caso del control visual implican un coste en
tiempo y económico muy elevado y en el caso de la vigilancia
electrónica conocida, no aportan resultados satisfactorios en
cuanto a la precisión de la detección del daño.
Es por lo tanto una tarea de la invención lograr
un camino que permita detectar daños en los rodamientos con gran
precisión de una manera sencilla y económica.
Esta tarea se resuelve con un procedimiento del
tipo citado al principio en el marco de la invención calculándose a
partir de la señal de aceleración, de las que al menos hay una, una
cantidad que puede determinarse previamente de armónicos de
rodadura del anillo exterior, calculándose armónicos de falta de
redondez de la rueda con precisión y diferenciándose de los
armónicos de rodadura del anillo exterior y calculándose al menos a
partir de los armónicos de rodadura del anillo exterior al menos un
parámetro para caracterizar el estado del rodamiento, comparándose
el parámetro con al menos un valor de consigna.
Esta solución permite comprobar permanentemente
el estado de un rodamiento también durante el funcionamiento y
detectar daños ya en un estadio muy temprano y localizar con
precisión un rodamiento defectuoso.
Para poder determinar con claridad daños en el
rodamiento, se genera al menos una señal de aceleración, que
reproduce la evolución de la aceleración del bogie en la dirección
de la marcha. Otra posibilidad de la detección inequívoca del daño
en un rodamiento consiste en que se genera al menos una señal de
aceleración que reproduzca la evolución de la aceleración del bogie
perpendicularmente al plano de los carriles.
Ventajosamente, al sobrepasarse una desviación
que puede determinarse previamente del parámetro característico
respecto al valor de consigna, se genera un aviso de alarma. La
ventaja de esta forma constructiva reside en que en el caso de un
daño en el rodamiento detectado durante la marcha, pueden tomarse
medidas al generarse un aviso de alarma, para evitar un accidente,
por ejemplo mediante reducción de la velocidad de marcha del
vehículo ferroviario.
Para calcular el parámetro característico del
estado del rodamiento, se someten los valores de la señal de
aceleración, de las que al menos hay una, que se encuentran dentro
de una ventana de tiempo que puede predeterminarse, a una
transformación de Fourier o similar. A continuación, se calculan a
partir de cada transformada de Fourier o transformada similar a la
misma de los valores de señal los armónicos de rodadura del anillo
exterior.
Una variante ventajosa de la invención para
aumentar la precisión del cálculo de los armónicos del anillo
exterior, prevé que para enjuiciar líneas espectrales que pueden
determinarse de antemano se formen factores de confianza y a
continuación se calcule el promedio aritmético de una cantidad que
puede predeterminarse de factores de confianza. Por lo demás, se
forma un valor promedio de amplitudes de los armónicos de rodadura
del anillo exterior ponderado con los factores de confianza,
formándose a continuación al menos a partir del valor medio de
amplitud ponderado de los armónicos de rodadura del anillo exterior
y del promedio aritmético de los factores de confianza un espacio
de características para enjuiciar los daños del rodamiento.
En otra variante se calcula la suma de las
amplitudes de una cantidad que puede predeterminarse de armónicos
de rodadura del anillo exterior y a continuación se forma la
relación entre esta suma y la suma de las amplitudes de la misma
cantidad de otros armónicos de rodadura del anillo exterior que
pueden predeterminarse. Para poder analizar el estado de un
rodamiento en función de su tiempo de funcionamiento, en esta
variante puede memorizarse el parámetro característico calculado o
promediado a intervalos de tiempo que pueden predeterminarse en un
banco de datos de parámetros.
Para realizar el procedimiento correspondiente a
la invención es especialmente adecuado un dispositivo para detectar
al menos un rodamiento defectuoso de ruedas apoyadas tal que pueden
girar en apoyos de los ejes de un vehículo ferroviario, estando
entonces dispuesto directamente en la zona de un apoyo del eje de
cada rueda de un vehículo ferroviario al menos un sensor de
aceleración, conectado con la unidad evaluadora, que esta equipado
de tal manera que calcula a partir de las señales de aceleración, de
las que al menos hay una, una cantidad que puede predeterminarse de
armónicos de rodadura del anillo exterior y calcular entonces con
precisión los armónicos de falta de redondez de la rueda y
diferenciarlos de los armónicos de rodadura del anillo exterior,
así como calcular al menos a partir de un armónico de rodadura del
anillo exterior al menos un parámetro para caracterizar el estado
del rodamiento, estando equipada la unidad de evaluación además
para, cuando se sobrepasa una determinada desviación del parámetro
característico respecto al valor de consigna, generar una aviso de
alarma.
Ventajosamente, la unidad de evaluación esta
equipada para, cuando se produce una desviación que puede
predeterminarse del parámetro característico respecto al valor de
consigna, generar una aviso de alarma y representarlo en una unidad
de salida prevista expresamente para ello, estando equipada la
unidad de salida para emitir el aviso de alarma de forma óptica y/o
acústica.
Para poder determinar inequívocamente daños en
el rodamiento, discurre en una forma constructiva ventajosa de la
invención la dirección de acción del sensor de aceleración, de los
que al menos hay uno, en la dirección de marcha del vehículo
ferroviario y/o perpendicularmente al plano de los carriles.
En una forma constructiva favorable de la
invención, la unidad evaluadora esta equipada para someter los
valores de señal de las señales de aceleración, de las que al menos
hay una, que se encuentran dentro de una ventana de tiempo que
puede predeterminarse, a una transformación de Fourier o similar,
estando equipada además la unidad evaluadora para, a partir de cada
transformada de Fourier o de las transformadas similares a la misma
de los valores de señal de la señal de aceleración, calcular una
cantidad que puede predeterminarse de armónicos de rodadura del
anillo exterior.
Una variante ventajosa de la invención prevé que
la unidad evaluadora esté equipada para calcular factores de
confianza para enjuiciar las líneas espectrales que pueden
predeterminarse y formar un valor promedio de amplitud ponderado
con factores de confianza de los armónicos de rodadura del anillo
exterior.
Además, la unidad evaluadora esta equipada para
formar al menos a partir del valor promedio ponderado de amplitudes
de los armónicos de rodadura del anillo exterior y del valor
promedio aritmético de los factores de confianza, un espacio de
características para enjuiciar daños en el rodamiento.
Otra variante ventajosa de la invención consiste
en que la unidad evaluadora esté equipada para calcular la suma de
las amplitudes de una cantidad que puede predeterminarse de
armónicos de rodadura del anillo exterior y a continuación formar
la relación entre esta suma y la suma de las amplitudes de la misma
cantidad de otros armónicos de rodadura del anillo exterior que
pueden predeterminarse.
De manera favorable, se prevé un banco de datos
de parámetros característicos para memorizar un parámetro
característico calculado o promediado, de los que al menos hay
uno.
La invención, inclusive otras ventajas, se
describirá más en detalle a continuación en base a algunos ejemplos
de ejecución no limitativos, que se visualizan en el dibujo. En el
mismo muestran esquemáticamente
figura 1 una vista en planta sobre un bogie con
un dispositivo correspondiente a la invención para detectar daños
en los rodamientos,
figura 2 un rodamiento de una rueda,
figura 3 un detalle de un espectro de amplitudes
de una señal de aceleración,
figura 4 el dispositivo correspondiente a la
invención de la figura 1 más en detalle y
figura 5 un espacio de características para
detectar daños en el rodamiento.
Según la figura 1, presenta un bogie DRE de un
vehículo ferroviario en cada apoyo del eje AXL de una rueda un
sensor de aceleración BSE para un dispositivo correspondiente a la
invención para detectar daños en rodamientos.
Mediante el movimiento de giro de un eje de
rueda unido rígidamente con el anillo interior de un rodamiento, se
mantiene durante la marcha del vehículo ferroviario un movimiento
continuo de giro del anillo interior respecto al anillo exterior
del rodamiento. Debido a este movimiento relativo del anillo
interior respecto al anillo exterior, se provocan vibraciones en el
rodamiento. Estas vibraciones pueden medirse en forma de
oscilaciones locales de la aceleración en el apoyo del eje AXL,
representando determinados componentes de estas vibraciones una
medida del estado en que se encuentra el rodamiento.
El apoyo del eje AXL está compuesto usualmente
por el rodamiento que acabamos de mencionar, partes de la carcasa y
una tapa. Los sensores de aceleración BSE pueden estar dispuestos
por ejemplo en la tapa o bien en la carcasa del apoyo del eje
AXL.
Un elemento esencial de la presente invención es
el descubrimiento de que pueden lograrse resultados de medida
especialmente representativos cuando la dirección de actuación de
los sensores de aceleración BSE discurre esencialmente en
perpendicular al plano de los carriles \varepsilon o parcialmente
respecto a la dirección de marcha del vehículo ferroviario. En el
dibujo se representa la dirección de marcha FAR y la dirección de
actuación de los sensores de aceleración BSE con una flecha.
Bajo dirección de actuación de un sensor de
aceleración de BSE se entiende en este documento la dirección en la
que el sensor puede captar esfuerzos de aceleración y aportar
señales.
Los sensores de aceleración BSE pueden estar
configurados por ejemplo como sensores piezoeléctricos en los que
de la manera conocida está dispuesto un cristal piezoeléctrico entre
dos placas de condensador que discurren en paralelo una a otra.
Cuando se utiliza este tipo de sensores entonces, debido a que ambas
placas de condensador discurren esencialmente en perpendicular a la
dirección de la marcha del vehículo ferroviario o en paralelo al
plano de los carriles \varepsilon, puede llevarse a coincidir la
dirección de actuación de los sensores de aceleración BSE con la
dirección de marcha o bien con una dirección normal a la misma.
Evidentemente pueden también utilizarse otros sensores de
aceleración conocidos que se basan en otros mecanismos.
En lo que sigue en este documento, se hace
referencia a un sistema de sensores de aceleración en el que la
dirección de actuación de los sensores discurre perpendicularmente
al plano de los carriles \varepsilon.
El rodamiento WLA según la figura 2 presenta un
anillo exterior AUR y un anillo interior INR, entre los cuales
están dispuestos cuerpos de rodadura WAK, que están apoyados tal que
pueden girar en una jaula KFG. El anillo inferior INR está unido
rígidamente con el eje de la rueda AXE y gira con su frecuencia de
rodadura alrededor de la recta de simetría longitudinal \lambda
de rodamiento WLA. Debido al rozamiento de rodadura entre el anillo
interior INR y los cuerpos de rodadura WAK, sigue la jaula KFG el
movimiento de rotación del anillo interior INR. A partir de las
condiciones geométricas del rodamiento WLA, puede calcularse, de la
manera conocida, la frecuencia teórica de rodadura del cuerpo de
rodadura WAK sobre el anillo exterior AUR o bien el anillo interior
INR en función de la velocidad de rotación del eje de la rueda AXE;
ver al respecto también "Sistema de diagnóstico para el
rodamiento para máquinas e instalaciones" del profesor doctor en
ciencias técnicas Adolf Sturm y colaboradores, 1. edición, editorial
técnica VEB, Berlín 1985, capítulo 2, páginas
26-43.
La vibración de rodadura del anillo interior y
del anillo exterior, así como sus frecuencias, que dependen
esencialmente de la frecuencia de rotación de la jaula KFG, tal como
se describirá a continuación, tienen una gran importancia para la
detección de daños en un rodamiento. En particular mediante un
análisis de los armónicos de rodadura del anillo interior o bien
del anillo exterior, puede realizarse un dictamen muy preciso sobre
el estado del rodamiento.
En lo que sigue a continuación se considerarán
sólo la vibración de rodadura del anillo exterior y sus armónicos,
aún cuando también puede incluirse un análisis combinado de la
vibración de rodadura del anillo interior y la vibración de
rodadura del anillo exterior para el diagnóstico del rodamiento.
Bajo el concepto de armónico se entienden en
este documento líneas espectrales cuyas frecuencias presentan entre
sí una relación de número entero. Esto es especialmente así en la
transformación de Fourier de señales periódicas no sinusoidales. El
armónico básico es aquí el armónico con la frecuencia más baja, que
se corresponde con el valor inverso de la duración del periodo de
una señal como la indicada.
Las frecuencias de rodadura del anillo exterior
AUR y del anillo interior INR indican con qué frecuencia es
recorrido en rodadura un punto de la correspondiente trayectoria de
marcha por unidad de tiempo por un cuerpo de rodadura KUG, pero no
obstante se desvían según la figura 3 las frecuencias de rodadura
del anillo exterior reales ARE y las correspondientes teóricas ATH
como consecuencia de un deslizamiento SLU, que es una consecuencia
del rozamiento por deslizamiento que se presenta entre el anillo
interior INR, los cuerpos de rodadura KUG y el anillo exterior AUR
entre sí; lo mismo rige en relación con la frecuencia de rodadura
del anillo interior real y la teórica.
Básicamente se diferencia en la presente
consideración entre frecuencias cinemáticas, como las frecuencias
de rodadura del anillo exterior y las frecuencias estructurales, las
frecuencias propias de un componente.
Mientras las frecuencias cinemáticas dependen de
la velocidad de rotación del eje de la rueda, las frecuencias
estructurales son independientes de la velocidad y son una
característica del correspondiente componente, por ejemplo del
rodamiento.
Si está dañado un punto de la trayectoria de
marcha del anillo exterior AUR, entonces resulta de ello una
secuencia de choques con la frecuencia de rodadura del cuerpo de
rodadura WAK sobre el anillo exterior AUS. En base a la secuencia
periódica de choques al rodar sobre el punto dañado, se obtiene
teóricamente en la gama de frecuencias el espectro típico de una
secuencia de impulsos que presenta la forma de impulsos Dirac.
Las amplitudes de los armónicos de rodadura
espaciales del anillo exterior permiten una conclusión exacta
relativa a la forma y tamaño del punto dañado. No obstante, en
realidad la secuencia espacial de choques no es accesible para una
medida directa, sino que sólo puede, tal como se ha mencionado ya
anteriormente, detectarse en forma de aceleraciones que son
originadas por las vibraciones inducidas de la carcasa del cojinete
del eje. No obstante, la magnitud de la amplitud de las señales de
aceleración medidas está en relación directa con la magnitud del
daño.
Por esta razón puede formarse por ejemplo un
parámetro característico para la detección del daño como valor
medio ponderado de las amplitudes de una selección favorable de
armónicos, tal como se describirá más extensamente después,
pudiendo realizarse la ponderación en base a lo acusada que sea la
correspondiente línea espectral.
Según la figura 4 se transmiten las señales de
aceleración BSI captadas por los sensores de aceleración BSE a una
unidad de evaluación ASW. La transmisión de las señales de
aceleración BSI desde los sensores de aceleración BSE hasta la
unidad de evaluación ASW puede realizarse mediante líneas con hilos,
cable de fibra óptica o sin hilos. Debido a que cada apoyo del eje
AXL lleva asociada al menos una señal de aceleración BSI, puede
localizarse un rodamiento dañado WAL inmediatamente.
En la unidad de evaluación se someten los
valores de señal de la señal de aceleración BSI que se encuentran
dentro de una ventana de tiempo que puede predeterminarse a una
transformación de Fourier FFT.
Los circuitos y procedimientos para realizar una
transformación de Fourier, en particular una transformación rápida
de Fourier, son conocidos y se describen por ejemplo en la EP 402
145 y en "Procesamiento de voz" de B. Eppinger y E. Herter;
editorial Hanser Munich Viena, 1993, páginas
68-71.
En el espectro obtenido se calculan a
continuación los armónicos de rodadura del anillo exterior reales
ARE.
En un primer método se calculan para ello, en
base a las frecuencias teóricas de la jaula, intervalos de
frecuencias en los cuales se encuentran los armónicos de rodadura
del anillo exterior reales ARE; respecto al concepto de frecuencias
de la jaula, ver también "Sistema de diagnóstico de rodamientos
para máquinas e instalaciones", del profesor doctor en ciencias
técnicas Adolf Sturm y colaboradores. 1ª edición, Editorial técnica
VEB, Berlín 1985, capítulo 2, paginas 26-43. Estos
intervalos se analizan buscando los valores máximos de las
amplitudes, ya que los armónicos de rodadura del anillo exterior
ARE en un rodamiento dañado WAL pueden llegar a ser dominantes en
la gama, es decir, las líneas espectrales máximas de estos
intervalos.
Existe entonces el peligro de confundir la
frecuencia básica de los armónicos de rodadura del anillo exterior
reales ARE con un armónico de falta de redondez de la rueda de un
orden más elevado. Para evitar esto, se calculan con exactitud los
armónicos de falta de redondez de la rueda y se diferencian de los
armónicos de rodadura.
Los armónicos de falta de redondez de la rueda
son igualmente vibraciones periódicas inducidas, es decir, un
espectro discreto cuyas líneas espectrales son iguales a los
armónicos de rodadura del anillo exterior reales ARE. Los armónicos
de falta de redondez de la rueda vienen provocados por desviaciones
de la sección de la rueda respecto a la forma circular. El armónico
básico de los armónicos de falta de redondez de la rueda se
encuentra exactamente en la frecuencia de rotación del eje de la
rueda.
Debido a que la frecuencia de rotación del eje
de la rueda y el armónico básico de rodadura del anillo exterior
real ARE no se encuentran en una relación de número entero, varía la
posición de los armónicos de falta de redondez de la rueda
contiguos respecto al correspondiente armónico de rodadura del
anillo exterior. En la carcasa del cojinete del eje pueden
presentarse amplitudes apreciables, cuya confusión con un armónico
de rodadura puede dar lugar a un diagnóstico erróneo.
No obstante, la separación de los armónicos de
la rueda no representa ningún problema, porque su posición es
exactamente conocida cuando se conoce la frecuencia de giro del eje
de la rueda. Así, debe dividirse sencillamente la frecuencia
absoluta de los candidatos para los armónicos de rodadura del anillo
exterior por la frecuencia del eje y entonces decidirse si la
relación se encuentra demasiado próxima a un número entero. En este
caso, no se sigue considerando el correspondiente armónico.
Partiendo de los armónicos sobrantes, puede
calcularse a la inversa la frecuencia generadora de la jaula y a
partir de ella formarse un valor medio ponderado mediante factores
de confianza, que se describirán más abajo. Esto rige como valor
estimado para la frecuencia verdadera de la jaula. Puesto que
naturalmente todos los armónicos deben proceder de una frecuencia
de jaula idéntica, se eliminan aquéllos con una desviación
demasiado grande respecto al valor estimado. A partir de los
armónicos restantes que quedan, se calcula a la inversa un nuevo
valor estimado y se compara. Este proceso se repite hasta que ya no
se elimina ningún otro armónico. Si tras este proceso de separación
iterativo quedan aún sobrantes al menos dos armónicos, los mismos
pueden considerarse como armónicos de rodadura del anillo exterior
real ARE y llevarse al siguiente análisis.
En el marco del servicio de marcha regular puede
llegarse, en función del tramo que se recorra, regularmente a
activaciones con forma de choques de todo el mecanismo de rodadura,
en particular cuando se pasa por encima de agujas y arranques de
puentes. Estos choques dan lugar a una activación de banda ancha con
una amplitud relativamente grande, que en el marco del intervalo de
análisis podrían asignarse incorrectamente al cojinete del eje.
Pero puesto que no se trata al respecto, como en el proceso de
rodadura en el cojinete del eje, de una secuencia periódica de
impulsos, sino de un proceso único transitorio, aparece más bien un
espectro continuo de amplitudes y ninguna línea espectral discreta.
Esta propiedad permite una diferenciación cuando se cuantifica cómo
es una línea espectral en cuanto a discreta.
Una posibilidad de realizar esta diferenciación
consiste en referir la magnitud de la línea espectral considerada a
la amplitud media en el intervalo de análisis del espectro de
amplitudes. Este valor debe denominarse a continuación valor de
cresta, apoyándose en el valor de cresta usual, que no obstante
reproduce la relación entre el valor de punta y en valor promedio
cuadrado.
En el caso de una línea espectral discreta,
acusada, el promedio aritmético es relativamente pequeño en
comparación con la magnitud de la línea espectral, lo cual da lugar
a un elevado valor de cresta. Por el contrario, una activación de
banda ancha da lugar a un promedio aritmético elevado y debido a
ello a un valor de cresta reducido.
La posible gama de valores del valor de cresta
se extiende desde uno hasta infinito, en función de si se trata de
un espectro plano o de un pico indefinidamente elevado de una línea
espectral. Para poder incluir el valor de cresta para la
ponderación, debe formarse una función que pasa de cero para un
valor de cresta de uno y que llega a una zona de saturación para un
valor de cresta muy elevado. Esto último es de importancia sobre
todo para que una perturbación con un amplitud muy alta no
desconecte mediante una ponderación dominante los demás armónicos
en la formación del parámetro característico.
El factor de confianza puede obtenerse por
ejemplo formando el logaritmo decimal del valor de cresta.
El parámetro para detectar un daño en el
rodamiento se forma mediante un valor medio normalizado de las
amplitudes analizadas ponderado con el factor de confianza de la
correspondiente línea espectral. Los armónicos con un elevado valor
de confianza determinan más fuertemente el valor de amplitud
definitivo. La formación del valor promedio ponderado se realiza
entonces según la fórmula
en la cual \alpha_{ges}
significa el valor medio ponderado de las amplitudes, \nu_{j} el
factor de confianza de la correspondiente línea espectral y a_{j}
las amplitudes de los armónicos de rodadura del anillo exterior
considerados.
El factor de confianza \nu_{j} sirve
principalmente para la ponderación cuando los parámetros
característicos se deducen de los parámetros individuales de varios
armónicos. En esta propiedad los mismos no son, no obstante,
accesibles ya, es decir, no puede reconocerse si por ejemplo se ha
formado un valor de amplitud \alpha_{ges} ponderado como
armónico puro con valores de confianza \nu_{j} muy elevados o a
partir de exclusivamente líneas espectrales poco dignas de
confianza. Así varios armónicos con el mismo factor de confianza
\nu_{i} aportarían, independientemente de su magnitud, siempre
el mismo valor de amplitud promedio ponderado
\overline{\alpha_{ges}}. Para hacer esta propiedad igualmente
accesible para la clasificación, puede formarse como característica
adicional el valor aritmético de todos los factores de confianza
que participan \nu_{j} según la fórmula:
en la que \nu_{\overline{ges}} se
corresponde con el promedio aritmético de los factores de confianza
\nu_{j} y n con la cantidad de factores de confianza
\nu_{j}.
A partir de estas características puede
definirse, tal como se representa en la figura 5, por ejemplo un
espacio de características bidimensional MER con el promedio
ponderado de las amplitudes \overline{\alpha_{ges}} y el promedio
aritmético de los factores de confianza \nu_{\overline{ges}} como
características. Como límites de decisión para la clasificación en
ambas clases "intacto" INT y "defectuoso" DEF, pueden
elegirse por ejemplo tres límites lineales. En la figura 5 se
designa a la totalidad de estos límites con GRE. Los límites se
forman mediante un valor de umbral que puede predeterminarse para
el valor promedio de amplitudes ponderado \alpha_{ges}, un
valor de umbral para el factor de confianza promedio \nu_{ges} y
un umbral oblicuo para armónicos con un valor promedio de
amplitudes de ponderado \alpha_{ges} y un valor promedio de
confianza \nu_{ges} próximo al valor de umbral antes
indicado.
Los límites de decisión no se han dibujado por
completo, sino sólo en tanto en cuanto delimitan aquella zona que
cumple con los tres criterios. Correspondientemente a su
clasificación en el espacio de características, se corresponden los
distintos armónicos con daños en el rodamiento. Los parámetros
característicos KEN que se encuentran por encima de los valores de
umbral o bien valores de consigna SOL, se corresponden con
rodamientos dañados.
Básicamente puede pensarse en cualquier forma de
límite de decisión, siendo no obstante la clasificación en base a
los límites antes citados especialmente fácil de realizar, ya que
sólo debe compararse la correspondiente característica o bien el
correspondiente parámetro característico KEN con el correspondiente
valor de umbral o bien valor de consigna SOL o bien resolverse una
sencilla ecuación lineal para el tercer límite.
Si sobrepasa el parámetro característico KEN de
un rodamiento WAL el valor de consigna SOL en un valor que puede
predeterminarse BET, entonces se genera un aviso de alarma ALA en
una unidad de salida AUS, por ejemplo una pantalla en el cuadro de
instrumentos de una locomotora. Para aumentar la seguridad de
servicio del vehículo ferroviario, puede iniciarse también un
frenado cuando se sobrepasa el valor de consigna por parte de un
control STR previsto expresamente para ello.
En un segundo método, para obtener una buena
relación señal/ruido y una elevada sensibilidad, se miden los
armónicos de rodadura del anillo exterior sólo cuando la frecuencia
de rotación del eje de la rueda es tan alta que los armónicos de
rodadura del anillo exterior elegidos se encuentren en las zonas de
resonancia de las oscilaciones de la estructura. Este proceder se
corresponde esencialmente con un filtrado de las señales de
aceleración BSI.
Para formar un parámetro característico para
detectar un daño en un cojinete del bloque de ruedas, es necesario
en este método calcular la frecuencia básica de las vibraciones de
rodadura del anillo exterior, con cuya ayuda pueden encontrarse a
continuación sus armónicos.
Al igual que en el primer método antes descrito,
existe también aquí el peligro de confundir la frecuencia básica de
la vibración de rodadura del anillo exterior con un armónico de
falta de redondez de la rueda de un grado más elevado, por ejemplo
el octavo. Para evitar esto, se calculan con exactitud los armónicos
de falta de redondez de la rueda, tal como ya se ha descrito
anteriormente, y se diferencian de los armónicos de rodadura
contiguos. No obstante, esto no es posible en todas las gamas de
frecuencia, ya que debido a que el deslizamiento es variable en el
tiempo, tanto en el estado de dañado como también en el de no
dañado, las distancias teóricas entre los armónicos de rodadura de
la rueda y del anillo exterior contiguo ARE no se mantienen.
Por esta razón se consideran dos dominios de
frecuencias, que incluyen el armónico de rodadura del anillo
exterior número cero - el armónico básico - y el primer o bien el
séptimo y el octavo para una frecuencia de giro del eje de la rueda
que puede predeterminarse, por ejemplo 28 Hz.
Para averiguar la posición exacta de los
armónicos de rodadura del anillo exterior considerados, se calculan
los primeros armónicos de la rueda, por ejemplo el primero hasta el
número diecinueve. A continuación, se busca en una zona entre el
octavo armónico de la rueda y el valor teórico de la frecuencia
básica de los armónicos de rodadura del anillo exterior una punta
acusada que se clasifica como frecuencia básica real del armónico
de rodadura del anillo exterior. Partiendo de esta frecuencia
básica, se realiza el cálculo del primer o bien séptimo y octavo
armónico de rodadura del anillo exterior ARE.
A continuación, se forma para el cálculo del
parámetro característico la suma de las amplitudes de dos armónicos
de rodadura del anillo exterior contiguos ARE - el séptimo y el
octavo - y se calcula la relación entre esta suma y de la suma de
otros dos armónicos de rodadura del anillo exterior contiguos ARE -
la frecuencia básica y la primera - según la siguiente fórmula
en la que k es el parámetro
característico KEN, A\nu_{AR7} la amplitud del séptimo,
A\nu_{AR8} la amplitud del octavo, A\nu_{AR1}
la amplitud del primer y A\nu_{AR0} la amplitud del
armónico base de la vibración de rodadura del anillo
exterior.
Si se presentan daños en la pista de rodadura
del rodamiento, entonces puede aumentar este parámetro
característico KEN en el caso de un rodamiento ligeramente dañado
WAL hasta el valor sin dimensión 3 y en el caso de un rodamiento
gravemente dañado WAL hasta el valor 4.
La posibilidad de cuantificar el daño del
rodamiento permite en la fijación del valor de consigna SOL un
determinado margen de juego. Así puede por ejemplo fijarse el valor
de consigna SOL tal que se corresponda con un valor que está
signado a un rodamiento WAL intacto, uno ligeramente dañado o uno
gravemente dañado.
Naturalmente, en el procedimiento antes descrito
es también posible que gamas de valores o bien valores del
parámetro característico que acabamos de mencionar correspondan por
ejemplo a un determinado estado en cuanto a daños en el rodamiento.
Un determinado valor/gama de valores del parámetro característico
KEN corresponde por ejemplo a un daño pequeño, otro valor/gama de
valores a otro rodamiento más fuertemente dañado y de nuevo otro
valor/gama de valores a un rodamiento gravemente dañado. En este
caso no es necesaria una comparación directa con el valor de
consigna SOL.
Si sobrepasa el parámetro característico KEN el
valor de consigna SOL en una magnitud que puede predeterminarse
BET, entonces, tal como ya se ha descrito, puede generarse un aviso
de alarma ALA sobre una unidad de salida AUS, por ejemplo una
pantalla sobre el cuadro de instrumentos de una locomotora o bien
iniciarse un frenado.
El procedimiento antes descrito puede
evidentemente realizarse online utilizando microprocesadores
conocidos, correspondientemente programados. El especialista conoce
además numerosos programas o bien lenguajes de programación
adecuados para realizar el procedimiento correspondiente a la
invención, por ejemplo Mathematica, Matlab, etc.
Claims (22)
1. Procedimiento para detectar al menos un
rodamiento (WLA) dañado de ruedas de un vehículo ferroviario
apoyadas tal que pueden girar en apoyos del eje (AXL), generándose
en la zona de al menos un apoyo del eje (AXL) al menos una señal de
aceleración (BSI) y dictaminándose en base a esta señal si existe un
daño en el rodamiento,
caracterizado porque a partir de al menos
una señal de aceleración (BSI) se calcula una cantidad que puede
predeterminarse de armónicos de rodadura del anillo exterior (ARH),
calculándose con exactitud los armónicos de falta de redondez de la
rueda y diferenciándose de los armónicos de rodadura del anillo
exterior y porque al menos a partir de los armónicos de rodadura
del anillo exterior (ARH) se calcula al menos un parámetro
característico (KEN) para caracterizar el estado del rodamiento,
comparándose el parámetro característico (KEN) con al menos un
valor de consigna (SOL).
2. Procedimiento según la reivindicación 1,
caracterizado porque se genera al menos
una señal de aceleración (BSI) que reproduce la evolución de la
aceleración del bogie en perpendicular al plano de los carriles
(\varepsilon).
3. Procedimiento según la reivindicación 1 ó 2,
caracterizado porque se genera al menos una señal de
aceleración (BSI) que reproduce la evolución de la aceleración del
bogie en la dirección de la marcha.
4. Procedimiento según la reivindicación 3,
caracterizado porque al sobrepasar el
parámetro característico (KEN) una desviación que puede
predeterminarse respecto al valor de consigna (SOL), se genera un
aviso de alarma (ALA).
5. Procedimiento según una de las
reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque los valores de
señal de la señal de aceleración (BSI), de las que al menos hay una
que se encuentran dentro de una ventana de tiempo que puede
predeterminarse, se someten a una transformación de Fourier o a otra
transformación unitaria que reproduce la gama de tiempos de una
señal sobre la gama de frecuencias y a partir de cada transformada
se calculan los armónicos de rodadura del anillo exterior.
6. Procedimiento según la reivindicación 5,
caracterizado porque para enjuiciar las líneas espectrales
que pueden predeterminarse se calculan factores de confianza
(\nu_{j}), para aumentar la precisión del cálculo de los
armónicos de rodadura del anillo exterior.
7. Procedimiento según la reivindicación 6,
caracterizado porque para seguir enjuiciando los armónicos de
rodadura del anillo exterior se calcula el valor medio aritmético
(\overline{\nu_{ges}}) de una cantidad que puede predeterminarse
de factores de confianza (\nu_{j}).
8. Procedimiento según la reivindicación 6 ó 7,
caracterizado porque se forma un valor promedio de la
amplitud (\overline{\alpha_{ges}}) ponderado con los factores de
confianza (\nu_{j}) de los armónicos de rodadura del anillo
exterior (ARH).
9. Procedimiento según la reivindicación 8,
caracterizado porque al menos a partir
del valor promedio de amplitud ponderado
(\overline{\alpha_{ges}}) de los armónicos de rodadura del anillo
exterior (ARH) y del valor promedio aritmético
(\overline{\nu_{ges}}) de los factores de confianza (\nu_{j})
se forma un espacio de características (MER) para enjuiciar los
daños al rodamiento.
10. Procedimiento según una de las
reivindicaciones 1 a 9,
caracterizado porque se calcula la suma
de las amplitudes (A\nu_{AR7}, A\nu_{AR8},
A\nu_{AR1}, A\nu_{AR0}) de una cantidad que
puede predeterminarse de armónicos de rodadura del anillo exterior
(ARH) y a continuación y con fines de normalización se forma la
relación entre esta suma y la suma de las amplitudes
(A\nu_{AR7}, A\nu_{AR8}, A\nu_{AR1},
A\nu_{AR0}) de la misma cantidad de otros armónicos de
rodadura del anillo exterior (ARH) que pueden predeterminarse.
11. Procedimiento según una de la
reivindicaciones 1 a 10, caracterizado porque el parámetro
característico (KEN) calculado o promediado se archiva a
determinados intervalos de tiempo que pueden predeterminarse en un
banco de datos de parámetros (KDA).
12. Dispositivo para detectar al menos un
rodamiento (WLA) dañado de ruedas de un vehículo ferroviario que
pueden girar apoyadas en apoyos de eje (AXL), estando previsto en la
zona de al menos un apoyo del eje (AXL) al menos un sensor de
aceleración (BSE), que está conectado con una unidad de evaluación
(ASW) que está equipada de tal manera que recibe al menos una señal
de aceleración (BSI) del sensor de aceleración y en base de esta
señal dictamina si existe un daño en el rodamiento,
\newpage
caracterizado porque directamente en la
zona de un apoyo del eje (AXL) de cada rueda de un vehículo
ferroviario está dispuesto al menos un sensor de aceleración (BSE),
conectado con una unidad de evaluación (ASW), que está equipada de
tal manera que a partir de la señal de aceleración (BSI), de las que
al menos hay una, se calcula una cantidad que puede predeterminarse
de armónicos de rodadura del anillo exterior (ARH) y entonces se
calculan con exactitud armónicos de falta de redondez de la rueda y
se diferencian de los armónicos de rodadura del anillo exterior
(ARH), así como se calcula al menos a partir de los armónicos de
rodadura del anillo exterior (ARH) al menos un parámetro
característico (KEN) para caracterizar el estado del
rodamiento, estando equipada la unidad de evaluación (ASW) además
tal que al sobrepasarse una desviación que puede predeterminarse
del parámetro característico (KEN) respecto al valor de consigna
(SOL), se genere un aviso de alarma (ALA).
13. Dispositivo según la reivindicación 12,
caracterizado porque está prevista una
unidad de salida (AUS) para emitir el aviso de alarma (ALA), estando
equipada la unidad de salida (AUS) para emitir el aviso de alarma
(ALA) de manera óptica y/o acústica.
14. Dispositivo según las reivindicaciones 12 ó
13,
caracterizado porque la dirección de
actuación (WIR) del sensor de aceleración (BSE), de los que al menos
hay uno, discurre en la dirección de la marcha (FAR) del vehículo
ferroviario.
15. Dispositivo según una de las
reivindicaciones 12 a 14,
caracterizado porque la dirección de
actuación (WIR) del sensor de aceleración (BSE), de los que al menos
hay uno, discurre perpendicularmente al plano de los carriles
(\varepsilon).
16. Dispositivo según una de las
reivindicaciones 12 a 15,
caracterizado porque la unidad de
evaluación (ASW) está equipada de tal manera que somete los valores
de señal de la señal de aceleración (BSI), de la que al menos hay
una, que se encuentran dentro de una ventana de tiempo que puede
predeterminarse, a una transformación de Fourier o a otra
transformación unitaria que reproduzca la gama de tiempos de una
señal en la gama de frecuencias y que calcule a partir de cada
transformada una cantidad que puede predeterminarse de armónicos de
rodadura del anillo exterior.
17. Dispositivo según la reivindicación 16,
caracterizado porque la unidad de
evaluación (ASW) está equipada para calcular factores de confianza
(\nu_{j}) para enjuiciar líneas espectrales que pueden
predeterminarse y
porque así puede aumentar la precisión del
cálculo de los armónicos de rodadura del anillo exterior.
18. Dispositivo según la reivindicación 17,
caracterizado porque la unidad de
evaluación (ASW) está equipada para calcular el valor promedio
aritmético (\overline{\nu}_{ges}) de una cantidad que puede
predeterminarse de factores de confianza (\nu_{j}), para seguir
enjuiciando los armónicos de rodadura del anillo exterior.
19. Dispositivo según la reivindicación 18,
caracterizado porque la unidad de
evaluación (ASW) está equipada de tal manera que puede formar un
valor medio de amplitud (\overline{\alpha_{ges}}) ponderado con
los factores de confianza (\nu_{j}) de los armónicos de rodadura
del anillo exterior (ARH).
20. Dispositivo según la reivindicación 19,
caracterizado porque la unidad de
evaluación (ASW) está equipada para formar al menos a partir del
valor de promedio de amplitud ponderado (\overline{\alpha_{ges}})
de los armónicos de rodadura del anillo exterior (ARH) y del valor
promedio aritmético (\overline{\nu}_{ges}) de los factores de
confianza (\nu_{j}) un espacio de características (MER) para
enjuiciar daños del rodamiento.
21. Dispositivo según una de la reivindicaciones
12 a 20,
caracterizado porque la unidad de
evaluación (ASW) está equipada para calcular la suma de las
amplitudes (A\nu_{AR7}, A\nu_{AR8},
A\nu_{AR1}, A\nu_{AR0}) de una cantidad que
puede predeterminarse de armónicos de rodadura del anillo exterior
(ARH) y a continuación y con fines de normalización formar la suma
de las amplitudes (A\nu_{AR7}, A\nu_{AR8},
A\nu_{AR1}, A\nu_{AR0}), de la misma cantidad
de otros armónicos de rodadura del anillo exterior (ARH).
\newpage
22. Dispositivo según una de las
reivindicaciones 12 a 21,
caracterizado porque está previsto un
banco de datos de parámetros característicos (KDA) para memorizar
los parámetros característicos (KEN) calculados o promediados, de
los que al menos hay uno.
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