ES2937661T3 - Sistema para monitorizar la condición de los elementos estructurales y método para desarrollar un sistema de este tipo - Google Patents

Abstract

La invención se refiere a un sistema de seguimiento del estado de elementos estructurales alargados y más en particular pero no exclusivamente, a un sistema de seguimiento y detección de grietas y roturas en raíles ferroviarios. La invención se extiende además a la metodología de diseño y desarrollo de dicho sistema. El método incluye los pasos de identificar modos de propagación y frecuencias de señal que se puede esperar que viajen grandes distancias a través de un elemento estructural alargado; seleccionar un modo adecuado de propagación y frecuencia de operación; diseñar un transductor que esté adaptado para excitar el modo seleccionado a la frecuencia seleccionada; modelar numéricamente el transductor unido al elemento estructural alargado; (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN

Sistema para monitorizar la condición de los elementos estructurales y método para desarrollar un sistema de este tipo

Antecedentes de la invención

Esta invención se refiere a un sistema para monitorizar la condición de elementos estructurales alargados y, más particularmente, pero no exclusivamente, a un sistema para monitorizar y detectar grietas y roturas en raíles ferroviarios. La invención incluye una metodología de diseño y desarrollo de un sistema de este tipo.

Hay varios métodos y sistemas que se han propuesto para controlar la integridad de los elementos estructurales alargados y, en particular, los raíles ferroviarios. Estos métodos y sistemas están destinados a detectar grietas en los raíles antes de que se desarrollen en roturas completas, y también para detectar roturas en una red ferroviaria donde ya se han producido. Si no se detecta de antemano una grieta o rotura en el raíl, podría dar como resultado el descarrilamiento del vehículo ferroviario que circula por la vía. Se apreciará que tales descarrilamientos provocan pérdidas financieras y también pueden dar como resultado lesiones y pérdida de vidas. Además, cabe señalar que, aunque se hace referencia a los ferrocarriles, estos sistemas son igualmente aplicables a otras aplicaciones en las que se utilizan tramos de acero estructural, tales como, por ejemplo, pozos de minas y puentes. En la patente de Sud África 99/6936 se desvela un método para detectar grietas y roturas en los raíles de vías ferroviarias.

El método incluye la etapa de proporcionar un número de unidades transmisoras acústicas autónomas y un número de unidades receptoras acústicas ubicadas entre las unidades transmisoras. Las diversas unidades están separadas entre sí por distancias predeterminadas. Las unidades transmisoras introducen una serie de pulsos acústicos con una composición de frecuencia específica en los raíles y las unidades receptoras detectan y analizan los pulsos para monitorizar cualquier condición no deseada en el raíl. Este método requiere el uso de transmisores y el uso de receptores para monitorizar la condición del raíl.

El desarrollo de transductores para este método de detección y monitorización de grietas y roturas en raíles ferroviarios se analiza en "Development of piezoelectric transducers for a railway integrity monitoring system", Philip W. Loveday, Smart Structures and Materials 2000: Smart Systems for Bridges, Structures, and Highways, Proceedings of SPIE Vol.

3988, 2000, Newport Beach, págs. 330-338. El sistema hace uso de transductores piezoeléctricos que se montan (sujetan) debajo de la corona del raíl en el exterior de la vía. El método de sujeción de los transductores piezoeléctricos se describe en la solicitud de patente PCT WO 2004/098974.

Los transductores piezoeléctricos están espaciados a lo largo del tramo de la red ferroviaria y periódicamente transmiten ondas ultrasónicas a través de los raíles. Las ondas se propagan a través de la vía desde un transductor hacia un transductor aguas abajo que actúa como una estación de recepción. Típicamente, los transductores están separados aproximadamente 1 km. Si la señal ultrasónica no se detecta en la estación de recepción, la estación de recepción activa una alarma que indica que el raíl tiene una grieta o está roto.

Una desventaja asociada con el sistema anterior es que los transductores piezoeléctricos están unidos (sujetados) bajo la corona del raíl en el exterior de la vía. Los transductores piezoeléctricos son grandes y no se pueden unir bajo la corona en el interior de la vía porque interferirían con las ruedas del tren. Los transductores piezoeléctricos tienen que retirarse del raíl durante el mantenimiento de rutina de la vía porque una máquina de 'apisonar' que se usa para volver a empaquetar el balasto bajo las traviesas tiene ruedas que se enganchan en el exterior de la corona. La retirada y reconexión (que requiere volver a apretar las abrazaderas dos semanas después de la reconexión) de los transductores piezoeléctricos aumenta el coste de mantenimiento del sistema y da como resultado períodos de tiempo en los que el sistema no funciona.

Además, el sistema existente no es adecuado para distancias superiores a 1 km, ya que la señal transmitida no es lo suficientemente intensa y porque el transductor tampoco se adapta con precisión al elemento estructural particular al que se unirá desde el punto de vista de la propagación y frecuencia de operación.

Los sistemas de detección descritos anteriormente generalmente se han desarrollado usando metodologías de diseño que no incorporan de manera óptima el uso de técnicas de modelado matemático en las que la respuesta del transductor y el raíl se modelan matemáticamente, y en las que el transductor se diseña a continuación de manera iterativa. Esto dio como resultado la selección de transductores que no están necesariamente optimizados para una aplicación particular, y que puede dar como resultado que los transductores sean más grandes de lo requerido en la práctica, mientras que tampoco funcionan de manera óptima en lo que respecta a la transmisión y recepción de señales.

Por tanto, un objeto de la invención es proporcionar un método para desarrollar un sistema de detección de fallos basado en transductores, que superará al menos parcialmente las desventajas anteriores, y que también será una alternativa novedosa y útil a las metodologías de diseño existentes.

La verificación de la simulación adecuada para modelar tales sistemas se analiza en "Simulation of Piezoelectric Excitation of Guided Waves Using Waveguide Finite Elements", Philip W. Loveday, IEEE transactions on ultrasonics, ferroelectrics and frequency control, vol. 54, n.° 10, 1 de octubre de 2007, páginas 2045-2051.

Sumario de la invención

La invención se define en las reivindicaciones adjuntas.

Breve descripción de los dibujos

Se describe una realización preferida de la invención a modo de ejemplo no limitativo, y con referencia al dibujo adjunto en el que:

La Figura 1 muestra un sistema de acuerdo con una realización de la presente invención, incluyendo el sistema dos transductores piezoeléctricos que están unidos a los raíles de la vía ferroviaria, para monitorizar y detectar grietas o roturas en los raíles; y

La Figura 2 muestra el resultado de un proceso de modelado inicial usado para seleccionar un modo apropiado de propagación y frecuencia de operación para un perfil de raíl particular.

EJEMPLO DE METODOLOGÍA DE DISEÑO

La metodología y el procedimiento de desarrollo usados para desarrollar un sistema de detección de fallos basado en transductores de acuerdo con la invención se describen con referencia a la Figura 2. El método es un método implementado por ordenador.

1. Análisis de dispersión del perfil del raíl sobre soporte amortiguado.

Esta etapa implicó el desarrollo de un modelo numérico (método de elementos finitos semianalítico) del perfil del raíl que también incorporó las propiedades del material del raíl. El desarrollo de modelos de elementos finitos semianalíticos es una metodología conocida en la técnica, pero que hasta ahora no se ha aplicado en esta aplicación particular. Se analizó el modelo para determinar qué modos de propagación y frecuencias se podía esperar que viajaran grandes distancias. Algunos modos de propagación y frecuencias que se esperaba que viajaran con baja atenuación se indican mediante flechas en la Figura 2. El tamaño de los puntos representa el rendimiento de propagación esperado. Los puntos forman curvas que describen diferentes modos de propagación. Las flechas indican tres modos que podrían ser adecuados y, en consecuencia, se decidió usar una señal con una frecuencia centrada en la ubicación de la flecha.

2. Selección del modo apropiado de propagación y frecuencia.

Basándose en los resultados de la etapa 1, se seleccionó un modo de propagación y una frecuencia de operación. El modo seleccionado tenía una atenuación baja en un intervalo razonablemente grande de frecuencias, de modo que se podía esperar que funcionara en un intervalo de temperaturas. Este análisis es un procedimiento cualitativo en el que se consideraron los modos y frecuencias con la atenuación relativa más baja. El análisis no intentó cuantificar la atenuación real. Cualquier experto en la materia podrá comprender y aplicar correctamente este enfoque cualitativo. En esencia, si se requiere que el sistema detecte un tipo particular de grieta, el modo de propagación seleccionado debe contener energía en la región donde se producen las grietas. El modo de propagación y el intervalo de frecuencias se eligieron para que fueran relativamente insensibles a los cambios en la geometría del raíl debido, por ejemplo, al rectificado del perfil del raíl o cambios en la carga axial en el raíl. En este ejemplo particular, se seleccionó un modo con un número de onda de 82 rad/m a 35 kHz y se realizaron análisis adicionales para garantizar que el punto seleccionado fuera insensible al rectificado del raíl, los cambios de temperatura y la carga axial.

3. Diseño conceptual de la configuración del transductor

Posteriormente se conceptualizó una configuración de transductor adecuada para la unión permanente a un raíl. En este ejemplo, se diseñó un transductor tipo sándwich adecuado para unirse bajo una corona del raíl. El diseño del transductor no era fundamentalmente diferente en estructura y configuración a los diseños de transductores existentes, pero se esperaba que se adaptara mejor con el sistema en su conjunto debido a la metodología de diseño integrado.

4. Modelado numérico de la configuración del transductor unido al raíl y dimensionado para lograr una gran respuesta a la frecuencia requerida.

Se preparó un modelo numérico (método de elementos finitos 3-D) del transductor piezoeléctrico, y se acopló al modelo numérico (método de elementos finitos semianalítico) del raíl. Posteriormente se analizó la respuesta armónica del modo seleccionado a la excitación eléctrica del transductor. A continuación, las dimensiones de los componentes del transductor se cambiaron iterativamente para lograr una respuesta óptima del modo seleccionado a la frecuencia de operación. Esta metodología fue desarrollada previamente por el inventor y se describe con más detalle en "Simulation of Piezoelectric Excitation of Guided Waves Using Waveguide Finite Elements", Loveday P W, IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency control; vol. 54 n.° 10; octubre de 2007.

Finalmente, se determinó el tiempo de respuesta de desplazamiento previsto del raíl debido a la excitación eléctrica del transductor por ráfaga de tonos para su uso en una fase de verificación posterior. Esta metodología también fue desarrollada previamente por el inventor, y se describe con más detalle en "Simulation of Piezoelectric Excitation of Guided Waves Using Waveguide Finite Elements", Loveday P W, IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency control; vol. 55 n.° 9; septiembre de 2008.

5. Fabricación de prototipos de transductores y medición en laboratorio.

Basándose en el modelado anterior, se fabricó un número de prototipos de transductores. Se midió la admitancia eléctrica libre de cada transductor y se comparó con las predicciones modeladas para verificar la fabricación correcta. Posteriormente, se unió un transductor a un tramo corto de raíl en un entorno de laboratorio y se aplicó al mismo una excitación de ráfagas de tonos eléctricos. La respuesta de desplazamiento sobre la superficie del raíl a una distancia de 1 m o más se midió usando un vibrómetro láser. A continuación, los resultados medidos se compararon con la respuesta de tiempo de desplazamiento prevista de la etapa 4.

6. Mediciones de campo para confirmar el rendimiento del transductor y el modo de propagación en el raíl.

Posteriormente, el transductor se unió a un raíl real en el campo y se accionó eléctricamente. Las mediciones del vibrómetro láser de barrido se realizaron en la superficie del raíl a diferentes distancias del transductor (por ejemplo, 5 m, 300 m, 500 m). Se extrajeron los modos presentes en los datos medidos para confirmar que el modo seleccionado estaba siendo excitado y que, de hecho, se propaga con baja atenuación. Se realizaron mediciones de transmisiónrecepción de largo alcance con los nuevos transductores y se compararon con las mismas mediciones realizadas con los transductores de la técnica anterior.

7. Industrialización del transductor.

Posteriormente al proceso de diseño del transductor descrito anteriormente, el transductor fue industrializado, proceso que incluyó la preparación de paquetes de datos de fabricación y procedimientos de prueba de calificación y aceptación.

El proceso anterior produjo un diseño de transductor optimizado, que cumple con los criterios de diseño requeridos, mientras que también es de un tamaño relativamente pequeño en comparación con los transductores existentes usados en aplicaciones de detección de fallos similares.

Además, la metodología de diseño se puede usar en el diseño optimizado de transductores que son específicos de la aplicación y el perfil y, por lo tanto, dará como resultado un diseño más preciso de transductores para usar en sistemas de detección de fallos.

Claims (4)

REIVINDICACIONES

1. Un método para desarrollar un sistema de detección de fallos basado en transductores, incluyendo el método:

un proceso implementado por ordenador, que comprende las siguientes etapas de:

identificar modos de propagación y frecuencias de señal que se puede esperar que viajen grandes distancias a través de un elemento estructural alargado;

seleccionar un modo adecuado de propagación y frecuencia de operación;

diseñar un transductor que está adaptado para excitar el modo seleccionado a la frecuencia seleccionada; modelar numéricamente el transductor unido al elemento estructural alargado;

analizar una respuesta armónica del modo de propagación seleccionado a la excitación por el transductor para validar el diseño del transductor; y

cambiar iterativamente las dimensiones de los componentes del transductor para lograr una respuesta óptima del modo de propagación seleccionado a la frecuencia de operación y calcular una respuesta de tiempo de desplazamiento prevista del elemento estructural alargado a una excitación eléctrica del transductor; y

una fase de verificación que incluye las etapas adicionales de:

fabricar un prototipo de acuerdo con el transductor modelado;

medir una admitancia eléctrica libre del transductor y comparar la admitancia eléctrica libre con predicciones modeladas para verificar la fabricación correcta del transductor;

unir el transductor a un tramo predeterminado del elemento estructural;

medir una respuesta de desplazamiento en una superficie del elemento estructural; y

comparar la respuesta medida con la respuesta de tiempo de desplazamiento prevista.

2. El método de la reivindicación 1, en el que la etapa de identificar modos de propagación y frecuencias que se espera que viajen grandes distancias a través de un elemento estructural alargado comprende el uso de un modelo numérico de un perfil de raíl particular que tiene propiedades de material predeterminadas.

3. El método de la reivindicación 1 o la reivindicación 2, en el que la selección de un modo de propagación y frecuencia de operación adecuados conlleva seleccionar un modo de propagación que tiene baja atenuación en un amplio intervalo de frecuencias, y que es relativamente insensible a pequeños cambios en el perfil del raíl.

4. Un método para proporcionar un sistema para monitorizar y detectar grietas o roturas en los raíles de una vía ferroviaria, que comprende:

desarrollar una pluralidad de transductores que definen estaciones de transmisión y recepción del sistema con el método de una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3; y

unir los transductores a los raíles.