JP2014524584A - 構造要素の状態を監視するシステム及びそのようなシステムを開発する方法 - Google Patents
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Abstract
【選択図】 図1
Description
細長い構造要素を通して長距離を移動することが予想できる伝播モード及び信号周波数を識別するステップと、
好適な伝播モード及び動作周波数を選択するステップと、
選択された周波数で選択されたモードを励振するように構成された変換器を設計するステップと、
細長い構造要素に取り付けられた変換器を数値的にモデル化するステップと、
変換器の設計を検証するために、変換器による励振に対する、選択された伝播モードの調和応答を解析するステップと
を含む。
モデル化された変換器に従ってプロトタイプを製造するステップと、
変換器の自由電気透過率を測定し、測定された自由電気透過率を上記のモデルにより予測される透過率と比較するステップと
を含む検証段階をさらに含むことができる。
変換器を所定の長さの構造要素に取り付けるステップと、
構造要素の表面で、変位応答を測定するステップと、
測定された応答を予測された変位時間応答と比較するステップと
をさらに含むことができる。
本発明による変換器ベースの故障検出システムを開発するために使用される方法論及び開発手順が、図2を参照して記載される。方法は、コンピュータ実装される方法である。
このステップは、レールの材料特性も組み込んだレール外形の数値(半解析的有限要素法)モデルを開発することを必要とした。半解析的有限要素モデルの開発は、当技術分野で知られた方法論であるが、この特定の応用分野では、これまで適用されていなかった。どの伝播モード及び周波数が長距離を移動すると予想できるのかを決定するために、モデルが解析された。小さい減衰で移動すると予想されたいくつかの伝播モード及び周波数が、図2に矢印で示されている。点のサイズは、予想された伝播性能を表す。点は、異なる伝播モードを表す曲線を形成する。矢印は、好適な可能性のある3つのモードを表し、したがって、矢印の場所を中心とする周波数を備える信号を使用することを決定した。
ステップ1からの結果に基づいて、伝播モード及び動作周波数が選択された。選択されたモードは、周波数の適度に広い範囲にわたって小さい減衰を有し、したがって、温度の範囲にわたって動作することが予想できた。この解析は、最も小さい相対減衰率を備えるモード及び周波数が考慮された、定性的手順である。解析では、実際の減衰を定量化することは、試みなかった。当業者なら、この定性的な手法を理解し正しく適用することが可能であろう。本質的に、特定のタイプの割れを検出することをシステムが要求される場合、選択された伝播モードは、割れが発生した領域にエネルギーを含まなければならない。伝播モード及び周波数の範囲は、例えばレール外形の研磨又はレールの軸荷重の変化に起因する、レール幾何形状の変化に対し、比較的影響を受けないように選択された。この特定の例では、35kHzで82rad/mの波数を備えるモードが選択され、選択された点がレールの研磨、温度変化及び軸荷重に対し確実に影響を受けないように、追加の解析が実施された。
続いて、レールへの永続的な取り付けのための好適な変換器構成を概念化した。この例では、レールの頭頂部の下に取り付けられるのに好適なサンドイッチタイプの変換器が設計された。変換器の設計は、既存の変換器の設計に対し、構造及び構成で基本的には異ならないが、統合された設計方法論により、全体としてシステムとより良好に整合することが予想された。
圧電変換器の数値モデル(3D有限要素法)が準備され、レールの数値モデル(半解析的有限要素法)に結合された。変換器の電気的な励振に対する選択されたモードの調和応答が、次に解析された。次いで、選択されたモードの最適な応答を動作周波数で達成するために、変換器構成要素の寸法を反復的に変化させた。この方法論は、本発明者により以前に開発され、Loveday P W著、「Simulation of Piezoelectric Excitation of Guided Waves Using Waveguide Finite Elements」、IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency control、vol. 54 no. 10、2007年10月に、より詳細に記載されており、その内容は、本明細書に参照により組み込まれる。最後に、変換器のトーンバースト方式電気励振に起因するレールの予測される変位時間応答が、後の検証段階で使用するために決定された。この方法論は、本発明者によって以前にやはり開発され、Loveday P W著、「Analysis of Piezoelectric Ultrasonic Transducers Attached to Waveguides Using Waveguide Finite Elements」、IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency control、vol. 55 no. 9、2008年9月に、より詳細に記載されており、その内容は、本明細書に参照により組み込まれる。
上記のモデル化に基づいて、いくつかのプロトタイプの変換器が製造された。各変換器の自由電気アドミタンスが測定され、正しく製造されたことを検証するために、モデル化された予測と比較された。変換器は、次に、研究室環境で、短い長さのレールに取り付けられ、そこに電気的なトーンバースト方式励振が印加された。1m以上の距離で、レール表面の変位応答が、レーザ振動計を使用して測定された。測定された結果が、次いで、ステップ4からの予測された変位時間応答と比較された。
変換器は、次に、現場で実際のレールに取り付けられ、電気的に駆動された。走査レーザ振動計測定が、変換器から異なる距離で(例えば、5m、300m、500m)、レール表面で実施された。測定データに存在するモードが抽出され、選択されたモードが励振されており、実際に小さい減衰で伝播することを確認した。新規の変換器を用いて遠距離送受信測定が実施され、従来技術の変換器を用いて実施された同じ測定と比較された。
上記の変換器設計処理の後で、変換器が工業化された。この処理は、製造データパック並びに認定及び受入試験手順の準備を含んだ。
上の設計方法論を使用して設計された比較的小さいサイズの変換器によって、ここで図1を参照してより詳細に一般的に記載される、新規の構成を使用することが可能になる。
Claims (12)
- 変換器ベースの故障検出システムを開発する、コンピュータ実装される方法であって、
細長い構造要素を通して長距離を移動することが予想できる伝播モード及び信号周波数を識別するステップと、
好適な伝播モード及び動作周波数を選択するステップと、
前記選択された周波数で前記選択されたモードを励振するように構成された変換器を設計するステップと、
前記細長い構造要素に取り付けられた前記変換器を数値的にモデル化するステップと、
前記変換器の設計を検証するために、前記変換器による励振に対する、前記選択された伝播モードの調和応答を解析するステップと、
を含む方法。 - 細長い構造要素を通して長距離を移動することが予想できる伝播モード及び周波数を識別する前記ステップが、所定の材料特性を有する特定のレール外形の数値モデルの使用を含む、請求項1に記載の方法。
- 好適な伝播モード及び動作周波数の前記選択が、広い範囲の周波数にわたって低い減衰を有し、レール外形の小さな変化に対し比較的影響を受けない伝播モードを選択するステップを伴う、請求項1又は2に記載の方法。
- 前記動作周波数で、前記選択された伝播モードの最適な応答を達成するために、変換器構成要素の寸法を反復的に変化させるステップと、前記変換器の電気的な励振に対する、前記レールの予測される変位時間応答を計算するステップと、をさらに含む、請求項1〜3のいずれか一項に記載の方法。
- 前記モデル化された変換器に従ってプロトタイプを製造するステップと、
前記変換器を所定の長さの前記構造要素に取り付けるステップと、
前記構造要素の表面で、変位応答を測定するステップと、
前記測定された応答を前記予測された変位時間応答と比較するステップと、
をさらに含む検証段階を含む、請求項1〜4のいずれか一項に記載の方法。 - 鉄道軌道のレールにおける割れ又は破損を監視及び検出するためのシステムであって、前記システムの送信局及び受信局を規定する複数の変換器を含むシステムにおいて、前記変換器が請求項1〜5のいずれか一項に記載の方法に従って設計されることを特徴とする、システム。
- 鉄道軌道のレールにおける割れ又は破損を監視及び検出するためのシステムであって、前記システムの送信局及び受信局を規定する複数の変換器を含むシステムにおいて、前記変換器が、好ましくは前記レールの内側に配置されることを特徴とする、システム。
- 前記複数の変換器が、所定の離間された位置に配置された一連の変換器の形態にあり、少なくとも1つの変換器が各所定の位置に設けられ、超音波が、送信器として使用される1つの変換器から受信器として使用される離間された変換器に、前記レールに沿って周期的に送信可能である、請求項6又は7に記載のシステム。
- 前記複数の変換器が、所定の離間された位置に配置された一連の変換器の形態にあり、少なくとも1つの変換器が各所定の位置に設けられ、超音波が、送信器として使用される1つの変換器から前記レールに沿って周期的に送信可能であり、前記レールの割れによって、受信器としても使用される前記同じ変換器に反射される、請求項6又は7に記載のシステム。
- 複数の変換器が各所定の位置に配置される、請求項8又は9に記載のシステム。
- 前記変換器が、約1〜3キロメートルの距離だけ離間される、請求項7〜10のいずれか一項に記載のシステム。
- 前記変換器が、約2キロメートルの距離だけ離間される、請求項7〜10のいずれか一項に記載のシステム。
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