PT1622802E - Detecção de descarrilamento atraves da determinação da velocidade de queda - Google Patents
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Description
1
DESCRIÇÃO
"DETECÇÃO DE DESCARRILAMENTO ATRAVÉS DA DETERMINAÇÃO DA VELOCIDADE DE QUEDA" A presente invenção refere-se a um método para a detecção de um estado de descarrilamento de um rodado de um veículo ferroviário em que a aceleração do rodado perpendicular a uma superfície de carril é medida com um acelerómetro.
Mais acresce que a presente invenção se refere a um dispositivo para a detecção de um estado de descarrilamento de uma roda de um veículo ferroviário que apresenta pelo menos um acelerómetro para a medição da aceleração da roda perpendicular a uma superfície de carril e em que o acelerómetro está equipado com uma unidade de avaliação para a avaliação de um sinal de aceleração produzido pelo acelerómetro.
Uma roda ou um rodado de um veículo ferroviário a título de exemplo podem estar sujeitos a acelerações originadas por um perfil de terreno mas também por acelerações originadas por descarrilamentos quase-estáticos. Contudo, no âmbito da detecção de descarrilamentos, apenas são de interesse as acelerações originadas por movimentações do rodado perpendicular à superfície de carril. Doravante as acelerações com efeitos sobre os rodados perpendiculares à superfície de carril são designadas por acelerações de queda. Nesse sentido também as velocidades verticais resultantes destas acelerações serão designadas por velocidades de queda no presente documento. 2
As acelerações de queda desta natureza no caso de um descarrilamento podem ser originadas por aceleração devida à gravidade e pela distensão de uma mola primária, sendo que geralmente o ponto final deste «movimento de queda» da roda ou do rodado é determinado por uma via fixa.
Os sensores que podem medir a aceleração do componente continuo não são suficientemente robustos para a utilização em veículos ferroviários. No entanto, os sensores robustos não podem medir o componente contínuo, uma vez que possuem uma frequência limite inferior. Por isso as alterações lentas da aceleração não podem ser detectadas. Mais acresce que os sinais de medição geralmente apresentam um offset que está sujeito a derivas. Em caso de utilização de acelerómetros robustos não são os componentes quase-estáticos da aceleração do rodado, mas sobretudo as derivas e os engates electromagnéticos de baixa frequência que resultam na curva de amplitude dos sinais de aceleração produzidos. A DE 199 53 677 Cl divulga um método do tipo acima mencionado. 0 documento divulgado apresenta um método para a identificação de um descarrilamento de um veículo de via em que uma aceleração de um dos componentes em contacto directo ou indirecto com a via do veículo de via é apurada na vertical e/ ou na transversal relativamente ao sentido de marcha. 0 sinal de aceleração é duplamente integrado através do tempo e este sinal de aceleração duplamente integrado é comparado com um valor limite superior e/ ou inferior, representando a passagem a um valor limite superior ou inferior um descarrilamento. 3 A desvantagem desta forma de realização divulgada é sobretudo que devido à integração dupla existe uma relação sinal/ruido muito má, sendo que uma integração simples pode reduzir a relação sinal/ruido em 20 dB por década do sinal a integrar. Já uma integração dupla reduz a relação sinal/ruido em 40 dB por década. Assim no caso de uma integração dupla um sinal parasita de baixa frequência é aumentado em mais um factor 10 (20 dB) do que o sinal útil a aceleração de queda. A integração dupla requer requisitos elevados à electrónica de avaliação do que podem advir custos de fabrico elevados. Mais acresce que devido à electrónica de avaliação complexa requerida o método ou sistema divulgado pode apresentar retardações na identificação de estados de descarrilamento. A presente invenção tem por objectivo conceber um método de baixo custo que permita a detecção simples, rápida e fiável de um descarrilamento de um rodado.
Esta tarefa é solucionada por um método do tipo inicialmente mencionado em conformidade com a invenção, em que uma velocidade de queda da roda na direcção da superfície de carril é determinada com base num sinal de aceleração produzido pelo acelerómetro por integração simples através de uma janela temporal de valor predeterminado e a existência de um estado de descarrilamento é verificada com base na velocidade de queda.
Uma das vantagens desta invenção é a simplificação significativa da detecção de um estado de descarrilamento através da determinação da velocidade de queda actual por meio de uma integração simples do sinal de aceleração. 4
Considerando que por meio de uma integração simples se obtém uma relação sinal/ruido significativamente melhor do que por meio de integrações múltiplas, também se requerem requisitos menos elevados à electrónica de avaliação, possibilitando-se assim uma concepção simples e de baixo custo da electrónica de avaliação. Mais acresce que a solução em conformidade com a invenção permite uma realização simples e exclusivamente ao nivel do hardware pelo que a fiabilidade da detecção do descarrilamento é aumentada.
Numa primeira variante da invenção o valor da velocidade de queda é comparado com uma velocidade de queda limite em que a passagem do limite da velocidade de queda limite representa um estado de descarrilamento.
Em conformidade com a segunda variante da invenção um estado de descarrilamento é detectado pela curva temporal da velocidade de queda.
Para melhorar a avaliação do sinal e aumentar a robustez do método contra sinais parasitas, os componentes dos sinais parasitas de baixa frequência existentes no sinal de aceleração são eliminados antes da integração.
Por conveniência para a eliminação dos componentes dos sinais parasitas é utilizada uma filtragem passa alto.
Para reproduzir correctamente a curva do movimento de queda através da integração, o tempo de execução de grupo dos componentes individuais de frequência do sinal de aceleração a integrar é mantido constante durante a filtragem. 5
Por questões de vantagem a integração do sinal de aceleração é executada em janelas temporais subsequentes, respectivamente, constituindo o ponto final de uma janela temporal o ponto inicial de uma janela temporal subsequente.
No entanto, a integração do sinal de aceleração também pode ser executada em janelas temporais subsequentes, sobrepondo-se as janelas temporais subsequentes parcialmente.
Para a realização do método em conformidade com a invenção adequa-se particularmente um dispositivo do tipo inicialmente mencionado em que a unidade de avaliação está preparada para determinar uma velocidade de queda da roda na direcção da superfície de carril com base num sinal de aceleração por integração simples através de uma janela temporal de valor predeterminado e para verificar a existência de um estado de descarrilamento com base na velocidade de queda determinada.
Por conveniência a unidade de avaliação está preparada para comparar a velocidade de queda determinada com a velocidade de queda limite, representando a passagem da velocidade de queda limite um estado de descarrilamento.
Mais acresce que a unidade de avaliação está preparada para detectar um estado de descarrilamento com base na curva temporal da velocidade de queda. sem
Deste modo o filtro de relação de fases dos componentes de frequência do sinal de aceleração permanece influências. 6
Outra vantagem consiste na preparação da unidade de avaliação para executar a integração do sinal de aceleração em janelas temporais subsequentes, respectivamente, constituindo o ponto final de uma janela temporal o ponto inicial da janela temporal subsequente.
Numa outra variante da invenção a unidade de avaliação também pode ser preparada para executar a integração do sinal de aceleração em janelas temporais subsequentes, respectivamente, sobrepondo-se as janelas temporais subsequentes parcialmente.
Por questões de vantagem está colocado um acelerómetro na área de cada roda do veiculo ferroviário. A invenção conjuntamente com as demais vantagens de seguida é explicada mais detalhadamente com base em alguns exemplos de execução não restritivos apresentados nas figuras. Nestas figuras a:
Fig.l apresenta um veiculo ferroviário com um dispositivo para a realização do método em conformidade com a invenção;
Fig.2 apresenta um diagrama de blocos de um dipositivo em conformidade com a invenção, e;
Fig.3 apresenta uma curva temporal de uma velocidade de queda do veiculo ferroviário numa janela temporal durante um descarrilamento.
Em conformidade com a Fig.l para a realização do método em conformidade com a invenção para a detecção de um estado de 7 descarrilamento de um veículo ferroviário na área de um dispositivo de rotação DRE do veículo ferroviário é produzido um sinal de aceleração. Além disso o dispositivo em conformidade com a invenção apresenta um acelerómetro BSE que pode ser colocado num mancai do eixo AXL de uma roda RAD ou de um rodado do veículo ferroviário. Por conveniência na área de cada roda RAD, a título de exemplo em cada mancai do eixo AXL, está colocado um acelerómetro BSE.
Um elemento fundamental da presente invenção é o reconhecimento de que se podem alcançar resultados de medição particularmente fiáveis e representativos quando o sentido de acção dos acelerómetros BSE é perpendicular ao sentido de marcha, ou seja, a uma superfície de carril. Na figura o sentido de marcha do veículo ferroviário está assinalado por uma seta FAR em que o sentido de acção dos acelerómetros BSE geralmente é perpendicular à superfície dos sinais. Por sentido de acção de um acelerómetro BSE no presente documento entende-se um sentido em que o acelerómetro pode captar forças de aceleração de forma privilegiada e emitir sinais.
Os acelerómetros BSE a título de exemplo podem ser concebidos como sensores piezoeléctricos nos quais está colocado um cristal piezoeléctrico entre duas placas condensadoras paralelas. Em caso de utilização deste tipo de sensores pode alcançar-se uma conformidade do sentido de acção dos acelerómetros com o sentido de marcha através da descentralização das duas placas condensadoras perpendiculares ao sentido de marcha do veículo ferroviário. Evidentemente também podem ser utilizados acelerómetros de outra natureza divulgados que funcionam com base noutros mecanismos. Os sensores desta natureza são, em grande parte, do conhecimento do perito e não são por isso mais detalhadamente explicados no presente documento. 0 sinal de aceleração BSI produzido pelo acelerómetro BSE em conformidade com a Fig.2 é transmitido à unidade de avaliação ASW, podendo a transmissão do sinal de aceleração BSI dos acelerómetros BSE ser transmitido à unidade de avaliação ASW através de linhas eléctricas, cabos de fibra de vidro ou sem fios por exemplo via rádio ou através de um blue tooth. A unidade de avaliação pode ser um microprocessador, isto é, um processador de sinais. No entanto na forma de realização preferida da invenção e por razões de uma maior segurança de uma realização exclusivamente de hardware privilegia-se a unidade de avaliação ASW.
Com base no sinal de aceleração a unidade de avaliação ASW determina a velocidade de queda FAG da roda RAD, isto é, do rodado na direcção da superfície de carril por meio de uma integração simples INT através de uma janela temporal de valor predeterminado. A integração do sinal de aceleração BSI também pode ser executada em janelas temporais ou intervalos de tempo subsequentes, constituindo o ponto final de uma janela temporal o ponto de início de uma janela temporal subsequente. Mais acresce que também é possível que janelas temporais subsequentes se sobreponham parcialmente. Em princípio também pode existir um intervalo de tempo entre duas janelas temporais subsequentes. A integração do sinal de aceleração BSI pode ser executada de forma digital ou análoga. As comutações e o método de 9 integração numérica ou analógica de um sinal através de uma janela temporal predeterminada são, em grande parte, do conhecimento do perito pelo que não serão mais detalhadamente explicadas neste documento.
Depois do cálculo da velocidade de queda FAG actual da roda RAD, isto é, do rodado na janela temporal esta é comparada com uma velocidade de queda limite GFG, sendo detectado um estado de descarrilamento com a passagem desta velocidade de queda limite. Considerando que a velocidade de queda determinada na janela temporal contemplada em caso de um descarrilamento alcança valores que num estado normal (por exemplo, passagem por agulhas) nunca poderiam ser alcançados - no estado normal as diferenças de nivelamento para a aceleração a altas velocidades são demasiado reduzidas -, pode verificar-se um descarrilamento com elevado grau de probabilidade. Assim o valor do integral do sinal de aceleração através da janela temporal contemplada no caso de um descarrilamento assume valores que não poderiam ser alcançados num estado de funcionamento normal.
Por um lado, com base no valor do integral determinado, cujo limite superior e inferior é estabelecido através da janela temporal contemplada, respectivamente, do sinal de aceleração pode ser detectado um descarrilamento. Por outro lado, também a curva da velocidade de queda enquanto função de tempo no intervalo de tempo contemplado pode denunciar um descarrilamento.
Em conformidade com a Fig.3 uma alteração na curva temporal da velocidade de queda FAG no intervalo de integração, que na figura aqui apresentada se situa em cerca de um segundo, pode corresponder a um descarrilamento em um valor 10 predeterminado. A curva temporal da velocidade de queda FAG apresentada na Fig.3 conforme mencionado é produzida por uma integração única do sinal de aceleração BSI, estando o sentido de acção do acelerómetro BSE associado virado para «cima» visto da superfície de carril (ε) de modo que surge um movimento de queda do veículo ferroviário no sentido da superfície do carril como velocidade «negativa» na curva. Evidentemente o sentido de acção do acelerómetro BSE também poderia estar virado no sentido da superfície de carril (ε), surgindo uma curva da velocidade de queda FAG reflectido na linha de zero NUL. O final do movimento de queda do veículo ferroviário é caracterizado pelo mínimo MIN da curva temporal. O mínimo MIN no caso de um descarrilamento temporalmente corresponde ao impacto do veículo ferroviário na via, seguindo-se um valor positivo da velocidade de queda na sequência da pancada da aceleração com efeito ascendente na via.
Mais acresce que a unidade de avaliação ASW pode apresentar um filtro FIL para a eliminação de sinais parasitas de baixa frequência antes da integração que, a título de exemplo, podem ser originadas por derivas e por dispersões electromagnéticas, para melhorar a relação ruído/sinal. Para alcançar uma separação nítida de sinais úteis e de sinais parasitas, preferencialmente deverá utilizar-se um filtro com uma transmissão rápida da respectiva zona de bloqueio para a zona de passagem. Os filtros com uma transmissão rápida de uma zona de frequência bloqueada para uma zona de frequência de passagem podem alterar a disposição de fase entre os componentes de frequência individuais do sinal a integrar. Isto pode originar um 11 impedimento para a reconstrução correcta da curva do movimento de queda através da integração.
Por isso preferencialmente deverá utilizar-se um filtro que não altere a relação de fase dos componentes de frequência individuais existentes no sinal entre si. Esta condição, a titulo de exemplo, é cumprida para os filtros de Bessel ou FIR. Preferencialmente a filtragem do sinal deverá ser executada com um passa alto da familia dos filtros Bessel. Para a utilização segura preferem-se os filtros de Bessel relativamente aos filtros FIR, uma vez que os filtros FIR similares apresentam um tempo de reacção maior.
Em suma pode afirmar-se que uma das grandes vantagens do método em conformidade com a invenção é que é facilmente realizável, mesmo ao nivel do hardware, e muito adequado para utilizações seguras.
Lisboa, 15 de Novembro de 2006
Claims (20)
1 REIVINDICAÇÕES 1. Método para a detecção de um estado de descarrilamento de uma roda (RAD) de um veículo ferroviário, em que a aceleração da roda (RAD) perpendicular a uma superfície de carril (E)é medida com pelo menos um acelerómetro (SEN), caracterizado pela determinação de uma velocidade de queda (FAG) da roda (RAD) na direcção da superfície de carril (E)com base num sinal de aceleração (BSI) produzido pelo acelerómetro (SEN) por integração simples (INT) através de uma janela temporal de valor predeterminado e pela verificação da existência de um estado de descarrilamento com base na velocidade de queda (FAG).
2. Método em conformidade com a reivindicação 1, caracterizado por uma comparação da velocidade de queda determinada com uma velocidade de queda limite (GFG) em que a passagem da velocidade de queda limite (GFG) identifica um estado de descarrilamento.
3. Método em conformidade com a reivindicação 1, caracterizado por uma curva temporal da velocidade de queda (FAG) que identifica um estado de descarrilamento.
4. Método em conformidade com uma das reivindicações de 1 a 3, caracterizado pela produção do sinal de aceleração (BSI) na área de um mancai do eixo (ALA) de uma roda (RAD) do veiculo ferroviário.
5. Método em conformidade com uma das reivindicações de 1 a 4, caracterizado pela eliminação de componentes de sinais parasitas de baixa frequência existentes no sinal de 2 aceleração (BSI) por meio de uma filtragem (FIL) antes da integração (INT).
6. Método em conformidade com uma das reivindicações de 1 a 5, caracterizado pela utilização de uma filtragem passa alto para a eliminação dos componentes de sinais parasitas.
7. Método em conformidade com uma das reivindicações de 1 a 6, caracterizado pela manutenção da relação de fase dos componentes de frequência do sinal de aceleração (BSI) a integrar entre si durante a filtragem (FIL).
8. Método em conformidade com uma das reivindicações de 1 a 7, caracterizado pela execução da integração (INT) do sinal de aceleração (BSI) em janelas temporais subsequentes, respectivamente, em que o ponto final de uma janela temporal constitui o ponto inicial de uma janela temporal subsequente.
9. Método em conformidade com uma das reivindicações de 1 a 8, caracterizado pela execução da integração (INT) do sinal de aceleração (BSI) em janelas temporais subsequentes, respectivamente, em que as janelas temporais subsequentes se sobrepõem parcialmente.
10. Método em conformidade com uma das reivindicações de 1 a 9, caracterizado pela produção de um sinal de aceleração (BSI) na área de cada roda (RAD).
11. Dispositivo para a detecção de um estado de descarrilamento de uma roda (RAD) de um veiculo ferroviário que apresenta pelo menos um acelerómetro (BSE) para a detecção da aceleração da roda (RAD) perpendicular a uma 3 superfície de carril (E) , em que o acelerómetro (BSE) está equipado com uma unidade de avaliação (ASW) para a avaliação de um sinal de aceleração (BSI) produzido pelo acelerómetro (BSE), caracterizado por uma unidade de avaliação (ASW) que está preparada para determinar uma velocidade de queda (FAG) da roda (RAD) na direcção da superfície de carril (E)com base num sinal de aceleração (BSI) por integração simples (INT) através de uma janela temporal de valor predeterminado e para verificar a existência de um estado de descarrilamento com base na velocidade de queda (FAG).
12. Dispositivo em conformidade com a reivindicação 11, caracterizado por uma unidade de avaliação (ASW) que está preparada para comparar a velocidade de queda (FAG) determinada com uma velocidade de queda limite (GFG), em que a passagem da velocidade de queda limite (GFG) identifica um estado de descarrilamento.
13. Dispositivo em conformidade com a reivindicação 11, caracterizado por uma unidade de avaliação (ASW) que está preparada para detectar um estado de descarrilamento com base na curva temporal da velocidade de queda (ASW).
14. Dispositivo em conformidade com as reivindicações de 11 a 13, caracterizado pela instalação do acelerómetro (BSE) na área de um mancai do eixo (ALA) de uma roda (RAD) do veículo ferroviário.
15. Dispositivo em conformidade com as reivindicações de 11 a 14, caracterizado pela previsão de um filtro (FIL) para a eliminação de componentes de sinais parasitas de 4 baixa frequência existentes no sinal de aceleração (BSI) antes da integração (INT).
16. Dispositivo em conformidade com a reivindicação 15, caracterizado por um filtro (FIL) passa alto.
17. Dispositivo em conformidade com a reivindicação 15 ou 16, caracterizado por o filtro (FIL) não exercer influência sobre a relação de fase de componentes de frequência do sinal de aceleração (BSI) entre si.
18. Dispositivo em conformidade com uma das reivindicações de 11 a 17, caracterizado por a unidade de avaliação (ASW) estar preparada para executar a integração (INT) do sinal de aceleração (BSI) em janelas temporais subsequentes, respectivamente, constituindo o ponto final de uma janela temporal o ponto inicial de uma janela temporal subsequente.
19. Dispositivo em conformidade com uma das reivindicações de 11 a 17, caracterizado por a unidade de avaliação (ASW) estar preparada para executar a integração (INT) do sinal de aceleração (BSI) em janelas temporais subsequentes, sobrepondo-se as janelas temporais subsequentes parcialmente.
20. Dispositivo em conformidade com as reivindicações de 1 a 9, caracterizado pela colocação de um acelerómetro (BSE) na área de cada roda (RAD) do veiculo ferroviário. Lisboa, 15 de Novembro de 2006 1/2
Fig.2 2/2 FAG [m/s]
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