SE545220C2

SE545220C2 - Method for measuring damage to track switches and train wheels in switching devices

Info

Publication number: SE545220C2
Application number: SE2000101A
Authority: SE
Inventors: Jan Lundberg; Taoufik Najeh
Original assignee: Luleaa Tekniska Univ Avd Foer Drift Och Underhaallsteknik
Priority date: 2020-06-03
Filing date: 2020-06-03
Publication date: 2023-05-30
Also published as: SE2000101A1

Abstract

Föreliggande uppfinning avser en metod för att mäta och analysera skada på en spårväxel och/eller tåghjul samt ett mät och analyssystem med förmågan att i en och samma anordning indirekt mäta och analysera såväl slitage och utmattningsskador i spårväxelns olika delar, spårriktnings och spårviddsfel i spårväxeln, hjulplattor hos tågens hjul samt om risk föreligger för uppkörd växel. Detta sker genom mätning av de vibrationer som därvid uppstår i omläggningsanordningens koppelstänger(l,2,3,4) , vilka är mekaniskt kopplade till tungorna (6,7). Dessa vibrationer korreleras mot verkligt slitage och skador i spårväxel och på hjulens tåg och dess position i en inlärningsprocess som gör det möjligt för exempelvis Artificiell Intelligens med mönsterigenkänning att direkt ge indikation när underhållsåtgärder på växeln behövs eller om hjulplattor föreligger eller om händelsen uppkörd spårväxel är på väg att inträffa.Grundprincipen innebär att accelerometrar (15,16,17,18) monteras på omläggningsanordningens koppelstänger (1,2, 3, 4). Vidare ingår också en datainsamlingsenhet samt temporära minnen som också monteras i omläggningsanordningen. Efter en inlärningsprocess kommer vibrationerna att korreleras mot verkliga slitage, utmattningsskador, spårriktnings och spårviddsfel, hjulplattor eller om risk för uppkörd växel föreligger.The present invention relates to a method for measuring and analyzing damage to a switch and/or train wheel and a measurement and analysis system with the ability to indirectly measure and analyze in one and the same device both wear and fatigue damage in the various parts of the switch, track direction and gauge errors in the switch, wheel plates of the train's wheels and whether there is a risk of overrun gears. This is done by measuring the vibrations that arise in the switching device's coupling rods (1,2,3,4), which are mechanically connected to the tongues (6,7). These vibrations are correlated against real wear and damage in the switchgear and on the train of wheels and its position in a learning process that enables, for example, Artificial Intelligence with pattern recognition to directly indicate when maintenance measures on the switchgear are needed or if wheel plates are present or if the event run-up switchgear is on way to occur. The basic principle means that accelerometers (15,16,17,18) are mounted on the switching device's coupling rods (1,2, 3, 4). Furthermore, a data acquisition unit and temporary memories are also included, which are also mounted in the switching device. After a learning process, the vibrations will be correlated against real wear, fatigue damage, track direction and track width errors, wheel plates or if there is a risk of overrun gear.

Description

Beskrivning Metod för att i omläggningsanordning mäta skador på spårväxlar och tåghjul Spårväxlar utgör synnerligen kritiska komponenter inom järnvägen eftersom de på grund av dess många rörliga delar och snäva kurvradier utsätts för stora belastningar när tågen passerar. Dessa belastningar medför för det första att slitage och skador på spårväxlarna inträffar besvärande ofta, vilket orsakar stora driftstörningar i järnvägstrafiken. För det andra är vanliga förekommande fel i spårväxlar av typen spårriktningsfel och spårviddsfel viket också resulterar i skador på spårväxeln samt dåliga gångegenskaper hos tågen. För det tredje är själva tågen kritiska eftersom de hjulskador som uppstår under driften kontinuerligt hamrar sönder hela järnvägsnätets räls med en regelbundenhet motsvarande periferiavståndet mellan hjulskadorna (ofta hjulplattor som uppstår vid inbromsning). För det fjärde är en ytterligare störande faktor att så kallade uppkörda spårväxlar ofta inträffar. Med uppkörd spårväxel menas att växeltungorna ligger i fel läge iförhållande till den position som tåget har när det åker in i spårväxeln. Detta leder till att tungorna och tåghjulen förstörs och i värsta fall sker urspårning. Description Method for measuring damage to track switches and train wheels in rerouting devices Track switches are extremely critical components in the railway because, due to their many moving parts and tight curve radii, they are exposed to large loads when the trains pass. These loads mean, firstly, that wear and damage to the track switches occurs annoyingly often, which causes major disruptions in rail traffic. Secondly, common errors in track switches are of the type track direction errors and gauge errors, which also result in damage to the switch and poor running characteristics of the trains. Thirdly, the trains themselves are critical because the wheel damage that occurs during operation continuously hammers the rails of the entire railway network with a regularity corresponding to the peripheral distance between the wheel damage (often wheel plates that occur during braking). Fourthly, a further disturbing factor is that so-called run-up track switches often occur. By run-up switch means that the switch tongues are in the wrong position in relation to the position the train has when it enters the switch. This leads to the tongues and train wheels being destroyed and, in the worst case, derailment.

Det finns sålunda ett stort behov av att kunna automatiskt mäta mekaniska slitagetillstånd hos spårväxeln så att det går att dels förutse när spårväxeldetaljer börjar bli så slitna och skadade att byte av delar bör ske innan trafikstörningen är ett faktum, dels att kunna mäta om tågen som passerar växlarna har begynnande hjulplattor och dels kunna mäta om ett tåg är på väg att köra upp en växel så att denna händelse kan stoppas innan olycka eller skada sker. Apparater för att mäta specifikt hjulskador (så kallade hjulskadedetektorer) finns i dagsläget på flera platser utefter järnvägsnätet men är dock inte heltäckande. There is thus a great need to be able to automatically measure the mechanical wear conditions of the switchgear so that it is possible to predict when switchgear parts start to become so worn and damaged that replacement of parts should take place before the traffic disruption is a fact, and also to be able to remeasure the trains that pass the switches have incipient wheel plates and partly to be able to measure if a train is about to drive up a switch so that this event can be stopped before an accident or injury occurs. Devices for specifically measuring wheel damage (so-called wheel damage detectors) are currently available at several locations along the railway network, but are however not comprehensive.

Föreliggande uppfinning löser ovanstående 4 problem vilket resulterar i 4 behov i en och samma anordning eftersom den mäter och analyserar vibrationer i omläggningsanordningens koppelstänger som är mekaniskt kopplade till tungorna. Dessa vibrationer korreleras mot verkliga slitage och skador samt spårriktningsfel och spårviddsfel i spårväxel och skador på hjul samt tågens position i förhållande till tungornas läge, i en inlärningsprocess, vartefter exempelvis Artificiell Intelligens med mönsterigenkänning direkt ger indikation när underhållsåtgärder på växeln behövs eller om hjulplattor föreligger eller om händelsen uppkörd spårväxel är på väg att inträffa. l det följande beskriv denna uppfinning närmare, med avseende på hur de 4 behoven/problemen löses, samt under hänvisning till de bifogade skisserna Behov/Problem Nr 1: Att automatiskt mäta slitage och utmattningsskador i spårväxeln olika delar Se Figur 1: Sensorer i form av tre-axel accelerometrar monteras på koppelstängerna (1), (2), (3) och (4). Dessa koppelstänger ingår i omläggningsanordningen (5) vilka är mekaniskt ihopkopplade med de två växeltungorna (6) och (7). När ett tåg färdas in i spårväxeln kommer det beroende på tågets riktning att passera korsningen (14), vingrälerna (12), (13), farräl (8-9) mellanräl (8-9), samt växeltungor (6-7). Beroende på hur stort slitaget och utmattningsskadorna är i dessa delar, kommer tågen att röra sig på olika sätt i sidled vilket ger upphov till olika grad av vibrationer. Dessa vibrationer detekteras av tre-axel accelerometrarna (5)-(8), se Figur 2. Denna figur visar även koppelstängerna (1)-(4). Accelerometrarna (5)-(8) är monterade klimat och skadesäkert under omläggningsanordningens skyddskåpa. Genom tillgång till data på tågens hastighet kommer också positionen av de uppkomna slitaget i spårväxeln att beräknas så att det blir klarlagt exakt vilken komponent i spårväxeln som behöver bytas. The present invention solves the above 4 problems which results in 4 needs in one and the same device because it measures and analyzes vibrations in the switching device's coupling rods which are mechanically connected to the tongues. These vibrations are correlated against real wear and damage as well as track direction errors and track width errors in switchgear and damage to wheels as well as the position of the trains in relation to the position of the tongues, in a learning process, after which, for example, Artificial Intelligence with pattern recognition directly gives an indication when maintenance measures on the switch are needed or if wheel plates are present or if the event run-up turnout is about to occur. In the following, describe this invention in more detail, with regard to how the 4 needs/problems are solved, and with reference to the attached sketches Need/Problem No. 1: To automatically measure wear and fatigue damage in the switchgear different parts See Figure 1: Sensors in the form of three-axis accelerometers are mounted on the tie rods (1), (2), (3) and (4). These coupling rods are part of the repositioning device (5) which are mechanically connected to the two shift tongues (6) and (7). When a train travels into the switch, depending on the train's direction, it will pass the crossing (14), the wing rails (12), (13), guard rails (8-9), intermediate rails (8-9), and switch tongues (6-7). Depending on how much wear and fatigue damage there is in these parts, the trains will move in different ways laterally, giving rise to different degrees of vibration. These vibrations are detected by the three-axis accelerometers (5)-(8), see Figure 2. This figure also shows the tie rods (1)-(4). The accelerometers (5)-(8) are mounted climate and damage-proof under the protective cover of the switching device. Through access to data on the speed of the trains, the position of the wear and tear in the turnout will also be calculated so that it becomes clear exactly which component in the turnout needs to be replaced.

Figur 3 visar den principiella funktionen hos anordningen. Accelerometrarna (1)skickar trådlöst sina uppmätta accelerationsamplituder som funktion av frekvenser samt accelerationsamplituder som funktion av tiden till en datainsamlingsenhet (2) som också är klimatsäkert monterad under omäggningsanordningens skyddskåpa. Datainsamlingsenheten (2) skickar sedan trådlöst denna information vidare till ett temporärt minne av typen SBC (3) i vilken viss behandling av informationen kan ske. Nästa steg är att SBC (3) trådlöst skickar informationen till en molntjänst (4). Molntjänsten (4) och/eller SBC (3) kommer att med hjälp av artificiell intelligens (Al) med exempelvis mönsterigenkänning eller någon annan lämplig algoritm, korrelera de uppmätta vibrationerna mot verkligt slitage av spårväxeln, vilket kommer att mätas i en inlärningsfas baserat på att uppfinningen mäter på ett antal spårväxlar med olika slitagestatus. Output från (4) levereras till infrastrukturägaren (5) (exempelvis Trafikverket) och/eller till underhållsentreprenören som skall utföra underhållet på spårväxlarna. Denna output kommer att bestå av dels alla vibrationsmätningar men även av mått på vad dessa vibrationsmätningar motsvarar i form av verkligt slitage och vilka komponenter som avses. Figure 3 shows the principle function of the device. The accelerometers (1) wirelessly send their measured acceleration amplitudes as a function of frequencies as well as acceleration amplitudes as a function of time to a data collection unit (2) which is also climate-safely mounted under the protective cover of the unmating device. The data collection unit (2) then wirelessly sends this information on to a temporary memory of the SBC type (3) in which some processing of the information can take place. The next step is for the SBC (3) to wirelessly send the information to a cloud service (4). The cloud service (4) and/or SBC (3) will, with the help of artificial intelligence (Al) with, for example, pattern recognition or any other suitable algorithm, correlate the measured vibrations against real wear of the turnout, which will be measured in a learning phase based on the invention measures a number of track gears with different wear status. Output from (4) is delivered to the infrastructure owner (5) (for example Trafikverket) and/or to the maintenance contractor who must carry out the maintenance on the track switches. This output will consist partly of all vibration measurements, but also of measurements of what these vibration measurements correspond to in terms of real wear and which components are intended.

Behov/Problem Nr 2: Att mäta spårriktnings och spårviddsfel i spårväxel Om spårväxelns horisontalläge varierar inom spårväxeln eller om hela växeln ligger fel i horisontalplanet föreligger spårriktningfel. Detta kommer att resultera i att tågen rör sig på ett annorlunda sätt jämfört med om inga spårriktningsfel föreligger vilket resulterarí ett specifikt vibrationsmönster på samma sått som beskrivet under rubriken Behov/Problem Nr 1. Samma förhållanden gäller om det föreligger felaktig spårvidd. Även här kommer en inlärningsfas att genomföras så att vibrationsnivåerna kan direkt översättas till spårriktning och spårviddfelens storlek och positionering. Need/Problem No. 2: Measuring track direction and track width errors in switchgear If the horizontal position of the switchgear varies within the switchgear or if the entire switchgear is wrong in the horizontal plane, there is a track direction error. This will result in the trains moving in a different way compared to if there are no track direction errors, resulting in a specific vibration pattern in the same way as described under the heading Need/Problem No. 1. The same conditions apply if there is an incorrect gauge. Here too, a learning phase will be carried out so that the vibration levels can be directly translated into track direction and the size and positioning of track width errors.

Behov/Problem Nr 3: Att mäta hjulplattor hos tåghjul Hjulplattorna kommer att ge upphov till regelbundna stötar på olika delar av spårväxeln vilka enkelt kommer att detekteras och analyseras av uppfinningen och levereras till infrastrukturägaren på samma sätt som beskrivet under rubriken Behov/Problem Nr 1. Även här kommer en inlärningsfas att genomföras så att vibrationsnivåerna kan direkt översättas till hjulplattornas storlek och positionering. Need/Problem No. 3: Measuring wheel plates of train wheels The wheel plates will give rise to regular impacts on different parts of the switch which will be easily detected and analyzed by the invention and delivered to the infrastructure owner in the same way as described under the heading Need/Problem No. 1. Here too, a learning phase will be carried out so that the vibration levels can be directly translated into the size and positioning of the wheel plates.

Behov/Problem Nr 4: Att ge en tydlig varning att uppkörning av spårväxel håller på att ske. Need/Problem No. 4: To give a clear warning that the turnout is about to take place.

Tåg som färdas ger upphov till vibrationer som fortplantas i rälen betydligt fortare än tågens hastighet. Uppfinningen kommer att jämföra de uppmätta vibrationsnivåerna i koppelstängerna (1) och (2) med vibrationsnivåerna som uppmäts i koppelstängerna (3) och (4), långt innan tåget passerar spårväxeln, se Figur 1. Eftersom den tunga som ståri kontakt med stödrälen (9) eller (8) kommer att detektera högra vibrationsnivåerjämfört med den tunga som inte är i kontakt med stödrälen blir det därmed möjligt att avgöra om växeln står i fel läge, vilket resulterar i uppkörd spårväxel. Mätresultaten analyseras av uppfinningen och levereras till infrastrukturägaren på samma sätt som beskrivet under rubriken Behov/Problem Nr 1. Även här kommer en inlärningsfas att genomföras så att vibrationsnivåerna kan direkt översättas till om tungorna ligger i fel position i förhållande till det inkommande tåget. Traveling trains give rise to vibrations that are propagated in the rails much faster than the speed of the trains. The invention will compare the measured vibration levels in the tie rods (1) and (2) with the vibration levels measured in the tie rods (3) and (4), well before the train passes the switch, see Figure 1. Because the tongue in contact with the support rail (9 ) or (8) will detect higher vibration levels compared to the tongue that is not in contact with the support rail, it will thus be possible to determine if the gear is in the wrong position, resulting in run-up track gear. The measurement results are analyzed by the invention and delivered to the infrastructure owner in the same way as described under the heading Need/Problem No. 1. Here, too, a learning phase will be carried out so that the vibration levels can be directly translated into whether the tongues are in the wrong position in relation to the incoming train.

Figurförteckning: Figur 1: Övergripande skiss av spårväxel med omläggningsanordning Figur 2: Detaljerad skiss av omläggningsanordning med sensorer Figur 3: Övergripande skiss på uppfinningens principList of figures: Figure 1: General sketch of switchgear with switching device Figure 2: Detailed sketch of switching device with sensors Figure 3: General sketch of the principle of the invention

Claims

1. Measure and analyze system for continuously measuring and analyzing wear and fatigue damage in track gears in a switching device, characterized in that it includes accelerometer mounted on the connecting rods of the switching device, data acquisition unit and temporary memory mounted in the switching device, and using Al to correlate measured vibrations with actual wear and damage, and includes a presentation unit to present the results to the infrastructure owner/maintenance contractor.

2. Measure and analyze system to continuously measure and analyze track position errors and track direction errors in track switches in a switching device characterized by including accelerometer mounted on the connecting rods of the switching device, data acquisition unit and temporary memory mounted in the switching device, and using Al to correlate measured vibrations against actual track direction error and track gauge errors, and includes a presentation unit to present the results to the infrastructure owner/maintenance contractor.

3. Measure and analyze system for continuously measuring and analyzing wheel plates of incoming trains in a switching device, characterized in that it includes accelerometers mounted on the connecting rods of the switching device, data acquisition unit and temporary memory mounted in the switching device, and using AI to correlate measured vibrations against real wheel plates and includes a presentation unit to present the results to the infrastructure owner/maintenance contractor.

4. Measure and analysis system to continuously measure and analyze in a switching device whether there is a risk of run-up switchgear, characterized in that it includes accelerometers mounted on the connecting rods of the switching device, data acquisition unit and temporary memory mounted in the switching device, as well as using Al to correlate measured vibrations against whether there is a risk of overrun gear and includes a presentation unit to present the results to the infrastructure owner/maintenance contractor.