Optymalizacja konstrukcji jezdnych

Otensometrowanie specjalnych platform kolejowych z wykorzystaniem przemysłowego systemu akwizycji danych eDAQ pozwoliło na weryfikację założeń projektowych i optymalizację konstrukcji platformy.

Realizacja:

Transportation daq rail-sims-engineering-edaq 004
Transportation daq rail-sims-engineering-edaq 005
Transportation daq rail-sims-engineering-edaq 009
Transportation daq rail-sims-engineering-edaq 013

 

Przykłady wykorzystanych produktów:


Seria LY

SomatXR

Somat InField

Somat TCE

 

Badania prototypów

Obecnie producenci jednostek kolejowych, swoje projekty nowych konstrukcji opierają na obliczeniach i symulacjach programów bazujących na metodzie elementów skończonych. Nadal jednak przeprowadzane są badania konstrukcji na specjalnie do tego przeznaczonych torach, aby potwierdzić powyższe obliczenia i uzyskać wiarygodnie wyniki badań empirycznych przed publikacją projektów lub w celu zidentyfikowania problemów z konstrukcją istniejących już jednostek. 
W USA, aby zarejestrować nowy pojazd lub dokonać zmian w konstrukcji już zbudowanej i zatwierdzonej, testy na torach są konieczne. Do uzyskania wiarygodnych wyników, za pomocą zainstalowanych czujników pobieramy dane dotyczące sił, przyspieszeń i przemieszczeń w krytycznych lokalizacjach testowanego wagonu. Wzmacniacz pomiarowy z funkcją akwizycji danych rejestruje sygnały pomiarowe by po zakończeniu prób, przeanalizować otrzymane dane. Po wygenerowaniu wyników możemy porównać powstałe wartości z wytycznymi specyfikacji eksploatacyjnej. Prowadzenie badań w terenie jest dość drogie. Aby utrzymać te koszty pod kontrolą, należy wybrać system akwizycji danych, który jest niezawodny, dokładny, łatwy w użyciu i będzie działał w niesprzyjających warunkach. Nikt nie chce ponownie uruchamiać testu, ponieważ system akwizycji danych nie działał poprawnie.

Projekt przyczepy ciężarowej

Do nowych badań nad niedawnym projektem przyczepy towarowej Sims Professional Engineers (SPE) z Highland, zastosował układ akwizycji danych SoMat eDAQ niemieckiego producenta HBM. Według Cody Kastena, głównego inżyniera SPE, eDAQ był perfekcyjnym wyborem. Elektronika ta dzięki wzmocnionej obudowie jest bardzo odporna na trudne warunki pracy, jest również niezawodna i wszechstronna. Obsługuje czujniki zbierające różne sygnały, jest prosta w obsłudze i konfiguracji.

Wymagające normy specyfikacji konstrukcji

Standard M-1001 Stowarzyszenia Kolei Amerykańskich (AAR), „Projektowanie, wytwarzanie i budowa wagonów towarowych” opisuje testy, które należy przeprowadzić, oraz wymagane warunki badań. Niniejszy standard znajduje się w sekcji C, część II Podręcznika AAR norm i zalecanych praktyk. Rozdział XI „Testy i analizy przydatności do użytku dla nowych wagonów towarowych” M-1001 określa szereg testów certyfikacyjnych. Ponieważ jednostka ta została zaprojektowana nie tylko do użytku na drogach, ale również do transportu po torach kolejowych, musiała również spełniać wymagania dla pojazdów kompatybilnych z kolejami określone w rozdziale IX M-1001.

Skład kompletnego łańcucha pomiarowego

Punktem centralnym układu badawczego SPE wybranego do tych testów są dwa systemy akwizycji danych SoMat eDAQ. W skład kompletnego łańcucha pomiarowego weszły:

- Dwa przetworniki wysokiego poziomu (EHLS), które pozwalają eDAQ na jednoczesne próbkowanie 32 różnicowych wejść analogowych (16 kanałów na jednostkę);
- 14 inteligentnych modułów SoMat, które zapewniają kondycjonowanie sygnału tensometru dla ćwierć mostków, pół mostków i mostków pełnych;
- Sześć modułów kondycjonujących sygnał ICP SoMat.

eDAQ zainstalowano we wzmocnionych obudowach NEMA, odpornych na trudne warunki atmosferyczne. Przymocowane zostały do płaskiego wagonu transportowego (jak pokazano na zdjęciu). Aby przyczepa mogła być przewożona koleją, jednostka jest przytwierdzona do wózka podążającego za przyczepą. 
W celu symulacji rzeczywistej eksploatacji, do składu należy dołączyć jedną lub więcej przyczep z wózkami. SPE skorzystało z przetworników próbkujących różne zjawiska. Do detekcji zakłóceń szyn, uderzeń lub innych wzbudzeń lateralnych wykorzystano trzy pionowe akcelerometry. 
Trzy przyspieszeniomierze boczne zainstalowano do ustalenia, czy przyspieszenia horyzontalne spełniają wymagania określone w rozdziale XI. Aby zmierzyć ugięcia i ostatecznie określić przechylenie jednostek, wykorzystano sześć potencjometrów. Obciążenie wzdłużne na płycie zaczepu wózka do połączenia przyczepy określono za pomocą specjalistycznego sworznia pełniącego funkcję czujnika wagi. Dane te wykorzystano do określenia obciążeń wzdłużnych w konstrukcji. Wreszcie, tensometry foliowe zastosowano zarówno do wózka, jak i przyczepy. Lokalizacje tych czujników określono, wykonując analizę elementów skończonych projektu. Inżynierowie SPE wskazali czternaście krytycznych obszarów podczas tej analizy, cztery na przyczepie i dziesięć na wózku. 

Zasilanie systemu pomiarowego

Aby zasilić system, SPE zainstalowało dwa płaskie panele słoneczne SunWize SW90C w jednostce. Każdy z paneli słonecznych zapewnia do 90 W. To alternatywne źródło zasilania ładuje zestaw trzech akumulatorów, który jest następnie podłączony do systemu akwizycji danych i ostatecznie zasila go. 
SPE postanowiło zastosować panele słoneczne zamiast większych akumulatorów w tym systemie testowym, ponieważ bardziej opłacalne było użycie mniejszych akumulatorów i wyeliminowano potrzebę wymiany akumulatorów w niesprzyjających warunkach pogodowych. Niektóre testy przeprowadzono zimą, a żywotność baterii jest znacznie krótsza w chłodniejsze dni. Panele słoneczne wyeliminowały również potrzebę sprawdzania pojemności akumulatora podczas testu. Dostarczały więcej niż wystarczającą moc, aby utrzymać akumulatory naładowane przez cały czas trwania badań. Korzystanie z paneli słonecznych oznaczało, że posiadanie wystarczającej mocy było jedną rzeczą, o którą SPE musiała się martwić.

Programowanie przebiegu badań

Po zmontowaniu testowego składu, technicy zainstalowali czujniki, a inżynierowie SPE wykorzystali oprogramowanie SoMat TCE obsługiwane na laptopie do zaprogramowania systemu i harmonogramu badań. To oprogramowanie pozwoliło użytkownikom szybko i łatwo skonfigurować kanały systemu, w tym kalibracje dla każdego z przetworników. Po zakończeniu instalacji odłączono komputer i system akwizycji danych uruchomił się sam. 

Badania

Badania na torze testowym odbyły się na torach Canadian Pacific Railroad między St. Paul, MN i Superior, WI, w odległości około 150 mil. W ciągu około dwóch tygodni SPE odbyło dwie niezaładowane podróże i dwie załadowane podróże. Odczyty czujników zostały pobrane przy częstotliwości próbkowania 200 Hz. Pomimo braku nadzoru test przebiegał bez żadnych problemów, a system akwizycji danych rejestrował od 2 do 4 gigabajtów danych podczas każdego przebiegu.

Nietrywialna analiza danych 

Po zakończeniu testu inżynierowie SPE po raz kolejny podłączyli laptopa do systemu eDAQ i pobrali surowe dane testowe do analizy przeprowadzonej na  SoMat Infield. Pierwszym krokiem było cyfrowe filtrowanie danych przy użyciu filtra Butterwortha o częstotliwości odcięcia 15 Hz, jak określono w AAR M-1001. Filtrowanie danych ma na celu usunięcie szumu z danych testowych. Ostatnim krokiem w analizie zarejestrowanych informacji testowych było wskazanie naprężeń, przyspieszeń i ugięć, które przekraczają wartości graniczne określone przez standard AAR. Ten krok był bardzo prosty przy użyciu funkcji statystycznej oprogramowania SoMat Infield. Analiza danych dla tego procesu była stosunkowo prosta, oprogramowanie Infield jest w stanie przeprowadzić bardziej zaawansowane obliczenia. Może na przykład nie tylko identyfikować odczyt maksymalny i minimalny, ale także obliczać średnią, odchylenie standardowe i wartości RMS, przeprowadzać analizę opadów, czasu na wskazanym poziomie i analizę częstotliwości. 

Wyniki analiz

Po zapoznaniu się z wynikami pomiarów i analiz SPE oznajmiło, że kombinacja płaskiego wagonu transportującego  przyczepę pomiarową przeszła test pomyślnie.  Wygenerowano raport zawierający tabele obrazujące maksymalne odczytane i zapisane wartości i porównano z wytycznymi AAR. Pokazano również margines bezpieczeństwa. Raport ten został przekazany klientowi, który następnie przedłożył raport i inną dokumentację do zatwierdzenia AAR i Federalnej Administracji Kolei.

Cody Kasten bardzo pozytywnie wypowiedział się o współpracy z inżynierami HBM. Podkreślił ich profesjonalizm i chęć współpracy w trakcie projektu. Po zakończeniu współpracy klient złożył oświadczenie następującej treści: „eDAQ konsekwentnie tworzy wiarygodne dane testowe dla Sims Professional Engineers (SPE), nawet w najtrudniejszych warunkach. Okazało się, że jest to opłacalna inwestycja dla SPE. ”