Грузовые вагоны
Энергонезависимые датчики для грузовых вагонов Одним из условий обеспечения безопасности движения поездов является поддержание в исправном состоянии грузовых вагонов. За счет регулярного технического обслуживания сокращается время простоев вагонов и повышается экономическая эффективность эксплуатации. Для оптимизации текущего со‑ держания вагонов и проведения ре‑ монтных работ в зависимости от их технического состояния боль‑ шое значение имеет информация о нагрузках и другие эксплуатаци‑ онные данные. Определение таких данных в непрерывном режиме не‑ посредственно в движении грузово‑ го вагона в принципе не представля‑ ется возможным. Грузовые поезда не имеют, как правило, ни бортовой сенсорной техники, ни внутреннего энергоснабжения, так как этот вид железнодорожной техники дол‑ жен иметь простую и особо проч‑ ную конструкцию из‑за высокого уровня вибраций, перепадов тем‑ пературы, запыленности и влажно‑ сти. Беспроводные и энергонезави‑ симые системы регистрации и обра‑ ботки данных могут быть хорошим подспорьем с точки зрения совер‑ шенствования технического обслу‑ живания грузовых вагонов, если бы устанавливались без особо больших затрат в качестве дополнительного оборудования на уже имеющийся подвижной состав. Целью рассма‑ триваемых в данной статье исследо‑ вательских работ является техникоэкономическое обоснование разра‑ ботки таких систем и создание мето‑ дических основ для их реализации. Энергонезависимые датчики для контроля грузовых вагонов в про‑ цессе эксплуатации позволят вовре‑ мя обнаруживать неисправности и производить техническое обслужи‑ вание вагонов в соответствии с их реальным техническим состоянием,
в результате чего повысится надеж‑ ность эксплуатации и экономическая эффективность подвижного состава. Для получения электрической энергии, достаточной для питания датчиков, может быть использова‑ на вибрация, неизбежно возникаю‑ щая при движении поезда. Регистра‑ цию и беспроводную передачу полу‑ ченных данных обеспечивают высо‑ коэффективные микроконтроллеры. Комплексный расчет таких систем является сложной задачей из‑за слу‑ чайного характера вибраций, а так‑ же из‑за влияния погодных условий.
Получение электрической энергии У энергонезависимых датчиков обычно отсутствуют проводные интерфейсы для обмена данными с внешней средой и энергоснабжения. Необходимую энергию они получа‑ ют либо от аккумуляторных бата‑ рей, либо из локальных источников энергии, таких, например, как ви‑ бропреобразователи, фотогальва‑ нические устройства или термопре‑ образователи, использующие тем‑ пературу окружающей среды. Такое преобразование энергии обеспечи‑ вает расширение области примене‑ ния рассматриваемых датчиков. В зависимости от вида энергии дол‑ жны применяться разные принци‑ пы преобразования. Так, для пре‑ образования энергии вибраций ис‑ пользуют пьезокерамические мате‑ риалы. Этот способ преобразования основан на пьезоэлектрическом
эффекте, при котором некоторые анизотропные материалы поляри‑ зуются в результате воздействия механических нагрузок. В результа‑ те происходит разделение зарядов, т. е. механическая энергия превра‑ щается в электрическую.
Беспроводной энергонезависимый датчик Вопрос о том, можно ли с техни‑ ческой точки зрения реализовать конкретную механическую систему с энергонезависимым датчиком, пи‑ тающимся от рассмотренных источ‑ ников энергии на грузовом вагоне, в большой степени зависит от обще‑ го энергетического баланса систе‑ мы. Наряду с требованием о макси‑ мальной эксплуатационной готов‑ ности источника питания большое значение имеет также расход энер‑ гии всеми компонентами системы. Мощность, получаемая с помощью преобразования вибраций на гру‑ зовом вагоне, составляет всего не‑ сколько милливатт. В связи с этим необходимо применять высокоэф‑ фективные компоненты системы, принимающей первичный сигнал, оценивающей его и передающей для дальнейшей обработки. Потребность в электроэнергии при максимальной расчетной мощ‑ ности у имеющихся в настоящее время на рынке наиболее эффек‑ тивных микроконтроллеров состав‑ ляет около 150 мкА/МГц. В режиме ожидания (энергосберегающем ре‑ жиме) расход энергии снижается до нескольких наноампер. С использованием энергосбе‑ регающих датчиков, таких, напри‑ мер, как датчики ускорений MEMS (микроэлектромеханические систе‑ мы), которые работают на токах в
ЖЕЛЕЗНЫЕ ДОРОГИ МИРА — 2014, № 6 55
Грузовые вагоны
несколько микроампер, регистрация данных с помощью энергонезависи‑ мых датчиков приобретает еще боль‑ шее практическое значение. Наряду с этим энергонезависимые сенсорные системы содержат также и другие компоненты для оптимизации по‑ требляемой мощности, которые да‑ же при очень малых токах имеют вы‑ сокую эффективность. Накопители энергии должны иметь высокий дли‑ тельный КПД, несмотря на большое число циклов заряда/разряда, малый зарядный ток и большой ток нагруз‑ ки в импульсном виде. Разработчик должен заранее определять потреб‑ ность в энергии всех компонентов системы, чтобы обеспечить соответ‑ ствующий энергетический баланс.
Методика расчета энергонезависимых датчиков Для правильного расчета ис‑ точников энергии необходим си‑ стемный подход. Разработчик уже на ранней стадии разработки дол‑ жен с помощью соответствующего инструмента учитывать характери‑ стики всех компонентов системы и согласовывать их между собой та‑ ким образом, чтобы система работа‑ ла без подвода энергии от внешних источников. Для этого, в частности, необходимо согласование коли‑ чества получаемой и расходуемой электрической энергии в системе. Разработки системы велись в несколько этапов. Преимуще‑ ством поэтапной разработки явля‑ ется возможность последователь‑ ной валидации компонентов си‑ стемы. В процессе разработки мо‑ делируются и согласовываются между собой с учетом рабочих па‑ раметров источник энергии, нако‑ питель и датчик. Затем компонен‑ ты системы преобразуются друг за другом в технические средства, про‑ веряются их рабочие параметры и сравниваются с результатами, по‑ лученными на предшествующих стадиях разработки. Основой при этом является используемый метод
аппаратно-программного модели‑ рования в реальном масштабе вре‑ мени. Этот метод позволяет прово‑ дить проверку работоспособности сенсорной системы с учетом энер‑ гии, генерируемой источником. За счет этого сокращается количество необходимых опытных образцов источников энергии. Примером применения может служить энергонезависимый детек‑ тор нагрева букс. В рамках исследовательского проекта по энергонезависимым мо‑ дулям датчика демпфера (EATSM) Фраунхоферовский институт экс‑ плуатационной прочности и надеж‑ ности систем разработал методику создания энергонезависимого дат‑ чика. Энергию для питания датчик получает от вибропреобразовате‑ ля колебаний буксового подшипни‑ ка грузового вагона. Эта концепция была реализована в качестве опыт‑ ного образца энергонезависимого детектора нагрева букс. Для испыта‑ ний был выбран вагон типа Pwi-28 массой 19 т. Ходовая часть вагона со‑ стоит из двух колесных пар с трапе‑ цеидальными листовыми рессорами. В отличие от обычных сенсор‑ ных систем, получающих энергию извне, при расчете энергонезави‑ симых датчиков разработчики дол‑ жны были выбрать тип преобразо‑ вателя. В связи с этим на выделен‑ ном для испытаний вагоне выпол‑ нили измерения ускорений кузова вагона и буксового подшипника. Из‑ мерения производили четыре раза в ходе регулярной эксплуатации ваго‑ на на участке Бенсхайм — Вормс. Из результатов измерений видно, что амплитуды измеряемых ускорений изменялись в зависимости от участ‑ ка пути и места измерения на вагоне. Так, при торможении в Бюрштадте и Лорше практически не возника‑ ло никаких вибраций. Полученные данные, обработанные с помощью преобразования Фурье, переводили в соответствующий частотный диа‑ пазон и анализировали. Максималь‑ ные ускорения на буксе в течение
всей поездки возникали при часто‑ те 100 и 200 Гц. Речь при этом идет о резонансе колесной пары. Для полу‑ чения максимальной энергии резо‑ нанс преобразователя следовало со‑ гласовывать с этими частотами.
Определение параметров преобразователя энергии Расчет преобразователя выпол‑ няли в два этапа. Сначала с помо‑ щью аналитической модели произ‑ водили технико-экономический ана‑ лиз, при котором определяли тип ви‑ бропреобразователя и материалы, из которых он должен быть изготовлен. Наиболее распространенной формой является балка с наклеенными пье‑ зоэлектрическими преобразовате‑ лями, закрепленная с одного конца и несущая груз на другом конце. Пер‑ вая частота собственных колебаний изгиба согласуется с резонансом ко‑ лебаний колесной пары, в результа‑ те чего в пьезоэлектрическом преоб‑ разователе возникают максималь‑ ные амплитуды деформации. После успешного завершения технико-эко‑ номического анализа модели выпол‑ нили ее детальный расчет с помощью метода конечных элементов. Два пьезоэлектрических преоб‑ разователя модели дискретизиро‑ вали с помощью чисто электроме‑ ханической связи. Полученную мо‑ дель (рис. 1) можно возбуждать с помощью рабочих ускорений и рас‑ считывать ток и напряжение, воз‑ никающее на электродах. С помо‑ щью цифрового модального ана‑ лиза определяли собственные ча‑ стоты системы и согласовывали с резонансными частотами колесной пары. Механические напряжения в узлах определяли с помощью гар‑ монического анализа. Значения ускорений, необ‑ ходимых для возбуждения си‑ стемы, брали из результатов из‑ мерений. При расчетах по мето‑ ду конечных элементов получа‑ лись большие матрицы, которые не решаются с помощью обычных
56 ЖЕЛЕЗНЫЕ ДОРОГИ МИРА — 2014, № 6
Грузовые вагоны
программ аппаратно-программно‑ го моделирования в режиме реаль‑ ного времени. В связи с этим было выполнено преобразование модели с целью понижения ее порядка, что позволило решать полученные ма‑ трицы в режиме реального времени. С помощью примененного метода было уменьшено число конечных элементов модели и получены ее входные и выходные параметры за вычетом допустимой погрешности. В дальнейших работах уже можно было использовать эту оптимизиро‑ ванную модель, которая отобража‑ ет взаимосвязь между величинами рабочих ускорений и электрических параметров (токов и напряжений).
Аппаратно-программное моделирование в режиме реального времени Для проверки работоспособно‑ сти энергонезависимой сенсорной системы и взаимодействия таких ее компонентов, как накопители энер‑ гии, сенсорная платформа и источ‑ ник энергии, необходимо было ее комплексное испытание. Прове‑ дение испытательных поездок для этой цели с использованием специ‑ ально оборудованных вагонов тре‑ бует больших затрат, что явилось препятствием для более глубокого и подробного анализа. В связи с этим пришлось при‑ бегнуть к методам, базирующимся на моделировании и позволяющим проводить убедительные испытания системы в лабораторных условиях. Преобразованные модели приме‑ няются для аппаратно-программ‑ ного моделирования в режиме ре‑ ального времени. Такая модель ис‑ пользует данные, полученные при измерении ускорений. Блок, моде‑ лирующий источник энергии, свя‑ зан с узлом сенсорной системы, ко‑ торый представлен в виде аппарат‑ ного обеспечения. Оба компонента обмениваются между собой инфор‑ мацией о генерируемой и потреб‑ ляемой энергии. Это позволяет в
Вибропреобразователь энергии
Измеренные ускорения
∆х
Вырабатываемая энергия
m Р
Баланс энергии + –
Накопитель энергии
Сенсорный блок Потребляемая энергия
Рис. 1. Блок-схема модели сенсорной системы с энергонезависимым питанием: ∆x — амплитуда вибрации; m — вибрирующая масса; P — давление, возникающее при цикле вибрации и передаваемое на пьезоэлемент
лабораторных условиях проверять энергетический баланс моделей ис‑ точника различных конфигураций, используемых на пути с разными профилями, и при разных алгорит‑ мах в сенсорных узлах. Данный ме‑ тод позволяет экономить время и средства на изготовление опытных образцов источника питания, а так‑ же расходы на полевые испытания.
Лабораторные и полевые испытания После определения соответ‑ ствующей конфигурации был из‑ готовлен источник питания для ла‑ бораторных испытаний. Систему вновь испытывали с помощью ре‑ гулируемого электродинамическо‑ го вибростенда, причем здесь же на стенде воспроизводились рабочие нагрузки. Таким образом была про‑ верена реальная нагрузочная спо‑ собность источника питания. После успешного завершения испытаний все элементы системы скомпонова‑ ли в единый блок, который устано‑ вили над буксой на листовой рессо‑ ре грузового вагона для проведения полевых испытаний (рис. 2). Выве‑ денные провода служили для под‑ ключения контрольных приборов во время испытаний. Для работы са‑ мой системы эти провода не нужны. Испытания проводили на участ‑ ке Дармштадт — Вормс — Бюр‑ штадт в рамках регулярного графика
Рис. 2. Опытный образец сенсорной систе‑ мы с независимым питанием, установлен‑ ный на грузовом вагоне (фото: Фраунхофер, LBF)
движения. При движении поезда по участку в конденсаторе накапливалась электрическая энергия, поступающая от вибропреобразователя. Когда на‑ пряжение на конденсаторе достига‑ ет заданной необходимой величины, система выполняет измерения и пе‑ редает результат для обработки. По‑ сле этого напряжение падало и цикл накопления энергии повторялся. На участке протяженностью 35 км было выполнено пять таких циклов, что со‑ ответствует одному измерению темпе‑ ратуры буксы за время прохождения отрезка пути длиной 7 км. M. Koch et al. Eisenbahningenieur, 2013, № 12, S. 6 – 10; материалы конференции «Энергонезависимые датчики для контроля грузовых вагонов», февраль, 2013 г., Берлин (www.vdivde-it.de).
ЖЕЛЕЗНЫЕ ДОРОГИ МИРА — 2014, № 6 57