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