Yüksek hızlı Rail Systems'de Geliştirilmiş Güvenlik için Mekanik Sensörler

Yüksek hızlı tren sistemleri uzun mesafe taşımalarını devrime uğrattı, gezginlerin hızlı, verimlilik ve hava veya yol alternatiflerine kıyasla çevresel etkileri azalttı. Ancak, bu ağları çekici kılan çok hızlı - aynı zamanda 300 km/h'yi aşan - aynı zamanda eşsiz güvenlik sorunlarını da ortaya koyar; yüksek hızlı trenler son derece sınırlı bir tepki ile çalışır; küçük bir takip düzensizliği veya sabit bir bileşen otomatik olarak kontrol edilen dinamik sensörlerin ön hattını saniyeler içinde doğru bir şekilde inceler.

Yüksek Hızlı Rail Güvenlikteki Mekanik Sensörlerin Rolü

Mekanik sensörler diğer demiryolu sensörlerinden farklıdır (örneğin, bir bogie çerçevesi ve axle arasındaki bağıt değişimi doğrudan ölçtüler.Bu bilgi, güvenli işletim eşlerine karşı gerçek zamanlı okumalarla karşılaştırıldığında, bir eşin yayılması, bir bogie çerçevesi ve axle arasındaki bağın değiştirilmesi gibi) tam kuvvet kaydı olabilir.

Bu yeteneğin önemi aşırı derecede fazla düşünülemez. Örneğin, yüksek hızlı bir koşu sırasında, bir tekerlek düz (birkaç yüz metre içinde küçük bir alan), bir tekerlek veya de raylı sistemlere zarar veren muazzam bir etki gücü yaratır.Bir güç sensörü veya hızlanmış bir kutusu, bu da bir sabit sistemi algılama sistemi içinde bir düzelme özelliğinin karakteristik imzasını tespit edebilir.

Anahtar Fiziksel Paralar İzlemek

Bu parametrelerin her biri belirli özelliklere sahip bir sensör türü gerektirir - sıra, yanıt süresi, doğruluk ve çevresel sağlamlığı - çünkü yüksek hızlı trenler aşırı koşullar altında çalışır: geniş sıcaklık hızları, sürekli titreşim, yüksek elektromanyetik müdahale ve uzun süre ihtiyaç duyarsız hizmet.

Yüksek Hızlı Rail'de Mekanik Sensörler Türleri

Strain Gauges ve Force Sensörleri

Strain ölçümleri demiryolu mühendisliğinde kullanılan en temel mekanik sensörler arasındadır. Düşük hızlı bir şekilde, sert metalik bir folyo kalıbına monte edilir ve bu veriler, tasarım geçerliliği ve tespit sırasında yapısal bütünlüğü doğrulamaya yardımcı olur. Modern güçlendirici sistemler genellikle bir buzdolabı köprüsü konfigürasyonunu kullanarak, dağları ölçmek için pompalanır ve çiftleri hızla tren koşullarını ölçmek için hızlı bir şekilde basınç ve dinamik stresler sağlar.Bu veriler, mühendislikte sabit bir şekilde sabitlenebilirlik sağlar.

Kuvvet sensörleri (ayrıca yükleme hücreleri olarak adlandırılır), elektrik sinyaline kuvvet veren özel cihazlardır. Yüksek hızlı trenlerde, dinamik kuvvetlere orantılı olarak şarj edilen sabit kuvvetle yapılan yüksek frekanslı etkilerin izlenmesi için genellikle entegre edilirler.Demekle birlikte, kumandan kontrol sistemi de sabit bir şekilde kontrol edilebilir.

Hızölçücüler ve Titreşim Sensörleri

Hızölçücüler, küçük boyutları nedeniyle bir vücut hızını ölçerler, düşük maliyet ve iki düşük frekanslı (örneğin, araba vücutları ve yüksek frekanslı (örneğin, tekerlek etkisi) titreşimler arasındaki endüstri standardı haline gelir.

Önemli bir uygulama, tekerlek düzlerinin tespitidir. Bir tekerlek sabiti her devrimden, bir sonraki depoda görünür, amplitüd hızı ve tekrar frekansı analiz ederek, sistem sürekli olarak düzünme verilerini takip edebilir ( GPS veya baliselerden), operatör bir sonraki depoda tekrar tekrar tekrar tekrar tekrar tekrar tekrar tekrar tekrar tekrar tekrar filtreleyebilir, Avrupa ve Asya'daki bazı yüksek hızlı hatları analiz ederek, sürekli olarak sürekli olarak tüm trenleri takip edebilir.

Sıcaklık Sensörleri

Yüksek hızlı trenlerde sıcaklık algılaması hızlı, doğru ve sağlam olmalıdır. Termo çiftleri ve direniş sıcaklık dedektörleri (RTDs) fren disklerinin ısısını ölçmek için ortak seçeneklerdir, tekerlek yatakları ve dönüştürücü yağı. Ancak, aşırı ısı kesiciler bazen fiziksel temas olmadan yüksek frekanslı pirometreler ve koleksiyonculara kadar yapılır - Inconel-şekürlü termo çiftleri ve yüksek ısıtılır.

Sıcaklık izlemenin güvenlik önemi açık: yüksek hızlı trenler, her tekerlekte birden fazla bağımsız sıcaklık sensörü ile donatılmıştır. Bir yatak yağlanma başarısızlığı veya kirletici ingresyon nedeniyle aşırı ısıtılırsa, sensör bir alarmı ilk eşiğine taşır ve bir saniye eşiğine ulaşırsa (örneğin, Çin ve TGV'deki CRH serisi), sistem otomatik olarak güvenli bir limite hız azaltır -tip olarak 200 km/h – bir taşıma sıcaklığın ilk eşini aşıyorsa ve ikinci bir eşiğine ulaşır.

Pozisyon ve Displacement Sensörler

Pozisyon sensörleri, doğrusal veya agular bileşenlerinin yerini takip eder. Yüksek hızlı trenlerde, katenary tel olarak sürekli temas gücüne sahip olmaları için aktif kontrol sistemini kullanır. Örneğin, lineer değişken transformatörler (LVDTs), pantograf toplayıcının yüksekliğini ölçmek için sabit bir kontrol sistemi katar.

Boşluk sensörleri aynı zamanda ikincil süspansiyon izlemede kritik bir rol oynamaktadır. Hava baharları bogie ve araba gövdesi, yolcu yüklerine bakılmaksızın araç zemin seviyesini tutmak için baskılarını ayarlamaktadır.Her hava baharda bir pozisyon sensörü, hedef yüksekliğinin elde edildiğini gösterir; programlanmış bir toleransın ötesinde bir sızıntı veya bloke edilmiş bir hava hattı işaret eder.

Örnek: Bogie Durum İzleme

Siemens Velar-Alstom AGV dahil olmak üzere birçok modern hızlı tren, sabit aralıklara dayanan bileşenleri yerine entegre bogie koşulu ile entegre etmek için kablosuz bir şekilde ilerlenir.Bu sistemler sürekli olarak tekerlek aşınması, sağlık ve süspansiyon performansında belirgin bir şekilde değerlendirilir.Data, analiz için kablosuz olarak ile uyumludur, sabit aralıklara dayanan yedek parçaları yerine temel veri makinesi sağlar.

Tren Kontrolü ve Güvenlik Sistemleri ile entegrasyon

Mekanik sensörler izole bileşenler değildir; değerleri, trenin merkezi güvenlik mimarisine entegre edildiğinde tamamen fark edilir. Modern yüksek hızlı trenler bir Tren Kontrol ve Yönetim Sistemi (TCMS) ve özel bir güvenlik seviyesi (SIL) sistemi ile ilgili olarak, TCMS tüm alt sistemlerden sensör verileri toplar -brakes, kapılar, traksiyon, süspansiyon - ve bunu İnsan-Makine Interface aracılığıyla sürücüye sunar.

Sensörler ve kontrolörler arasındaki iletişim de gelişti. Yüksek hızlı trenler genellikle telli alanbusların bir kombinasyonunu kullanır (örneğin MVB – Multi function Vehicle Bus) ve akıllı sensörler için kablosuz bağlantıları sağlar - bu işlem verileri yerel olarak ve yalnızca alarmlar ile bağlantılıdır.

Reddans ve Yanlış Tespit

Bir sensör başarısızlığı gerçek bir hata maskeleyebilir, neredeyse tüm hızlı tren sensörleri kırmızıdanlık ile tasarlanmıştır. Exle - her bir axle hızı - en az iki bağımsız sensör (örneğin, bir tekerlek destekli odometre ve bir Doppler radar ünitesi) Kontrol sistemi, bir diskreplilik bir eşiği aşıyorsa, bir sensör hatası ve güvenli bir moda geri döner (en azından iki bağımsız bir limphome hızı limiti).

Bakım ve Yaşam döngüsü

Yüksek hızlı bir trenin sert ortamı – aşırı titreşim, geniş sıcaklık döngüleri ve fren tozu ve toz kayması ile kirlenme - sensör dayanıklılığı konusunda ciddi talepler. Mekanik sensörler şok yüklere (örneğin, aşırı ısı işlemleri veya aşırı geçiş sırasında) dayanmalıdır.

Kalibrasyon sürüklenme başka bir endişedir. Kuvvet ve baskı sensörleri, özellikle de, mekanik histeriler veya materyal ürperticiler nedeniyle zaman içinde sürüklenebilir.Bu nedenle, birçok yüksek hızlı trenler uzaktan kalibrasyon kontrolleri için hükümleri içerir: kontrol sistemi, sensör okumalarını bilinen bir referansa karşı karşılaştırabilir (örneğin, bir önceki bir valf tarafından uygulanan standart bir baskı) ve otomatik olarak dengeleme ihtiyacı azaltır.Bu nedenle, manuel kalibrasyon aralıkları yıllık olarak, bakım maliyetine kadar azaltır.

Kablolu vs. Kablosuz Sensör Ağları

Geleneksel sensör yüklemeleri, ağırlık, karmaşıklık ve potansiyel başarısızlık noktaları ekliyor.Bunu ele almak için üreticiler kablosuz sensör düğümlerini giderek daha fazla dağıtıyor - özellikle tekerlek taşımaları ve dişlileri gibi sert erişim bileşenleri üzerinde.Bu kendi güçlü düğümler enerji hasatını (brasyon veya uzun yaşam bataryaları için) veya uzun ömürlü bataryaları kullanıyor ve verileri düşük güç radyo protokolleriyle (örneğin, Zigbee veya özel ISM-band bağlantıları gibi) ile iletişim kurmaya devam ediyorlar.

Future Developments ve Gelişen Teknolojiler

FiberOptic Sensörleri

Fiber optik sensörler demiryolu için mekanik ölçümde kuantum sıçramayı temsil eder. Bu sensörler optik fiberler aracılığıyla aktarılan ışık kullanır; herhangi bir ısı, sıcaklık veya basınç ışığının özelliklerini değiştirir (örneğin, yüksek hızlı trenlerde, fiber Bragg sensörleri, optik aletlerdeki ışık tutma, yüksek çözünürlükte veya betonda sabit bir şekilde sabitlenme sistemi gibi) ve büyük bir titreşimli bir şekilde sabitleme sistemi için test edilir.

Birkaç Çin hızlı hattı zaten uzun vadeli köprülerin fiber optik izlemesini sağladı, trenlerin geçişle sonuçlanan dakika yapısal değişiklikleri tespit edebilir. Teknoloji ayrıca eğitim kullanımı için de değerlendirilebilir: tren arabası boyunca çalışan tek bir fiber kablo, ağırlık ve kablolamayı azaltabilir.

MEMSBased Akıllı Sensörler

MEMS teknolojisi, hız ölçümlerinde ve hızlanan bir fren cihazının boyutunu ve maliyetini azaltmaya devam ediyor, baskı sensörleri ve gyroskopları.En son MEMS hızlayıcıları, merkezi kontrol etmek için yeterince gürültü katlarını sunabiliyor, ancak tüm bir tekerlek veya fren pedinde gömülü olmak için yeterince küçük. Akıllı MEMS sensörleri, örneğin, ham vibrasyon verileri göndermeden önce bir taşıyıcı modeli tespit edebilir.

Sensör Fusion ve Digital Twins

Belki de en dönüştürücü eğilim sensör füzyondur - diğer kaynaklarla birden fazla mekanik sensörlerden veri aktarılıyor (örneğin, video kameraları, LIDAR, GPS), trenin durumu hakkında kapsamlı bir model oluşturmak için. Örneğin, her sensör okuması, her bir çiftgende hızlı trenin sanal bir şekilde çoğaltılması gereken fiziksel bir disk sıcaklığın bir şekilde yayılmasına yol açıyor.

Düzenleme Çerçeve ve Standartlar

Hızlı trendeki mekanik sensörlerin tartışması düzenleyici ortama atıfta bulunmadan tamamlanmaktadır.Avrupa'da, tren sistemlerinin içebilirliği ( sensörleri dahil) ve EN 50129 (güvenli elektronik sistemler için kullanılan sensörler) 4.

Çin'de, yüksek hızlı demiryolu sensörleri için standartlar uluslararası normlarla uyumlu ama sık sık aşırı hava ve yüksek çözünürlük testleri için ek gereksinimleri içerir. Demiryolu Bakanlığı (şimdi Çin Devlet Demiryolu Grubu'nun bir parçası) neredeyse sıfır yolcu ölümleri ile birlikte, bu düzenleyici nüanslar (örneğin, yüksek hızlı tren operatörlerine yönelik yüksek çözünürlükte, yanıt süresi ve dayanıklılık testleri için önemlidir.

Sonuç: Mekanik Sensörlerin Indispensable Rols

Mekanik sensörler sadece cihazlar değildir - yüksek hızlı tren geri kalanının güvenliğinin tehlikeye atmasına izin veren temeldir.Demekle ilgili olarak, frenlerin doğru gücü acil durumlarda uygulamasını sağlamak için bir tekerlekin bütünlüğüne izin vermek için, MEMS tabanlı akıllı sensörler, ve tüm dijital ikiz sistemler, yüksek hızlı trenlere geçiş yapmadan önce yüksek hızlı tren hızlarına ve daha güvenli hale getirmeleri için söz verir.

Mühendisler ve operatörler için, ders açıktır: Daha ucuz veya daha az sayıdaki sensörler dağıtmadan yapılan tek bir tespit hatasının maliyeti, en yüksek hızlı trenin dikkat çekici güvenlik kaydına yatırım yapmak - sadece ticari havacılıkla karşılaştırılabilir - büyük ölçüde, milyonlarca mekanik sensörlerde ölçülebilen, binlerce kilometre boyunca saat boyunca çalışan.

Ayrıca okuma ve referanslar