Jak przebiegają testy pociągów dużych prędkości? Certyfikacja Frecciarossa ETR 1000 z systemami imc.
Testy pociągów dużych prędkości obejmują jednoczesny pomiar przyspieszeń, sił kontaktu koło-szyna, przemieszczeń, prędkości oraz wielu sygnałów mechanicznych i elektrycznych. Podczas badań homologacyjnych Frecciarossa ETR 1000 firma Italcertifer wykorzystała rozproszony system akwizycji danych imc CRONOSflex i imc CRONOScompact, obsługujący około 300 kanałów pomiarowych.
Badania homologacyjne pojazdów szynowych muszą potwierdzić, że pociąg pozostaje bezpieczny, stabilny i zgodny z wymaganiami technicznymi także w warunkach bardziej wymagających niż normalna eksploatacja. W przypadku pociągu dużych prędkości oznacza to konieczność przeprowadzenia pomiarów podczas jazdy z bardzo wysoką prędkością, przy dużych przyspieszeniach oraz zmiennych obciążeniach działających na układ jezdny.
Przykładem takiego projektu były badania certyfikacyjne pociągu Frecciarossa ETR 1000 przeprowadzone przez Italcertifer z wykorzystaniem systemów pomiarowych imc Test & Measurement.
Na czym polegają testy homologacyjne pociągu dużych prędkości?
Testy homologacyjne pociągu dużych prędkości polegają na sprawdzeniu jego zachowania dynamicznego, stabilności jazdy, współpracy kół z szynami oraz działania zawieszenia i pozostałych układów mechanicznych. Pomiary wykonuje się w rzeczywistych warunkach ruchu, często przy prędkościach i przyspieszeniach przekraczających wartości występujące podczas regularnej eksploatacji.
Italcertifer zajmuje się certyfikacją, inspekcjami i oceną zgodności w sektorze kolejowym. W ramach certyfikacji Frecciarossa ETR 1000 konieczne było zarejestrowanie i przeanalizowanie setek parametrów opisujących zachowanie pojazdu.
Badania prowadzono zgodnie z wymaganiami normy EN 14363, dotyczącej między innymi badań właściwości dynamicznych pojazdów szynowych. Opisana kampania obejmowała scenariusze z dużymi przyspieszeniami oraz prędkościami sięgającymi 400 km/h. Część testów wykonywano przy około 110% nominalnej prędkości maksymalnej i poziomu przyspieszenia, aby sprawdzić pojazd w warunkach bardziej wymagających niż standardowa eksploatacja.
Jakie wielkości mierzy się podczas badań pociągów dużych prędkości?
Podczas badań dynamicznych pociągu mierzy się przede wszystkim przyspieszenia, siły, przemieszczenia, położenie oraz prędkość pojazdu. Dane te pozwalają ocenić stabilność ruchu, komfort pasażerów, pracę zawieszenia oraz siły występujące pomiędzy kołem i szyną.
W projekcie Frecciarossa ETR 1000 rejestrowano między innymi:
- przyspieszenia nadwozia i elementów układu jezdnego,
- siły kontaktu koło-szyna,
- odkształcenia mierzone tensometrami,
- przemieszczenia siłowników hydraulicznych i tłumików,
- prędkość pociągu,
- pozycję pojazdu na trasie,
- sygnały napięciowe,
- temperaturę,
- sygnały cyfrowe i impulsy z enkoderów.
Do pomiarów wykorzystano akcelerometry, głównie typu MEMS, tensometry, potencjometryczne przetworniki przemieszczenia, czujniki laserowe, odbiornik GPS, system PDL oraz koło impulsowe, z którego wyznaczano prędkość i przebytą drogę.
Jak rozbudowany był system pomiarowy?
System zastosowany podczas testów Frecciarossa ETR 1000 obsługiwał około 300 kanałów pomiarowych. Składał się z rozproszonego systemu imc CRONOSflex oraz trzech systemów imc CRONOScompact, zsynchronizowanych w jednej sieci pomiarowej.
Tak duża liczba kanałów była konieczna, ponieważ badanie obejmowało wiele punktów pomiarowych rozmieszczonych na całej długości pojazdu. Jednocześnie rejestrowano sygnały z czujników drgań, tensometrów, przetworników przemieszczenia, czujników temperatury oraz układów pomiaru prędkości.
Zastosowana konfiguracja obejmowała:
- 1 system imc CRONOSflex,
- 3 systemy imc CRONOScompact,
- 18 czterokanałowych modułów CRFX/UNI-4,
- moduły do pomiarów napięciowych,
- moduły do akcelerometrów IEPE/ICP,
- moduły tensometryczne,
- moduły temperaturowe,
- wejścia cyfrowe,
- wejścia do tachometrów i enkoderów.
Dlaczego zastosowano rozproszony system akwizycji danych?
Rozproszony system akwizycji danych pozwala umieścić moduły pomiarowe blisko czujników. Skraca to długość przewodów sygnałowych, ogranicza wpływ zakłóceń i poprawia jakość rejestrowanych danych.
W pociągu liczącym wiele wagonów prowadzenie wszystkich przewodów czujnikowych do jednego centralnego urządzenia byłoby skomplikowane i mogłoby zwiększyć podatność sygnałów na zakłócenia.
Moduły imc CRONOSflex można rozmieszczać w różnych częściach badanego pojazdu. Sygnał jest dzięki temu kondycjonowany i przetwarzany cyfrowo blisko miejsca pomiaru, a pomiędzy poszczególnymi częściami systemu przesyłane są już dane cyfrowe.
Takie rozwiązanie jest szczególnie korzystne przy pomiarach:
- sygnałów tensometrycznych o niewielkich amplitudach,
- sygnałów z akcelerometrów,
- temperatury,
- przemieszczeń,
- sił i momentów,
- parametrów rozłożonych na dużej przestrzeni.
Jakie parametry akwizycji zapewniały systemy imc?
Systemy imc umożliwiały synchroniczną rejestrację wielokanałową z częstotliwością próbkowania do 100 kS/s na kanał, rozdzielczością 24 bitów i indywidualnymi filtrami antyaliasingowymi.
W opisywanej konfiguracji transmisja danych osiągała do 400 kS/s na jedno urządzenie. Kilka zsynchronizowanych systemów pracowało we wspólnej, rozproszonej sieci pomiarowej.
Precyzyjne tory kondycjonowania sygnału zapewniały:
- wysoką rozdzielczość przetwarzania analogowo-cyfrowego,
- zasilanie podłączonych czujników,
- dopasowanie wejścia do rodzaju sygnału,
- filtrowanie antyaliasingowe,
- synchroniczną rejestrację ze wszystkich urządzeń.
Dane mogły być zapisywane zarówno w pamięci urządzeń, jak i na komputerach podłączonych do sieci. Jednocześnie wyniki były prezentowane na kilku stanowiskach monitorujących.
Jak badano przyspieszenia i komfort jazdy?
Do oceny zachowania dynamicznego pociągu, stabilności ruchu i komfortu pasażerów wykorzystano około 100 akcelerometrów rozmieszczonych w różnych częściach pojazdu.
Pomiary przyspieszeń umożliwiają określenie, jak nadwozie, wózki oraz pozostałe elementy konstrukcji reagują na nierówności toru, zmianę prędkości, przejazd przez łuki i działanie układu zawieszenia.
Na podstawie zarejestrowanych sygnałów można analizować między innymi:
- stabilność pojazdu podczas jazdy,
- amplitudy i częstotliwości drgań,
- zachowanie pociągu na prostych odcinkach i łukach,
- komfort odczuwany przez pasażerów,
- reakcję zawieszenia na wymuszenia pochodzące od toru.
Dodatkowo zastosowano linkowe przetworniki przemieszczenia do pomiaru ruchu siłowników hydraulicznych oraz tłumików. Pozwalało to analizować pracę zawieszenia i reakcję poszczególnych układów mechanicznych.
Jak mierzy się siły pomiędzy kołem a szyną?
Siły kontaktu koło-szyna można wyznaczyć na podstawie pomiarów tensometrycznych wykonanych na odpowiednio przygotowanych zestawach kołowych. Sygnały z tensometrów są przetwarzane w czasie rzeczywistym na wartości sił działających pomiędzy kołami i szynami.
Ocena sił kontaktowych była jednym z najważniejszych elementów badań według EN 14363. W tym celu zestawy kołowe wyposażono w ponad 100 tensometrów.
Monitorowano sześć osi. Z każdej z nich rejestrowano około 20 sygnałów tensometrycznych transmitowanych za pomocą systemu telemetrycznego MTP NT. Dane były następnie przetwarzane w czasie rzeczywistym w oprogramowaniu imc Online FAMOS, aby wyznaczyć siły kontaktu działające na 12 kół.
Pomiar tych sił pozwala ocenić między innymi:
- bezpieczeństwo prowadzenia pojazdu,
- ryzyko odciążenia koła,
- stabilność zestawu kołowego,
- oddziaływanie pojazdu na tor,
- zachowanie pojazdu podczas jazdy po łukach,
- zgodność właściwości dynamicznych z wymaganiami normy.
W charakterze dodatkowych przetworników siły wykorzystywano również odpowiednio oprzyrządowane elementy konstrukcyjne pojazdu, które działały jak rzeczywiste czujniki obciążenia.
Jaką rolę pełni TEDS w systemie wielokanałowym?
TEDS umożliwia automatyczną identyfikację czujnika i odczyt zapisanych w nim danych, takich jak typ czujnika, czułość, zakres pomiarowy, zasilanie czy współczynnik skalowania. Przy setkach kanałów znacząco przyspiesza konfigurację i ogranicza ryzyko błędów.
W dużym systemie pomiarowym ręczne przypisywanie parametrów do każdego kanału byłoby czasochłonne. Pomyłka w czułości, jednostce lub zakresie mogłaby doprowadzić do błędnej interpretacji wyników.
Obsługa TEDS w kanałach pomiarowych imc pozwala automatycznie rozpoznać informacje dotyczące podłączonego czujnika. Ułatwia to zarządzanie dużą konfiguracją obejmującą setki przetworników rozmieszczonych w całym pojeździe.
Jak analizowano dane w czasie rzeczywistym?
Do analizy danych podczas jazdy wykorzystano imc Online FAMOS. Oprogramowanie przetwarzało strumienie danych w czasie rzeczywistym i udostępniało inżynierom gotowe wyniki bezpośrednio podczas testu.
imc Online FAMOS działa na procesorze systemu pomiarowego. Dzięki temu obliczenia mogą być wykonywane bez konieczności przesyłania wszystkich surowych danych do zewnętrznego komputera.
Podczas badań oprogramowanie realizowało między innymi:
- obliczenia sił kontaktu koło-szyna,
- filtrowanie sygnałów zgodnie z wymaganiami badań,
- wyznaczanie prędkości i położenia,
- obliczanie przebytej drogi,
- przeliczanie sygnałów tensometrycznych,
- analizę parametrów mechanicznych i elektrycznych,
- generowanie wyników dostępnych bezpośrednio podczas przejazdu.
W jednym z wagonów utworzono centrum operacyjne. Inżynierowie obserwowali tam na kilku komputerach ponad 300 parametrów, zmiennych i wyników obliczeń. Bieżący dostęp do przetworzonych danych pozwalał natychmiast oceniać przebieg testu i odpowiednio reagować na nieprawidłowości.
Do czego służyły imc STUDIO i FAMOS?
imc STUDIO odpowiadało za konfigurację, wizualizację i automatyzację pomiarów, natomiast FAMOS wykorzystywano do pogłębionej analizy danych po zakończeniu przejazdu.
Algorytmy wykonywane przez imc Online FAMOS były definiowane i edytowane w środowisku imc STUDIO. Pozwalało to dostosować sposób przetwarzania danych do wymagań konkretnego testu.
Po każdym przejeździe dane analizowano dodatkowo w FAMOS. W ramach postprocessingu:
- oceniano ponad 100 parametrów z każdego przejazdu,
- analizowano współpracę koła z szyną,
- korygowano sygnał położenia na podstawie znanych parametrów trasy,
- minimalizowano błędy lokalizacji,
- tworzono wykresy i raporty.
Każdy raport mógł zawierać ponad 600 wykresów przedstawiających przebieg najważniejszych parametrów pomiarowych.
Jakie korzyści daje połączenie sprzętu i oprogramowania imc?
Połączenie systemów imc CRONOS z oprogramowaniem imc STUDIO, imc Online FAMOS i imc FAMOS umożliwia obsługę całego procesu badawczego – od konfiguracji czujników, przez akwizycję i analizę w czasie rzeczywistym, aż po postprocessing i generowanie raportów.
Najważniejsze korzyści takiego rozwiązania to:
- obsługa setek zsynchronizowanych kanałów,
- możliwość rozproszenia urządzeń w całym pojeździe,
- pomiar wielu rodzajów sygnałów w jednym systemie,
- lokalne przetwarzanie danych w czasie rzeczywistym,
- automatyzacja kolejnych etapów testu,
- szybka ocena poprawności przejazdu,
- ograniczenie ręcznego przetwarzania danych,
- automatyczne tworzenie analiz i raportów.
W opisywanym projekcie połączono akwizycję w imc STUDIO, analizę czasu rzeczywistego w imc Online FAMOS oraz postprocessing w imc FAMOS. Pozwoliło to zautomatyzować sekwencje pomiarowe, obliczenia i raportowanie bez konieczności tworzenia niskopoziomowego oprogramowania.
Gdzie jeszcze można stosować systemy imc w kolejnictwie?
Systemy akwizycji danych imc mogą być stosowane nie tylko podczas homologacji pociągów dużych prędkości. Sprawdzają się również w takich zadaniach jak:
- testy tramwajów, metra i lokomotyw,
- badania prototypów pojazdów,
- pomiary zmęczeniowe konstrukcji,
- analiza drgań i komfortu jazdy,
- badania wózków i zawieszenia,
- pomiary układów hamulcowych,
- testy napędów elektrycznych,
- analiza sił koło-szyna,
- pomiary temperatury i napięcia,
- rejestracja danych z magistral komunikacyjnych,
- badania infrastruktury kolejowej,
- testy trwałościowe podzespołów.
Modułowa budowa systemów pozwala przygotować zarówno kompaktową konfigurację kilkunastokanałową, jak i rozbudowany system obejmujący setki punktów pomiarowych.
Podsumowanie
Badania homologacyjne Frecciarossa ETR 1000 pokazują, jak rozbudowany może być system pomiarowy stosowany podczas certyfikacji pociągu dużych prędkości. W jednym środowisku połączono około 300 kanałów, blisko 100 akcelerometrów, ponad 100 tensometrów oraz czujniki przemieszczenia, prędkości i położenia.
Systemy imc CRONOSflex i imc CRONOScompact zapewniły synchroniczną akwizycję danych, natomiast imc Online FAMOS umożliwił przetwarzanie wyników bezpośrednio podczas jazdy. imc STUDIO wykorzystano do konfiguracji i automatyzacji badań, a imc FAMOS do dalszej analizy oraz przygotowania raportów.
Systemy Pomiarowe oferują rozwiązania imc Test & Measurement do wielokanałowej akwizycji danych, badań pojazdów szynowych, pomiarów tensometrycznych, analizy drgań oraz rejestracji parametrów mechanicznych i elektrycznych. Pomagamy dobrać urządzenia, moduły wejściowe, oprogramowanie oraz kompletną konfigurację odpowiednią do planowanego testu.
FAQ – najczęstsze pytania o testy pociągów dużych prędkości
Jakie parametry mierzy się podczas testów pociągu?
Najczęściej mierzy się przyspieszenia, siły, odkształcenia, przemieszczenia, temperaturę, prędkość i pozycję pojazdu. Zakres pomiarów zależy od celu badania i wymagań odpowiednich norm.
Ile kanałów może mieć system do testów kolejowych?
Liczba kanałów może wynosić od kilku do kilkuset. W projekcie Frecciarossa ETR 1000 jednocześnie rejestrowano około 300 kanałów pomiarowych.
Dlaczego moduły pomiarowe rozmieszcza się blisko czujników?
Umieszczenie modułów blisko czujników skraca przewody analogowe, ogranicza wpływ zakłóceń i poprawia jakość sygnału. Jest to szczególnie ważne przy pomiarach tensometrycznych i innych sygnałach o małej amplitudzie.
Jak mierzy się siły koło-szyna?
Siły koło-szyna mogą być wyznaczane na podstawie sygnałów z tensometrów zamontowanych na odpowiednio przygotowanych zestawach kołowych. Dane są następnie przeliczane na wartości sił za pomocą określonych algorytmów.
Do czego służy imc Online FAMOS?
imc Online FAMOS służy do analizy sygnałów w czasie rzeczywistym bezpośrednio w systemie pomiarowym. Może wykonywać obliczenia, filtrowanie i przeliczanie danych podczas trwania testu.
Czym różni się imc STUDIO od imc FAMOS?
imc STUDIO służy przede wszystkim do konfiguracji, prowadzenia, wizualizacji i automatyzacji pomiaru. imc FAMOS jest przeznaczony do analizy zarejestrowanych danych, tworzenia sekwencji obliczeniowych, wykresów i raportów.
Czy systemy imc obsługują czujniki TEDS?
Tak. Obsługa TEDS pozwala automatycznie odczytać dane czujnika, między innymi jego typ, czułość, zakres i współczynnik skalowania.
Czy system imc może pracować bez komputera?
Systemy imc mogą rejestrować dane i wykonywać określone obliczenia lokalnie. Komputery mogą być wykorzystywane do konfiguracji, wizualizacji, dodatkowego zapisu i nadzorowania przebiegu testu.
