SINTEZA RAPORTULUI ŞTIINłIFIC ŞI TEHNIC

Contract de finanŃare: 201PED ⁄ 17.08.2017

Cod proiect: PN-III-P2-2.1-PED-2016-0212

Titlul proiectului: Metodă pentru detectarea defectelor suspensiei

vehiculului feroviar bazată pe analiza corelatiei încrucişate

Etapa 1: Proiectarea sistemului experimental demonstrativ

pentru testarea funcŃionalităŃii metodei de detectare a defectelor

în suspensia vehiculelor feroviare

Director de proiect: Mădălina Dumitriu

1

1.1. Stabilirea configuraŃiei lanŃului de măsurare al

sistemului experimental demonstrativ

1.1.1. Stabilirea domeniilor măsurabile şi a parametrilor de achiziŃie date

1.1.1.1. Principiul metodei de detectare a defectelor suspensiei vehiculului

feroviar bazată pe analiza corelatiei încrucişate

În această secŃiune sunt descrise sintetic principiul şi avantajele metodei de detectare a

defectelor în suspensia verticală a vehiculului feroviar pe baza analiza corelaŃiei încucişate a

acceleraŃiilor măsurate pe cadrul de boghiu în dreptul suspensiei corespunzătoare fiecărei osii,

care urmează a fi testată experimental în cadrul proiectului. În esenŃă, este vorba de o metodă

care se bazează pe modificarea proprietăŃilor dinamice ale unui boghiu convenŃional cu două

osii atunci când în sistem apare un defect al amortizorului, acesta constituind elementul critic

al suspensiei din punctul de vedere al fiabilităŃii.

Metoda propusă exploatează avantajul construcŃiei simetrice a boghiului din punct de

vedere geometric, inerŃial şi elastic, ceea ce permite ca vibraŃiile în plan vertical să poată fi

considerate decuplate de cele în plan orizontal. De asemenea, datorită faptului că în suspensia

corespunzătoare fiecărei osii sunt utilizate în mod normal elemente elastice şi de amortizare

identice, vibraŃiile verticale de săltare şi de galop ale boghiului sunt decuplate [1]. Un

amortizor defect în oricare dintre suspensiile celor două osii va produce însă un dezechilibru

în sistem, având ca rezultat interferenŃe dinamice între cele două vibraŃii – săltare şi galop.

Nivelul de interacŃiune al vibraŃiilor de săltare şi galop constituie un indiciu cheie al stării

suspensiei, iar acesta se va estima utilizând analiza corelaŃiei încrucişată a acceleraŃiilor

măsurate pe cadrul de boghiu în dreptul suspensiei corespunzătoare fiecărei osii.

Fig. 1.1. Schema de principiu a metodei de detectare a defectelor.

2

Principiul metodei de detectare a defectelor amortizoarelor din suspensia primară

verticală a boghiului este ilustrat schematic în fig. 1.1. Aşa cum se observă, aceasta are la

bază acceleraŃiile măsurate pe cadrul de boghiu, deasupra suspensiei din faŃă şi a celei din

spate. Pentru a creşte sensibilitatea şi acurateŃea metodei, acceleraŃiile măsurate sunt filtrate

pe domeniul frecvenŃelor de rezonanŃă ale vibraŃiilor de săltare şi galop ale boghiului (5 – 10

Hz) prin aplicarea unui filtru trece-bandă. În acest domeniu răspunsul sistemului este maxim

şi este cel mai sensibil la modificarea amortizării [2].

Avantajul metodei propuse derivă în primul rând din faptul că este o metodă bazată pe

semnal şi, prin urmare, nu necesită, ca în cazul metodelor bazate pe model, o modelare

matematică complexă a sistemului şi cunoaşterea parametrilor acestuia sau a condiŃiilor

externe (ex. neregularităŃile căii de rulare) [3 - 6], oferind astfel beneficii suplimentare legate

de robusteŃe faŃă de neliniarităŃi şi incertitudini ale parametrilor. Singurii parametrii care

interesează sunt viteza şi ampatamentul boghiului, necesari pentru calculul întârzierii

răspunsului boghiului în dreptul celor două suspensii. În comparaŃie cu alte metode bazate pe

semnal care utilizează semnalele absolute obŃinute direct prin măsurarea acceleraŃiilor şi care

prezintă dificultăŃi în detectarea defectelor deoarece caracteristicile de vibraŃie pot varia în

funcŃie de condiŃiile de circulaŃie [4, 7 - 9], metoda corelaŃiei încrucişate se bazează pe

comparaŃii relative între măsurători şi, prin urmare, efectul factorilor care influenŃează ieşirile

este redus [10 - 13].

Deşi, în cazul de faŃă, metoda se aplică pentru detectarea defectelor în suspensia primară

verticală, ea poate fi extinsă şi pentru suspensia primară laterală sau pentru monitorizarea

suspensiei secundare (verticală sau laterală). În ceea ce priveşte sistemul de măsurare a

vibraŃiilor, acesta este independent de configuraŃia şi parametrii boghiului şi, prin urmare,

poate fi uşor implementat pe orice tip de boghiu.

1.1.1.2. Parametrii măsuraŃi şi stabilirea domeniului valorilor măsurate

Din descrierea succintă a metodei de detectare a defectelor suspensiei unui vehicul feroviar bazată pe analiza corelaŃiei încrucişate prezentată mai sus rezultă că aceasta se

bazează pe efectul pe care îl are defectarea unui amortizor din suspensia primară vehiculului

asupra răspunsului boghiului la excitaŃiile induse de neregularităŃile verticale ale căii de

rulare. Acest efect este cuantificat pe baza analizei corelaŃiei încrucişate a acceleraŃiilor

măsurate pe cadrul de boghiu în dreptul suspensiei corespunzătoare fiecărei osii. Pentru

aceasta, trebuie să se Ńină seama de faptul că boghiul vehiculului este privit ca un sistem

dinamic cu două intrări, reprezentate de osiile boghiului, în care mărimea de intrare – excitaŃia

datorată neregularităŃilor verticale ale căii - acŃionează cu o anumită întârziere în dreptul osiei

din spate în raport cu osia din faŃă. Această întârziere este dată de distanŃa dintre osiile

boghiului, respectiv de ampatamentul acestuia (2ab), şi de viteza de circulaŃie (V), conform

relaŃiei: T = 2ab/V.

3

Tabelul 1.1. Valorile ampatamentului pentru boghiurile care echipează vagoanele de călători.

Tip boghiu Y 32 Minden-Deutz GP 200 ZS 19058 Pa Goerlitz

Ampatament [mm] 2560 2500 2600 1670 2500

Ampatamentul boghiului reprezintă o dimensiune fundamentală, care este precizată în

documentaŃia tehnică (cartea tehnică) corespunzătoare fiecărui tip de boghiu. În tabelul 1.1

sunt prezentate valorile ampatamentului pentru diferite tipuri de boghiuri care echipează

vagoanele de călători exploatate în Ńara noastră.

Prin urmare, rezultă că pentru implementarea acestei metode este necesar să se măsoare

acceleraŃia verticală la nivelul cadrului de boghiu în dreptul suspensiei corespunzătoare

fiecăreia dintre cele două osii, precum şi viteza de circulaŃie.

Pentru alegerea corectă a tipului de accelerometru ce poate fi utilizat pentru măsurarea

acceleraŃiei boghiului este nevoie să se cunoască domeniul valorilor în care aceasta se poate

situa, precum şi domeniul frecvenŃelor proprii ale vibraŃiilor de săltare şi galop ale boghiurilor

vehiculelor de călători. Aceste date sunt necesare şi pentru definirea caracteristicilor

sistemului de prelucrare a datelor măsurate, respectiv rata de eşantionare a semnalelor şi frecvenŃele de tăiere ale filtrelor de condiŃionare, care au rolul de a atenua semnalele parazite

care se suprapun peste semnalul util şi de a elimina efectul de suprapunere a componentelor

armonice care pot să apară în timpul operaŃiei de eşantionare – filtre anti-aliasing.

Se precizează faptul că semnalele reprezentând acceleraŃia măsurată la nivelului

cadrului de boghiu sunt de tipul semnalelor continue, iar prelucrarea acestora cu ajutorul

tehnicii de calcul presupune transformarea lor în semnale discrete. Pentru aceasta, este nevoie

să se aplice acestor semnale operaŃii de eşantionare şi de filtrare, ultima dintre aceste două

operaŃii, efectuându-se cu ajutorul filtrelor numerice.

Pentru a stabili domeniul de frecvenŃă în care trebuie măsurată acceleraŃia la nivelul

cadrului de boghiu este nevoie să se cunoască caracteristicile de vibraŃie ale vehiculului

feroviar în general şi, în particular, ale boghiului. În acest context, sunt descrise mişcările

oscilatorii ale vehiculului feroviar - modurile rigide şi modurile complexe de vibraŃie, globale

sau locale, datorate caracteristicilor de elasticitate ale cutiei [14]. Tot aici se arată că vibraŃiile

vehiculului feroviar sunt vibraŃii de joasă frecvenŃă situate între 0 şi 20 Hz, care se dezvoltă

atât în plan vertical, cât şi în plan orizontal. Se notează, de asemenea, faptul că din punct de

vedere constructiv vehiculul respectă în general regulile de simetrie geometrică, inerŃială şi

elastică, iar în aceste condiŃii mişcările în plan vertical pot fi considerate decuplate de cele în

plan orizontal şi, prin urmare, tratate separat [1, 14].

DiscuŃia se concentrează mai departe asupra vibraŃiilor verticale ale vehiculului

feroviar, cu referire la săltarea şi galopul boghiului şi la condiŃia de decuplare a acestor

moduri de vibraŃie.

Cu toate că există o multitudine de tipuri de vagoane de călători, construcŃia acestora

respectă o condiŃie de bază - condiŃia de decuplare a vibraŃiilor la vehiculele feroviare. Pentru

evitarea cuplării diferitelor tipuri de vibraŃii este necesar ca frecvenŃele proprii ale vehiculului

să se regăsească în anumite intervale strict delimitate.

4

Pentru aceasta, trebuie în primul rând luate în considerare excitaŃiile care determină

oscilaŃii forŃate ale vehiculului. În raport cu frecvenŃele de excitaŃie se pot localiza apoi

frecvenŃele proprii ale vehiculului.

În domeniul de frecvenŃă 0 ... 20 Hz în care se situează modurile de vibraŃie ale

vehiculului feroviar se regăsesc şi valori critice ale frecvenŃelor perturbatoare datorate trecerii

peste defecte locale ale căii, cum ar fi joantele, sau frecvenŃele datorate defectelor roŃilor. De

exemplu, frecvenŃa de excitaŃie dată de joante (de primele două armonici) pentru viteze de

circulaŃie cuprinse între 100 şi 200 km/h este cuprinsă între 1,5 şi 9 Hz, iar imperfecŃiunile

roŃilor determină excitaŃii periodice a căror frecvenŃă se situează între 9,5 şi 19 Hz (v. fig.

1.2). În unele situaŃii este necesar să se stabilească frecvenŃele proprii ale boghiurilor în afara

acestor valori critice, date de frecvenŃele perturbatoare la trecerea peste joantele şinelor sau

cele datorate defectelor roŃilor. Apoi, trebuie avut în vedere ca frecvenŃa proprie înaltă a

mişcării de săltare şi frecvenŃa mişcării de galop a boghiurilor să se găsească în afara zonei

specifice frecvenŃelor proprii de încovoiere verticală a cutiei vehiculului [1].

Fig. 1.2. Zonele de frecvenŃă critică pentru vibraŃiile verticale ale boghiurilor.

În literatura de specialitate se indică faptul că frecvenŃa proprie a vibraŃiilor de săltare

ale boghiului se alege în general în intervalul 5 - 7 Hz, iar frecvenŃa de galop poate ajunge

până la 10 Hz [15].

Referitor la mărimea acceleraŃiilor verticale la nivelul cadrului de boghiu, trebuie arătat

faptul că în reglementările tehnice feroviare nu sunt cuprinse valori limitative; acestea se

referă doar la valorile acceleraŃiilor verticale ale cutiei - v. Fişa UIC 518 [16]. Pe baza

literaturii de specialitate, se poate aprecia însă că valorile maxime ale acceleraŃiilor verticale

ale cadrului de boghiu la vagoanele de călători nu depăşesc 5g m/s2.

După cum se menŃiona mai sus, semnalele electrice reprezentând acceleraŃia măsurată la

nivelul cadrului de boghiu trebuie să fie supuse operaŃiei de eşantionare. Pentru ca prin

această operaŃie să nu se piardă din informaŃia conŃinută de semnalul analogic care este

transformat prin eşantionare, trebuie aplicată teorema eşantionării a lui Shannon. Conform

acestei teoreme, frecvenŃa minimă de eşantionare trebuie să fie dublul frecvenŃei componentei

cu frecvenŃa cea mai înaltă care se doreşte să se regăsească în semnalul eşantionat. Trebuie

înŃeles că această valoare este o valoare minimală şi că în practică se merge pe frecvenŃe de

cel puŃin 5 – 10 mai mari decât limita indicată de teorema eşantionării a lui Shannon. În cazul

de faŃă, ne propunem ca frecvenŃă minimă de eşantionare valoarea de 200 Hz. Trebuie

subliniat faptul că o frecvenŃă prea mare de eşantionare va avea ca efect limitarea duratei de

5

înregistrare a semnalelor utile ale aplicaŃiei, având în vedere faptul că orice înregistrare

trebuie stocată pe o unitate de memorie.

Aşa cum s-a arătat, un alt parametru care trebuie măsurat este viteza de circulaŃie a

vehiculului. Având în vedere condiŃiile de circulaŃie de pe reŃeaua CFR, se apreciază că

valoarea maximă a vitezei ce trebuie măsurată este 200 km/h.

1.1.2. Proiectarea configuraŃiei lanŃului de măsurare al sistemului experimental

demonstrativ, cu precizarea caracteristicilor echipamentelor de măsurare

a vibraŃiilor şi vitezei de circulaŃie

Obiectivul general al proiectului este axat pe proiectarea şi realizarea unui sistem

experimental demonstrativ în vederea utilizării acestuia pentru testarea funcŃionalităŃii

metodei de detectare a defectelor în suspensia vehiculelor feroviare bazată analiza corelaŃiei

încrucişate a acceleraŃiilor măsurate pe cadrul de boghiu în dreptul fiecărei osii, descrisă în

secŃiunea anterioară. În sistemul experimental demonstrativ trebuie integrate mai multe

componente: sistemul de măsurare, achiziŃie şi prelucrare a acceleraŃiilor boghiului şi

receptorul GPS destinat monitorizării şi înregistrării vitezei de circulaŃie.

Realizarea obiectivului general presupune atingerea unor obiective specifice, iar primul

dintre acestea constă în proiectarea lanŃului de măsurare al sistemului experimental

demonstrativ.

1.1.2.1. Schema bloc a lanŃului de măsurare al sistemului experimental demonstrativ

Măsurarea vibraŃiilor boghiului, respectiv a acceleraŃiilor în dreptul suspensiei

corespunzătoare fiecăreia dintre cele două osii, şi a vitezei de circulaŃie presupune utilizarea

mai multor aparate specializate care sunt legate între ele formând astfel un lanŃ de măsurare.

În figura 1.3 este prezentată structura generală a unui lanŃ de măsurare a vibraŃiilor.

Acesta se compune dintr-unul sau mai multe accelerometre, aparate de eşantionare şi

condiŃionare a semnalului electric şi transferul datelor – echipamentul de achiziŃie şi

prelucrare a datelor. Toate aceste aparate sunt conectate la un calculator.

Fig. 1.3. Structura generală a unui lanŃ de măsurare a vibraŃiilor.

6

Fig. 1.4. Accelerometrul Brüel & Kjær tip 4514.

1.1.2.2. Caracteristicile generale ale accelerometrelor piezoelectrice. Caracteristicile

accelerometrului piezoelectric Brüel & Kjær tip 4514

Aşa cum se cunoaşte, accelerometrele piezoelectrice reprezintă cea mai bună soluŃie

pentru toate măsurările de vibraŃii datorită unor avantaje incontestabile: precizie, liniaritate

pentru un domeniu dinamic extins, gama largă a frecvenŃelor de lucru, menŃinerea în timp a

sensibilităŃii, robusteŃe, masă mică, semnalul electric dat de accelerometru poate fi integrat şi

se obŃine viteza şi deplasarea, nu necesită sursă de alimentare.

În prima parte a acestei secŃiuni se discută despre caracteristicile de bază care trebuie

avute în vedere la alegerea accelerometrelor piezolectrice – sensibilitatea în funcŃie de

frecvenŃă, sensibilitatea transversală, sensibilitatea în funcŃie de temperatură, limita minimă a

acceleraŃiei ce poate fi măsurată ş.a. Urmează apoi o descriere a accelerometrelor care vor fi

utilizate în cadrul proiectului pentru măsurarea acceleraŃiilor la nivelul cadrului de boghiu.

Este vorba de accelerometre piezolectrice marca Brüel & Kjær tip 4514 (v. fig. 1.4) [17].

Domeniul de măsurare al accelerometrului acoperă o bandă foarte largă de frecvenŃă ce

se întinde până la cca. 10 kHz. Acest lucru este permis de valoarea înaltă a frecvenŃei de

rezonanŃă care este situată la 32 kHz. Sensibilitatea transversală, determinată la 30 Hz pentru

o acceleraŃie de 100 ms-2, este mai mică de 5% din sensibilitatea pe direcŃia principală.

Domeniul de măsurare acoperă plaja ±4900 ms-2. ImpedanŃa de ieşire este 20 Ω.

Zgomotul intern are valoare eficace de 8 mV în toată banda

de frecvenŃă de la 1 Hz la 10 kHz. Această valoare corespunde

unei acceleraŃii eficace de 0,008 ms-2. Coeficientul de sensibilitate

în funcŃie de temperatură este 0,11% / ºC, iar accelerometrul poate

lucra la temperaturi cuprinse între -51 şi 121 ºC .

ConstrucŃia accelerometrului este din titan, iar elementul

piezoelectric este de tip ceramic. ConstrucŃia este compactă, având

dimensiunile 14,5 mm × 23 mm, foarte robustă şi rezistentă la

şocuri de până la 50 kms-2. Accelerometrul este protejat împotriva

umezelii sau apei, construcŃia sa fiind perfect ermetică. În fine,

masa accelerometrului este foarte mică, de numai 8,6 grame.

Fig. 1.5. Răspunsul în frecvenŃă al accelerometrului Brüel & Kjær tip 4514.

7

În figura 1.5 este prezentat răspunsul în frecvenŃă al unuia dintre accelerometrele care

vor fi utilizate pentru măsurarea acceleraŃiilor la nivelul cadrului de boghiu. Sensibilitatea

accelerometrului este de 1,006 mV/ms-2 şi ea a fost stabilită prin măsurarea unei acceleraŃii

sinusoidale având valoarea eficace de 20 ms-2 la frecvenŃa de 159,2 Hz, temperatura ambiantă

fiind de 22,5 C. În diagramă apare abaterea procentuală faŃă de această valoare.

Fixarea accelerometrului de cadrul de boghiu testat se poate face cu ştift, magnet sau

prin lipire. Indiferent de soluŃie, este necesar ca fixarea să fie fermă şi cât mai rigidă astfel

încât rezultatele să nu fie influenŃate de rezonanŃa prinderii accelerometrului. Este necesar ca

suprafaŃa de fixare să fie curată, plană şi lustruită. Abaterea de planeitate nu trebuie să

depăşească 10 µm, iar rugozitatea trebuie să fie mai mică de 2 µm.

Fig. 1.6. Fixarea accelerometrelor pe cadrul de boghiu.

Pentru măsurarea acceleraŃiilor boghiului se va opta pentru fixarea accelerometrului cu

ajutorul unor ştifturi care se înfiletează în piluliŃele lipite cu adeziv pe lonjeronul cadrului de

boghiu în dreptul suspensiei corespunzătoare fiecărei osii. Un exemplu pentru un astfel de

montaj este prezentat în fig. 1.6, în care accelerometrul a fost fixat de lonjeronul cadrului unui

boghiu de tip Minden-Deutz.

1.1.2.3. Caracteristicile echipamentului de achiziŃie şi prelucrare a datelor

Pentru achiziŃia şi prelucrarea acceleraŃiilor măsurate la nivelul cadrului de boghiu se

vor utiliza echipamente produse de National Instruments, cuprinzând un ansamblu format din

şasiul de achiziŃie şi prelucare a datelor tip NI cDAQ-9174 (National Instruments Compact

DAQ) în care se pot monta module seriale având diverse funcŃii specializate.

Şasiul pentru achiziŃia de date NI cDAQ – 9174, prezentat în fig. 1.7, este prevăzut cu 4

canale, fiind proiectat pentru utilizarea modulelor seriale I/O (intrare/iesire – input/output).

Acesta poate fi folosit la măsurarea unui domeniu larg de semnale analogice şi digitale

utilizând o interfaŃă USB de mare viteză. Fiecare canal are un convertor digital-analog care produce un semnal de tensiune şi este protejat la supratensiune şi scurt – circuit [17].

8

Fig. 1.7. Ansamblul şasiu NI cDAQ – 9174 – module seriale.

Sistemul de achiziŃie a datelor (v. fig. 1.8) are trei componente: modulele seriale de

intrare/ieşire (C Series I/O modules), interfaŃa modulului de achiziŃie a datelor (cDAQ) şi

STC 3. În funcŃie de specificul aplicaŃiei, aceste componente digitalizează semnale,

efectuează conversii D/A (digital/analog) pentru a genera semnale analogice de ieşire,

măsoară şi controlează semnalele digitale I/O şi asigură condiŃionarea semnalelor.

Fig. 1.8. Diagrama bloc a sistemului de achiziŃie a datelor.

Modulele seriale (C Series I/O) realizează condiŃionarea semnalului. Este disponibilă o

mare varietate de tipuri de semnale I/O, permiŃând adaptarea uşoară a sistemului de achiziŃie a

datelor la aplicaŃiile industriale şi de cercetare. Modulele seriale sunt interschimbabile şi sunt

identificate automat de către sistemul de achiziŃie a datelor.

Canalele I/O sunt accesibile utilizând programe specializate. Modulele seriale lucrează

cu orice tip de semnal şi acoperă un domeniu extins de tensiune şi de aceea, senzorii sau

actuatoarele se conectează direct la acestea. Modulele seriale I/O asigură izolarea între canal

şi masă, precum şi între canale. InterfaŃa modulului de achiziŃie a datelor manageriază

transferurile de date între STC 3 şi modulele seriale. De asemenea, interfaŃa manipulează

autodetecŃia, preluarea semnalelor şi sincronizarea.

Modulul STC 3 gestionează independent mai multe fluxuri de date de mare viteză,

semnale analogice şi digitale de intrare-ieşire, semnale de la interfaŃa funcŃiilor programabile,

achiziŃionează şi generează unde de semnale digitale, stabileşte moduri de activare etc.

9

Fig. 1.9. Modulul serial NI 9234.

Pentru preluarea şi sinteza fluxului de date analogice de la cele două accelerometre se

utilizează modulul NI 9234 (fig. 1.9) [17]. Acesta este prevăzut cu patru canale, capabil să

lucreze cu mare precizie pentru măsurători în domeniul frecvenŃelor înalte efectuate cu

senzori piezoelectrici (accelerometre sau microfoane). Domeniul dinamic al modulului

acoperă 102 dB, iar frecvenŃa de eşantionare pe fiecare canal este de până la 51,2 kHz. Pentru

evitarea efectului de suprapunere a componentelor spectrale, modulul are încorporate filtre

antialiasing care se acordează automat în funcŃie de frecvenŃa de eşantionare.

Sistemul de măsurare a vibraŃiilor prezentat este conectat la un laptop în care este

implementat mediul software Matlab, în care va fi dezvoltată aplicaŃia software de achiziŃie de

date, control, procesare, stocare, reprezentare şi integrare cu interfaŃa utilizator.

1.1.2.4. Caracteristicile receptorului GPS pentru monitorizarea şi înregistrarea

vitezei de circulaŃie a vehiculului

Pentru monitorizarea şi înregistrarea vitezei de circulaŃie a vehiculului pe care se

efectuează încercările experimentale, în lanŃul de măsurare se integrează receptorul GPS tip

NL-602U, prezentat în figura 1.10. Cele mai importante caracteristici ale acestui tip de

receptor GPS sunt prezentate în tabelul 1.2 [20].

Fig. 1.10. Receptorul GPS tip NL-602U.

10

Tabelul 1.2. Caracteristicile receptorului GPS tip NL-602U.

Receptorul GPS se conectează cu ajutorul portului USB la laptop şi cu un software de

navigaŃie compatibil cu sistemul de operare Windows. Este vorba de soft-ul u-Center care

oferă o modalitate rapidă şi simplă de interfaŃă cu GPS-ul.

Fig. 1.11. Vizualizarea datelor de navigaŃie cu ajutorul soft-ului u-Center.

Cipset: u-blox 6 UBX-G6000-BT

FrecvenŃa: GPS: L1, 1575.4200 MHz

Acceptă semnalele a până la 50 sateliŃi în acelaşi timp

Suporta AssistNow online / offline, SBAS (WAAS, EGNOS, QZSS and MSAS)

Suportă protocoalele NMEA 0183: GGA, GSA, GSV, RMC, VTG

Viteza Baud până la 115200 bps

Rata update: până la 5 Hz

Sensibilitate max. -162 dBm

Clasa protecŃie IPX6

Temperatura de operare: -20 °C ~ 60 °C

Sursa de alimentare: 5 V DC

Consum curent: max. 80 mA

AcurateŃe poziŃionare: 2.5 m CEP (Circular Error Probable) şi 2 m CEP cu SBAS

11

u-Center asigură o serie de facilităŃi de monitorizare, înregistrare şi redare a datelor de

navigaŃie (poziŃie, viteză, timp, urmărire prin satelit, etc) sub diferite scenarii de test. De

asemenea, permite prelucrarea şi analiza datelor capturate şi transferul lor în software-uri

standard pentru aplicaŃii (ex. Microsoft Office Excel). Datele de navigaŃie sunt vizualizate în

timp real sub formă structurală şi grafică (a se vedea ca exemplu fig. 1.11) [20].

1.1.3. Proiectul lanŃului de măsurare al sistemului experimental demonstrativ

Odată stabilite componentele lanŃului de măsurare al sistemului experimental

demonstrativ destinat testării funcŃionalităŃii metodei de detectare a defectelor în suspensia

vehiculelor feroviare şi caracteristicile acestora se poate trece la elaborarea proiectului.

Fig. 1.12. Proiectul lanŃului de măsurare al sistemului experimental demonstrativ.

Proiectul lanŃului de măsurare al sistemului experimental demonstrativ este prezentat în

figura 1.12 sub forma unei scheme bloc în care se regăsesc, pe de o parte, componentele care

formează sistemul de măsurare, achiziŃie şi prelucrare a acceleraŃiilor verticale ale boghiului

12

în dreptul suspensiei corespunzătoare fiecăreia dintre cele două osii, respectiv 2 accelerometre

piezoelectrice Brüel & Kjær tip 4514 (v. § 1.1.1.2) şi ansamblul format din şasiul pentru

achiziŃie date tip NI cDAQ-9174 şi modulul NI 9234 pentru preluarea şi sinteza fluxului de

date de la cele două accelerometre (v. § 1.1.1.3), iar pe de altă parte receptorul GPS tip NL-

602U destinat monitorizării şi înregistrării vitezei de circulaŃie a vehiculului în timpul

efectuării măsurătorilor, prezentat în § 1.1.1.4. Atât componentele sistemului de măsurare,

achiziŃie şi prelucrare a acceleraŃiilor boghiului, cât şi receptorul GPS sunt conectate la un

laptop prin intermediul porturilor USB.

1.2. Proiectare software achiziŃie date, control, procesare, stocare,

reprezentare şi integrare cu interfaŃa utilizator

La începutul secŃiunii 1.1.2 s-a arătat că pentru realizarea obiectivului general al

proiectului - proiectarea şi realizarea unui sistem experimental demonstrativ în vederea

utilizării acestuia pentru testarea funcŃionalităŃii metodei de detectare a defectelor în suspensia

vehiculelor feroviare bazată pe analiza corelaŃiei încrucişate a acceleraŃiilor măsurate pe

cadrul de boghiu în dreptul fiecărei osii, este necesar să se atingă mai multe obiective

specifice. După proiectarea configuraŃiei lanŃului de măsurare al sistemului experimental

demonstrativ, următorul obiectiv specific ce trebuie realizat constă în proiectarea software-

ului ce urmează a fi utilizat în timpul măsurătorilor de acceleraŃii. Este vorba de un software

dedicat achiziŃiei de date, control, procesare, stocare, reprezentare şi integrare cu interfaŃa

utilizator.

Prima etapă în procesul de dezvoltare al software-ului menŃionat mai sus constă în

proiectarea arhitecturii, lucru care presupune parcurgerea mai multor paşi, conform schemei

prezentată în fig. 1.13. Înainte de a defini cerinŃele, trebuie definit produsul software ce urmează a fi proiectat

– ce va fi şi ce va face acesta. În cazul de faŃă, s-a arătat că este vorba de un software dedicat

achiziŃiei de date – acceleraŃiile măsurate pe cadrul de boghiu în dreptul suspensiei

corespunzătoare fiecărei osii, controlul, procesarea, stocarea, reprezentarea şi integrarea cu

interfaŃa utilizator a acestor date.

Definirea cerinŃelor iniŃiale reprezintă primul pas în procesul de proiectare a arhitecturii

software. Practic, această fază are ca rezultat o definire simplă a problemei ce urmează a fi

rezolvată, după cum urmează:

FuncŃionalitate. Software proiectat pentru utilizare în scop experimental; achiziŃia

acceleraŃiilor măsurate în două puncte ale cadrului de boghiu, procesarea, stocarea,

acestor date şi integrarea lor cu interfaŃa utilizator;

InterfaŃa cu utilizatorul. Ecranul de comandă - control a măsurătorilor şi

reprezentarea datelor achiziŃionate va cuprinde obligatoriu următoarele elemente:

13

Fig. 1.13. Etapele proiectării arhitecturii software-ului dedicat achiziŃiei de date, control, procesare, stocare, reprezentare şi integrare cu interfaŃa utilizator.

- ferestre de control (obiecte de tip edit text) pentru configurarea parametrilor

specifici sesiunii de achiziŃie date (durata sesiunii de achiziŃie date şi numărul

de înregistrări/secundă, viteza); acestea trebuie să permită utilizatorului

editarea sau ştergerea şi înlocuirea unei valori tipărite iniŃial.

- butoane de comandă pentru: conectarea cu sistemul de măsurare achiziŃie şi

prelucrare a datelor; vizualizarea datelor; salvarea datelor; reiniŃializarea

aplicaŃiei.

- ferestre pentru reprezentarea grafică a datelor achiziŃionate.

- obiecte de tip text static pentru etichetarea fiecărei ferestre de control, buton de

comandă şi fereastră pentru reprezentare grafică, care să furnizeze

utilizatorului informaŃii privind funcŃiile acestora.

1.2.1. Elaborarea specificaŃiei tehnice de programare

Elaborarea specificaŃiei tehnice de programare sau elaborarea specificaŃiilor funcŃionale

reprezintă o etapă importantă, premergătoare proiectării arhitecturii software-ului dedicat

achiziŃiei de date, controlului, procesării şi stocării acestora şi integrării cu interfaŃa utilizator.

Etapa de elaborare a specificaŃiei de programare poate fi realizată numai după ce au fost

stabilite în mod clar cerinŃele software-ului ce urmează a fi proiectat. SpecificaŃiile reprezintă

o descriere funcŃională detaliată, ce respectă cerinŃele iniŃiale şi urmăresc înŃelegerea şi

îndeplinirea acestora în timpul proiectării software-ului.

14

Practic, specificaŃia tehnică de programare se constituie într-o structură, un ghid, un set

de reguli, prin care se descrie ceea ce produsul software ce urmează a fi proiectat va trebui să

facă şi cum să o facă. SpecificaŃia tehnică reprezintă primul pas pentru soluŃionarea problemei

utilizatorului, prin intermediul căreia acesta hotărăşte dacă funcŃionalitatea este potrivită

cerinŃelor.

1.2.1.1. Lista de specificaŃii de programare ale software-ului dedicat achiziŃiei de date,

controlului, procesării şi stocării acestora şi integrării cu interfaŃa utilizator

AplicaŃia software pentru achiziŃia, controlul, procesarea, stocarea şi reprezentarea

datelor - acceleraŃiile măsurate pe cadrul de boghiu, trebuie să realizeze următoarele funcŃii:

1. Conectarea (comunicarea) cu sistemul de măsurare, achiziŃie şi prelucrare a datelor

format din 2 accelerometre piezoelectrice Brüel & Kjær tip 4514 şi ansamblul

format din şasiul pentru achiziŃie date tip NI cDAQ-9174 şi modulul NI 9234 pentru

preluarea şi sinteza fluxului de date de la cele două accelerometre (v. § 1.1.3).

2. Configurarea parametrilor specifici unei măsurători: durata şi numărul de

înregistrări/secundă; caracteristicile accelerometrelor - sensibilitatea.

3. Vizualizarea sub formă grafică a datelor achiziŃionate, acceleraŃie – timp (v. fig.

1.14). După efectuarea măsurătorilor, pe baza reprezentării grafice a datelor

achiziŃionate se va lua decizia salvării acestora în vederea prelucrării ulterioare sau

aplicaŃia se reiniŃializează.

Fig. 1.14. Reprezentarea sub formă grafică a acceleraŃiilor măsurate pe cadrul de boghiu:

(a) în dreptul suspensiei osiei 1; (b) în dreptul suspensiei osiei 2.

4. Datele achiziŃionate vor fi salvate într-un fişier de tip mat.file în vederea procesării

ulterioare a acestora în mediul software Matlab. Numele fişerului trebuie astfel

denumit încât să permită identificarea unei anumite înregistrări după tipul boghiului

şi viteza de circulaŃie a vehiculului recepŃionată în timpul măsurătorilor cu ajutorul

GPS-ului. În ceea ce priveşte datele achiziŃionate, acestea vor fi: timpul, acceleraŃia

măsurată în dreptul suspensiei primei osii a boghiului şi acceleraŃia măsurată în

dreptul suspensiei celei de-a doua osii a boghiului.

15

FuncŃiile aplicaŃiei software pentru achiziŃia, controlul, procesarea, stocarea şi

reprezentarea datelor pot fi cuprinse într-o diagramă conceptuală de forma celei prezentate în

fig. 1.15.

Fig. 1.15. Diagrama conceptuală a aplicaŃiei software pentru achiziŃia, controlul, procesarea şi stocarea datelor.

În ceea ce priveşte interfaŃa aplicaŃiei cu utilizatorul, corespunzător cerinŃelor iniŃiale şi

funcŃiilor menŃionate mai sus, ecranul de comandă - control a măsurătorilor şi reprezentarea

datelor achiziŃionate va cuprinde următoarele elemente:

- 1 buton de comandă pentru conectarea cu sistemul de măsurare, achiziŃie şi

prelucrare a datelor, etichetat cu textul ’Conectare sistem’

- 3 ferestre de control (de tip edit text) pentru configurarea parametrilor specifici

sesiunii de măsurare: o fereastră pentru editarea duratei sesiunii de achiziŃie date

etichetată cu textul ’Durata (s)’; o fereastră pentru editarea numărului de

înregistrări/secundă etichetată cu textul ’Număr de înregistrări’; o fereastră pentru

editarea vitezei de circulaŃie a vehiculului etichetată cu textul ’Viteza (km/h)’.

- 1 buton pentru comanda ’măsurare şi înregistrare date’, etichetat cu textul

’Înregistrare date’.

- 1 buton de comandă pentru vizualizarea sub formă grafică a datelor achiŃionate,

etichetat cu textul ’Vizualizare date’.

- 2 ferestre pentru reprezentarea grafică a datelor achiziŃionate etichetate cu textul

’AcceleraŃie 1’, respectiv ’AcceleraŃie 2’.

16

- 1 fereastră de control (de tip edit text) pentru editarea numelui fişierului de tip

mat.file în care se salvează datele achiziŃionate.

- 1 obiect de tip pop_up care permite utilizatorului să aleagă dintr-o listă de foldere

creată, un folder în care se va salva fişierul de tip mat.file.

- 1 buton de comandă pentru salvarea datelor, etichetat cu textul ’Salvare date’.

- 1 buton de comandă pentru reiniŃializarea aplicaŃiei, etichetat cu textul

’ReiniŃializare’.

1.2.2. Proiectarea arhitecturii software achiziŃie date, control, procesare, stocare,

reprezentare şi integrare cu interfaŃa utilizator

Proiectarea aplicaŃiei software de achiziŃie date, control, procesare şi stocare se va

realiza în mediul de programare Matlab, care oferă setul de instrumente Data Acquisition

Toolbox. Acesta set de intrumente cuprinde funcŃii specializate pentru conectarea la diferite

sisteme de achiziŃie de date, inclusiv cele produse de National Instruments.

Software-ul pentru achiziŃia de date al setului de intrumente Data Acquisition Toolbox

include funcŃii pentru controlul intrărilor analogice, ieşirilor analogice, contorului/

temporizatorului şi subsistemelor I/O digitale ale unui dispozitiv de achiziŃie de date. Datele

pot fi analizate în timpul procesului de achiziŃie sau pot fi salvate pentru postprocesare. În

plus, testele pot fi automatizate şi se pot efectua actualizări iterative ale configuraŃiei de

testare pe baza rezultatelor analizei datelor achiziŃionate [21].

Pentru comunicarea cu dispozitivul National Instruments - şasiul NI cDAQ – 9174, este

necesar să se creeze o sesiune de achiziŃie de date (data acquisition session), prin care se

realizează legătura dintre utilizator, aplicaŃia software, driverul NI cDAQ, saşiul NI cDAQ –

9174 şi modulul serial NI 9234, aşa cum se arată în fig. 1.16 [21].

Fig. 1.16. RelaŃia de comunicare cu şasiul NI cDAQ – 9174. Conform specificaŃiilor de programare prezentate în secŃiunea anterioară, sesiunea de

achiziŃie date trebuie să cuprindă două canale, pentru preluarea fluxului de date de la

accelerometrele montate pe şasiul boghiului în dreptul suspensiei corespunzătoare fiecăreia

dintre cele două osii, şi să fie configurată astfel încât achiziŃia să se facă pe o durată de timp

specificată şi cu anumit număr de înregistrări pe secundă (rată de scanări/secundă). De

asemenea, pentru fiecare canal de măsurare trebuie să se introducă proprietăŃile

accelerometrelor, respectiv sensibilitatea acestora. În elaborarea sesiunii de achiziŃie de date

trebuie să se Ńină cont că, înainte ca datele achiziŃionate să fie salvate, se doreşte ca acestea să

fie vizualizate sub formă grafică.

17

Pentru stocarea datelor achiziŃionate, acestea se vor salva în fişiere de tip mat.file în

vederea postprocesării pentru analiza corelaŃiei încrucişată a acceleraŃiilor măsurate.

Având în vedere cele prezentate mai sus, se poate trece mai departe la proiectarea

arhitecturii software de achiziŃie, control, procesare şi stocare a datelor, bazată pe o sesiune de

achiziŃie de date creată în Matlab pentru dispozitive National Instruments. Arhitectura

software va cuprinde mai multe secvenŃe (secŃiuni), aşa cum se arată în tabelul 1.3 [21].

Tabelul 1.3. Proiectul arhitecturii software achiziŃie, control, procesare

şi stocare a datelor – secvenŃele sesiunii de achiziŃie date.

1. Crearea sesiunii de achiziŃie date În cadrul acestei secŃiuni se creează un obiect de sesiune pentru configurarea şi operarea cu

dispozitivul de achiziŃie de date de la un anumit producător. Pentru aceasta se utilizează

funcŃia daq.createSession('.......'). Pentru conectarea cu saşiul produs de National Instruments, tip NI cDAQ – 9174, sintaxa

pentru definirea funcŃiei pentru sesiunea ’s’ este următoarea:

s = daq.createSession('ni').

2. Adăugarea canalelor analogice de intrare

Pentru adăugarea unui canal de intrare pe dispozitivul reprezentat prin ID-ul acestuia, cu

ID-ul canalului specificat şi tipul de măsurare1 a canalului reprezentat de measureType în

sesiunea s se utilizează funcŃia:

addAnalogInputChannel(s,deviceID,channelID,measurementType)

Pentru adăugarea a două canale analogice de intrare, cu ID-urile ai1 şi ai2, corespunzătoare

modulului NI 9234 aflat în slotul 2 (Mod2) al şasiului cDAQ – 9174 cu ID-ul cDAQ1:

s.addAnalogInputChannel('cDAQ1Mod2', 'ai1', 'Accelerometer')

s.addAnalogInputChannel('cDAQ1Mod2', 'ai2', 'Accelerometer')

Pentru fiecare canal se adaugă sensibilitatea accelerometrului.

3. Configurarea sesiunii de achiziŃie date2:

- Durata sesiunii de achiziŃie date: s.DurationInSeconds = …..

- Numărul de scanări pe secundă: s.Rate = ...... 4. Măsurarea şi înregistrarea datelor

Pentru a o obŃine scanări multiple se utilizează funcŃia startForeground.3

1 ID-ul dispozitivului NI cDAQ pentru subsistemul de intrare analogic reprezentat de modulul serial NI 9234 se obŃine prin lansarea în fereastra de comandă a Matlab-ului a comenzii daq.getDevices. Prin lansarea acestei comenzi se obŃin, de asemenea, ID-urile canalelor de intrare şi tipul măsurătorii. 2 În mod implicit, achiziŃia de date este configurată să funcŃioneze pe o durată de 1 secundă pentru a obŃine 1000 de scanări, cu o rată de 1000 de scanări pe secundă.

18

5. Reprezentarea grafică a datelor achiziŃionate

plot(time,data);

xlabel('Timp [sec]');

ylabel('AcceleraŃie [g]')

6. Salvarea datelor

Pentru stocarea datelor achiziŃionate în vederea postprocesării, acestea se vor salva în

fişiere de tip mat.file, cu ajutorul instrucŃiunii:

save achizitiedateX_tipboghiu_viteza.mat t acc1 acc2; numele fişierului astfel creat

permite identificarea înregistrării după numărul acesteia X dintr-o serie de N înregistrări,

tipul boghiului şi viteza de circulaŃie. t, acc1 şi acc2 reprezintă datele achiziŃionate,

respectiv timpul şi acceleraŃiile măsurate pe cadrul de boghiu.

Fig. 1.17. Schema bloc a proiectului arhitecturii software achiziŃie, control,

procesare şi stocare a datelor. 3 FuncŃia startForeground blochează execuŃia Matlab până când toate datele sunt achiziŃionate. Datele achiziŃionate sunt returnate în perechi TIME-DATA. TIME este o matrice M-by-1, unde M este numărul de scanări. DATA este o matrice M-by-N unde M este numărul de scanări şi N este numărul de canale de intrare.

19

Proiectul arhitecturii software achiziŃie, control, procesare şi stocare a datelor poate fi

reprezentat şi sub formă de schemă bloc. Aceasta este prezentată în fig. 1.17, în care se

identifică secŃiunile sesiunii de achiziŃie date cuprinse în tabelul 1.4. În plus, este marcată şi

secvenŃa de reiniŃializare a aplicaŃiei, care se accesează în situaŃia în care după vizualizarea

sub formă grafică a datelor achiziŃionate se decide crearea unei noi sesiuni de achiziŃie date.

Fig. 1.18. InstrucŃiunile de execuŃie şi configurare a comenzilor de interacŃiune a utilizatorului cu

software-ul de achiziŃie de date, control, procesare şi stocare.

Fig. 1.19. Proiectul interefeŃei grafice cu utilizatorul a software-ului de achiziŃie de date, control,

procesare şi stocare.

20

În continuare este prezentat proiectul interfeŃei grafice cu utilizatorul a software-ului

achiziŃie de date, control, procesare şi stocare, care va fi ulterior construită în Matlab, folosind

pentru aceasta GUI (Graphical User Interfaces). În figura 1.18 sunt prezentate tipurile de

obiecte şi butoane utilizate pentru realizarea specificaŃiilor de programare cuprinse în §

1.2.1.1, iar în fig. 1.19 avem proiectul interfeŃei grafice.

Bibliografie

1. Sebeşan, I., Mazilu, T., VibraŃiile vehiculelor feroviare, Editura MatrixRom, Bucureşti, 2010. 2. Dumitriu, M., Influence of damping suspension on the vibration eigenmodes of railway vehicles,

Mechanical Journal Fiability and Durability, Issue 1, 2013, pp. 109 – 115. 3. Frank, P.M., Ding, S.X., Marcu, T., Model-based fault diagnosis in technical processes,

Transactions of the Institute of Measurement and Control, Vol. 22, Iss. 1, 2000, pp. 57–101. 4. Kraft, S., Funfschilling, C., Puel, G., Aubry, D., Predictive maintenance by the identification of

suspension parameters from online acceleration measurements, Proceedings of ISMA 2010, pp. 3503 – 3518.

5. Tsunashima, H., Hayashi, Y., Mori, H., Marumo, Y., Condition monitoring and fault detection of railway vehicle suspension using multiple-model approach, The 17th World Congress The International Federation of Automatic Control Seoul, Korea, July 6-11, 2008, pp. 584-589.

6. Tsunashima, H., Mori, H., Condition monitoring of railway vehicle suspension using adaptive multiple model approach, International Conference on Control, Automation and Systems 2010, Oct. 27-30, 2010, Gyeonggi-do, Korea, pp. 584-589.

7. Alfi, S., Bionda, S., Bruni, S., Gasparetto, L., Condition monitoring of suspension components in railway bogies, 5th IET Conference on Railway Condition Monitoring and Non-Destructive Testing (RCM 2011), pp. 1 – 6.

8. Oba, T., Yamada, K., Okada, N., Tanifuji K, Condition monitoring for Shinkansen bogies based on vibration analysis, Journal of Mechanical Systems for Transportation and Logistics, Vol. 2, No. 2, 2009, pp. 133–144.

9. Wei, X., Jia, L., Liu, H., A comparative study on fault detection methods of rail vehicle suspension systems based on acceleration measurements, Vehicle System Dynamics, Vol. 51, 2013, No. 5, pp. 700–720.

10. Ding, X.J., Mei, T.X., Fault detection for vehicle suspensions based on system dynamic interactions, Proceedings of the UKACC International Conference on Control, University of Manchester, Sept. 2-4, 2008, Paper Th04.00.

11. Mei T.X., Ding, X.J., A model-less technique for the fault detection of rail vehicle suspensions, Vehicle System Dynamics, Vol. 46, Supplement, 2008, pp. 277–287.

12. Mei T.X., Ding, X.J., Condition monitoring of rail vehicle suspensions based on changes in system dynamic interactions, Vehicle System Dynamics, Vol. 47, No. 9, 2009, pp. 1167–1181.

13. Mei T.X., Ding, X.J., New condition monitoring techniques for vehicle suspensions, 3rd IET International Conference on Railway Condition Monitoring, Derby, UK, 2008, pp.1-6.

14. Dumitriu M., Sebeşan I., Calitatea mersului la vehiculele feroviare, Editura MatrixRom, Bucureşti, 2016.

15. Sebeşan I., Dinamica vehiculelor feroviare, Editura MatrixRom, Bucureşti, 2011. 16. UIC Leaflet 518, Testing and approval of railway vehicles from the point of view of their

dynamic behaviour – Safety – Track fatigue – Running behaviour, 4th edition, 2009.

21

17. Dumitriu M., Mazilu T., VibraŃii. AplicaŃii numerice şi experimentale, Editura Matrix Rom, Bucureşti, 2012.

18. Brül & Kjær, Vibration test systems, www.bksv.com/vts. 19. NI Compact DAQ – 9174, User manual, National Instruments, July 2011. 20. NL-602U ublox6 USB receiver. Operation manual. 21. https://www.mathworks.com/help/daq/data-acquisition-session.html