Teorie a praxe detekce lomu kolejnice Ing. Jiří Konečný, Ph.D. Středisko elektroniky, STARMON s.r.o.
Detekce lomu kolejnice V zásadě jsou známy a v praxi se používají 3 způsoby: 1) Snímání a vyhodnocení elektrického signálu přenášeného kolejovým vedením. 2) Snímání a vyhodnocení akustických vln nebo mechanických vibrací, které se šíří kolejnicemi nebo jejich okolím. 3) Vizuální kontrola.
Detekce lomu kolejnice snímáním a vyhodnocením elektrického signálu přenášeného kolejovým vedením (kolejnice kolejnice, kolejnice zem nebo kolejnice kabel) Tento způsob detekce lomu kolejnice obecně vychází z teorie přenosových vedení nebo přímo z teorie kolejových obvodů (havarijní dvojbrany pro přenos signálu ve volném, šuntovaném a havarijním stavu). Dosud prezentovaná řešení [1] většinou vyžadují minimálně 2 izolované styky a umožňují detekovat pouze úplný lom kolejnice. Výzva: Prověřit, zda lze detekovat praskliny a neúplné lomy kolejnic pomocí reflektometrie (kolejové vedení je svými parametry velmi specifický případ přenosového vedení).
Detekce lomu kolejnice snímáním a vyhodnocením akustických vln nebo mechanických vibrací, které se šíří kolejnicemi nebo jejich okolím Tento princip detekce lomu je na síti SŽDC, s.o. používán jako pojízdná nebo přenosná ultrazvuková defektoskopie. Kontroly kolejnic prováděné tímto způsobem jsou však z principu pouze periodické a relativně drahé. Některé železniční správy v zahraničí používají stacionární řešení, například: - UBRD od firmy Railsonic [1], [2] - DAS (FAS) od firmy Frauscher [3] - BRD od firmy NGRT [4]
Detekce lomu kolejnice snímáním a vyhodnocením akustických vln nebo mechanických vibrací, které se šíří kolejnicemi nebo jejich okolím Problémy, který se často (u stacionární detekce lomu snímáním zvuku nebo vibrací) zamlčují či bagatelizují: a) Drážní prostřední je hlučné a plné mechanických vibrací a rázů => problém zamaskování lomu kolejnice nebo naopak jeho falešné detekce (zejména na vícekolejné trati nebo na zhlaví). b) Detekce lomu snímáním zvuku nebo mechanických vibrací je založena na stochastických modelech => lom je detekován jen s určitou pravděpodobností, která je závislá na provozních podmínkách. c) U pasivních zařízení, která negenerují hluk ani vibrace (např. FAS nebo BRD NGRT), je lom kolejnice detekován až při jízdě vlaku. d) Stejně jako v případě KO může být detekován pouze úplný lom nebo jen taková vada, která při jízdě vlaku způsobí výrazný hluk či vibrace.
Detekce lomu kolejnice Zajímavé odkazy: [1] Rešerše dosud známých způsobů detekce lomu kolejnice www.railcrc.net.au/object/pdf/get/download/id/r3124_final_report_updated [2] UBRD od firmy Railsonic http://www.railsonic.co.za/pdf_files/ubrd_overview_v1.pdf [3] DAS (FAS) od firmy Frauscher https://www.frauscher.com/en/tracking/#start [4] BRD od firmy NGRT https://www.ngrt.org/broken-rail-detection
Důvody vzniku: 1) Patrná preference počítačů náprav ze strany MD ČR a SŽDC, s.o. (i jiných železničních správ, např. na Slovensku, v Norsku, v Holandsku, ve Velké Británii, v Srbsku, v Austrálii a dalších státech). 2) Počítač náprav sám o sobě neumožňuje detekovat lom kolejnice - vzniknuvší lom není bezprostředně nijak detekován. 3) Periodickým prováděním defektoskopie se lomům a dalším poškozením kolejnic pouze předchází, a to jen do určité míry. Vznik úplného lomu kolejnice (v provozu nejčastější vada) tímto způsobem zcela vyloučit nelze [1]. 4) Možnost využít poznatky z teorie a praxe kolejových obvodů.
Základní charakteristika: Diagnostické, nikoli zabezpečovací zařízení (SIL 0), ale: všechny jeho uvažované poruchy jsou detekovatelné. Detekovanou poruchu lze v navazujícím ZZ vyhodnotit stejně jako lom, což vede k omezení či zákazu jízdy vlaku. Poruchu je však možné pouze signalizovat údržbě a servisu. Záleží jen na preferencích provozovatele dráhy. Detekce lomu kolejnice na principu měření vstupní impedance kolejového vedení napájeného uprostřed, elektricky ohraničeného dvěma zkratovacími lany. Úplný lom kolejnice v monitorovaném KÚ je detekován téměř se 100 % jistotou. Zároveň platí, že četnost falešných detekcí lomu bude prakticky nulová. Obojí je určitá analogie k detekci lomu klasickými KO s LIS, při jejichž návrhu se vychází z deterministických modelů (na rozdíl od zařízení, která snímají zvuk či mechanické vibrace).
Základní charakteristika - pokračování: Zcela bez izolovaných styků i na výhybkových KÚ. Každé zkratovací lano je možné přímo uzemnit nebo propojit se sousední kolejí (mezikolejové propojení). Maximální délka monitorovaného KÚ: 2,2 km (yb-max = 0,67 S/km) Jednoduchost => relativně nízká cena a vysoká dostupnost: A > 99,99 % (predikce) Velmi nízký příkon (P < 10 VA na jeden KÚ) => možnost autonomního provozu s fotovoltaickým panelem a radiovým přenosem dat.
principiální schéma zapojení pro přímý kolejový úsek I S1 I S2 I S1 U S I S2 I S1 I S IS2 Z IN O11 O12 Měření výstupního U, I a vyhodnocení Z IN Generátor a zesilovač (harmonický signál v rozsahu 75 Hz - 20 khz)
principiální schéma zapojení pro rozvětvený kolejový úsek I S32 Z IN3 US3 I S3 I S31 I S11 U S1 I S1 I S12 I S21 U S2 I S2 I S22 Z IN1 Z IN2 O31 O32 O11 O12 O21 O22 Jednotka pro měření U, I a vyhodnocení impedance Z IN Generátor a zesilovač f = 10 khz
Vstupní impedance kolejového vedení ZIN slouží jako diagnostický ukazatel stavu KÚ: V bezporuchovém stavu zařízení a při volnosti KÚ se hodnota ZIN pohybuje v intervalu <ZIN-V-MIN; ZIN-V-MAX> Při obsazení KÚ vlakem (při šuntu) zůstane hodnota ZIN oproti volnému stavu stejná nebo se sníží - bude ležet v intervalu <0; ZIN-V-MAX> Lom kolejnice se projeví zvýšením hodnoty ZIN oproti volnému stavu na hodnotu ležící v intervalu <ZIN-HAV-MIN; ZIN-HAV-MAX> Odpojení zkratovacího lana se projeví zvýšením hodnoty ZIN (podobně jako lom kolejnice) buď přímo ve vlastním nebo v sousedním KÚ (se zařízením DELOK). Odpojení zdroje signálu od EKÚ se projeví výrazným zvýšením ZIN, teoreticky až na hodnotu.
Průběh vstupní impedance ZIN v závislosti na délce a stavu EKÚ; f = 75 Hz, yb-min = 0,001 S/km, yb-min = 0,67 S/km (počítačová simulace)
Experimentální měření v lokalitě Bohdašín, 10. 4. 2018 I INV-L I INV-P I ZKRV-L I INV I ZKRV-P Z INV U INV Generátor a zesilovač Schéma zapojení při měření vstupní impedance volného a celistvého EKÚ
Experimentální měření v lokalitě Bohdašín, 10. 4. 2018 I INH-L I INH-P I INH I ZKRH-P Z INH-REAL U INH Generátor a zesilovač Schéma zapojení při měření vstupní impedance volného EKÚ se simulovaným lomem kolejnice na levém konci EKÚ
Experimentální měření v lokalitě Bohdašín, 10. 4. 2018 I IN-ODP-L I IN-ODP-R I ZKR-ODP-L I IN-ODP Z IN-ODP-REAL U IN-ODP Generátor a zesilovač Schéma zapojení při měření vstupní impedance volného a celistvého EKÚ s odpojeným zkratovacím lanem na pravém konci EKÚ
Experimentální měření v lokalitě Bohdašín, 10. 4. 2018 Výsledky: Simulovaný lom kolejnice byl ve všech zkoušených případech spolehlivě detekovatelný výrazným nárůstem hodnoty ZIN o 75 % až 89 % (f = 75 Hz, 175 Hz a 225 Hz na EKÚ dlouhém 2x 724 m) (f = 10 khz a 20 khz na EKÚ dlouhém 2x 18 m) Odpojení zkratovacího lana (zkoušeno pouze na pravém konci EKÚ) bylo také spolehlivě detekovatelné nárůstem hodnoty ZIN o 57 % až 67 % (f = 10 khz a 20 khz na EKÚ dlouhém 2x 18 m) Poznámka: Byl zjištěn velmi dobrý izolační stav kolejového lože (yb = 0,1 S/km). Při větší svodové admitanci by změny ZIN byly menší.
Experimentální měření v lokalitě Bohdašín, 10. 4. 2018
Experimentální měření v lokalitě Bohdašín, 10. 4. 2018
Možnosti aplikace: Jako doplněk počítačů náprav. Jako doplněk KO s elektrickými S styky, které kvůli vyššímu pracovnímu kmitočtu v delších KÚ nezaručují detekci lomu kolejnice. Zcela samostatně (např. na tratích ETCS L3, CBTC, D3, D4, apod.).
Děkuji vám za pozornost. Ing. Jiří Konečný, Ph.D. Středisko elektroniky, STARMON s.r.o. e-mail: konecny@starmon.cz