IDENTIFICANDO O COMPORTAMENTO INADEQUADO DOS VAGÕES –
SOFTWARE ESPECIALISTA PARA AUTOMATIZAÇÃO COMPLETA
LYNXRAIL
Kris Kilian MESc, Monica Kilian PhD, Vladimir Mazur PhD
Lynxrail, Austrália
James Robeda B Inglaterra
Centro de Tecnologia de Transportes, Inc. (TTCI), EUA
Resumo: Vagões com comportamentos inadequados são aqueles dinamicamente
instáveis que podem afetar não apenas o veículo e a performance do equipamento, mas
também podem causar danos na infraestrutura e descarrilamento.
A instabilidade dinâmica dos deles é causada por uma série de fatores, incluindo o
incorreto alinhamento dos rodados.
A principal manifestação de vagões dinamicamente instáveis é rastro.
Este trabalho apresenta um sistema que alimenta de informação um sistema marginal
em um software afim de revisar vagões com comportamentos inadequados.
O sistema marginal usa a tecnologia da visão de máquinas, e a detecção de dispositivos
de caça e o rastreamento de vagões são identificados assim que o trem passa pelo
sistema.
O sistema dá um alerta imediato do operador de vagões dinamicamente instáveis, e de
alerta precoce de os que são suspeitos.
O software é utilizado para monitoramento da condição dos vagões, e também identifica
aqueles que são perigosamente instáveis.
Como resultado, os operadores são capazes de minimizar os riscos e prejuízos em
veículos e infra-estrutura.
O sistema foi testado por TTCI em Pueblo, EUA.
1. Introdução
A instabilidade lateral em velocidade
alta nos veículos de rastreamento muitas
vezes resulta em danos de cargas e cria
um potencial para descarrilamentos
graves. Além disso, os veículos de caça
somam-se ao estado absoluto de tensão
do
sistema
norte-americano
de
transporte ferroviário.
A indústria se beneficiaria muito com
um método eficaz de identificação dos
veículos ofensivos através de um
sistema marginal de detecção.
Tentativas anteriores para desenvolver
sistemas de caça marginal têm-se
centrado na utilização de uma margem
de esforço do cálculo, forçando a
medição dentro de uma zona específica
de monitoramento dos veículos, e, de
acordo com o TTCI, não teve
performance satisfatória.
Lynxrail desenvolveu um sistema
marginal que usa uma série de câmeras
para estabilizar a posição das rodas
através de uma zona designada, numa
tentativa de determinar tendências de
rastreamento.
No ano 2000, Lynxrail começou a
modular seu sistema Automatizado de
Examinação de Trens.
Um destes módulos é o sistema de
medida do perfil das rodas (WPMS),
que avalia a altura dos frisos, bordas dos
frisos, esvaziamento e espessura do aro.
Tornou-se logo aparente que as
capacidades do sistema WPM poderiam
Conference on Railway Engineering
Darwin, June 20-23, 2004
ser extendidas para derivar outra
importante informação, assim como a
localização do rodado no carril e o
ângulo de ataque.
Ambos estes parâmetros podem então
ser usados para identificar busca e
rastreamento.
O sistema WPM foi todavia expandido
para monitorar a performance do rodado
no trilho. Um software especializado foi
desenvolvido para identificar vagões
com problemas.
2. Parâmetros dos rodados
Além dos parâmetros de rodas, os
parâmetros seguintes também são
importantes para assegurar uma
operação segura:
a) Face Posterior para medições
“Backface” (para verificar se as rodas
do eixo estão incorretamente montadas,
ou se a distância entre as faces
posteriores muda durante a vida do
rodado);
b) ângulo de ataque;
c) localização do rodado com refência
nos trilhos ( isto é, rastreamento);
A estabilidade do vagão depende do
comportamento do rodado nos trilhos,
como este afeta o mecanismo dinâmico
dos vagões inteiros.
O sistema Lynxrail colhe informações
em cada eixo de roda que passa pelo
sistema. O dado é avaliado com
referência em cada eixo, vagão, e o
carro inteiro. O dado é então avaliado
para verificar se o vagão está caçando
ou rastreando. A tendência de rastrear
pode também ser identificada. Este
sistema baseado em conhecimento
analisa os dados capturados e avalia o
"fator de caça" de cada vagão. O
sistema Lynxrail é designado para
avaliar problemas no vagão apenas uma
vez, então assim eles podem ser
identificados imediatamente.
2.1 Medições entre as Faces Posteriores
A medições das faces posteriores
deveriam ser constantes ao longo da
vida do rodado.
Esta medida poderia afetar o
comportamento dinâmico destes, como
aumentar ou diminuir a diferença entre
a superfície das rodas e dos trilhos.
Mudanças na distância das faces
posteriores podem também afetar o
caminho do friso da roda e os trilhos.
Mudanças nas distâncias do entre as
faces posteriores podem também afetar
a forma como os trilhos negociam os
pontos e mudanças. Em alguns casos,
mudar a distância dos entre as faces
posteriores
pode
levar
a
um
descarrilamento. Medir a distância das
faces posteriores também assegura que
um rodado recentemente introduzido
caia
dentro
das
especificações
requeridas.
O sistema captura ambas as rodas no
mesmo eixo, na mesma hora.
Isto permite a correlação cruzada das
faces posteriores das rodas. Toda vez
que os rodados passam no sistema, o
sistema estima se ali aconteceu alguma
mudança desde a última medição.
A precisão desta medição é de
aproximadamente 1 mm, o que é
suficiente para determinar quaisquer
mudanças.
2.2 Ângulo do ataque e movimento
lateral como indicação de busca.
O ângulo de ataque é definido pela
localização de ambos os rebordos
interiores com referência ao trilho (veja
Figura 1).
O sistema identifica a localização da
roda e do jogo de rodas com referência
aos trilhos. Ele também encontra a
localização do jogo de rodas através dos
trilhos, identificando desta maneira o
ângulo de ataque.
Conference on Railway Engineering
Darwin, June 20-23, 2004
Figura 1 – cada eixo é capturado em cinco
locais diferentes, mostrando a mudança do
ângulo de ataque.
O ângulo de ataque indica a tendência
dos rodados, para faixa ou caça. Se o
ângulo de ataque permanence mais ou
menos constante, o rodado pode
desenvolver um fino friso de roda em
uma roda apenas, resultando num
desgaste da roda irregular (isto é
considerado rastreamento). Em um
rastreamento no rodado, o ângulo de
ataque muda de positivo para negativo
durante a viagem, levando as rodas a
serem usadas de maneira relativamente
semelhante.
A avaliação do ângulo de ataque é
combinada com a avaliação da distância
da face posterior para o trilho, de forma
a descrever a geometria do eixo em
relação ao trilho durante o trajeto. Isso
dá uma imagem instantânea do eixo em
um momento particular. Com intuito de
estabelecer o comportamento dinâmico
do rodado, esta fotografia instantânea é
repetida várias vezes até que dados
suficientes sejam recolhidos para avaliar
o comportamento dinâmico do rodado.
Um rodado tem uma tendência natural
para caçar por causa da geometria da
roda e perfis dos trilhos. No entanto, a
tendência natural para a caça é
minimizado
pela
rigidez
lateral
fornecida pelo vagão.
Durante a viagem, cada rodado mostra
um comportamento dinâmico - ou
rastreamento ou movimento sinusoidal.
Vagões estáveis têm períodos diferentes
e amplitudes de oscilação para cada
rodado. Nos vagões dinamicamente
instáveis, o período e a amplitude de
cada rodado são semelhantes, uma vez
que os rodados trabalham em harmonia
uns com os outros. No entanto, é
possível que um vagão do veículo
mostre instabilidade dinâmica maior do
que o outro vagão.
O rastreamento está presente quando o
rodado se movimenta excessivamente
em uma direção lateral enquanto viaja.
Movimento excessivo significa que a
onda sinusoidal tem uma amplitude
grande, (o friso da roda está muitas
vezes em contato com o trilho) e um
período específico. O rastreamento
completo ocorre quando o vagão atinge
a sua velocidade de rastro crítico (o que
é uma função da rigidez dinâmica dos
vagões). Ao captar uma série de
imagens enquanto o vagão está
viajando, o sistema é capaz de
identificar os vagões que acompanha. O
sistema pode também identificar (em
velocidades não críticas) vagões que
têm a tendência de caçar.
3. AUDITORIA DO SITE DO
SISTEMA POR TTCI EM PUEBLO
Uma primeira auditoria do site do
sistema foi realizada utilizando-se um
vagão que é conhecido para caçar a
cerca de 45 mph (ver Figura 2). Este
vagão foi totalmente instrumentado para
documentar
seu
comportamento
dinâmico na pista (ver figuras 3, 4 e 5).
Um teste foi conduzido para avaliar a
eficácia do Lynxrail rastreador-detector
marginal na identificação de um carro
que está em um modo de caça ativo. O
teste também foi projetado para
verificar a capacidade do sistema em
Conference on Railway Engineering
Darwin, June 20-23, 2004
identificar potenciais de rastreamento
do vagão de carga em velocidades
abaixo do limiar de caça.
Centro de Tecnologia de Transporte Inc.
(TTCI), uma subsidiária da Associação
das Ferrovias Americanas, conduziu o
teste do sistema Lynxrail na ferrovia de
testes da TTCI (RTT). A RTT é uma O
RTT é um circuito fechado com curvas,
de 13,5 milhas de classe VIII sobre
dormentes em concreto. O teste foi
realizado numa seção tangente da curva.
Um carro com tendências de
rastreamento
conhecidos
foi
instrumentado e correu em diferentes
velocidades através de uma zona de
teste.
Os dados do carro instrumentado foram
recolhidos e comparados com os dados
do sistema de sistema Lynxrail.
Fig. 3. Vagão Instrumentado
Fig. 4. Borda Central Instrumentada
Fig. 5. Aquisição de dados do computador
mostra quando o vagão começa a rastrear.
Fig. 2. Primeiro Teste Consiste em: local e
rastreador conhecido
Um acelerador foi colocado suspenso na
parte lateral de cada vagão para registrar
as suas acelerações. Aceleradores
adicionais forma colocados no final de
cada carro na borda central para
registrar as acelerações laterais do
coprpo do mesmo.
Os dados foram coletados em 250Hz,
usando um filtro de 30Hz analógico.
Detectores de localização automática
(ALD) foram utilizados para acionar o
sistema de coleta de dados através da
zona de teste.
O local era a 100 pés de extensão,
centrado acima do sistema Lynxrail.
As corridas para coleta de dados foram
feitas nas velocidades de 10, 20, 30 40,
45 e 50 MPH.
Conference on Railway Engineering
Darwin, June 20-23, 2004
O carro estava em visível modo de
rastreamento sobre a zona de teste nas
velocidades 45 e 50 MPH.
A figura 6 mostra a correlação das
acelerações medidas por TTCI no carro
equipado e as acelerações provenientes
do sistema Lynxrail.
Fig. 6. Resultados mostram a comparação
entre o sistema Lynxrail e dados do TTCI.
Figura 7. Mostra os deslocamentos da
face posterior de uma roda em cada eixo
em quatro locais. Isto mostra a onda
sinusoidal feita pelas rodas antes da
velocidade crítica.
Figura 7. O comportamento da roda mostra
nas menores velocidades por vagão, que tem
propensão a caçar a 65 km/hora.
Figura 8. Mostra que um vagão já está
em modo de rastreamento, enquanto o
outro mostra a propensão de rastrear,
mas anda não tem atingido pleno
comportamento de caça.
Figura 9 mostra que todas as marginais
têm atingido o rastremaneto.
Conference on Railway Engineering
Darwin, June 20-23, 2004
Figura 8 Comportamento dos quatro
rodados. Os rodados no primeiro vagão (Eixo
1 e eixo 2) não atingiu a velocidade crítica,
mas eles continuam mostrando um
comportamento harmônico, no qual indica a
propensão de rastrear.
O quadro de rodas no segundo vagão
atingiu velocidade de rastreamento
crítica e o rastreamento é evidente.
Fig. 9. O comportamento das rodas mostra
em ambos os vagões em velocidade de
rastreamento.
Todo
rodado
mostra
comportamento de caça.
Um teste adicional foi realizado com 17
vagões, dos quais três eram rastreadores
conhecidos.
Os vagões não foram instrumentados
para este teste, uma vez que o vagão
que foi auditorado no primeiro teste foi
também utilizado para o segundo teste.
Por conta do primeiro teste mostrou
completa correlação entre o sistema
Lynxrail e o carro instrumentado,
assumiu-se que a re-utilização do carro
rastreado original para este teste foi
suficiente para confirmar a validade dos
resultados obtidos.
4. CONCLUSÃO
O sistema Linxrail usa máquinas de
visão de máquina para identificar
rastreadores e vagões de rastreamento.
Mais testes locais são necessários para
ganhar confiança na identificação de
Conference on Railway Engineering
Darwin, June 20-23, 2004
carros de rastreamento em baixas (nãocríticas) velocidades; no entanto, em
velocidades críticas o sistema mostrou
uma performance extremamente boa.
Conference on Railway Engineering
Darwin, June 20-23, 2004