ES2202106T3 - Equipo de monitorizacion de vias de ferrocarril. - Google Patents

Abstract

Un equipo (10) para monitorizar los raíles de las vías (33) del ferrocarril, comprendiendo el equipo una estación base (12, 13, 14), y un vehículo de servicio (18) que incluye bogies con cambio del ancho de vía, con al menos un equipo de instrumentación (16) instalado en el vehículo de servicio (18), y medios automáticos (46) para transferir datos desde cada equipo de instrumentación (16) a la estación base (13) remotamente y en intervalos, comprendiendo el conjunto de instrumentación (16) sensores que incluyen al menos un acelerómetro (35), al menos un instrumento de localización de la posición (44) dispuesto para proporcionar información posicional, y un ordenador configurado para recibir datos de los sensores, para digitalizar los datos del acelerómetro a una frecuencia en el rango de 500 Hz a 3000 Hz, y para procesar y almacenar los datos, caracterizado porque se encuentran montados dos acelerómetros verticales (35) en un bogie (24) del vehículo de servicio (18), uno en cada lado del bogie, por encima de un equipo de cambio del ancho de vía (38, 31), comprendiendo también el equipo dos transductores de desplazamiento (36), uno en cada lado del bogie (24), dispuestos para monitorizar la distancia entre el bogie (24) y el equipo de cambio del ancho de vía (28, 31), y para proporcionar señales de los datos al ordenador (40), y estando configurado el ordenador (40) para procesar los datos digitalizados de los acelerómetros, correspondientes a la doble integración, y por tanto de los datos de los transductores de desplazamiento (36) para determinar los desplazamientos lineales verticales de los raíles en posiciones separadas regularmente a lo largo de la vía.

Description

Equipo de monitorización de vías de ferrocarril.

Esta invención está relacionada con un equipo para monitorizar las vías de ferrocarril, en particular para determinar el perfil del rail.

Son conocidos los vehículos de registro de los raíles, los cuales incluyen instrumentos para medir cualesquiera atributos distintos de un rail de ferrocarril. Dichos vehículos son costosos tanto en su adquisición como en su operación, y consecuentemente el personal de mantenimiento de los ferrocarriles puede inspeccionar sus líneas solo a intervalos no frecuentes, típicamente una vez al mes en las líneas de más tráfico, y menos frecuentemente en otras líneas. Son conocidas también las vagonetas de inspección accionadas a mano, las cuales se utilizan para medir los parámetros de las vías, pero éstas son adecuadas solamente para recorridos cortos de la vía, por ejemplo en los apartaderos o vías muertas. El equipo para permitir la monitorización frecuente y regular del estado de las vías en substancialmente la totalidad de la red del ferrocarril sería ventajoso, particularmente al proporcionar información sobre el efecto del tráfico del ferrocarril en el estado de las vías, y para cuantificar el efecto del mantenimiento. Dicha monitorización frecuente permitirá también al personal del ferrocarril decidir el momento de suprimir las limitaciones de la velocidad que podrían haber sido impuestas después del mantenimiento de las vías (tal como una sobreelevación de diseño); y realmente cuando se imponen limitaciones de velocidad si disminuye la calidad de las vías. Si la calidad de las vías puede medirse según una frecuencia diaria, esto mejoraría también la seguridad del ferrocarril, y disminuyendo el riesgo de descarrilamiento.

En la patente de los EE.UU. número 5579013 (Hershey y otros) se describe un sistema para monitorizar automáticamente una línea de ferrocarril, bien sea para detectar los defectos de las ruedas tales como zonas planas, o para detectar defectos de los raíles tales como la flexión del rail. La instrumentación se instala en un vehículo de ferrocarril incluyendo un instrumento de localización de la posición tal como el sistema GPS, y un sensor de movimiento tal como un acelerómetro montado en el vehículo para generar datos en la dirección vertical con respecto al rail. Los datos del sensor son procesados para determinar el espectro de frecuencias, a partir de las cuales puedan ser identificados dichos defectos. Los datos resultantes pueden ser transmitidos a una estación de control remoto, para el procesamiento subsiguiente. La información puede ser obtenida por tanto sobre los defectos que cambian el espectro de frecuencias, aunque no sobre las secciones de vías que estén libres de tales defectos. Un sistema para monitorizar una vía de ferrocarril para evaluar la necesidad de mantenimiento, y la seguridad de los trenes, es el descrito en el documento FR-2602479 (Magyar Allamvasutak), utilizando acelerómetros montados en el chasis del vehículo, y transductores de desplazamiento para medir la separación del chasis del eje de la rueda, y transductores de fuerzas para medir las fuerzas horizontales y verticales sobre el eje. Los datos de los acelerómetros verticales y los transductores de desplazamiento vertical pueden combinarse para determinar el perfil de la altura longitudinal de cada rail, pero si la vía no es recta, la medida será imprecisa, debido a que el bogie pivotará alrededor de un eje vertical con respecto al vehículo.

De acuerdo con la presente invención, se proporciona un equipo para monitorizar los raíles de las vías del ferrocarril, comprendiendo el equipo una estación base, y un vehículo de servicio que incluye bogies con cambio del ancho de vía, con al menos un equipo de instrumentación instalado en el vehículo de servicio, y medios automáticos para transferir datos desde cada equipo de instrumentación a la estación base remotamente y en intervalos, comprendiendo el conjunto de instrumentación sensores que incluyen al menos un acelerómetro montado en el vehículo de servicio, al menos un instrumento de localización de la posición dispuesto para proporcionar información posicional, y un ordenador configurado para recibir datos de los sensores, para digitalizar los datos del acelerómetro a una frecuencia en el rango de 500 Hz a 3000 Hz, y para procesar y almacenar los datos, en el que se encuentran montados dos acelerómetros verticales en un bogie del vehículo de servicio, uno en cada lado del bogie, por encima de un equipo de cambio del ancho de vía, comprendiendo también el equipo dos transductores de desplazamiento dispuestos para monitorizar la distancia entre el bogie y el equipo de cambio del ancho de vía, y para proporcionar señales de los datos al ordenador, y estando configurado el ordenador para procesar los datos digitalizados de los acelerómetros, correspondientes a la doble integración, y por tanto de los datos de los transductores de desplazamiento para determinar los desplazamientos lineales verticales de los raíles en posiciones separadas regularmente a lo largo de la vía.

En esta memoria técnica, el término "vertical" se refiere a la dirección perpendicular a la de la curva suave seguida por el rail.

El equipo de instrumentación es suficientemente pequeño, por lo que puede ser instalado en un vehículo de servicio, por ejemplo en un vagón de pasajeros, sin provocar molestias a los pasajeros o al personal. Sus operaciones son totalmente automáticas, de forma que no se precisa de personal para monitorizarlo. Consecuentemente, el equipo permite que la vía a lo largo de la cual viaja el vehículo de servicio sea monitorizada en cada viaje, de forma que la vía pueda ser monitorizada varias veces al día. Debido a que se instala en un vehículo de servicio, no se incurre en costos operativos de vehículos adicionales al ejecutar la monitorización de la vía.

El instrumento de localización de la posición podría utilizar el sistema GPS. Puede obtenerse una información más precisa de la posición utilizando el sistema GPS diferencial, o mediante la detección de la localización de objetos en posiciones conocidas a lo largo o adyacentes a la vía tales como los puntos de cambio o cruces, imanes APC (control de alimentación automática), o imanes AWS (sistema de vigilancia automática). Pueden utilizarse también los métodos de estimación, incluyendo los sistemas de guiado inercial, y la medida de distancias desde posiciones conocidas.

Las señales de los acelerómetros verticales y de los transductores de desplazamiento en cada lado del bogie permiten que puedan detectarse y medirse las ondulaciones de la parte superior de cada rail, es decir, el perfil de la superficie superior del rail a lo largo de su longitud. El ordenador puede recibir también datos de otros sensores, en particular de una señal que indique la velocidad del vehículo; dicha señal se genera típicamente por el sistema de protección del deslizamiento de las ruedas del vehículo, o puede ser generada por un sensor de velocidad que forme parte del equipo de instrumentación. Pueden proporcionarse también sensores para monitorizar la posición lateral de los raíles, y de la calidad de rodamiento del vehículo.

Se describirá a continuación la invención particularmente con más detalle, a modo solamente de ejemplo, y con referencia a los dibujos adjuntos, en los que:

la figura 1 muestra una vista lateral, parcialmente esquemática, de un vehículo que incorpora un sistema de monitorización de la vía;

la figura 2 muestra gráficamente los desplazamientos verticales a lo largo de la longitud de un rail, según se mide utilizando el sistema de monitorización mostrado en la figura 1; y

la figura 3 muestra gráficamente los valores medidos de los desplazamientos verticales a través de una longitud más larga de la vía, después del procesamiento estadístico.

Con referencia a la figura 1, el sistema de monitorización de vías 10 incluye un ordenador 12 de la estación base conectado a una antena 13 y a una pantalla de visualización 14. El sistema 10 incorpora también los equipos de instrumentación 16 (solo se muestra uno), los cuales están instalados en los vehículos de servicio, típicamente no más de un mencionado equipo de instrumentación 16 en cualquier tren. La figura muestra una vista lateral, parcialmente esquemática, de las partes de un vehículo 18 que comprende un bastidor 20 soportado sobre los resortes 22 en un bogie 24. El bogie 24 incluye un bastidor 26 y dos conjuntos de cambio de ancho de vía (solo se muestra uno), en el que cada conjunto de cambio de ancho de vía 28 está conectado mediante resortes al bastidor 26, y cada extremo de cada conjunto de cambio de ancho de vía 28 está soportado en una caja de ejes 30 que permite el movimiento vertical con respecto al bastidor 26. Cada conjunto de cambio de ancho de vía 28 comprende un eje 31 y dos ruedas 32 que descansan sobre los raíles 33 de la vía.

El equipo de instrumentación 16 incluye los acelerómetros verticales 35 y los transductores de desplazamiento lineal 36 en cada lado del bogie 24. Cada acelerómetro 35 está fijado al bastidor 26, directamente sobre la caja de ejes 30, y cada transductor de desplazamiento lineal 36 está conectado entre el bastidor 26 y un rodamiento 37 en el extremo del eje 31, a fin de medir cualquier desplazamiento vertical de la rueda 32 con respecto al bastidor 26. Las señales de los acelerómetros 35 y transductores 36 son suministradas a un ordenador 40 dentro del bastidor 40. Un tacómetro 42 en el bogie 24 mide la velocidad de rotación de la rueda 32, y suministra señales eléctricas al ordenador 40. Un receptor GPS 44 suministra también señales al ordenador 40. El ordenador 40 podría situarse, por ejemplo, debajo de un asiento de pasajero en el vehículo.

Dentro del ordenador 40 las señales analógicas de los acelerómetros 35 y de los transductores 36 son digitalizadas a 1 Hz. Los datos digitales resultantes de cada acelerómetro 35 son procesados (correspondiente a la doble integración) a fin de determinar los desplazamientos verticales del bastidor 26. Así pues, los desplazamientos correspondientes de la superficie superior del rail 33 pueden ser calculados, cuando se conoce el desplazamiento de la rueda 28 con respecto al bastidor 26. Conociendo la velocidad del vehículo 18 a partir del tacómetro, el ordenador 40 calcula los valores de este desplazamiento vertical y cada octava parte de metro a lo largo del rail. El procesamiento de la señal filtra también cualesquiera ondulaciones de las longitudes superiores de onda, por ejemplo todas las ondulaciones de la longitud de onda superiores a 35 m. Por tanto, los valores de y representan el desplazamiento local de la superficie superior del raíl 33 respecto de una curva uniforme. (Deberá observarse que el término "vertical" en esta descripción, se refiere a una dirección perpendicular a la de la curva uniforme seguida por el rail; dicha curva uniforme podría encontrarse mediante el filtrado de todas las ondulaciones pequeñas de longitud de onda correspondientes a longitudes de onda inferiores a un umbral, y dicho umbral se fijaría usualmente a un valor inferior a 100 metros).

Con referencia ahora a la figura 2, se muestra gráficamente un conjunto de medidas de desplazamiento vertical y de un rail 33 a través de una distancia de 100 metros, tal como se obtienen con el sistema 10. Estas medidas son virtualmente idénticas a las obtenidas con un dispositivo de medida de vías de tipo estándar. Se observará que a lo largo de esta sección de vía, el rail 33 está típicamente dentro de 10 mm de la curva uniforme, pero en un punto el valor de y excede de 20 mm. Con una vía de excelente calidad, esta información detallada no sería almacenada, pero el ordenador 40 está configurado para almacenar la información detallada a través de una distancia tal como 100 m si el valor de y excede a un valor de umbral, tal como tuvo lugar en este caso.

Los valores del desplazamiento vertical y son procesados adicionalmente en forma usual, mediante la determinación del valor de la raíz cuadrática media de y (es decir y') a través de la distancia fijada, por ejemplo, a través de una longitud de un octavo de milla (es decir, un estadio o la octava parte de una milla; aproximadamente 201 metros). Estos valores de y' pueden ser utilizados como una indicación de la uniformidad de dicha longitud del raíl 33. El ordenador 40 almacena entonces en su memoria los valores de y', según se calculan para cada longitud del rail 33. A intervalos, el ordenador 40 transmite todos los datos almacenados a través de una antena 46 a la estación base 12. Esto puede ser en respuesta a una señal procedente de la estación base 12, y por ejemplo puede efectuarse una vez al día. Los datos almacenados y transmitidos son etiquetados preferiblemente con información posicional obtenida del receptor GPS 44. Los valores de y' pueden ser visualizados para cada sección de la vía a lo largo de la cual se haya desplazado el vehículo. Con referencia ahora a la figura 3, ésta muestra gráficamente las medidas de los desplazamientos verticales de los valores de la raíz cuadrática media, y', para sucesivos recorridos de los estadios de una línea del ferrocarril, a través de una distancia de casi 8 millas (los valores de cero en el inicio del gráfico son un artefacto que surge del método de cálculo).

Para comprobar la precisión del sistema 10, se ha llevado a cabo una serie de ocho pruebas de funcionamiento a través de una sección de vía, para comparar los resultados obtenidos según lo anteriormente descrito con los resultados obtenidos utilizando un sistema de registro convencional de vía de tipo analógico. Para cada sistema, los valores de la raíz cuadrática media, y', fueron promediados a través de una distancia de 27 estadios para proporcionar un promedio del funcionamiento. Los promedios de funcionamiento para los dos sistemas fueron entonces comparados para cada ejecución de las pruebas. La diferencia máxima entre las medidas obtenidas con los dos sistemas fue del 3 por ciento, mientras que el promedio (a través de todas las pruebas ejecutadas) de las diferencias entre los promedios de funcionamiento fue solo del 1,2 por ciento. Esto confirma que las medidas efectuadas con el sistema 10 eran precisas.

Tal como se ha descrito anteriormente, el sistema 10 obtiene información sobre el perfil longitudinal de un rail 33. Dicha información puede ser procesada también en forma diferente, por ejemplo mediante el filtrado de las longitudes de onda superiores a 70 metros. Se comprenderá que el sistema 10 obtiene simultáneamente información sobre el perfil longitudinal del otro rail, a partir del acelerómetro 35 y del transductor de desplazamiento 36 montado en el otro lado del bogie 24. La información puede ser también procesada para detectar si están presentes longitudes de onda en el perfil longitudinal de cada rail 33, las cuales son la causa probable de que los vehículos resuenen verticalmente, siendo conocidas dichas longitudes de onda como nivel superior cíclico. El sistema 10 obtiene también información sobre el giro de la vía, a partir de las diferencias entre las medidas del desplazamiento vertical y para el rail izquierdo y derecho 33, en comparación a través de una distancia prefijada, por ejemplo de 3 metros. La señal del giro resultante proporciona una indicación de cualesquiera irregularidades en el giro y por tanto indica cualesquiera fallos de giro.

Por tanto, el sistema 10 permite que la geometría de la vía pueda ser registrada frecuentemente, y permitiendo que sea monitorizada cualquier deterioro de la calidad de la vía. Esto permite que el mantenimiento sea planificado en forma económica, pudiendo esperar un mejor mantenimiento que conduzca a una calidad mejorada de la vía y a unas valoraciones más duraderas. Puede observarse que la calidad de la vía es también beneficiosa para los operadores de trenes, ya que influye en el confort de rodamiento experimentado por los pasajeros o por las mercancías, y porque una calidad deficiente de la vía origina que se produzcan fuerzas dinámicas que provocan esfuerzos en los vehículos, que pueden conducir algunas veces a fallos en los componentes.

Se observará que el sistema 10 podría diferir del descrito anteriormente, y en particular podría medir también otros parámetros concernientes a la calidad de la vía. Por ejemplo, podría incluir sensores ópticos para detectar cualesquiera desplazamientos laterales de los raíles. Dichos detectores permitirían también la monitorización de las dimensiones de las vías. Otros sensores montados en el bogie 24 podrían medir el peralte, curvatura o gradiente. Pueden existir también acelerómetros verticales y horizontales provistos en el bastidor 20, cuyas señales se suministran al ordenador 40, para obtener información de la calidad de la rodadura. Adicionalmente, el ordenador 40 podría estar montado en el lado inferior del bastidor 20 en lugar de montarlo dentro del mismo. Se observará también que las señales podrían ser procesadas en forma diferente, por ejemplo siendo digitalizadas a una frecuencia distinta, preferiblemente en el rango de 500 Hz a 3000 Hz, por ejemplo a 2 KHz. Se observará también que el equipo de instrumentación puede ser instalado en cualquier tipo de vehículo de servicio, incluyendo por ejemplo los vehículos con resortes neumáticos, e incluyendo por ejemplo a los vehículos de mercancías.

Claims (6)

1. Un equipo (10) para monitorizar los raíles de las vías (33) del ferrocarril, comprendiendo el equipo una estación base (12, 13, 14), y un vehículo de servicio (18) que incluye bogies con cambio del ancho de vía, con al menos un equipo de instrumentación (16) instalado en el vehículo de servicio (18), y medios automáticos (46) para transferir datos desde cada equipo de instrumentación (16) a la estación base (13) remotamente y en intervalos, comprendiendo el conjunto de instrumentación (16) sensores que incluyen al menos un acelerómetro (35), al menos un instrumento de localización de la posición (44) dispuesto para proporcionar información posicional, y un ordenador configurado para recibir datos de los sensores, para digitalizar los datos del acelerómetro a una frecuencia en el rango de 500 Hz a 3000 Hz, y para procesar y almacenar los datos, caracterizado porque se encuentran montados dos acelerómetros verticales (35) en un bogie (24) del vehículo de servicio (18), uno en cada lado del bogie, por encima de un equipo de cambio del ancho de vía (38, 31), comprendiendo también el equipo dos transductores de desplazamiento (36), uno en cada lado del bogie (24), dispuestos para monitorizar la distancia entre el bogie (24) y el equipo de cambio del ancho de vía (28, 31), y para proporcionar señales de los datos al ordenador (40), y estando configurado el ordenador (40) para procesar los datos digitalizados de los acelerómetros, correspondientes a la doble integración, y por tanto de los datos de los transductores de desplazamiento (36) para determinar los desplazamientos lineales verticales de los raíles en posiciones separadas regularmente a lo largo de la vía.

2. El equipo según la reivindicación 1, en el que el ordenador (40) está configurado para procesar los datos, con el fin de filtrar cualesquiera ondulaciones de longitudes de onda mayores.

3. El equipo según la reivindicación 1 ó 2 en el que el instrumento de localización de la posición utiliza el sistema GPS (44).

4. El equipo según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, incluyendo también un sensor (42) para medir la velocidad del vehículo (18).

5. El equipo según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, incluyendo también un sensor para monitorizar la posición lateral de los raíles.

6. El equipo según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el ordenador está configurado para digitalizar los datos del mencionado acelerómetro a una frecuencia de 1000 Hz.