Czasopisma
Czasopisma
Czasopisma
ATEST - OCHRONA PRACY
ATEST - OCHRONA PRACY
AURA
AURA
AUTO MOTO SERWIS
AUTO MOTO SERWIS
CHEMIK
CHEMIK
CHŁODNICTWO
CHŁODNICTWO
CIEPŁOWNICTWO, OGRZEWNICTWO, WENTYLACJA
CIEPŁOWNICTWO, OGRZEWNICTWO, WENTYLACJA
DOZÓR TECHNICZNY
DOZÓR TECHNICZNY
ELEKTROINSTALATOR
ELEKTROINSTALATOR
ELEKTRONIKA - KONSTRUKCJE, TECHNOLOGIE, ZASTOSOWANIA
ELEKTRONIKA - KONSTRUKCJE, TECHNOLOGIE, ZASTOSOWANIA
Czasopisma
Czasopisma
Czasopisma
GAZETA CUKROWNICZA
GAZETA CUKROWNICZA
GAZ, WODA I TECHNIKA SANITARNA
GAZ, WODA I TECHNIKA SANITARNA
GOSPODARKA MIĘSNA
GOSPODARKA MIĘSNA
GOSPODARKA WODNA
GOSPODARKA WODNA
HUTNIK - WIADOMOŚCI HUTNICZE
HUTNIK - WIADOMOŚCI HUTNICZE
INŻYNIERIA MATERIAŁOWA
INŻYNIERIA MATERIAŁOWA
MASZYNY, TECHNOLOGIE, MATERIAŁY - TECHNIKA ZAGRANICZNA
MASZYNY, TECHNOLOGIE, MATERIAŁY - TECHNIKA ZAGRANICZNA
MATERIAŁY BUDOWLANE
MATERIAŁY BUDOWLANE
OCHRONA PRZECIWPOŻAROWA
OCHRONA PRZECIWPOŻAROWA
OCHRONA PRZED KOROZJĄ
OCHRONA PRZED KOROZJĄ
Czasopisma
Czasopisma
Czasopisma
ODZIEŻ
ODZIEŻ
OPAKOWANIE
OPAKOWANIE
PACKAGING REVIEW
PACKAGING REVIEW
POLISH TECHNICAL REVIEW
POLISH TECHNICAL REVIEW
PROBLEMY JAKOŚCI
PROBLEMY JAKOŚCI
PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY
PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY
PRZEGLĄD GASTRONOMICZNY
PRZEGLĄD GASTRONOMICZNY
PRZEGLĄD GEODEZYJNY
PRZEGLĄD GEODEZYJNY
PRZEGLĄD MECHANICZNY
PRZEGLĄD MECHANICZNY
PRZEGLĄD PAPIERNICZY
PRZEGLĄD PAPIERNICZY
Czasopisma
Czasopisma
Czasopisma
PRZEGLĄD PIEKARSKI I CUKIERNICZY
PRZEGLĄD PIEKARSKI I CUKIERNICZY
PRZEGLĄD TECHNICZNY. GAZETA INŻYNIERSKA
PRZEGLĄD TECHNICZNY. GAZETA INŻYNIERSKA
PRZEGLĄD TELEKOMUNIKACYJNY - WIADOMOŚCI TELEKOMUNIKACYJNE
PRZEGLĄD TELEKOMUNIKACYJNY - WIADOMOŚCI TELEKOMUNIKACYJNE
PRZEGLĄD WŁÓKIENNICZY - WŁÓKNO, ODZIEŻ, SKÓRA
PRZEGLĄD WŁÓKIENNICZY - WŁÓKNO, ODZIEŻ, SKÓRA
PRZEGLĄD ZBOŻOWO-MŁYNARSKI
PRZEGLĄD ZBOŻOWO-MŁYNARSKI
PRZEMYSŁ CHEMICZNY
PRZEMYSŁ CHEMICZNY
PRZEMYSŁ FERMENTACYJNY I OWOCOWO-WARZYWNY
PRZEMYSŁ FERMENTACYJNY I OWOCOWO-WARZYWNY
PRZEMYSŁ SPOŻYWCZY
PRZEMYSŁ SPOŻYWCZY
RUDY I METALE NIEŻELAZNE
RUDY I METALE NIEŻELAZNE
SZKŁO I CERAMIKA
SZKŁO I CERAMIKA
TECHNOLOGIA I AUTOMATYZACJA MONTAŻU
TECHNOLOGIA I AUTOMATYZACJA MONTAŻU
WIADOMOŚCI ELEKTROTECHNICZNE
WIADOMOŚCI ELEKTROTECHNICZNE
WOKÓŁ PŁYTEK CERAMICZNYCH
WOKÓŁ PŁYTEK CERAMICZNYCH
Menu
Menu
Menu
Prenumerata
Prenumerata
Publikacje
Publikacje
Drukarnia
Drukarnia
Kolportaż
Kolportaż
Reklama
Reklama
O nas
O nas
ui-button
Twój Koszyk
Twój koszyk jest pusty.
Niezalogowany
Niezalogowany
Zaloguj się
Zarejestruj się
Reset hasła
Czasopismo
|
POLISH TECHNICAL REVIEW
|
Rocznik 2024 - zeszyt 4
ENERGY-EFFICIENT DETECTION OF RAILWAY WHEEL DEFECTS USING HILBERT TRANSFORM-BASED VIBRATION ANALYSIS AND HISTOGRAM CLUSTERING
ENERGOOSZCZĘDNE WYKRYWANIE USZKODZEŃ KÓŁ KOLEJOWYCH PRZY UŻYCIU ANALIZY DRGAŃ OPARTEJ NA TRANSFORMACIE HILBERTA I KLASTERYZACJI HISTOGRAMÓW
10.15199/180.2024.4.6
Jakub DZIEDZIC
Rafał MELNIK
nr katalogowy: 152249
10.15199/180.2024.4.6
Streszczenie
Zapewnienie bezpieczeństwa i niezawodności systemów transportu kolejowego w dużym stopniu zależy od wczesnego wykrywania i monitorowania usterek zestawów kołowych. Jeśli nie zostaną sprawdzone, niedoskonałości, takie jak płaskie miejsca na kołach, mogą zwiększyć poziom drgań, przyspieszyć zmęczenie podzespołów i doprowadzić do poważnych incydentów bezpieczeństwa. Tradycyjne podejścia do diagnozowania stanu kół często opierają się na ręcznych inspekcjach lub sprzęcie wymagającym dużych zasobów, co może być trudne do wdrożenia w dużych flotach lub sieciach zdalnych. Artykuł prezentuje energooszczędną metodę wykrywania defektów kół kolejowych przy użyciu analizy wibracji. Wykorzystano transformację Hilberta do przetwarzania sygnałów oraz klasteryzację histogramową w celu identyfikacji nieprawidłowości. Rozwiązanie to jest bardziej efektywne energetycznie i precyzyjne w porównaniu z tradycyjnymi metodami. Skupiono się na analizie drgań jako wskaźnika stanu technicznego kół, co ma istotne znaczenie dla bezpieczeństwa i utrzymania infrastruktury kolejowej. Wyniki pokazują, że poprzez skupienie się na konkretach i wykorzystanie prostych, ale skutecznych analiz statystycznych, system może niezawodnie odróżniać sprawne koła od wadliwych. Przyczynia się to do opłacalnych strategii konserwacji, skraca przestoje i zwiększa bezpieczeństwo kolei. Na koniec omawiamy przyszłe ulepszenia, w tym integrację z ramami konserwacji predykcyjnej, adaptacyjne techniki progowe i potencjalne włączenie bardziej zaawansowanych metod przetwarzania, jeśli pozwolą na to budżety energetyczne.
Abstract
Ensuring the safety and reliability of railway transport systems depends heavily on the early detection and monitoring of wheelset defects. If left unchecked, imperfections such as flat spots on wheels can increase vibration levels, accelerate component fatigue, and lead to serious safety incidents Traditional approaches to diagnosing wheel condition often depend on manual inspections or resource-intensive equipment, which can be challenging to deploy across large fleets or remote networks. This paper presents an energy-efficient, computationally lean method for detecting characteristic vibration patterns associated with common wheelset defects. The proposed approach employs the Hilbert transform to extract specific dynamic responses in time domain of vibration signals of vibration signals and then utilizes histogram-based clustering to identify deviations in peak distribution that indicate mechanical defects. Unlike more complex machine learning approaches that demand significant power and computational resources, our method is designed to operate autonomously on low-power, self-contained devices with limited external support. It achieves robust performance in a vehicle speed range of 10–40 km/h and track conditions, detecting subtle anomalies after accumulating modest amounts of data from short measurement windows. The results show that by focusing on the specific and exploiting simple but effective statistical analyses, the system can reliably differentiate healthy from defective wheels. This contributes to cost-effective maintenance strategies, reduces downtime, and enhances railway safety. Finally, we discuss future improvements, including integration with predictive maintenance frameworks, adaptive thresholding techniques, and potentially incorporating more advanced processing methods if energy budgets allow.
Słowa kluczowe
wykrywanie defektów kół kolejowych
transformata Hilberta
analiza wibracji
Keywords
railway wheel defect detection
Hilbert transform
vibration analysis
Bibliografia
[1] Gutierrez-Carvajal R. E., Betancur G. R., Barbosa J., et al. Full scale fatigue test performer to the bolster beam of a railway vehicle. International Journal of Interactive Design and Manufacturing – IJIDEM, Vol. 12, Issue 1, 2018; p. 253–261. [2] Duer S., Scaticailov S., Paś J., Duer R., Bernatowicz D. Taking decisions in the diagnostic intelligent systems based on information from an artificial neural network, 22nd International Conference on Innovative Manufacturing Engineering and Energy MATEC Web of Conferences 2018; (178): 1–6. [3] Ortiz J. O., Betancur G. R., Gomez J., et al. Detection of structural damage and estimation of reliability using a multidimensional monitoring approach. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers Part F – Journal of Rail and Rapid Transit, Vol. 232, Issue 4, 2018; p. 1021–1032. [4] Dziula P., Paś J. Low Frequency Electromagnetic Interferences Impact on Transport Security Systems Used in Wide Transport Areas, TransNav the International Journal on Marine Navigation and Safety of Sea Transportation 2018; 12(2): 251–258. [5] Staśkiewicz T, Firlik B, Kominowski J. Out-of-round tram wheels – Multibody simulation study based on measured wheel rim geometry. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part F: Journal of Rail and Rapid Transit. 2022;236(1):122-133. doi:10.1177/0954409721994036 [6] Krzykowski M., Paś J., Rosiński A. Assessment of the level of reliability of power supplies of the objects of critical infrastructure, IOP Conf. Series Earth and Environmental Science 2019; 1–9. [7] Stawowy M. Model for information quality determination of teleinformation systems of transport, In: Proceedings of the European Safety and Reliability Conference ESREL 2014 CRC Press/Balkema; 2015; 1909–1914. [8] Bargmann, V. (1947). Irreducible unitary representations of the Lorentz group. Annals of Mathematics, 48(3), 568-640. p. 13–22. [9] Konieczny Ł., Warczek J., Młynczak J., Zawisza M. Free vibration method for technical condition assessment of automotive shock absorbers. Diagnostyka, Vol. 18, 2017; p. 47–53. [10] Zima B., Rucka M. Elastic wave propagation in diagnostics of self-drilling system of grouted anchors. Diagnostyka, Vol. 18, 2017; p. 31–36. [11] European Directive 2002/44/EC on the Minimum Health and Safety Requirements Regarding the Exposure of Workers to the Risks Arising from Physical Agents (vibration). European Commission, 2002. [12] Klimczak T., Paś J. Selected issues of the reliability and operational assessment of a fire alarm system, Eksploatacja i Niezawodnosc – Maintenance and Reliability, Vol. 21, No. 4, 2019; p. 553–561. [13] Bezin Y., Iwnicki S. D., Cavallett M. The effect of dynamic rail roll on the wheel-rail contact conditions. Vehicle System Dynamics, Vol. 46, Issue 1, 2008; p. 107–117. [14] Burdzik R., Konieczny Ł., Warczek J., Cioch W. Adapted linear decimation procedures for TFR analysis of non-stationary vibration signals of vehicle suspensions. Mechanics Research Communications, Vol. 82, 2017; p. 29–35. [15] Ziqiang X., Shihuib L., Xiaoqing D., Weihua M. Study on longitudinal vibration of wheel/rail contact and its implications for wheel polygonization. Journal of Advances in Vehicle Engineering, Vol. 3, Issue 1, 2017; p. 22–28. [16] Johansson A., Andersson C. Out-of-round railway wheels – a study of wheel polygonalization through simulation of three-dimensional wheel-rail interaction and wear. Vehicle System Dynamics, Vol. 43, Issue 8, 2005; p. 539–559. [17] Burdzik R. Novel method for research on exposure to nonlinear vibration transferred by suspension of vehicle. International Journal of Nonlinear Mechanics, Vol. 91, 2017; p. 170–180. [18] Yang Y.-b., Hung H.-h. Wave Propagation for Train-Induced Vibrations: a Finite/Infinite Element Approach. World Scientific, 2009; p. 492. [19] Auersch L. Theoretical and experimental excitation force spectra for railway induced ground vibration: vehicle-tracksoil interaction, irregularities and soil measurements. Vehicle System Dynamics, Vol. 48, 2010; p. 235–261. [20] Melnik R, Koziak S, Dižo J, Kuźmierowski T, Piotrowska E, Feasibility study of a rail vehicle damper fault detection by artificial neural networks. Eksploatacja i Niezawodnosc – Maintenance and Reliability 2023: 25(1) http://doi. org/10.17531/ein.2023.1.5 [21] Paś J., Rosiński A. Selected issues regarding the reliabilityoperational assessment of electronic transport systems with regard to electromagnetic interference, Eksploatacja i Niezawodnosc – Maintenance and Reliability, Vol.19, No. 3, 2017; pp. 375–381. [22] Babishin V., Taghipour S. An algorithm for estimating the effect of maintenance on aggregated covariates with application to railway switch point machines. Eksploatacja i Niezawodnosc – Maintenance and Reliability, 21(4), 2019; p. 619–630. [23] Hu Y., Wang S., Ai X. Research of the Vibration Source Tracking in Phase-Sensitive Optical Time-Domain Reflectometry Signals Based on Image Processing Method. Algorithms, 11(8), 2018; p. 1–16. [24] Konowrocki R., Chojnacki A. Analysis of rail vehicles’ operational reliability in the aspect of safety against derailment based on various methods of determining the assessment criterion. Eksploatacja i Niezawodnosc – Maintenance and Reliability, 22(1), 2020; p. 73–85. [25] Feldman M. Hilbert transform in vibration analysis. Mechanical Systems and Signal Processing, 25, 2011; p. 735–802. [26] Feldman M. Time-varying vibration decomposition and analysis based on the Hilbert transform. Journal of Sound and Vibration, 295, 2006; p. 518–530. [27] Feldman M. Hilbert Transform Applications in Mechanical Vibration. Wiley, 2011. [28] Gawędzki W. Modelowanie obrazów modułów krótkookresowej transformaty Fouriera sygnałów odkształceń i drgań rurociągu oraz podłoża funkcją Gaussa. Pomiary, Automatyka, Kontrola, 59(4), 2013; p. 308–311. [29] Feldman M. Hilbert transform in vibration analysis (review). Mechanical Systems and Signal Processing, 25, 2011; p. 735–802. [30] Morhain A., Mba D. Bearing defect diagnosis and acoustic emission. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part J: Journal of Engineering Tribology, 217(4), 2003; p. 257–272.
Open Access
Zeszyt
2024-4
Czasopisma
ATEST - OCHRONA PRACY
AURA
AUTO MOTO SERWIS
CHEMIK
CHŁODNICTWO
CIEPŁOWNICTWO, OGRZEWNICTWO, WENTYLACJA
DOZÓR TECHNICZNY
ELEKTROINSTALATOR
ELEKTRONIKA - KONSTRUKCJE, TECHNOLOGIE, ZASTOSOWANIA
GAZETA CUKROWNICZA
GAZ, WODA I TECHNIKA SANITARNA
GOSPODARKA MIĘSNA
GOSPODARKA WODNA
HUTNIK - WIADOMOŚCI HUTNICZE
INŻYNIERIA MATERIAŁOWA
MASZYNY, TECHNOLOGIE, MATERIAŁY - TECHNIKA ZAGRANICZNA
MATERIAŁY BUDOWLANE
OCHRONA PRZECIWPOŻAROWA
OCHRONA PRZED KOROZJĄ
ODZIEŻ
OPAKOWANIE
PACKAGING REVIEW
POLISH TECHNICAL REVIEW
PROBLEMY JAKOŚCI
PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY
PRZEGLĄD GASTRONOMICZNY
PRZEGLĄD GEODEZYJNY
PRZEGLĄD MECHANICZNY
PRZEGLĄD PAPIERNICZY
PRZEGLĄD PIEKARSKI I CUKIERNICZY
PRZEGLĄD TECHNICZNY. GAZETA INŻYNIERSKA
PRZEGLĄD TELEKOMUNIKACYJNY - WIADOMOŚCI TELEKOMUNIKACYJNE
PRZEGLĄD WŁÓKIENNICZY - WŁÓKNO, ODZIEŻ, SKÓRA
PRZEGLĄD ZBOŻOWO-MŁYNARSKI
PRZEMYSŁ CHEMICZNY
PRZEMYSŁ FERMENTACYJNY I OWOCOWO-WARZYWNY
PRZEMYSŁ SPOŻYWCZY
RUDY I METALE NIEŻELAZNE
SZKŁO I CERAMIKA
TECHNOLOGIA I AUTOMATYZACJA MONTAŻU
WIADOMOŚCI ELEKTROTECHNICZNE
WOKÓŁ PŁYTEK CERAMICZNYCH