Use of piezoelectric foils as tools for structural health monitoring of freight cars during exploitation

• Autorzy: Płaczek M. , Buchacz A. , Wróbel A.

Warianty tytułu

PL

Użycie folii piezoelektrycznych jako narzędzi do monitorowania stanu technicznego wagonu towarowego w trakcie eksploatacji

• Języki publikacji: EN PL

Abstrakty

EN

Work presents a task of piezoelectric foils application for structural health monitoring of freight cars during their exploitation. Results of laboratory tests conducted on a created in scale laboratory model of the freight car are presented. The possibility of inferred from the dynamic response of the model about the changes in its technical condition was verified. During the first test the model was treated as a half-determined system. In order to excite vibrations a pendulum was used. Measurements were carried out using accelerometers. During the next stage of carried out tests the dynamical response of the model was measured while the object was driving. In order to measure vibrations of the system a Macro Fiber Composite (MFC) piezoelectric foil was used. It was glued on the surface of the model. A series of tests of the model with and without load, as well as with an obstacle on the rail track was carried out. Measured signals were juxtaposed on charts and analysed.

PL

W pracy przedstawiono zagadnienia dotyczące zastosowania folii piezoelektrycznych do monitorowania stanu technicznego wagonów towarowych w trakcie ich eksploatacji. Przedstawiono wyniki badań laboratoryjnych prowadzonych na utworzonym w skali modelu węglarki. Określono możliwość wykrycia zmian stanu technicznego wagonu na podstawie analizy jego odpowiedzi dynamicznej. W pierwszym etapie badań obiekt traktowano jako półokreślony, w celu wymuszenia drgań stosowano wahadło. Pomiar odpowiedzi dynamicznej układu w poszczególnych punktach pomiarowych przeprowadzono z użyciem akcelerometrów. Kolejnym etapem badań był pomiar odpowiedzi dynamicznej modelu w trakcie jazdy. W celu pomiaru drgań konstrukcji nośnej modelu zastosowano przetwornik piezoelektryczny typu Macro Fiber Composite (MFC), który naklejono na powierzchni modelu. Przeprowadzono ciąg badań modelu bez obciążenia oraz z obciążeniem, a także z przeszkodami umieszczonymi na jednej bądź obu szynach. Otrzymane przebiegi zestawiono na wykresach oraz omówiono wyniki badań.

Słowa kluczowe

EN

piezoelectric foils; structural health monitoring; non-destructive testing; freight cars

PL

folie piezoelektryczne; monitorowanie stanu technicznego; badania nieniszczące; wagony

• Wydawca: Polskie Naukowo-Techniczne Towarzystwo Eksploatacyjne
• Czasopismo: Eksploatacja i Niezawodność
• Rocznik: 2015
• Tom: Vol. 17, no. 3
• Strony: 443--449
• Opis fizyczny: Bibliogr. 34 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Płaczek M.

• Institute of Engineering Processes Automation and Integrated Manufacturing Systems Faculty of Mechanical Engineering Silesian University of Technology ul. Konarskiego 18A, 44-100 Gliwice, Poland

autor

Buchacz A.

• Institute of Engineering Processes Automation and Integrated Manufacturing Systems Faculty of Mechanical Engineering Silesian University of Technology ul. Konarskiego 18A, 44-100 Gliwice, Poland

autor

Wróbel A.

• Institute of Engineering Processes Automation and Integrated Manufacturing Systems Faculty of Mechanical Engineering Silesian University of Technology ul. Konarskiego 18A, 44-100 Gliwice, Poland

Bibliografia

• 1. Baier A. et al: Experimental synthesis and analysis of geometric and structural properties of chosen elements of railway wagons, Silesian University of Technology Publishing House, 2012, Gliwice.
• 2. Baier A, Zolkiewski S.: Initial research of epoxy and polyester warp laminates testing on abrasive wear used in car sheathing, Eksploatacja i Niezawodnosc - Maintenance and Reliability 2013; 15 (1): 37-43.
• 3. Białas K.: Mechanical and electrical elements in reduction of vibrations. Journal of Vibroengineering 2012; 14(1): 123-128.
• 4. Bruni S., Vinolas J., Berg M., Polach O., Stichel S.: Modelling of suspension components in a rail vehicle dynamics context. Vehicle System Dynamics 2011; 49 (7): 1021-1072, http://dx.doi.org/10.1080/00423114.2011.586430.
• 5. Buchacz A., Płaczek M.: The analysis of a composite beam with piezoelectric actuator based on the approximate method. Journal of Vibroengineering 2012; 14 (1): 111-116.
• 6. Buchacz A., Galeziowski D.: Synthesis as a designing of mechatronic vibrating mixed systems. Journal of Vibroengineering 2012; 14 (2):553-559.
• 7. Buchacz A., Płaczek M., Wróbel A.: Control of characteristics of mechatronic systems using piezoelectric materials. Journal of Theoreticaland Applied Mechanics 2013; 51: 225-234.
• 8. Buchacz A., Płaczek M., Wróbel A.: Modelling and analysis of systems with cylindrical piezoelectric transducers. Mechanika, 2014; 20(1):87-91, http://dx.doi.org/10.5755/j01.mech.20.1.6597.
• 9. Buchacz A, Płaczek M, Wróbel A.: Modelling of passive vibration damping using piezoelectric transducers - the mathematical model.Eksploatacja i Niezawodnosc - Maintenance and Reliability 2014; 16 (2): 301-306.
• 11. Connolly D. P., Kouroussis G., Giannopoulos A., Verlinden O., Woodward. K., Forde M. C.: Assessment of railway vibrations using an efficient scoping model. Soil Dynamics and Earthquake Engineering 2014; 58: 37-47, http://dx.doi.org/10.1016/j.soildyn.2013.12.003.
• 12. Dymarek A., Dzitkowski T.: Modelling and synthesis of discrete - continuous subsystems of machines with damping. Journal of Materials Processing Technology 2005; 164-165: 1317-1326, http://dx.doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2005.02.190.
• 13. Dymarek A., Dzitkowski T.: Searching for the values of damping elements with required frequency spectrum. Acta Mechanica et Automatica 2010; 4: 19-22.
• 14. Grebowski K., Zielińska M.: Modelowanie oddziaływań dynamicznych pociągu typu Pendolino na konstrukcje zabytkowych mostów kolejowych w Polsce. Przegląd Budowlany 2015; 1: 27-32.
• 15. Hecht M.: Wear and energy-saving freight bogie designs with rubber primary springs: principles and experiences. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers Part F: Journal of Rail and Rapid Transit 2009; 223 (2): 105-110, http://dx.doi.org/10.1243/09544097JRRT227.
• 16. Herwig A., Bruhwiler E.: In-situ dynamic behaviour of a railway bridge girder under fatigue causing traffic loading. Proceedings of the 11th International Conference on Applications of Statistics and Probability in Civil Engineering, ICASP11, Zurich, Switzerland, 1-4 August 2011:389-395, http://dx.doi.org/10.1201/b11332-58.
• 17. Iacob-Mare C., Manescu T. S.: Study of the freight wagon body through the method of finite elements. Metalurgia 2013; 65 (7): 13.
• 18. Jamroziak K., Kosobudzki M.: Determining the torsional natural frequency of underframe of off-road vehicle with use of the procedure of operational modal analysis. Journal of Vibroengineering, 2012; 14 (2): 472-476.
• 19. Jamroziak K., Kosobudzki M., Ptak J.: Assessment of the comfort of passenger transport in special purpose vehicles. Eksploatacja i Niezawodnosc - Maintenance and Reliability 2013,15 (1): 25-30.
• 20. Jönsson P. A., Stichel S., Persson I.: New simulation model for freight wagons with UIC link suspension, Vehicle System Dynamics 2008;46: 695-704, http://dx.doi.org/10.1080/00423110802036976.
• 21. Klarecki K., Hetmańczyk M., Rabsztyn D.: Influence of the selected settings of the controller on the behavior of the hydraulic servo drive. Mechatronics - Ideas for Industrial Application. Advances in Intelligent Systems and Computing 2015; 317: 91-100, http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-10990-9_9.
• 22. Kovalev R., Lysikov N., Mikheev G. et al: Freight car models and their computer-aided dynamic analysis. Multibody System Dynamics 2009; 22 (4): 399-423, http://dx.doi.org/10.1007/s11044-009-9170-6.
• 23. Mehrpouya M., Ahmadian H.: Estimation of applied forces on railway vehicle wheelsets from measured vehicle responses. International Journal of Vehicle Structures and Systems 2009; 1(4): 104-110, http://dx.doi.org/10.4273/ijvss.1.4.08.
• 24. Okabe Y., Nakayama F.: Damage Detection in CFRP Laminates by Ultrasonic Wave Propagation Using MFC Actuator and FBG Sensor. Transactions of Space Technology Japan 2009; 7 (26): 7-12, http://dx.doi.org/10.2322/tstj.7.Pc_7.
• 25. Oleszak P., Cieśla J., Szaniec W.: Badanie skutków oddziaływań bocznych na wiadukcie kolejowym leżącym na łuku. Budownictwo i Architektura 2013; 12(2): 47-54.
• 26. Płaczek M.: Dynamic characteristics of a piezoelectric transducer with structural damping, Solid State Phenomena, Mechatronic Systems and Materials IV 2013; 198: 633-638.
• 27. Płaczek M.: Modelling and investigation of a piezo composite actuator application, Int. J. Materials and Product Technology 2015; 50 (3/4):244-258, http://dx.doi.org/10.1504/IJMPT.2015.068532.
• 28. Salamak M., Łaziński P., Pradelok S., Bętkowski P.: Badania odbiorcze mostów kolejowych pod próbnym obciążeniem dynamicznym - wymagania i praktyka. Projektowanie, budowa i utrzymanie infrastruktury w transporcie szynowym. INFRASZYN 2014, Zakopane, 9-11 kwietnia 2014: 218-227.
• 29. Sekuła K., Kołakowski P., Świercz A.: System monitorowania obciążeń oraz stanu technicznego kratownicowych mostów w kolejnictwie. Monitorowanie Stanu Technicznego Konstrukcji i Ocena Jej Żywotności, Seminarium MONIT, Warszawa, 19 listopada 2010: 1-4.
• 30. Stypuła K.: Wybrane problemy ochrony zabudowy powierzchniowej przed drganiami generowanymi przez komunikację podziemną. Górnictwo i Geoinżynieria 2009; 3(1): 351- 362.
• 31. Wróbel A.: Kelvin Voigt's model of single piezoelectric plate. Journal of Vibroengineering 2012; 14 (2): 534-537.
• 32. Wróbel A., Płaczek M., Buchacz A., Majzner M.: Study of mechanical properties and computer simulation of composite materials reinforced by metal, Int. J. Materials and Product Technology 2015; 50 (3/4): 259-275, http://dx.doi.org/10.1504/IJMPT.2015.068533.
• 33. Zolkiewski, S.: Damped Vibrations Problem Of Beams Fixed On The Rotational Disk. International Journal of Bifurcation and Chaos 2011;21 (1): 3033-3041, http://dx.doi.org/10.1142/S0218127411030337.
• 34. http://www.hbm.com/
• 35. http://www.smart-material.com/