Використання інерціальних вимірювальних блоків для оцінювання геометричних параметрів колії

Abstract

UA: У статті наведено результати експериментального дослідження з реєстрації динамічних параметрів руху вантажного вагона для оцінювання геометричного стану залізничної колії. Інерціальні вимірювальні блоки (IMU) встановлювали на буксові вузли колісної пари за допомогою спеціально розроблених кріплень, конструкцію яких попередньо випробувано для забезпечення надійної фіксації та коректної орієнтації датчиків у трьох осях. Дослідна ділянка включала прямі та криві, стрілочні переводи, стики і локальні дефекти, що забезпечило репрезентативність вимірювань. Просторова прив’язка здійснена за допомогою GPS/GNSS пристроїв, а попередня зйомка дослідної ділянки з фіксацією характерних елементів колії забезпечила точну ідентифікацію їхнього положення вздовж маршруту. Отримані результати демонструють виразні сигнатури проходження стиків, стрілочних переводів і нерівностей, а також залежність прискорень від швидкості руху. Отриманий масив даних створює основу для проведення подальшого спектрального та часово-частотного аналізу.

EN: This article presents the development, testing, and practical implementation of an experimental system for collecting inertial data on a freight wagon to assess the geometric condition of railway tracks. Compact inertial measurement units (IMU) were installed directly on the axle-box assemblies of a 18–100 bogie, enabling the registration of dynamic responses of the vehicle to track irregularities under real operating conditions. Unlike traditional Ukrainian diagnostic practices relying solely on specialised track-measurement wagons, the proposed approach allows obtaining primary acceleration signals from standard rolling stock without the need for dedicated measuring equipment. The experiment was carried out on an operational railway section that included straight segments, curves of various radii, turnouts, joints, and areas with local surface defects, ensuring the representativeness of the collected data. To provide accurate spatial reference, the track was geodetically surveyed using a GNSS tracker, with more than 500 control points recorded and subsequently refined in QGIS. During the experimental run, an additional IMU sensor was mounted on the rail joint to capture impact loads and enable simultaneous observation of the track and wheelset responses. Sensor mountings were specially designed and pre-tested on access tracks to ensure stable fixation, resistance to vibration, and correct orientation in real-life conditions. Two positioning devices were applied: the ibag Dakar Pro for geodetic referencing and the Columbus P-1 Mark II for continuous tracking of wagon movement during the experiment. Data collection involved autonomous recording of IMU signals and GNSS coordinates, followed by initial processing that included time synchronisation, data trimming, resampling, and segmentation by track markers. The acquired dataset demonstrates clear acceleration signatures corresponding to rail joints, turnouts, and local surface defects, as well as a consistent relation between peak amplitudes and train speed. These results confirm the feasibility of using axle-box IMU measurements on freight rolling stock as a basis for further development of indirect diagnostic methods. The obtained primary data form a foundation for subsequent detailed analysis of vibrations and for future research aimed at deriving track geometry parameters and identifying early signs of infrastructure degradation.