ES1078585U - Exciter to induce vibrations in railway infrastructure (Machine-translation by Google Translate, not legally binding) - Google Patents

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Abstract

Exciter to induce vibrations in railway infrastructure, characterized by being constituted by counter-rotating masses (1). (Machine-translation by Google Translate, not legally binding)

Description

EXCITADOR PARA INDUCIR VIBRACIONES EN INFRAESTRUCTURA FERROVIARIA EXCITATOR TO INDUCE VIBRATIONS IN INFRASTRUCTURE RAILWAY

OBJETO DE LA INVENCIÓN OBJECT OF THE INVENTION

La presente invención se refiere a un excitador dinámico potente y transportable, montado en un vagón diseñado específicamente a tal uso que, mediante el giro de masas contrarrotantes verticalmente, con radio de giro (brazo) y velocidad variables, posibilite la transmisión de vibraciones de intensidad y frecuencia variables a la infraestructura ferroviaria. The present invention relates to a powerful and transportable dynamic exciter, mounted on a car designed specifically for such use that, by rotating vertically rotating masses with variable turning radius (arm) and speed, allows the transmission of intensity vibrations and variable frequency to the railway infrastructure.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN BACKGROUND OF THE INVENTION

Uno de los factores que más influencia tiene en la respuesta dinámica de los puentes y sobre el que, en cierto modo paradójicamente, más incertidumbres existen, es el amortiguamiento estructural. Los modelos de cálculo dinámico proporcionan previsiones de la respuesta estructural (deformaciones, vibraciones) que dependen fuertemente del valor de amortiguamiento estructural utilizado en el modelo. Modelos complejos de las estructuras, capaces de reproducir su comportamiento tridimensional, producen cálculos en los que influyen un número elevado de modos de vibración, cuya contribución a la respuesta puede ser excesiva si se les asigna una tasa de amortiguamiento demasiado conservadora o del lado de la seguridad. Ésta es una práctica habitual hoy en día por el desconocimiento existente de las tasas de amortiguamiento reales en modos superiores de vibración, y si bien dicha práctica está generalmente aceptada por considerarse que está del lado de la seguridad, no existe una valoración real, estudios fiables, sobre si dicho grado de conservadurismo puede resultar adecuado o (por el contrario) excesivo en cálculos dinámicos de viaductos para velocidades altas (hasta 350 km/h) y muy altas (superiores a 350 km/h). One of the factors that has the most influence on the dynamic response of the bridges and on which, in a certain paradoxically way, more uncertainties exist, is structural damping. Dynamic calculation models provide forecasts of the structural response (deformations, vibrations) that strongly depend on the value of structural damping used in the model. Complex models of the structures, capable of reproducing their three-dimensional behavior, produce calculations that influence a high number of vibration modes, whose contribution to the response may be excessive if they are assigned a damping rate that is too conservative or on the side of the security. This is a common practice today because of the lack of knowledge of the actual damping rates in higher modes of vibration, and although this practice is generally accepted because it is considered to be on the side of safety, there is no real assessment, reliable studies. , on whether this degree of conservatism can be adequate or (on the contrary) excessive in dynamic calculations of viaducts for high speeds (up to 350 km / h) and very high (higher than 350 km / h).

A tal efecto, resulta muy interesante contar con un sistema excitador para inducir vibraciones en los viaductos de intensidad comparable al paso de los trenes, pero que permita realizar el análisis modal experimental con una excitación controlada en diferentes puntos de la estructura. La posibilidad de realizar ensayos múltiples para conocer mejor los mecanismos del amortiguamiento estructural es, por lo tanto, de gran interés e importancia práctica. Un aparato de este tipo sería de gran utilidad para obtener tasas de amortiguamiento de múltiples modos de vibración, a amplitudes similares a las que produce el paso de ferrocarriles. Ello mejoraría los métodos que se utilizan actualmente, los cuales se basan en (1) excitaciones de tipo ambiental (fundamentalmente viento) de muy baja amplitud, por lo que la estructura se deforma muy poco y no se activan todos sus mecanismos de disipación de energía, o (11) vibraciones libres causadas por el paso de ferrocarriles, que son de duración muy breve y normalmente no excitan de igual modo todos los modos de vibración de interés (es incluso habitual tener que complementar el tiempo de muestreo de las vibraciones libres con un intervalo posterior de excitación ambiental para poder así obtener información fiable acerca de los distintos modos de vibración). For this purpose, it is very interesting to have an exciter system to induce vibrations in the viaducts of intensity comparable to the passage of the trains, but that allows to perform the experimental modal analysis with a controlled excitation in different points of the structure. The possibility of carrying out multiple tests to better understand the mechanisms of structural damping is, therefore, of great interest and practical importance. Such an apparatus would be very useful for obtaining damping rates of multiple vibration modes, at amplitudes similar to those produced by the passage of railways. This would improve the methods that are currently used, which are based on (1) environmental excitations (mainly wind) of very low amplitude, so that the structure deforms very little and not all its energy dissipation mechanisms are activated , or (11) free vibrations caused by the passage of railroads, which are of very short duration and normally do not excite in the same way all the vibration modes of interest (it is even usual to have to complement the sampling time of the free vibrations with a later interval of environmental excitation in order to obtain reliable information about the different vibration modes).

La instrucción sobre las inspecciones técnicas en los puentes de ferrocarril (ITPF-05) marca las normas a seguir en las obligatorias pruebas de carga de recepción de obra nueva. En este sentido señala que en todos los puentes se realizarán siempre pruebas de carga que reproduzcan los estados de carga más desfavorables y que éstas serán estáticas y dinámicas a distintas velocidades. De acuerdo con la ITPF-05, las pruebas dinámicas deberían realizarse a velocidades cercanas a la velocidad de resonancia, que sería la situación más desfavorable en cuanto a respuesta dinámica de la estructura. Sin embargo, la máxima velocidad constante que es posible alcanzar teniendo en cuenta las exigencias de seguridad de las pruebas de carga está normalmente entre los 60 y los 100 km/h. Estas velocidades estarán en muchas ocasiones lejos de las velocidades resonantes, que podrían ser cercanas a la velocidad máxima de la línea, que a efectos de comprobación dinámica se toma un veinte por cierto superior a la velocidad de proyecto, y que en las nuevas líneas de alta velocidad puede ser de hasta 420 km/h. Un aparato excitador de este tipo sería de gran utilidad para ser utilizado en pruebas de carga con el objetivo de conseguir una excitación dinámica de una intensidad comparable a la que produce el tren a velocidades resonantes, lo que sería de gran ayuda a la hora de la recepción de la estructura cumpliendo con el espíritu de la normativa, lo cual es tan dificil de conseguir en la actualidad. Del mismo modo sería muy útil en la realización de pruebas de carga en estructuras en servicio, con un doble objetivo: (1) para ampliar el conocimiento del estado de la estructura mediante la evaluación de su respuesta dinámica, bien periódicamente o como consecuencia de inspecciones especiales que así lo aconsejen tras detección de daños en las inspecciones básicas; (I1) en el caso de acondicionamiento de líneas a nuevas condiciones de explotación, tanto en cuanto a las cargas (paso de tráfico exclusivo de pasajeros a tráfico mixto) como en cuanto a velocidades (acondicionamiento para mayores velocidades de explotación). The instruction on technical inspections in railway bridges (ITPF-05) sets the standards to be followed in the mandatory load tests for new construction. In this sense, he points out that all bridges will always carry out load tests that reproduce the most unfavorable load states and that these will be static and dynamic at different speeds. According to ITPF-05, dynamic tests should be performed at speeds close to the resonance speed, which would be the most unfavorable situation in terms of dynamic response of the structure. However, the maximum constant speed that can be achieved taking into account the safety requirements of load tests is normally between 60 and 100 km / h. These speeds will be in many occasions far from the resonant speeds, which could be close to the maximum speed of the line, which for the purpose of dynamic testing takes twenty percent higher than the project speed, and that in the new lines of High speed can be up to 420 km / h. An exciter device of this type would be very useful to be used in load tests in order to achieve a dynamic excitation of an intensity comparable to that produced by the train at resonant speeds, which would be of great help at the time of Reception of the structure complying with the spirit of the regulations, which is so difficult to achieve today. In the same way it would be very useful in carrying out load tests in structures in service, with a double objective: (1) to expand the knowledge of the state of the structure by evaluating its dynamic response, either periodically or as a result of inspections specials that so advise after detection of damage in basic inspections; (I1) in the case of conditioning lines to new operating conditions, both in terms of loads (passage of exclusive passenger traffic to mixed traffic) and in terms of speeds (conditioning for higher operating speeds).

DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN DESCRIPTION OF THE INVENTION

El excitador se compone de una serie de masas contrarrotantes (l) verticalmente, alrededor de un eje horizontal común (2), con motores y accionadores adecuados para permitir variar tanto la distancia al eje (brazo de giro, 3) como la velocidad de giro (4) de las masas. The exciter consists of a series of vertically rotating masses (1) vertically, around a common horizontal axis (2), with suitable motors and actuators to allow varying both the distance to the axis (swing arm, 3) and the speed of rotation (4) of the masses.

El valor de las masas, el rango de variación del brazo de giro y su velocidad, será función del tipo de infraestructura que se desee analizar mediante la aplicación del excitador, teniendo en cuenta las necesidades de carga y frecuencia para la excitación. El diseño del motor se adaptará a dichas necesidades. The value of the masses, the range of variation of the swing arm and its speed, will be a function of the type of infrastructure to be analyzed by applying the exciter, taking into account the load and frequency requirements for the excitation. The engine design will adapt to these needs.

El aparato excitador deberá ir montado sobre un vagón ferroviario (5) diseñado a tal efecto para poder transportarlo a través de las vías. Adicionalmente, contará con un equipo neumático (6) que posibilite la transmisión directa de las vibraciones a la infraestructura, de forma independiente del equipo de rodadura del vagón, a través de falsas ruedas (7). Esto es necesario para evitar desgaste en los elementos de rodadura y para evitar la pérdida de energía de excitación en los elementos de suspensión del vagón (amortiguadores de la suspensión). The exciter apparatus must be mounted on a railway car (5) designed for this purpose to be able to transport it through the tracks. Additionally, it will have a pneumatic equipment (6) that allows the direct transmission of vibrations to the infrastructure, independently of the wagon rolling equipment, through false wheels (7). This is necessary to avoid wear on the rolling elements and to avoid the loss of excitation energy in the suspension elements of the car (suspension dampers).

El equipo se completa con el software y el hardware de control adecuados para la variación de intensidad y frecuencia de la excitación, mediante la variación de velocidad y brazo de giro. The equipment is completed with the appropriate software and control hardware for the variation of intensity and frequency of the excitation, through the variation of speed and swing arm.

Por último, el equipo irá equipado de los elementos de control de carga necesarios para conocer en cada instante la fuerza realmente transmitida a la infraestructura, mediante sensores Finally, the equipment will be equipped with the necessary load control elements to know at any moment the force actually transmitted to the infrastructure, using sensors

(8) colocados en los actuadores sobre la infraestructura. (8) placed in the actuators on the infrastructure.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS BRIEF DESCRIPTION OF THE FIGURES

La figura 1 muestra un esquema del excitador. En ella se representan los elementos fundamentales que componen el excitador, esto es: masas contrarrotantes verticalmente (1) eje horizontal común de giro de las masas contrarorantes(2), principio mecánico de variación de la excentricidad de las masas (3) principio mecánico de variación de la velocidad de giro de las masas (4) vagón ferroviario diseñado a tal efecto para poder transportar el excitador a través de las vías (5) equipo neumático que posibilite la transmisión directa de las vibraciones a la infraestructura (6) sistema de transmisión directa de las vibraciones a la infraestructura de forma independiente del equipo de rodadura del vagón, a través de falsas ruedas (7) elementos de control de carga mediante sensores colocados en los actuadores sobre la infraestructura (8). Figure 1 shows a diagram of the exciter. It represents the fundamental elements that make up the exciter, that is: vertically counter-rotating masses (1) common horizontal axis of rotation of the counter-rotating masses (2), mechanical principle of variation of the eccentricity of the masses (3) mechanical principle of variation of the speed of rotation of the masses (4) railway car designed for this purpose to be able to transport the exciter through the tracks (5) pneumatic equipment that allows the direct transmission of vibrations to the infrastructure (6) transmission system Directly from the vibrations to the infrastructure independently of the wagon rolling equipment, through false wheels (7) load control elements by means of sensors placed in the actuators on the infrastructure (8).

FORMA DE REALIZACIÓN PREFERIDA PREFERRED EMBODIMENT

La forma de realización preferida, según se puede apreciar en la figura adjunta, The preferred embodiment, as can be seen in the attached figure,

consistirá en el montaje sobre un vagón ferroviario (5) de un dispositivo generador de it will consist of the assembly on a railway car (5) of a generator device

vibraciones constituido por masas contrarotantes (1) que giran mediante un eje horizontal vibrations constituted by counter-rotating masses (1) that rotate by means of a horizontal axis

(2) al que se unen mediante elementos de sujección que permiten variar la excentricidad de las masas y accionado por motores (4) que permitan variar la velocidad de rotación de (2) to which they are joined by fasteners that allow varying the eccentricity of the masses and driven by motors (4) that allow varying the rotation speed of

las masas. Las vibraciones generadas se transmitirán a la vía mediante un dispositivo neumático (6) que a través de unas falsas ruedas (7) permitan transmitir de manera directa las vibraciones a la vía de manera independiente al sistema de rodadura del vagón. Por último incorporará un software de control y medida de la fuerza y de la vibración ejercida a partir de los sensores colocados al efecto colocados en los actuadores sobre la vía (8). the masses The vibrations generated will be transmitted to the track by means of a pneumatic device (6) that, through false wheels (7), allows the vibrations to be transmitted directly to the track independently of the carriage system. Finally, it will incorporate a software for controlling and measuring the force and vibration exerted from the sensors placed for this purpose placed on the actuators on the track (8).

Claims (1)

REIVINDICACIONES 1.-Excitador para inducir vibraciones en infraestructura ferroviaria, caracterizado por estar constituido por masas contrarrotantes (1). 2.-Excitador para inducir vibraciones en infraestructura ferroviaria, de acuerdo con la 1.-Exciter to induce vibrations in railway infrastructure, characterized by being constituted by counter-rotating masses (1). 2.-Exciter to induce vibrations in railway infrastructure, in accordance with the 5 reivindicación la, caracterizado por que el eje de giro de las masas contrarrotantes (2) es horizontal (giro en planos verticales). 3.-Excitador para inducir vibraciones en infraestructura ferroviaria, de acuerdo con la reivindicación la, caracterizado por que el radio de giro (brazo, 3) y velocidad (4) son variables y controlables mediante el adecuado equipo de control. Claim 5, characterized in that the axis of rotation of the counter-rotating masses (2) is horizontal (rotation in vertical planes). 3.-Exciter to induce vibrations in railway infrastructure, according to claim la, characterized in that the turning radius (arm, 3) and speed (4) are variable and controllable by means of the appropriate control equipment. 10 4.-Excitador para inducir vibraciones en infraestructura ferroviaria, de acuerdo con la reivindicación la, caracterizado por ir montado sobre un vagón ferroviario (5). 5.- Excitador para inducir vibraciones en infraestructura ferroviaria, de acuerdo con la la, caracterizado por que el vagón sobre el que va montado cuenta con un equipo hidráulico (6) capaz de transmitir la excitación a la infraestructura directamente, sin pasar por el 4. Exciter to induce vibrations in railway infrastructure, according to claim la, characterized by being mounted on a railway car (5). 5.- Exciter to induce vibrations in railway infrastructure, according to the la, characterized in that the wagon on which it is mounted has a hydraulic equipment (6) capable of transmitting the excitation to the infrastructure directly, without going through the 15 sistema de rodadura del vagón, a través de falsas ruedas( 7). 6.-Excitador para inducir vibraciones en infraestructura ferroviaria, de acuerdo con la reivindicación la, caracterizado por ir montado sobre un vehículo de neumáticos. 7.-Excitador para inducir vibraciones en infraestructura ferroviaria, de acuerdo con la reivindicación 1 a, caracterizado por que el vehículo de neumáticos sobre el que va montado 15 wagon rolling system, through false wheels (7). 6.-Exciter to induce vibrations in railway infrastructure, according to claim la, characterized by being mounted on a tire vehicle. 7.-Exciter to induce vibrations in railway infrastructure, according to claim 1, characterized in that the tire vehicle on which it is mounted 20 cuenta con un equipo hidráulico capaz de transmitir la excitación a la infraestructura directamente, sin pasar por el sistema de rodadura del vehículo, a través de falsas ruedas. 8.-Excitador para inducir vibraciones en infraestructura ferroviaria, de acuerdo con la reivindicación la, caracterizado por contar con un equipo de control de carga (8) mediante sensores colocados en los actuadores sobre la infraestructura. 20 has a hydraulic equipment capable of transmitting the excitation to the infrastructure directly, without going through the vehicle's rolling system, through false wheels. 8.-Exciter to induce vibrations in railway infrastructure, according to claim la, characterized by having a load control equipment (8) by sensors placed in the actuators on the infrastructure. FIGURAl FIGURE ~D~D~D~D~D~D~D~D~D~D~  ~ D ~ D ~ D ~ D ~ D ~ D ~ D ~ D ~ D ~ D ~   o o ~ o o ~ o o ~ 00 o o o o o o o o o 00 ~ o o ~ o o ~ o o ~ 00° ~o oePo OO°,..D 00° ,..D oePo oePo ,..o oePo &bn-.. &b&bn-.. °00 n-.. °00 &t& o~ °00 &boo ~ oo ~ oo ~ 00 ooooooooo 00 ~ oo ~ oo ~ oo ~ 00 ° ~ o oePo OO °, .. D 00 °, .. D oePo oePo, .. o oePo & bn- .. & b & bn- .. ° 00 n- .. ° 00 & t & o ~ ° 00 & b 00 o o ve ve o o ve o ~ oo o-V oo oo o-V o-V o o 00 00 o o go go o o go o ~ oo o-V oo oo o-V o-V o o 00 o o o o o o o 00 o o 00 o o o o 00 o o 00° o o 00 o o o o o o 00 o o o o o o o o o o o o o o 00 o o 00 o o o o 00 o o 00 ° o o 00 o o o o o o 00 o o o o o o
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