ES2334529A1 - Metodo de medida de los esfuerzos generados en el punto de contacto rueda-carril de vehiculos ferroviarios. - Google Patents
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Abstract
Método de medida de los esfuerzos generados en el punto de contacto rueda-carril de vehículos ferroviarios, que comprende el posicionamiento de sensores extensométricos (6) sobre el velo (3) de una rueda (1) ferroviaria, para medir la deformación en determinados puntos de dicho velo (3) de la rueda (1) de aplicación, de cuyas señales se utiliza un armónico para determinar las cargas que afectan al punto de contacto de la rueda (1) sobre el carril de apoyo, disponiéndose los sensores extensométricos (6) combinados en puentes o circuitos de medida, para eliminar los armónicos no deseados de las señales de medida de deformación, situándose para ello los sensores extensométricos (6) de cada puente o circuito de medida en puntos determinados sobre el velo (3) de la rueda (1) de aplicación.
Description
Método de medida de los esfuerzos generados en
el punto de contacto rueda-carril de vehículos
ferroviarios.
La presente invención está relacionada con la
dinámica de vehículos ferroviarios y más concretamente con la
medición de los esfuerzos producidos en el contacto
rueda-carril.
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El conocimiento de los esfuerzos involucrados en
el contacto rueda-carril es imprescindible, tanto
para procesos de homologación dinámica de vehículos ferroviarios,
como para el estudio científico de fenómenos asociados a la
dinámica de los mismos.
Los esfuerzos que aparecen en el punto de
contacto rueda-carril son de tres tipos:
.- Cargas verticales (Q) que constan de una
componente media debida al peso del vehículo y componentes
dinámicas que se pueden producir en diferentes situaciones de
marcha, como puede ser, por ejemplo en la circulación en curva o en
circulación bajo irregularidades de la vía.
.- Cargas laterales (Y) que toman
fundamentalmente importancia en la circulación en curva, aunque
también existen otras condiciones de circulación donde se pueden
generar niveles elevados de estas cargas, como por ejemplo en la
circulación por un cambio de agujas o en régimen inestable.
.- Cargas longitudinales (T) debidas en parte a
la diferencia de recorridos a realizar en una curva por la rueda
interior y exterior de un mismo eje y a la diferencia de radios de
rodadura entre puntos de contacto de ambas ruedas. A esta
diferencia contribuyen el desplazamiento lateral del eje y la
conicidad del perfil de rodadura de las ruedas. Las fuerzas de
tracción y freno se transmiten también a través de este tipo de
esfuerzos.
Para realizar la medición de estas cargas (Q, Y
y T), una de las soluciones del Estado de la Técnica es la
utilización de tramos de vía sensorizados, resultando una solución
costosa y limitada en sus posibilidades de ensayo.
Actualmente para las mediciones requeridas en
los procesos de homologación dinámica de vehículos, se utilizan
ejes dinamométricos basados en ejes convencionales instrumentados
con extensómetros, que mediante la medida de las deformaciones
unitarias de distintos puntos del conjunto
eje-rueda permiten obtener el valor de las cargas
de contacto rueda-carril.
Sin embargo existen grandes dificultades para la
medida precisa de estos esfuerzos mediante los ejes dinamométricos
utilizados hasta la fecha, debido a diferentes factores:
.- Para un mismo punto de medida instrumentado,
se mezclan los efectos de las diferentes cargas vertical (Q),
lateral (Y) y longitudinal (T) asociadas al punto de contacto.
.- Las sensibilidades, para cada una de las
cargas de contacto, varían en función de la posición angular del
conjunto eje-rueda, así como de la posición lateral
del área de contacto.
.- Dificultades para la determinación de los
puntos a instrumentar cuyas señales sean suficientemente diferentes
como para estimar con precisión suficiente las cargas deseadas.
.- Las fuerzas inerciales asociadas al conjunto
del eje montado introducen errores dinámicos en la estimación de
las fuerzas de contacto, errores que son dependientes a su vez de
la localización de los puntos instrumentados.
.- Las fuerzas centrífugas y los momentos
giroscópicos soportados por la rueda introducen variaciones
importantes en las señales de los puntos instrumentados,
convirtiéndose en importantes fuentes de error.
En el mundo ferroviario se utilizan comúnmente
diversos métodos de medida de los esfuerzos de contacto, los cuales
se pueden clasificar según el elemento soporte de los sensores
utilizados para la medida, distinguiéndose: métodos basados en el
cuerpo del eje, métodos basados en el alma de la rueda, métodos
basados en elementos de la suspensión primaria y métodos mixtos,
combinación de los anteriores.
Los métodos de medida basados en la
instrumentación del cuerpo de eje no son capaces, de eliminar la
influencia de la variación de la posición del punto de contacto
rueda-carril, en la medida de la carga lateral.
Los métodos de medida basados en la
instrumentación de la rueda no eliminan, de origen, la influencia
de la variación del punto de contacto para ninguna de las cargas
aplicadas en el punto de contacto rueda-carril.
Los métodos de medida basados en la
instrumentación de la rueda no plantean ninguna solución
suficientemente satisfactoria para eliminar o reducir la influencia
de la rotación del eje, persistiendo errores de rizado que pueden
ser muy elevados dependiendo del tipo de rueda utilizada, de los
puntos de medida escogidos y del tipo de carga medida.
Los métodos de medida basados en elementos de la
suspensión primaria no son válidos para la medida de las cargas
laterales (Y).
Los métodos mixtos intentan combinar las
ventajas de los diferentes métodos para la medida de cada una de
las cargas de contacto, no obstante, no son capaces de eliminar sus
limitaciones más importantes.
Los métodos existentes no plantean ninguna
estrategia satisfactoria y de validez universal para seleccionar la
combinación de puntos de medida más adecuada para cada uno de los
métodos, utilizándose en muchas ocasiones combinaciones de puntos
de mayor sensibilidad a las cargas de contacto, los cuales no
necesariamente tienen que aportar la mejor solución de medida.
En los métodos existentes no se compensa el
error introducido por parámetros inherentes a los propios ejes
dinamométricos, como fuerzas centrifugas, fuerzas de inercia del
conjunto del eje y momentos giroscópicos.
En definitiva se puede afirmar que el Estado de
la Técnica actual no constituye una solución precisa que pueda ser
aplicada de forma general a cualquier tipo de vehículo.
El método objeto de la invención permite la
medida precisa de las cargas existentes en el punto de contacto
rueda-carril así como la propia posición de este
punto de contacto, eliminando a su vez los errores asociados a las
fuerzas de inercias, las fuerzas centrífugas, los momentos
giroscópicos, los efectos cruzados entre las diferentes cargas a
medir verticales, laterales y longitudinales (Q, Y y T) y los
errores cometidos por la variación, tanto lateral como angular, de
la posición del punto de contacto, resultando un método realmente
ventajoso, frente a las soluciones conocidas, para el análisis del
comportamiento dinámico de un vehículo ferroviario.
El nuevo método de medida, basado en la
colocación de sensores en el velo de la rueda, es un método no
invasivo, por no realizar ningún tipo de mecanizado en las ruedas
del vehículo, de tal forma que el conjunto del eje con las ruedas
puede ser utilizado nuevamente para el servicio comercial del
vehículo, no alterando además su comportamiento dinámico ni su
resistencia mecánica.
En el punto de contacto entre la rueda y el
carril de un vehículo que circula por la vía a la velocidad de
marcha, se producen unos esfuerzos verticales (Q), laterales (Y) y
longitudinales (T), que son determinantes, para el análisis del
comportamiento dinámico de un vehículo ferroviario.
Para eliminar la influencia de los efectos
cruzados entre las cargas (Q, Y y T), la variación de la posición
del punto de contacto, y las fuerzas centrífugas, se trabaja con
los armónicos puros de las sensibilidades a cada una de estas
cargas (Q, Y y T), de forma que las sensibilidades asociadas a la
variación de la posición del punto de contacto
rueda-carril se comportan de forma lineal y su
influencia en la estimación de las cargas es fácilmente eliminable
mediante la combinación de señales obtenidas de distintos puntos de
medida, y el efecto de las fuerzas centrífugas es eliminado por
completo por afectar exclusivamente a la componente continua de las
sensibilidades.
En el método objeto de la invención, se definen
unos círculos de medida, correspondiendo cada uno de ellos a todos
los sensores contenidos en un mismo anillo circular de la
superficie de una de las caras del velo de la rueda, quedando
dichos círculos de medida caracterizados por su dimensión radial y
la cara del velo de la rueda en donde se encuentren los
sensores.
Posicionando los sensores dentro del círculo de
medida correspondiente, y combinando de forma ventajosa estos
sensores en distintos circuitos de medida, como por ejemplo puentes
de Wheatstone, se obtienen las señales dependientes del armónico de
medida.
Por cada círculo de medida se construyen al
menos dos circuitos o puentes de medida (puente en fase y puente
en cuadratura), ambos construidos de la misma forma, pero
desfasados entre sí, de tal forma que las señales obtenidas de cada
uno de ellos se encuentren en cuadratura respecto al armónico
medido.
En caso de ser necesario mejorar el ancho de
banda del sistema de medida caben dos posibilidades: por cada
círculo de medida instrumentar parejas de puentes en fase y
cuadratura adicionales, los cuales se construyen de la misma forma
que los anteriores pero desplazados angularmente de los primeros, o
bien aumentar el número de sensores interconectados entre sí en
cada círculo de medida.
Todas las señales correspondientes a los puentes
de un mismo círculo de medida se combinan adecuadamente, de tal
forma que se obtienen por cada círculo de medida dos señales
linealmente dependientes de la posición del punto de contacto. Una
de estas señales es dependiente a su vez de las cargas verticales
(Q) y laterales (Y), y la otra dependiente de la carga longitudinal
(T).
Para reducir los errores asociados a las fuerzas
de inercia y a los momentos giroscópicos soportados por el eje
dinamométrico, las señales obtenidas de cada uno de los círculos de
medida se corrigen mediante la utilización de sensores de
movimiento lineal y angular colocados en las cajas de grasa del eje
instrumentado.
La selección de los círculos de medida
apropiados para llevar a cabo el posicionamiento de los sensores
sigue un criterio matemático en el que se tienen en cuenta las
sensibilidades de todos los círculos de medida disponibles en cada
cara del velo de la rueda.
Combinando las señales de los distintos círculos
de medida se obtienen finalmente todas las cargas de contacto,
calculándose también la posición del punto de contacto
rueda-carril.
\vskip1.000000\baselineskip
La figura 1 muestra una vista en perspectiva de
un conjunto rueda-carril en el que se observan las
cargas del punto de contacto.
La figura 2a muestra una vista en alzado del
conjunto rueda-carril, en la que el velo de la rueda
dispone de un único sensor activo, en este caso una galga
extensométrica.
La figura 2b muestra un gráfico de la
descomposición en frecuencia de la señal de deformación bajo la
aplicación de carga vertical constante, obtenido del punto
instrumentado de la figura anterior, utilizando un conexionado en
formación de cuarto de puente de Wheatstone.
La figura 3a muestra una vista en alzado del
conjunto rueda-carril bajo la aplicación de una
carga vertical (Q) constante con cuatro sensores, en este caso
también extensómetros, dispuestos angularmente en un mismo círculo
de medida en el velo de la rueda.
La figura 3b muestra un gráfico de la
descomposición en frecuencia de la señal de deformación bajo la
aplicación de carga vertical constante, obtenido del puente de
medida formado por los puntos instrumentados de la figura
anterior.
anterior.
La figura 4 muestra una vista en alzado
esquemática de sensores extensométricos posicionados en diferentes
círculos de medida.
La figura 5a muestra una vista en alzado del
conjunto rueda-carril con un ejemplo de aplicación
del método basado en el primer armónico utilizando dos diámetros
de medida por puente según la invención.
La figura 5b muestra la interconexión de los
sensores extensométricos para la formación de los dos circuitos o
puentes de medida correspondientes a la solución mostrada en la
figura anterior.
La figura 6a muestra una vista en alzado del
conjunto rueda-carril con un ejemplo de aplicación
de una pareja de puentes redundantes adicionales respecto de los
puentes de la figura anterior, para su utilización conjunta con
estos últimos, ampliando así el ancho de banda del sistema de
medida.
La figura 6b muestra la interconexión de los
sensores extensométricos para la formación de los dos puentes de
medida redundantes correspondientes a la solución mostrada en la
figura anterior.
La figura 7a muestra una vista en alzado del
conjunto rueda-carril con un ejemplo de aplicación
del método basado en el primer armónico utilizando cuatro diámetros
de medida por puente según la invención.
La figura 7b muestra la interconexión de los
sensores extensométricos para la formación de los dos puentes de
medida correspondientes a la solución mostrada en la figura
anterior.
La figura 8a muestra una vista en alzado del
conjunto rueda-carril con un ejemplo de aplicación
del método basado en el segundo armónico utilizando dos diámetros
de medida por puente o circuito de medida según la invención.
La figura 8b muestra la interconexión de los
sensores extensométricos para la formación de los dos puentes de
medida correspondientes a la solución mostrada en la figura
anterior.
\vskip1.000000\baselineskip
El objeto de la presente invención es un método
de medida de las cargas existentes en el punto de contacto
rueda-carril de vehículos ferroviarios, que puede
utilizarse para medir de forma precisa tanto el valor de todas las
cargas como la propia posición del punto de contacto, eliminando a
su vez los errores inherentes asociados a los ejes dinamométricos
utilizados hasta la fecha.
El método de medida objeto de la invención, se
basa en la utilización de señales dependientes de armónicos puros
de la señal de deformación unitaria, obtenida de los puntos
instrumentados del velo (3) de la rueda (1), para obtener,
combinándolas adecuadamente, los valores de las cargas verticales
(Q), laterales (Y) y longitudinales (T) y la posición del punto de
contacto (4) rueda (1)-carril (2), del vehículo
ferroviario en circulación.
La señal que se obtiene con un único sensor
extensométrico bajo la aplicación de carga constante contiene un
amplio espectro de armónicos (ver figuras 2a y 2b). Para eliminar
armónicos no deseados se utilizan diversos sensores extensométricos
(6) colocados en el velo (3) de la rueda (1), los cuales se
combinan de forma favorable, para la eliminación de los armónicos
no deseados de la deformación unitaria.
La forma práctica de conseguir el citado
objetivo es disponer los n sensores extensométricos utilizados en
diferentes posiciones angulares \beta_{j} combinados en puentes
o circuitos de medida. Estas posiciones se eligen de forma que al
combinar sus señales se cancelen en la señal resultante E_{i} los
armónicos no deseados asociados a cada parámetro de medida de
cualquier carga F(t).
Donde K_{kj} es la sensibilidad de cada uno de
los sensores ante el parámetro de medida de carga F(t)
correspondiente, k es el orden del armónico considerado,
\beta_{j} es la posición angular del sensor siendo j el número
de orden de la posición y \alpha es la posición angular de la
rueda.
La eliminación de un armónico k exige que se
cumplan las siguientes ecuaciones:
Una forma ventajosa de conseguir la condición
anterior es utilizar sensores extensométricos con la misma
sensibilidad a los parámetros de medida de las cargas de
deformación, colocados de forma simétrica respecto de un diámetro
de referencia y en posiciones angulares que para cada uno de los
armónicos a eliminar satisface la ecuación:
La imposición de esta ecuación para cada uno de
los armónicos permite definir diferentes posiciones angulares de
los sensores extensométricos de medida de tal forma que se eliminen
los armónicos no deseados.
Todos los sensores extensométricos (6)
contenidos en una misma posición radial, de la misma cara del velo
(3) de la rueda (1), definen lo que se denominan círculos de medida
(Cj), pudiéndose obtener, por cada círculo de medida (Cj),
diferentes señales independientes, ver figura 4.
Una forma práctica y simplificada de aplicación
del método, consiste en combinar sensores extensométricos situados
sobre un mismo círculo de medida, tal y como se indica a
continuación. Este procedimiento también es aplicable, de forma
total o parcial, al caso general siempre que se verifiquen las
condiciones generales anteriores.
Cada sensor extensométricos (6) perteneciente a
un mismo círculo de medida (Cj), dispone de otro sensor
extensométricos (6) colocado diametralmente opuesto al primero, es
decir desfasado respecto del anterior 180º, configurando lo que se
denomina un diámetro de medida (Di), ver figuras 3a y 3b.
Los sensores extensométricos (6) pertenecientes
a un mismo círculo de medida (Cj) y a un mismo diámetro de medida
(Di), se combinan entre sí de tal forma que sus sensibilidades se
restan, en el caso de querer medir armónicos impares, y se suman en
el caso de querer medir armónicos pares, eliminándose a su vez de
las señales resultantes todos los armónicos pares e impares
respectivamente.
Cada uno de los puentes de medida (7) asociados
a un mismo círculo de medida (Cj), esta compuesto por el mismo
número m de diámetros (D_{1},..., Dm), colocados, para cada
puente, en las mismas posiciones angulares \betai radianes, con
un mínimo de dos diámetros por puente de medida, donde cuanto mayor
sea el número de diámetros (m) mayor será el ancho de banda de la
solución adoptada.
Los diámetros (D1,...,Dm) pertenecientes a un
mismo circuito o puente de medida (7), tienen interconectados los
sensores extensométricos (6) que los componen de tal forma, que las
sensibilidades asociadas a cada uno de los diámetros (Di), se suman
o se restan, según corresponda, para la medida aislada del
armónico puro deseado.
Por cada círculo de medida (Cj) se instrumentan
al menos dos circuitos o puentes de medida (7), uno denominado
puente en fase (F), correspondiéndole una señal (E_{F}), y otro
denominado puente en cuadratura (C), correspondiéndole una señal
(E_{C}), ambos con la misma configuración pero desfasados
angularmente uno del otro 90º/k, donde k indica el armónico puro en
el que se basa la medida, correspondiendo 90º al primer armónico,
45º al segundo armónico y así sucesivamente.
Para mejorar el ancho de banda del sistema de
medida, también es posible instrumentar, para cada círculo de
medida (Cj), al menos otros dos puentes de medida adicionales,
denominados puente en fase redundante (F_{R}) (señal E_{RF}) y
puente en cuadratura redundante (C_{R}) (señal E_{RC}), todos
ellos constituidos de la misma forma que los anteriores, pero
desfasados de los primeros un ángulo (\varphi).
De cada pareja de señales (E_{F} y E_{C})
correspondientes a los puentes en fase (F) y cuadratura (C), de
cada círculo de medida (Cj), se obtienen dos señales dependientes
de la amplitud demodulada del armónico puro de interés (E_{1} y
E_{2}), donde la primera de las señales (E_{1}) depende de la
posición del punto de contacto (4) y de las cargas verticales (Q) y
laterales (Y), y la segunda (E_{2}) depende de la posición del
punto de contacto (4) y de la carga longitudinal de contacto
(T).
Para obtener las señales (E_{1} y E_{2}) es
necesario el conocimiento de la posición angular (\alpha) de la
rueda (1) instrumentada, procediendo tal y como se indica a
continuación, donde (k) vuelve a ser el índice que indica el
armónico que se pretende demodular:
E_{1}=E_{F}\cdot cos (k\cdot
\alpha)-E_{C}\cdot sen(k\cdot
\alpha)
E_{2}=E_{F}\cdot sen (k\cdot
\alpha)+E_{C}\cdot cos (k\cdot
\alpha)
En el caso de tener también instrumentados
puentes redundantes, se procede de forma análoga, tal y como se
indica a continuación, donde (\varphi) vuelve a ser el desfase
angular de los puentes redundantes respecto a los principales,
procediendo de forma análoga en el caso de disponer de más de una
pareja de puentes redundantes:
E_{1}=E_{F}\cdot
cos(k\cdot \alpha)-E_{C}\cdot
sen(k\cdot \alpha)+E_{RF}\cdot cos(k \cdot (\alpha
+\varphi))-E_{RC}\cdot sen(k \cdot (\alpha +
\varphi))
E_{2}=E_{F}\cdot
sen(k\cdot \alpha)+E_{C}\cdot cos(k\cdot
\alpha)+E_{RF} \cdot sen(k \cdot
(\alpha+\varphi))+E_{RC}\cdot cos (k \cdot (\alpha +
\varphi))
Al disponer de señales dependientes de la
amplitud de armónicos puros, la influencia de la variación del
punto de contacto se comporta de forma lineal, y por tanto las
señales (E_{1} y E_{2}) se pueden expresar como función de las
cargas de contacto (Q, Y y T) rueda (1)-carril (2) y
de la variación de su punto de aplicación respecto al punto de
rodadura nominal, definido por las coordenadas (\DeltaR y
\Deltab).
De esta forma las señales (E_{1} y E_{2}) se
expresan según la siguiente ecuación, donde (K_{Q}) es la
sensibilidad a la carga vertical (Q), (K_{Y}) es la sensibilidad a
la carga lateral (Y), (K_{Qb}) es la sensibilidad al momento que
genera la carga vertical (Q) por la variación de la posición del
punto de contacto (4), (K_{YR}) es la sensibilidad al momento que
genera la carga lateral (Y) por la variación de la posición del
punto de contacto (4), (K_{T}) es la sensibilidad a la carga
longitudinal (T) y (K_{TR}) es la sensibilidad al momento que
genera la carga longitudinal (T) por la variación de la posición del
punto de contacto (4):
E_{1} =
K_{Q}\cdot Q + K_{Y} \cdot Y + K_{Qb} \cdot Q \cdot \Delta b +
K_{YR} \cdot Y \cdot \Delta
R
E_{2} = K_{T}
\cdot T + K_{TR} \cdot T \cdot \Delta
R
\newpage
Las cotas lateral \Deltab y radial \DeltaR
del contacto rueda-carril están relacionadas por el
propio perfil de la rueda, lo que permitiría obtener mediante tres
señales E1 y E2 independientes el valor de las cargas y la posición
del punto de contacto, siempre y cuando se conociera la relación no
lineal entre \Deltab y \DeltaR. En caso de no conocer esta
relación cabe la posibilidad de utilizar un mayor número de señales
E_{1} y E_{2} siempre y cuando el sistema de ecuaciones
asociado estuviera bien condicionado.
A su vez, siendo el armónico de medida el
primero y escogiendo puntos del velo (3) de la rueda (1)
suficientemente alejados de la llanta (5) de la rueda (1), las
sensibilidades asociadas a la variación de la posición del punto de
contacto (4) coinciden para las cargas verticales y laterales de
contacto (Q e Y) aplicadas, siempre que las mismas se asocien al
momento relacionado con la variación de la carga.
Bajo esta condición las señales (E_{1} y
E_{2}) se pueden volver a expresar en función de una sensibilidad
(K_{M}) al momento producido por las cargas vertical (Q) y
lateral (Y) al variar el punto de contacto
rueda-carril (4):
E_{1} = K_{Q}
\cdot Q + K_{Y} \cdot Y + K_{M} \cdot
M
E_{2} = K_{T}
\cdot T + K_{TR} \cdot T \cdot \Delta
R
A partir del citado momento, la eliminación de
la influencia de la posición del punto de contacto para la medida
de las cargas aplicadas se convierte en un problema puramente
lineal, donde también es posible obtener la posición del punto de
contacto (4) teniendo en cuenta la relación existente entre
\Deltab y \DeltaR a través del perfil.
De esta forma, cuando se utiliza el primer
armónico, partiendo de señales (E_{1} y E_{2}) procedentes de
distintos círculos de medida (Cj), es posible obtener el valor de
todas las cargas de contacto (Q, Y y T) y de la posición del punto
de aplicación (4) de las mismas, reduciendo el número de círculos
de medida (Cj) necesarios, siendo tres el número círculos de medida
necesarios de forma general.
Conocidos los valores de las señales (E_{1} y
E_{2}) correspondientes a todos círculos de medida (Cj)
utilizados, y contenido el valor de estas señales, para un instante
de tiempo concreto, en dos vectores \{V_{1}\} y \{V_{2}\}, se
obtiene el valor de las cargas (Q, Y y T) y resto de parámetros a
medir, resolviendo los dos sistemas de ecuaciones siguientes:
\{V_{1}\} =
[A] \cdot \{Q\ Y\
M\}
\{V_{2}\} =
[B] \cdot \{T\ T \cdot \Delta
R\}
En estas ecuaciones [A] es la matriz de las
sensibilidades asociadas a la señal (E_{1}) para todos los
círculos de medida (Cj) y [B] es la matriz de sensibilidades
asociadas a la señal (E_{2}) para todos los círculos de medida
(Cj).
Para el caso en el que se utilice un armónico de
medida distinto del primero, en las ecuaciones resultantes se
sustituye el momento equivalente M por la posición radial y lateral
del punto de contacto multiplicado por la carga lateral (Y) y
vertical (Q) respectivamente.
Para seleccionar la posición y el número p de
círculos de medida (Cj) a utilizar, así como el armónico de medida
asociado a cada uno de ellos, se sigue un criterio matemático en el
que se tienen en cuenta las sensibilidades para cada uno de los
armónicos de mayor peso de todos los círculos (Cj) posibles, con
relación a todas las cargas (Q, Y y T) aplicadas, y con la
variación del punto de aplicación (4) de las mismas, pudiéndose
calcular estas sensibilidades de forma teórica o experimental.
Para evaluar qué combinación es la que presenta
mejor comportamiento, se sigue el criterio de minimizar el nivel de
ruido eléctrico en la medida de los parámetros de interés, donde se
puede ponderar a su vez la importancia del ruido asociado a cada
parámetro, de tal forma que se de mayor importancia a la medida de
unos parámetros respecto a otros.
Una forma no limitativa de llevar a la práctica
este proceso de selección es la siguiente: Se evalúa cada una de
las matrices [A] y [B], para todas las combinaciones posibles de
círculos de medida (Cj), mediante la descomposición en valores
singulares de cada una de las matrices normalizadas a los fondos de
escala de cada parámetro de medida, obteniendo así para cada una de
ellas sus valores singulares (\Lambdai), mediante los cuales y a
través de la siguiente ecuación se evalúa la calidad de la
combinación (\eta), de forma que cuanto menor sea este término
(\eta) menor será la influencia del ruido sobre el sistema de
medida:
\eta = \Sigma
(1/(\Lambda
i)^{2})
Este criterio se puede modificar ligeramente
para buscar la solución que ofrezca mejor comportamiento para
algún parámetro en concreto, buscando los valores singulares de las
matrices resultantes de multiplicar las matrices [A] y [B]
normalizadas a los fondos de escala de cada parámetro de medida,
por matrices de ponderación del error. Hay que indicar que también
es posible sustituir este criterio por otro criterio
matemático.
Al utilizar señales dependientes de un armónico
puro distinto de la componente continua, ni las fuerzas centrífugas
soportadas por la rueda, ni las fuerzas de inercia laterales
introducen ningún error en la medida de los parámetros de
interés.
Sin embargo, otras solicitaciones asociadas a la
inercia influyen sobre el primer armónico, por lo que para la
reducción de los errores dinámicos asociados, y los errores debidos
a los momentos giroscópicos, en las cajas de grasa del vehículo se
incorporan sensores de movimiento lineal y de movimiento angular,
tales como respectivamente acelerómetros y giróscopos, de tal
forma, que se miden las condiciones de aceleración y velocidad
angular a las que se ve sometido el eje dinamométrico.
Conocidas las aceleraciones y velocidades
angulares, a las que se ve sometido el eje dinamométrico, así como
la dependencia lineal de cada una de las señales (E_{1} y
E_{2}) a cada una de ellas, calculada de forma teórica o
experimental, se añaden los términos de compensación
correspondientes a todas las señales (E_{1} y E_{2}), para
eliminar los errores debidos a esfuerzos inerciales y
giroscópicos.
A modo de ejemplo de aplicación no limitativo se
describen cuatro realizaciones diferentes de obtener las señales
dependientes del armónico de interés para un círculo de medida (Cj)
genérico, tres de ellas basadas en la medida del primer armónico
con dos y cuatro diámetros por puente de medida, ver figuras 5a a
7b, y una cuarta basada en el segundo armónico con dos diámetros
tal y como se muestra en las figuras 8a y 8b. En estos cuatro
ejemplos de aplicación se ha supuesto que los sensores de medida
(6) utilizados son galgas extensométricas, combinadas en formación
de puente de Wheatstone (7) y que la posición angular (\alpha) de
la rueda (1) es conocida.(La medición de este ángulo (\alpha) no
es objeto de la patente y puede realizarse por cualquiera de los
métodos conocidos: rueda dentada con sensor inductivo o capacitivo,
encoder, resolver,...)
En las figuras 5a y 5b, se definen cuatro
diámetros de medida (D_{i}), dos por cada puente (F y C). Los
diámetros correspondientes a cada uno de los puentes (F y C) se
posicionan angularmente a 60º uno del otro. El puente en fase (F)
esta compuesto por los extensómetros denominados (R_{Fi}) y el
puente en cuadratura (C) por los extensómetros denominados
(R_{Ci}). Ambos puentes (F y C) se encuentran desfasados 90º
entre si. En la formación eléctrica del puente de Wheatstone (7),
las sensibilidades de los extensómetros (R_{Fi} o R_{Ci}) de un
mismo diámetro de medida se restan, y las correspondientes a los
extensómetros de distintos diámetros de medida se suman entre si,
obteniéndose de esta forma las señales (E_{F} y E_{C}).
Llegados a este punto y conocida la posición
angular (\alpha) de la rueda (1), y por consiguiente también de
los propios diámetros (D_{i}), las señales finales (E_{1} y
E_{2}), correspondientes al círculo de medida (Cj) en cuestión,
son obtenidas mediante las siguientes operaciones con las señales
de los puentes (E_{F} y E_{C}):
E_{1} = E_{F}
\cdot cos(\alpha) - E_{C} \cdot
sen(\alpha)
E_{2} = E_{F}
\cdot sin (\alpha) + E_{C} \cdot cos
(\alpha)
En este caso las señales (E_{1} y E_{2}) son
señales dependientes de la sensibilidad a las cargas (Q, Y y T) y
de la posición del contacto rueda-carril, para el
primer armónico, donde se ha eliminado la influencia de armónicos
pares, incluyendo la componente de continua (DC) y la influencia
del tercer armónico.
El segundo de los ejemplos corresponde a una
solución que incorpora puentes redundantes (F_{R} y C_{R}). Se
parte de la solución anterior, figuras 5a y 5b, para ampliar su
ancho de banda mediante la incorporación de puentes redundantes
(F_{R} y C_{R}) adicionales. Con este propósito, a los puentes
(F y C) de las figuras 5a y 5b, se añaden en la misma rueda (1) los
puentes descritos en las figuras 6a y 6b, los cuales se construyen
de la misma forma que los descritos en el ejemplo anterior, pero
desfasados un ángulo \varphi=36º con respecto a éstos. Los
extensómetros correspondientes a los puentes en fase y cuadratura
redundantes (R_{FiR} y R_{CiR} respectivamente) se conectan
eléctricamente según lo indicado en la figura 6b, obteniéndose de
esta forma las señales (E_{RF} y E_{RC}) correspondientes a
cada uno de los puentes de medida redundantes (F_{R} y
C_{R}).
Para obtener las señales (E_{1} y E_{2})
dependientes del primer armónico, teniendo en cuenta que (E_{F} y
E_{C}) corresponden a las señales obtenidas de los puentes
descritos en las figuras 5a y 5b, en este caso se realizan las
siguientes operaciones:
E_{1} = E_{F}
\cdot cos (\alpha) - E_{C} \cdot sen (\alpha) + E_{RF} \cdot cos
(\alpha + 36^{o}) - E_{RC} \cdot sen (\alpha +
36^{o})
E_{2} = E_{F}
\cdot sen (\alpha) + E_{C} \cdot cos (\alpha) + E_{RF} \cdot sen
(\alpha + 36^{o}) + E_{RC} \cdot cos (\alpha +
36^{o})
\newpage
En esta solución las señales (E_{1} y E_{2})
son señales dependientes de la sensibilidad a las cargas (Q, Y y T)
y de la posición del contacto rueda-carril para el
primer armónico, donde se ha eliminado la influencia de armónicos
pares, incluyendo la componente de continua (DC) y la componente
del tercer y quinto armónico.
Para el último de los tres ejemplos basado en el
primer armónico, figuras 7a y 7b, se definen cuatro diámetros de
medida (D_{i}) por puente. En este caso, los dos diámetros
interiores de ambos puentes se separan angularmente 24º entre si, y
36º con el diámetro exterior más próximo. El puente en fase (F)
está compuesto por los extensómetros denominados (R_{Fi}) y el
puente en cuadratura (C) por los denominados (R_{Ci}), ambos
desfasados 90º entre si. En la formación eléctrica del puente de
Wheatstone (7), las sensibilidades de los extensómetros de un mismo
diámetro de medida se restan, y las correspondientes a los
extensómetros de distintos diámetros de medida se suman entre si,
al igual que ocurría en el ejemplo anterior, obteniéndose de esta
forma las señales (E_{F} y E_{C}).
Las señales finales (E_{1} y E_{2}), se
obtienen operando de la misma forma que en el ejemplo anterior, tal
y como se indica a continuación:
E_{1} = E_{F}
\cdot cos (\alpha) - E_{C} \cdot sen
(\alpha)
E_{2} = E_{F}
\cdot sen (\alpha) + E_{C} \cdot cos
(\alpha)
En este caso las señales (E_{1} y E_{2}) son
señales dependientes de la sensibilidad a las cargas (Q, Y y T) y
de la posición del contacto rueda-carril para el
primer armónico, donde se ha eliminado la influencia de armónicos
pares, incluyendo la componente de continua (DC), y la influencia
del tercer y quinto armónico. La influencia del séptimo armónico
queda atenuada aproximadamente 5 dB.
En el cuarto y último ejemplo, basado en el
segundo armónico, figuras 8a y 8b, se emplearán las sensibilidades
de las cargas de contacto (Q, Y y T) y de la posición del contacto
rueda-carril al segundo armónico. Se disponen así
dos diámetros (D_{i}) por cada puente (F o C), desplazados 90º
uno de otro. El puente en fase (F) esta compuesto por los
extensómetros denominados (R_{Fi}) y el puente en cuadratura (C)
por los denominados (R_{ci}), ambos desfasados 45º entre si. En
la formación eléctrica de los puentes de Wheatstone (7), las
sensibilidades de los extensómetros de un mismo diámetro de medida
se suman, y las correspondientes a los extensómetros de distintos
diámetros de medida se restan entre si, obteniéndose de esta forma
las señales (E_{F} y E_{C}).
Debido a que se buscan las sensibilidades al
segundo armónico, para obtener las señales {E_{1} y E_{2}) se
realizan las siguientes operaciones:
E_{1} = E_{F}
\cdot cos (2\alpha) + E_{C} \cdot
sen(2\alpha)
E_{2} = E_{F}
\cdot sen (2\alpha) - E_{C} \cdot
cos(2\alpha)
En este último ejemplo las señales (E_{1} y
E_{2}) obtenidas, dependen de las sensibilidades a las cargas de
contacto (Q, Y y T) y de la posición del contacto
rueda-carril al segundo armónico, eliminándose la
influencia de los armónicos impares, la componente de continua
(DC), así como el cuarto y el octavo armónicos pares.
En todos los ejemplos descritos, por cada
circulo de medida (Cj) se obtienen dos señales (E_{1} y E_{2}),
donde la primera (E_{1}) se utilizará para la obtención de la
medida de las cargas verticales (Q), laterales (Y) y la posición
del punto de contacto (4), y la señal (E_{2}) para la medida de
las cargas longitudinales (T).
La medida de la posición del punto de contacto
(4) no se realiza directamente, ya que en primer lugar se obtiene
el valor de un momento equivalente ejercido por las cargas
verticales (Q) y laterales (Y) al variar su posición respecto a un
punto de referencia, el punto de rodadura nominal, tenido en cuenta
en el proceso de calibración del sistema de medida.
Claims (15)
1. Método de medida de los esfuerzos generados
en el punto de contacto rueda-carril de vehículos
ferroviarios, del tipo que comprende el posicionamiento de
elementos de medida de deformación sobre el velo (3) de una rueda
(1) ferroviaria, disponiendo sensores extensométricos (6)
combinados en puentes o circuitos de medida, mediante los cuales se
obtienen señales de deformación del velo (3) de la rueda (1) de
aplicación, utilizándose uno de los armónicos de dichas señales
para determinar las cargas dinámicas de parámetro de medida
F(t) que se producen en el punto de contacto de la rueda (1)
sobre el carril de apoyo, para lo cual se eliminan los demás
armónicos de esas señales, caracterizado porque para
eliminar los armónicos no deseados de las señales de deformación
del velo (3) de la rueda (1), los sensores extensométricos (6) que
van combinados en cada puente o circuito de medida se disponen en
puntos del velo (3) de la rueda (1) de aplicación situados en
posiciones angulares \beta respecto de un diámetro de referencia,
de modo que para cada armónico k no deseado de las señales de las
medidas de deformación en dichos puntos se cumplen las ecuaciones
siguiente:
Donde K_{kj} es la sensibilidad de cada uno de
los sensores ante el parámetro de medida de cualquier carga
F(t) correspondiente, k es el orden de uno de los armónicos
que se desea eliminar, \beta_{j} es la posición angular del
sensor extensométrico (6) respectivo, siendo n el número de sensores
extensométricos y j el número de orden de la
posición.
posición.
2. Método de medida de los esfuerzos generados
en el punto de contacto rueda-carril de vehículos
ferroviarios, según la primera reivindicación, caracterizado
porque el número de sensores extensométricos (6) asociados a cada
puente de medida es al menos el doble del número de armónicos no
deseados de las señales que proporcionan dichos sensores
extensométricos (6).
3. Método de medida de los esfuerzos generados
en el punto de contacto rueda-carril de vehículos
ferroviarios, según la primera reivindicación, caracterizado
porque los sensores extensométricos (6) correspondientes a un mismo
puente de medida se posicionan de forma simétrica respecto de un
diámetro de referencia de la rueda.
4. Método de medida de los esfuerzos generados
en el punto de contacto rueda-carril de vehículos
ferroviarios, según la primera y tercera reivindicaciones,
caracterizado porque a cada sensor extensométrico (6) le
corresponde otro desfasado 180º del primero, determinando cada
pareja un diámetro de medida (Di).
5. Método de medida de los esfuerzos generados
en el punto de contacto rueda-carril de vehículos
ferroviarios, según la primera, tercera y cuarta reivindicaciones,
caracterizado porque las señales asociadas a los sensores
extensométricos (6) de un mismo diámetro de medida (Di) se suman o
se restan según el armónico empleado para la medida sea
respectivamente par o impar, eliminándose a su vez todos los
armónicos cuyo carácter par o impar es contrario al de medida.
6. Método de medida de los esfuerzos generados
en el punto de contacto rueda-carril de vehículos
ferroviarios, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores,
caracterizado porque por cada puente de medida se obtiene
una señal E_{f}, y porque se monta otro puente idéntico asociado
pero cuya posición está girada respecto del anterior un ángulo de
90º/k o cualquier múltiplo impar de esta cantidad, que proporciona
una señal E_{c}, siendo k el orden del armónico a medir.
7. Método de medida de los esfuerzos generados
en el punto de contacto rueda-carril de vehículos
ferroviarios, según la reivindicación sexta y cualquiera de las
reivindicaciones de la primera a la quinta, caracterizado
porque para cada pareja de señales E_{f} y E_{c} asociadas y
denominadas como principales se obtienen otras dos señales E1 y E2
definidas por las fórmulas:
E_{1} = E_{F}
\cdot cos(k \cdot \alpha) - E_{C} \cdot sen(k \cdot
\alpha)
E_{2} = E_{F}
\cdot sen (k \cdot \alpha) + E_{C} \cdot cos(k \cdot
\alpha)
Donde (\alpha) es la posición angular de la
rueda (1) instrumentada y (k) es el número de orden del armónico a
demodular.
\newpage
8. Método de medida de los esfuerzos generados
en el punto de contacto rueda-carril de vehículos
ferroviarios, según la sexta reivindicación y cualquiera de las
reivindicaciones de la primera a la quinta, caracterizado
porque por cada pareja de puentes en fase y cuadratura se colocan
parejas de puentes redundantes adicionales, cada uno de ellos
girados respecto de los principales un ángulo \varphi
diferente.
9. Método de medida de los esfuerzos generados
en el punto de contacto rueda-carril de vehículos
ferroviarios, según la sexta, séptima y octava reivindicaciones y
cualquiera de las reivindicaciones de la primera a la quinta,
caracterizado porque las señales E1 y E2 de cada conjunto de
puentes en fase y cuadratura principales y redundantes asociados,
se definen por las fórmulas:
E_{1} = E_{F}
\cdot cos(k \cdot \alpha)- E_{C} \cdot sen(k \cdot
\alpha)+ E_{RF} \cdot cos(k \cdot (\alpha + \varphi)) -
E_{Rc} \cdot sen(k \cdot (\alpha +
\varphi))
E_{2} = E_{F}
\cdot sen(k \cdot \alpha)+ E_{C} \cdot cos (k \cdot \alpha)+
E_{RF} \cdot sen(k \cdot (\alpha + \varphi)) + E_{RC} \cdot
cos (k \cdot (\alpha+
\varphi))
Donde E_{RF} es la señal del puente en fase
redundante, E_{RC} es la señal del puente en cuadratura
redundante, \alpha es la posición angular de la rueda (1)
instrumentada y \varphi es el desfase angular entre los puentes
principales y los puentes redundantes.
10. Método de medida de los esfuerzos generados
en el punto de contacto rueda-carril de vehículos
ferroviarios, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores,
caracterizado porque se utilizan al menos tres parejas de
puentes principales de sensores extensométricos (6).
11. Método de medida de los esfuerzos generados
en el punto de contacto rueda-carril de vehículos
ferroviarios, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores,
caracterizado porque todos los sensores de cada pareja de
puentes de medida principales y redundantes asociados se sitúan
sobre un mismo círculo de medida.
12. Método de medida de los esfuerzos generados
en el punto de contacto rueda-carril de vehículos
ferroviarios, según la reivindicación onceava y cualquiera de las
reivindicaciones anteriores restantes, caracterizado porque
el armónico utilizado para la medida es el primero.
13. Método de medida de los esfuerzos generados
en el punto de contacto rueda-carril de vehículos
ferroviarios, según la reivindicación onceava y doceava y
cualquiera de las reivindicaciones anteriores restantes,
caracterizado porque las fuerzas vertical (Q) y lateral (Y)
y la posición del contacto rueda/carril se obtienen por combinación
lineal de tres señales E_{1} correspondientes a tres círculos de
medida diferentes.
14. Método de medida de los esfuerzos generados
en el punto de contacto rueda-carril de vehículos
ferroviarios, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores,
caracterizado porque para eliminar los errores de medida de
las cargas y posición del contacto rueda-carril,
asociados a los esfuerzos inerciales y giroscópicos soportados por
el eje montado en las cajas de grasa del vehículo se incorporan
sensores de movimiento lineal y de movimiento angular, los cuales
miden las condiciones de aceleración y velocidad angulares a las
que se ve sometido el eje dinamométrico.
15. Método de medida de los esfuerzos generados
en el punto de contacto rueda-carril de vehículos
ferroviarios, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores,
caracterizado porque la combinación de puentes de medida
asociados empleada, se determina mediante un criterio matemático
que minimiza la influencia del ruido de las señales E1 y E2 de los
distintos puentes de medida asociados sobre la medida de las cargas
y posición del punto de contacto rueda-carril.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
ES200700741A ES2334529B2 (es) | 2007-03-21 | 2007-03-21 | Metodo de medida de los esfuerzos generados en el punto de contacto rueda-carril de vehiculos ferroviarios. |
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ES2334529B2 (es) | 2011-10-28 |
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