ES2436692B1 - Método de determinación de las fuerzas en el contacto rueda-carril en vehículos ferroviarios - Google Patents

Abstract

Método de determinación de las fuerzas en el contacto rueda-carril en vehículos ferroviarios, que comprende la colocación de bandas extensométricas (3) formando dos puentes de Wheatstone sobre posiciones del velo de la rueda (1), proporcionando señales de deformación del velo según la dirección radial, de modo que se obtienen dos canales de medida que proporcionan dos señales en función de la posición angular de la rueda (1) con respecto al contacto rueda-carril, con los siguientes pasos para la determinación de las posiciones de las bandas extensométricas (3):#- Deducción de una función que proporciona el valor de la deformación.#- Construcción de una función que proporciona teóricamente el valor del canal de salida de los puentes.#- Definición de función objetivo para un problema de optimización.#- Selección sobre dos pares de cuadrantes opuestos de dos conjuntos de puntos.#- Obtención de las posiciones de las bandas extensométricas (3) por optimización matemática.

Description

DESCRIPCIÓN

Método de determinación de las fuerzas en el contacto rueda-carril en vehículos ferroviarios

Campo de la invención 5

La presente invención se refiere a un método de determinación de las fuerzas en el contacto rueda-carril en vehículos ferroviarios, de especial aplicación en la homologación de vehículos ferroviarios.

Antecedentes de la invención 10

La homologación de los vehículos ferroviarios exige la determinación de las fuerzas que tienen lugar en el contacto rueda-carril en condiciones de circulación en vía. Para ello se hace uso de los llamados ejes dinamométricos o instrumentados. Los ejes dinamométricos son ejes montados convencionales (generalmente idénticos a los que se usa normalmente en el vehículo) que son convenientemente instrumentados para 15 determinar las fuerzas en el contacto rueda-carril.

Existen una serie de métodos de medida de dichas fuerzas a través de ejes dinamométricos, la mayoría de ellos basados en técnicas de extensometría. Mediante bandas extensométricas se registran medidas de deformaciones en diversos puntos del eje montado (ruedas y/o cuerpo del eje), calculándose a partir de los 20 valores medidos, la posición relativa a la rueda del punto de contacto rueda-carril, así como la fuerza total transmitida entre la rueda y el carril.

El fundamento de la tecnología basada en la medida de deformaciones es por un lado la Teoría de la Elasticidad Lineal, y por otro la linealidad de los propios transductores extensométricos. Con respecto al primer referente, 25 este principio de la Mecánica establece que si sobre un sólido elástico aplicamos una fuerza en un punto y medimos en otro punto la deformación según una determinada dirección, la relación entre ambas magnitudes es lineal, es decir: F

CF

30

donde se denomina coeficiente de influencia elástica. C

Esta fórmula es válida siempre y cuando la respuesta del sistema sea estática, lo cual se produce en el eje montado en el rango de frecuencias que establecen las normas UIC-518 y UNE-EN 14363, ya que la primera frecuencia natural del eje montado se encuentra suficientemente por encima del límite máximo de las normas. 35

En el eje montado, la complejidad en la determinación de las fuerzas en el contacto rueda-carril a través de la deformación registrada en el propio eje reside en que el punto de contacto rueda-carril se mueve con respecto a la rueda. Es evidente colegir que los coeficientes de influencia dependen del ángulo que forma la vertical con respecto a un radio de referencia y que esta relación no puede ser lineal, por lo que la obtención de las fuerzas 40 de contacto a través de las deformaciones puede ser no resoluble. Puede afirmarse que los únicos métodos que proporcionan un algoritmo resoluble de forma analítica son aquellos que proporcionan una señal armónica en para una fuerza dada en el contacto rueda-carril. 

Desarrollos de la técnica anterior que datan de mediados del siglo XX, realizan la instrumentación en el cuerpo 45 del eje con el fin de medir los momentos flectores producidos por todas las fuerzas que actúan sobre el eje montado, y de los momentos calcular finalmente las fuerzas en el contacto rueda-carril. De manera sencilla es posible comprobar que cualquier acción sobre el eje produce un momento alternante que es una función armónica. Esta tecnología consiste en instrumentar con dos puentes situados a 90º en el cuerpo del eje. De esta forma se obtienen de los puentes sendas señales armónicas desfasadas 90º (tipo seno y coseno del ángulo 50 que forma la vertical con respecto a un radio de referencia), calculándose primero el ángulo (a través de la función arcotangente definida para los cuatro cuadrantes de las señales de los dos canales, también conocida por “atan2”) y a continuación el resto de parámetros.

La rodadura Talgo (que adopta ruedas independientes) hace uso de ejes cortos (semiejes) en los que la 55 instrumentación del cuerpo del eje para la medida del flector en varias secciones puede ser compleja. Esta razón induce a la instrumentación de la rueda, técnica que es menos dependiente del diseño de la unión del eje al resto del vehículo, pero que hace que la relación fuerza-medida de los transductores no sea armónica en .

A través de la conexión de las galgas en puentes de Wheatstone pueden establecerse estrategias orientadas a 60 obtener señales que son sensibles exclusivamente a determinados esfuerzos en el contacto rueda-carril, o que

no influyan en la medida las deformaciones correspondientes a las fuerzas centrífugas. En este sentido, algunos investigadores han propuesto metodologías que a través del montaje en puentes de Wheatstone y seleccionando convenientemente las posiciones de las bandas en el velo de la rueda, se obtienen señales que dependen de a través de una forma matemática sencilla que puede ser resuelta analíticamente. Sin embargo, estas metodologías no son válidas cuando alguna característica del diseño (por ejemplo, la existencia de taladros en el 5 velo) rompe la simetría axial.

Adicionalmente, las ruedas empleadas en los coches Talgo disponen de taladros en el velo que hacen que las señales medidas dependan además de la posición de la banda con respecto a los taladros. Como consecuencia de ello, no son de aplicación los procedimientos de la técnica anterior basados en criterios analíticos cuyo 10 fundamento es la descomposición en funciones ortogonales.

Sumario de la invención

El objeto de la invención es proponer un método alternativo a los de la técnica anterior para determinar las 15 fuerzas en el contacto rueda-carril en vehículos ferroviarios mediante un eje dinamométrico que instrumenta el velo de la rueda de manera que la señal de deformación obtenida sea armónica.

La invención proporciona un método de determinación de las fuerzas en el contacto rueda-carril en vehículos ferroviarios, que comprende la colocación de bandas extensométricas sobre posiciones del velo de la rueda, 20 proporcionando dichas bandas extensométricas señales de deformación del velo de la rueda según la dirección radial, estando las bandas extensométricas combinadas para formar dos puentes de Wheatstone, de los cuales se obtienen dos canales de medida que proporcionan dos señales en función de la posición angular de la rueda con respecto al contacto rueda-carril, de modo que para cada banda extensométrica existe otra con el mismo radio y situada a 180º de la primera, en el que para la determinación de las posiciones de las bandas 25 extensométricas en ángulo y radio sobre el velo de la rueda se realizan los siguientes pasos: r,

a) deducción a partir de deformaciones calculadas mediante elementos finitos, de una función en forma cerrada o no, que proporciona, a través de la fuerza transmitida en el contacto rueda-carril, el valor de la deformación según la dirección radial en un punto del velo de 30 la rueda, dependiendo esta función de la posición angular del punto de contacto rueda-carril con respecto a un radio de referencia de la rueda, y de la posición (por ejemplo, en polares ) con respecto a la rueda del punto en el que se miden las deformaciones: rf,,Q

35 rfQ,,

b) construcción a través de llamadas a la función definida en el paso a, de una función que proporciona teóricamente el valor del canal de salida de los puentes de Wheatstone en los que se combinan las bandas extensométricas que instrumentan el velo de la rueda, dependiendo esta función de la fuerza en el contacto rueda-carril, de las posiciones en la rueda en las que se 40 sitúan las bandas extensométricas, y del ángulo que forma un radio de referencia en la rueda con el radio que sitúa el punto de contacto rueda-carril: Q

PjjjjjrrQQS1,º180,f,,f,,,rθ

45

siendo el número de parejas de bandas extensométricas, y los vectores que contienen las posiciones de las bandas; Prθ,

c) definición a partir de llamadas a la función construida en el paso b), de una función objetivo para un problema de optimización que calcula la suma de los cuadrados de los errores cometidos en las 50 estimaciones de ángulos que forman el radio de referencia en la rueda con un conjunto de posiciones de puntos de contacto rueda-carril seleccionados arbitrariamente (es decir, para cada ángulo se determinan los valores de las señales para sendos canales a partir de la función definida en el paso b, y se calcula la posición como si las funciones proporcionadas por los canales fueran armónicas, obteniéndose el error como la diferencia entre el valor supuesto de y 55

el valor calculado de ), dependiendo esta función objetivo de las variables de diseño que son las posiciones en las que se sitúan las bandas extensométricas con respecto a la rueda:

, iiIIIIiIIIIiIQSQS2,,,,,,,2atan),(rθrθrθ

expresión en la que los superíndices I y II indican el canal asociado a cada magnitud o función. 5

d) selección inicial arbitraria sobre dos cuadrantes opuestos del velo de la rueda de un conjunto de puntos cuyas coordenadas corresponden a un primer grupo de variables de diseño de un problema de optimización matemática, y que constituyen una estimación de las posiciones de las bandas extensométricas asociadas al primer canal de medida; 10 IIrθ,

e) selección inicial sobre los otros dos cuadrantes del velo de la rueda que no fueron considerados en el paso anterior d, de un conjunto de puntos cuyas coordenadas corresponden a un segundo grupo de variables de diseño de un problema de optimización matemática, y que constituyen una estimación de las posiciones de las bandas extensométricas asociadas al segundo 15 canal de medida; y IIIIrθ,

f) obtención de las posiciones de las bandas extensométricas mediante optimización matemática a través de la minimización de la función objetivo (paso c), a partir de una estimación inicial de la solución (pasos d y e). 20

El método permite determinar las posiciones de las bandas extensométricas de manera que la señal de deformaciones que se obtenga sea una señal armónica.

Otras características y ventajas de la presente invención se desprenderán de la descripción detallada que sigue 25 de una realización ilustrativa de su objeto en relación con las figuras que se acompañan.

Breve descripción de los dibujos

Con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características de la invención, se acompañan un dibujo 30 de carácter ilustrativo.

La figura 1 muestra el conjunto formado por una rueda de vehículo ferroviario y el carril sobre el que encuentra dicha rueda, señalándose la coordenada que define la posición del contacto.

35

La figura 2 muestra el montaje de las bandas extensométricas para un canal de medida sobre el velo de la rueda.

Descripción detallada de la invención

En la figura 1 se muestra el esquema de una rueda 1 de un vehículo ferroviario y el carril 2 sobre el que se 40 encuentra dicha rueda 1, con su punto de contacto y el ángulo que forma la vertical con respecto a un radio de referencia de la rueda 1. Asimismo se representa la fuerza transmitida en el contacto. Q

El método de la invención determina las posiciones en ángulo y radio () de las bandas 3 en el velo que permiten establecer estrategias para eliminar efectos indeseados (térmicos y centrífugos) y obtener una 45 respuesta armónica en . Para ello se plantea un problema de optimización matemática en el que las variables de diseño son las posiciones de las bandas 3 en el velo.

El primer paso consiste en tipificar el comportamiento elástico de la rueda 1 a instrumentar. Para ello se realiza un modelado de la rueda 1 mediante elementos finitos, a través del cual se obtienen las deformaciones radiales 50 para cualquier posición en la que se mida en el velo, para cualquier posición del punto de contacto rueda-carril en la banda de rodadura. De esta fase se deduce una función que determina la deformación radial en un punto de la rueda 1 debida a una fuerza en el contacto rueda-carril como

, 55

función que depende del ángulo que forma un radio de referencia con aquél que señala el punto de contacto rueda-carril, y de la posición en coordenadas polares de la banda extensométrica 3 en el velo.

El segundo paso consiste en establecer un diseño general del montaje de las bandas 3 en puentes de Wheatstone y seleccionar el número de bandas 3. 5

Las deformaciones debidas a efectos térmicos y las debidas a fuerzas centrífugas son capaces de saturar un canal si se emplean configuraciones de ¼ de puente. Para evitar realizar equilibrados en función de la velocidad del eje o de la variación térmica, se realizan montajes combinados que eliminan estos efectos. En este sentido, el montaje de una banda 3 implicará la colocación de una banda 3 en la misma cara, con el mismo radio, pero 10 situada a 180º de la primera, de manera que las dos bandas 3 se conecten en ramas contiguas del puente Wheatstone para restar sus medidas. Este criterio permite eliminar los efectos térmicos y centrífugos.

Se determina un número de parejas de bandas 3 y una estrategia de colocación de cada banda 3 en el puente de Wheatstone que supone que en la salida del puente la medida de la banda 3 contribuya sumando o 15 restando. La medida obtenida de la salida del puente será QS,,,rθ

,

siendo las coordenadas polares de una de las bandas 3 de la j-ésima pareja, y son vectores en los 20 que se ordenan las coordenadas. jjr,

Se plantean dos canales de medida montando las bandas en puentes de Wheatstone, que tienen asociados dos señales y . Se realiza una estimación inicial de las posiciones de las bandas 3 del primer canal, de manera que sólo ocupen posiciones de dos cuadrantes opuestos de la rueda 1. Se 25 establecen las posiciones de las bandas 3 del segundo canal en las correspondientes al primero, pero giradas 90º. QSIII,,,rθQSIIIIII,,,rθIIrθ,IIIIrθ,

Se define una función objetivo para un problema de minimización matemática donde las variables de diseño son las posiciones de las bandas 3 y . Para ello se hace uso de la función arcotangente para cuatro 30 cuadrantes (atan2). Se seleccionan un conjunto de valores entre 0 y 360º. La función objetivo que depende de las variables de diseño, se define finalmente como: irθ,

.

35

La solución del problema es aquella que hace suficientemente pequeño el valor de la función objetivo , a partir de una estimación inicial de las posiciones de las bandas extensométricas 3 asociadas al primer y al segundo canal de medida. ),(rθ

La figura 2 representa el montaje de las bandas extensométricas 3 para un puente de Wheatstone sobre el velo 40 de la rueda 1. En esta figura se observa que la rueda 1 sobre cuyo velo se determinan las posiciones de las bandas extensométricas 3 en ángulo y radio presenta taladros 4 pasantes sobre dicho velo.

En la realización de la figura 2, el método de la invención emplea 2 puentes de 24 bandas extensométricas 3 (12 parejas) cada uno; cada cara de la rueda 1 presenta 12 bandas extensométricas 3 por puente. Al emplear 2 45 puentes de 24 bandas extensométricas 3 se instrumenta con 48 bandas 3, lo cual permite lograr una calidad bastante buena en los resultados de medida.

Según una realización de la invención, el primer puente tiene su primera banda extensométrica 3 sobre el radio de referencia (ángulo 0º) y el resto de bandas extensométricas 3 se encuentran sobre las posiciones angulares obtenidas mediante el método de la invención, mientras que el segundo puente (no representado en la figura 2) 50 tendría su primera banda extensométrica 3 desfasada 90º con respecto a la primera banda extensométrica 3 del primer puente, y el resto de bandas extensométricas 3 se encontrarían también desfasadas 90º con respecto a las bandas extensométricas 3 correspondientes del primer puente.

Aunque se han descrito y representado unas realizaciones del invento, es evidente que pueden introducirse en ellas modificaciones comprendidas dentro de su alcance, no debiendo considerarse limitado éste a dichas realizaciones, sino únicamente al contenido de las reivindicaciones siguientes.

Claims (4)

1. 
   
   

   REIVINDICACIONES

   1.- Método de determinación de las fuerzas en el contacto rueda-carril en vehículos ferroviarios, que comprende la colocación de bandas extensométricas (3) sobre posiciones del velo de la rueda (1), proporcionando dichas bandas extensométricas (3) señales de deformación del velo de la rueda (1) según la dirección radial, estando 5 las bandas extensométricas (3) combinadas para formar dos puentes de Wheatstone, de los cuales se obtienen dos canales de medida que proporcionan dos señales en función de la posición angular de la rueda (1) con respecto al contacto rueda-carril, de modo que para cada banda extensométrica (3) existe otra con el mismo radio y situada a 180º de la primera,

   10

   caracterizado porque para la determinación de las posiciones de las bandas extensométricas (3) en ángulo y radio sobre el velo de la rueda (1) se realizan los siguientes pasos:

   a) deducción a partir de deformaciones calculadas mediante elementos finitos, de una función en forma cerrada o no, que proporciona, a través de la fuerza transmitida en el contacto rueda-carril, 15 el valor de la deformación según la dirección radial en un punto del velo de la rueda, dependiendo esta función de la posición angular del punto de contacto rueda-carril con respecto a un radio de referencia de la rueda, y de la posición (por ejemplo, en polares ) con respecto a la rueda del punto en el que se miden las deformaciones:

   20

   b) construcción a través de llamadas a la función definida en el paso a, de una función que proporciona teóricamente el valor del canal de salida de los puentes de Wheatstone en los que se combinan las bandas extensométricas que instrumentan el velo de la rueda, dependiendo esta función de la fuerza 25 en el contacto rueda-carril, de las posiciones en la rueda en las que se sitúan las bandas extensométricas, y del ángulo que forma un radio de referencia en la rueda con el radio que sitúa el punto de contacto rueda-carril:

   30

   siendo el número de parejas de bandas extensométricas, y los vectores que contienen las posiciones de las bandas;

   c) definición a partir de llamadas a la función construida en el paso b), de una función objetivo para un 35 problema de optimización que calcula la suma de los cuadrados de los errores cometidos en las estimaciones de ángulos que forman el radio de referencia en la rueda con un conjunto de posiciones de puntos de contacto rueda-carril seleccionados arbitrariamente (es decir, para cada ángulo se determinan los valores de las señales para sendos canales a partir de la función definida en el paso b, y se calcula la posición como si las funciones proporcionadas por los canales fueran 40 armónicas, obteniéndose el error como la diferencia entre el valor supuesto de y el valor calculado de ), dependiendo esta función objetivo de las variables de diseño que son las posiciones en las que se sitúan las bandas extensométricas con respecto a la rueda:

   , 45

   expresión en la que los superíndices I y II indican el canal asociado a cada magnitud o función.

   d) selección inicial arbitraria sobre dos cuadrantes opuestos del velo de la rueda de un conjunto de puntos cuyas coordenadas corresponden a un primer grupo de variables de diseño de un problema de optimización matemática, y que constituyen una estimación de las posiciones de las bandas 50 extensométricas asociadas al primer canal de medida;

   e) selección inicial sobre los otros dos cuadrantes del velo de la rueda que no fueron considerados en el paso anterior d, de un conjunto de puntos cuyas coordenadas corresponden a un segundo grupo de variables de diseño de un problema de optimización matemática, y que constituyen una estimación de las posiciones de las bandas extensométricas asociadas al segundo canal de medida; y

   5

   f) obtención de las posiciones de las bandas extensométricas mediante optimización matemática a través de la minimización de la función objetivo (paso c), a partir de una estimación inicial de la solución (pasos d y e).

   10
2. 2.- Método de determinación de las fuerzas en el contacto rueda-carril en vehículos ferroviarios, según la reivindicación 1, caracterizado porque emplea 2 puentes de 24 bandas extensométricas (3) (12 parejas) cada uno.
3. 3.- Método de determinación de las fuerzas en el contacto rueda-carril en vehículos ferroviarios, según la 15 reivindicación 2, caracterizado porque las bandas extensométricas (3) presentan la siguiente disposición tanto por la cara interna como por la cara externa de la rueda (1):

   - el primer puente tiene su primera banda extensométrica (3) sobre el radio de referencia (ángulo 0º) y el resto de bandas extensométricas (3) se encuentran sobre las posiciones angulares obtenidas,

   - el segundo puente tiene su primera banda extensométrica (3) desfasada 90º con respecto a la primera 20 banda extensométrica (3) del primer puente, y el resto de bandas extensométricas (3) se encuentran también desfasadas 90º con respecto a las bandas extensométricas (3) correspondientes del primer puente
4. 4.- Método de determinación de las fuerzas en el contacto rueda-carril en vehículos ferroviarios, según la 25 reivindicación 1, caracterizado porque la rueda (1) sobre cuyo velo se determinan las posiciones de las bandas extensométricas (3) en ángulo y radio presenta taladros (4) pasantes sobre dicho velo.