ES2833405T3 - Rueda y dispositivo de medición de fuerzas para un vehículo ferroviario - Google Patents
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Abstract
Rueda (1) para un vehículo ferroviario, comprendiendo la rueda (1) una red (11) en donde se forman al menos cuatro orificios (3) a una misma distancia radial del centro de la rueda (1), separados angularmente a 90°, estando al menos un sensor de deformación (4) montado en cada orificio (3) para medir las deformaciones verticales (Fz) cuando la rueda (1) entra en contacto con un raíl (2), constando la red de una cara interior (A), destinada a girarse hacia el centro de una vía ferroviario en uso, y una cara exterior (B) opuesta a la cara interior (A), constando la red (11) de un plano de fibra neutra (N) que se extiende por el espesor de la red (11) a igual distancia de la cara interior (A) y de la cara exterior (B) de dicho orificio (3), estando la rueda caracterizada por el hecho de que los sensores de deformación (4) están dispuestos en un mismo plano de medición que está desfasado con respecto a dicho plano de fibra neutra (N) con el fin de aumentar la sensibilidad de las deformaciones verticales en la posición lateral del punto de contacto rueda/raíl.
Description
DESCRIPCIÓN
Rueda y dispositivo de medición de fuerzas para un vehículo ferroviario
Campo técnico general y técnica anterior
La presente invención se refiere al campo ferroviario y más particularmente a la medición de la interacción entre las ruedas de un vehículo ferroviario y los raíles de la vía ferroviaria sobre los que circula el vehículo.
Un vehículo ferroviario, tal como un tren de alta velocidad TGV®, comprende de manera clásica una pluralidad de coches que constan de ejes sobre los que se montan ruedas, las ruedas entran en contacto con los raíles. Por naturaleza, una rueda consta de un cubo central, una parte anular interior que rodea el cubo, denominada "red de la rueda", y una parte anular exterior que rodea la red, denominada "neumático de la rueda", que consta de una mesa de rodamiento destinada a entrar en contacto con el raíl.
De manera convencional, el raíl se extiende longitudinalmente según un eje longitudinal X, una rueda se apoya verticalmente sobre el raíl según un eje vertical Z que es ortogonal al eje X. La dirección transversal se define según un eje Y ortogonal a los ejes X, Z para formar un sistema de coordenadas ortogonal (X, Y, Z). En lo que sigue, las fuerzas de contacto verticales Fz, transversales Fy y longitudinales Fx se referencian en un marco de referencia ortogonal (X, Y, Z).
Con el fin de optimizar el desplazamiento del vehículo ferroviario sobre los raíles, es primordial conocer la posición lateral, es decir, la posición según el eje Y, el punto de contacto entre una rueda y el raíl sobre la mesa de rodamiento.
Se conoce la solicitud EP2457800 que enseña una rueda de medición que consta de una red en donde se forman orificios. En cada uno de los orificios se monta un sensor de deformación y se orienta en dicho orificio con el fin de favorecer la detección de una deformación longitudinal de la rueda en funcionamiento. La solicitud EP2457800 no permite la determinación de la posición lateral del punto de contacto.
El documento JP 2007331492 A se refiere a una rueda para medir de manera continua la posición de una rueda con un raíl.
Por lo demás, se conoce por la solicitud FR2368701 A1 una rueda para un vehículo ferroviario que comprende orificios formados en el neumático de la rueda en los que se disponen galgas de restricción para medir las fuerzas verticales Fz determinando el punto de contacto entre la rueda y el raíl. Esta rueda de medición comprende numerosos rebajes que debilitan la rueda de medición. También, tal sistema no es aplicable a ningún tipo de neumático de rueda.
También se presentó en la técnica anterior "Measuring rail/wheel contact points of running railway vehicles -Hiromichi Kanehara, Takehiko Fujioka - Wear - Volumen 253, Números 1-2, julio de 2002, Páginas 275-283" un método de determinación de la posición lateral del punto de contacto. Sin embargo, siendo este método sensible a la velocidad de rotación de la rueda, no se puede aplicar para material ferroviario de alta velocidad del tipo TGV®. Por tanto, el objeto de la invención es remediar estos inconvenientes proponiendo una rueda ferroviaria de nuevo diseño que pueda medir con precisión la posición lateral del punto de contacto rueda/raíl y que sea confiable para una rueda ferroviaria impulsada a alta velocidad.
Presentación general de la invención
Para ello, la invención se refiere a una rueda para un vehículo ferroviario, constando la rueda de una red en donde se forma al menos un orificio, estando montado al menos un sensor de deformación en dicho orificio para medir las deformaciones verticales durante el contacto de la rueda con un raíl.
La invención es notable porque, constando la red de una cara interior, destinada a girarse hacia el centro de una vía ferroviario en uso, y una cara exterior opuesta a la cara interior, constando la red de un plano de fibra neutra que se extiende por el espesor de la red a igual distancia de la cara interior y la cara exterior de dicho orificio, el sensor de deformación se desfasa con respecto a dicho plano de fibra neutra con el fin de aumentar la sensibilidad de las deformaciones verticales en la posición lateral del punto de contacto rueda/raíl.
En efecto, de manera ventajosa, la medición de las deformaciones verticales se altera desfasando la posición del sensor de deformación con respecto al plano de fibra neutra de dicho orificio con el fin de aumentar la sensibilidad de las deformaciones verticales en la posición lateral del punto de contacto rueda/raíl.
La posición lateral del punto de contacto influye en las deformaciones verticales porque el gradiente de restricción en el interior de un orificio está compuesto por una parte debida a la fuerza de compresión y una parte debida a la
flexión de la red. El gradiente de restricción relacionado con la flexión de la red depende en gran medida de la posición lateral del punto de contacto. El gradiente de restricción relativo a la flexión de la red se puede medir fácilmente fuera del plano de fibra neutra.
De este modo, de manera práctica y rápidamente, se puede deducir de una medición de deformaciones verticales la posición lateral del punto de contacto, lo que permite mejorar la determinación de las fuerzas mecánicas recibidas por la rueda durante su uso, en particular, su comportamiento dinámico.
Preferentemente, dicho sensor de deformación se extiende sobre una zona de restricción lateral de dicho orificio con el fin de aumentar su sensibilidad a las deformaciones verticales.
Preferentemente, el sensor de deformación está desfasado con respecto a dicho plano de fibra neutra hacia la cara exterior para poder medir un momento de flexión sobre la red.
Según un aspecto preferente de la invención, la rueda consta de al menos cuatro orificios formados en la red a la misma distancia radial del centro de la rueda, separados angularmente 90° y pertenecientes al mismo plano de medición, estando montado al menos un sensor de deformación en cada uno de dichos orificios. De este modo, la posición lateral del punto de contacto rueda/raíl se detecta uniformemente en la periferia de la rueda. Además, dado que los sensores de deformación pertenecen al mismo plano de medición y están sobre el mismo radio, la influencia de la fuerza centrífuga es idéntica. Preferentemente, cada orificio consta al menos de dos sensores de deformación con el fin de mejorar la medición de las deformaciones verticales. También preferentemente, los sensores de deformación se colocan en las zonas de restricción laterales de un orificio.
Preferentemente, los sensores de deformación están interconectados para formar un puente de Wheatstone adecuado para proporcionar una señal de deformación. Tal puente permite proporcionar una señal de deformación que modela el conjunto de la rueda.
Preferentemente, el puente de Wheatstone está configurado para calcular la diferencia entre la suma de las deformaciones medidas en el primer y tercer orificios diametralmente opuestos y la suma de las deformaciones medidas en el segundo y cuarto orificios diametralmente opuestos. Tal puente de Wheatstone permite una compensación natural de los efectos de la fuerza centrífuga.
La invención también se refiere a un dispositivo para medir las fuerzas de contacto de una rueda de un vehículo ferroviario sobre un raíl, comprendiendo el dispositivo una rueda tal como se ha presentado anteriormente y un calculador conectado a dicha rueda y configurado para calcular la posición lateral del contacto rueda/raíl en función de las deformaciones verticales medidas por dicho sensor de deformación.
Preferentemente, el dispositivo consta de medios de detección de la posición angular de dicho orificio con respecto a la posición de contacto rueda/raíl. Se puede asociar una posición de contacto lateral para cada posición de contacto angular.
La invención también se refiere a un procedimiento de determinación de la posición lateral del punto de contacto rueda/raíl para una rueda tal como se presentó anteriormente, constando el procedimiento de:
- una etapa de medición de las deformaciones verticales mediante el sensor de deformación montado en el orificio y desfasado con respecto al plano de fibra neutra; y
- una etapa de determinación de la posición lateral del punto de contacto rueda/raíl comparando dicha medición de deformaciones verticales con una medición de referencia obtenida previamente.
Preferentemente, la medición de referencia se obtiene durante la calibración del sensor de deformación de la rueda sobre un banco de calibración.
Presentación de las figuras
La invención se comprenderá mejor con la lectura de la descripción que va a seguir, dada únicamente a título de ejemplo y que hace referencia a los dibujos adjuntos en los que:
- la figura 1 es una representación esquemática frontal de una rueda de medición de fuerzas según una forma de realización de la invención;
- la figura 2 es una vista en primer plano de un orificio de la figura 1;
- la figura 3 es una vista en corte de la rueda de la figura 1;
- la figura 4 es una vista en primer plano de la figura 3;
- la figura 5 es un diagrama esquemático de un puente de Wheatstone que conecta los sensores de deformación de la rueda; y
- las figuras 6A-6C representan respectivamente los gradientes de deformación de la rueda en compresión, en flexión y en combinación.
Hay que señalar que las figuras exponen la invención de manera detallada para implementar la invención, pudiendo dichas figuras, por supuesto, servir para definir mejor la invención, llegado el caso.
Descripción de uno o varios modos de realización y de implementación
En la figura 1 se representa esquemáticamente una rueda 1 de medición de fuerza para un vehículo ferroviario sobre la posición de uso sobre un raíl 2. La rueda circular 1 está hecha principalmente de acero y consta de un cubo central 10 destinado a conectarse a un eje de vehículo ferroviario, presentándose un neumático de rueda 12 en forma de corona anular exterior y una red de rueda 11 en forma de una corona anular interior situada entre el cubo 10 y el neumático 12. La rueda 1 es monobloque, siendo la red de rueda 11 solidaria con el neumático 12 para formar un conjunto estructural.
De manera conocida, la red 11 consta de una cara interior A (figura 3) destinada a girarse hacia la vía férrea durante su uso y una cara exterior B, opuesta a la cara interior A.
De manera convencional, el neumático 12 de la rueda 1 está destinado a entrar en contacto con un raíl 2 mostrado en la figura 1. El raíl 2 se extiende según una dirección longitudinal X, apoyándose la rueda 1 verticalmente sobre el raíl 2 según una dirección vertical Z. En lo que sigue, las fuerzas de contacto verticales Fz, transversales Fy y longitudinales Fx entre la rueda 1 y el raíl 2 están referenciados en el marco de referencia ortogonal (X, Y, Z) de la figura 1.
En este ejemplo, la rueda 1 posee un diámetro exterior del orden de 890 mm y está perforada en su red 11 con una pluralidad de orificios 3. La rueda 1 consta de un centro de rueda (no referenciado), estando la dirección radial definida con respecto al centro de la rueda. Como se ha representado en la figura 2, cada orificio 3 pasa a través de la red 11 de la rueda 1 y se forma sobre un diámetro interior del orden de 530 mm de la rueda 1, siendo el diámetro de cada uno de los orificios 3 del orden de 50 mm.
La invención se ha presentado aquí para orificios circulares 3, pero huelga decir que la invención también se aplica a orificios de forma ovalada o elíptica.
Un orificio 3 consta en su periferia de zonas de restricciones cuya sensibilidad a las deformaciones varía según el tipo de deformaciones. En efecto, las fuerzas de deformaciones se amplifican por la presencia de un orificio 3 en la red 11 de la rueda 1, amplificando ciertas zonas de la periferia del orificio 3 ciertos tipos de deformaciones más que otros. En particular, para un único orificio 3, las zonas de restricciones laterales, situadas entre las zonas de restricciones radialmente interior y exterior, son sensibles a las deformaciones verticales. Como se ilustra en la figura 3, la red 11 consta de un plano de fibra neutra N que se extiende por el espesor de la red 11 a igual distancia de la cara interior A y de la cara exterior B de cada orificio 3.
En este ejemplo de realización, con referencia a la figura 1, la rueda 1 consta de cuatro orificios 3 a una misma distancia radial del centro de la rueda y con una separación angular de 90°. En lo que sigue, los orificios 3 se referencian consecutivamente 3-1, 3-2, 3-3 y 3-4. Huelga decir que la rueda 1 podría comprender más de cuatro orificios, en particular, ocho con el fin de aumentar la precisión espacial. En efecto, para una rueda que consta de ocho orificios, se toma una medición cada 45° en lugar de 90° para una rueda que consta de cuatro orificios.
En esta forma de realización, dos sensores de deformación 4 están montados en cada uno de los orificios 3 como se ilustra en la figura 2. Los dos sensores 4 están montados diametralmente opuestos en un orificio 3, preferentemente, de lateralmente para aumentar su sensibilidad a las deformaciones verticales. Dicho de otra manera, cada orificio 3 está asociado con un sensor de deformación derecho 4D y un sensor de deformación izquierdo 4G. En este ejemplo, los orificios 3-1, 3-2, 3-3, 3-4 están asociados respectivamente con los sensores de deformación 4G-1, 4D-1; 4G-2, 4D-2; 4G-3, 4D-3; 4G-4, 4D-4. Preferentemente, cada sensor de deformación 4 presenta la forma de una galga de restricción conocida por los expertos en la materia.
Los sensores de deformación 4 están dispuestos en un mismo plano de medición con el fin de ser sometidos de manera idéntica a los efectos de la fuerza centrífuga. Los sensores de deformación 4 permiten medir la fuerza vertical Fz. De conformidad con la invención, el plano de medición está desfasado con respecto al plano de fibra neutra N como se ilustra en la figura 3, en particular, hacia la cara exterior B. Tal posicionamiento permite variar la medición de la fuerza vertical Fz en función de la posición lateral del punto de contacto rueda/raíl. En efecto, dado que cada sensor de deformación 4 está desfasado con respecto a la fibra neutra N, la fuerza recíproca aplicada por el raíl 2 sobre la rueda 1 es muy sensible en la posición longitudinal del punto de contacto. En particular, el gradiente de restricción relacionado con la flexión de la red depende en gran medida de la posición lateral del punto de contacto.
En efecto, como se ilustra en las figuras 6A-6C, el gradiente de restricción en el interior de un orificio 3 (Figura 6C) está compuesto por una parte debido a la fuerza de compresión (Figura 6A) y una parte debido a la flexión de la red (Figura 6B). Fuera del plano de fibra neutra, el gradiente de restricción relativo a la flexión de la red es mayor.
También, midiendo el gradiente de restricción global (6C) en el interior de un orificio 3, se puede deducir la posición lateral del punto de contacto.
Con referencia a la figura 4, el plano de medición de los sensores de deformación 4 está más cerca de la cara exterior B del orificio 3 en donde está solo montada la cara interior A. La distancia ortogonal d entre un sensor de deformación 4 y el plano de fibra neutra N depende del tipo de rueda y se determina de antemano, en particular, por un método de determinación de elementos finitos. En la presente forma de realización, la distancia d está comprendida entre 5 y 15 mm.
Según una forma de realización preferente de la invención, con referencia a la figura 5, los sensores de deformación 4 de los orificios 3 están conectados para formar un puente de Wheatstone, también denominado "PUENTE DELTA" y que es conocido de por sí por los expertos en la materia. Tal puente está configurado para medir las deformaciones sobre una superficie de la rueda 1 durante su funcionamiento. Los sensores de deformación 4 están conectados para compensar la fuerza centrífuga, así como las diferencias de temperatura. Los signos de los sensores de deformación 4 en la figura 5 indican si el desequilibrio del puente es positivo o negativo, siendo este tipo de indicación conocido por los expertos en la materia. En este ejemplo, con referencia a la figura 5, el puente de Wheatstone está configurado para calcular la diferencia entre la suma de las deformaciones medidas en el primer y tercer orificios diametralmente opuestos y la suma de las deformaciones medidas en el segundo y cuarto orificios diametralmente opuestos. Tal puente de Wheatstone permite una compensación natural de la fuerza centrífuga, lo que permite eliminar el impacto de la fuerza centrífuga en las mediciones. El puente de Wheatstone proporciona una señal global de las deformaciones de la red 11 de la rueda 1 que es función de la rotación de la rueda 1. La amplitud de esta señal varía en función de la posición lateral del punto de contacto como se explicó anteriormente.
Según un aspecto de la invención, la rueda 1 pertenece a un dispositivo de medición (no representado) que está preferentemente a bordo del vehículo ferroviario. Este dispositivo de medición de las fuerzas de contacto de una rueda 1 de un vehículo ferroviario sobre un raíl 2 consta de una rueda 1 tal como se presentó anteriormente y un calculador conectado a al menos un sensor de deformación 4 de la rueda 1 para calcular las fuerzas aplicadas a la rueda 1, en particular, las fuerzas verticales Fz.
Preferentemente, el dispositivo de medición consta, además, de medios de detección de la posición angular de la zona de la rueda 1 en contacto con el raíl 2, estando los medios de detección conectados al calculador. De este modo es posible deducir qué orificio 3 está cerca de la zona de contacto. Preferentemente, los medios de detección de la posición de la zona de la rueda en contacto con el raíl presentan la forma de un codificador angular, pero huelga decir que otros medios podrían ser adecuados. A título de ejemplo, el codificador angular mide un ángulo 0 entre la línea que pasa a través de un orificio 3 predeterminado y una línea vertical que sirve como referencia. La lectura del ángulo 0 permite de este modo determinar que es el orificio 3 más cercano al punto de contacto rueda/raíl. La posición angular de cada orificio 3 se define de este modo con precisión con respecto al ángulo 0. La posición de contacto lateral se deduce ventajosamente de ella para cualquier posición de contacto angular.
Gracias a la rueda 1 y al dispositivo de medición de la invención, las variaciones en la fuerza vertical se miden con precisión y la posición lateral del punto de contacto rueda/raíl se deduce de ellas para cualquier posición angular. Preferentemente, la posición lateral del punto de contacto rueda/raíl se determina comparando dicha medición de deformaciones verticales con una medición de referencia obtenida previamente. Preferentemente, la medición de referencia se obtiene durante la calibración del sensor de deformación de la rueda sobre un banco de calibración. De manera muy ventajosa, no es necesario utilizar ruedas específicas para detectar la posición lateral del punto de contacto rueda/raíl, una rueda estándar que se puede mecanizar y equipar con sensores de deformación convenientemente colocados con el fin de usar como rueda de medición.
Claims (9)
1. Rueda (1) para un vehículo ferroviario, comprendiendo la rueda (1) una red (11) en donde se forman al menos cuatro orificios (3) a una misma distancia radial del centro de la rueda (1), separados angularmente a 90°, estando al menos un sensor de deformación (4) montado en cada orificio (3) para medir las deformaciones verticales (Fz) cuando la rueda (1) entra en contacto con un raíl (2), constando la red de una cara interior (A), destinada a girarse hacia el centro de una vía ferroviario en uso, y una cara exterior (B) opuesta a la cara interior (A), constando la red (11) de un plano de fibra neutra (N) que se extiende por el espesor de la red (11) a igual distancia de la cara interior (A) y de la cara exterior (B) de dicho orificio (3), estando la rueda caracterizada por el hecho de que los sensores de deformación (4) están dispuestos en un mismo plano de medición que está desfasado con respecto a dicho plano de fibra neutra (N) con el fin de aumentar la sensibilidad de las deformaciones verticales en la posición lateral del punto de contacto rueda/raíl.
2. Rueda (1) según la reivindicación 1, en donde, dicho sensor de deformación (4) se extiende sobre una zona de restricción lateral de dicho orificio (3).
3. Rueda (1) según una de las reivindicaciones 1 a 2, en donde el sensor de deformación (4) está desfasado con respecto a dicho plano de fibra neutra (N) hacia la cara exterior (B).
4. Rueda (1) según una de las reivindicaciones 1 a 3, en donde cada orificio (3) consta al menos de dos sensores de deformación (4G, 4D).
5. Rueda (1) según una de las reivindicaciones 1 a 4 en donde, los sensores de deformación (4) están interconectados para formar un puente de Wheatstone adecuado para proporcionar una señal de deformación (SD).
6. Rueda (1) según la reivindicación 5, en donde el puente de Wheatstone está configurado para calcular la diferencia entre la suma de las deformaciones medidas en el primer y tercer orificios (3-1, 3-3) diametralmente opuestos y la suma de las deformaciones medidas en el segundo y cuarto orificios (3-2; 3-4) diametralmente opuestos.
7. Dispositivo de medición de las fuerzas de contacto de una rueda de un vehículo ferroviario sobre un raíl, constando el dispositivo de una rueda según una de las reivindicaciones 1 a 6 y un calculador conectado a dicha rueda (1) y configurado para calcular la posición lateral de contacto rueda/raíl en función de las deformaciones verticales (Fz) medidas por dicho sensor de deformación (4).
8. Dispositivo según la reivindicación anterior, en donde el dispositivo consta de medios de detección de la posición angular de dicho orificio (3) con respecto a la posición de contacto rueda/raíl.
9. Procedimiento de determinación de la posición lateral del punto de contacto rueda/raíl de una rueda según una de las reivindicaciones 1 a 6, constando el procedimiento de:
- una etapa de medición de las deformaciones verticales mediante el sensor de deformación (4) montado en el orificio (3) y desfasado con respecto al plano de fibra neutra (N); y
- una etapa de determinación de la posición lateral del punto de contacto rueda/raíl comparando dicha medición de deformaciones verticales con una medición de referencia obtenida previamente.
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