ES2854932T3

ES2854932T3 - Método para calcular la velocidad de avance de un vehículo ferroviario

Info

Publication number: ES2854932T3
Application number: ES17724628T
Authority: ES
Inventors: Roberto Tione
Original assignee: Faiveley Transport Italia SpA
Current assignee: Faiveley Transport Italia SpA
Priority date: 2016-04-05
Filing date: 2017-04-04
Publication date: 2021-09-23
Anticipated expiration: 2037-04-04
Also published as: HUE053336T2; JP6983802B2; WO2017175119A1; CN109070916B; ITUA20162297A1; JP2019511190A; US20190111787A1; EP3439940B1; RU2740353C2; RU2018138795A3; CN109070916A; EP3439940A1; RU2018138795A

Abstract

Un método para calcular o estimar la velocidad de un vehículo ferroviario, en el que al menos un eje (A) tiene asociado un sistema de control (SS, CM, TC, APM) de la adhesión de las ruedas (W) a los raíles, comprendiendo el método las etapas de: generar señales de velocidad indicativas de la velocidad angular (ω) de las ruedas (W) de dicho al menos un eje (A); estimar, como función de dicha velocidad angular (ω), el valor de la adhesión (m) en la zona de contacto de las ruedas (W) de dicho eje (A) y los raíles, usando un observador de adhesión (1201) y calculando el valor del deslizamiento de velocidad (d) de las ruedas (W) de dicho eje (A) controlado; generar señales representativas de la derivada (dm/dd) de dicha adhesión (m) como una función del deslizamiento (d) de las ruedas (W) de dicho eje (A); generar una señal de activación (C(Tj+1)) para medios (1205) de control de par torsor que controlan el par torsor aplicado a las ruedas (W) de dicho eje (A), por medio de un control (1204) adaptativo de las citadas señales (dm/dd) derivadas como función de una señal de error (e(Tj+1)) indicativa de la diferencia entre dicha derivada (dm/dd) y un valor de referencia predeterminado tal como para reducir y mantener dicha diferencia sustancialmente en cero; aplicar dicha señal de activación (C(Tj+1) a dichos medios (1205) de control de par torsor y a continuación calcular la velocidad del vehículo como velocidad de avance lineal de dicho al menos un eje (A) controlado.

Description

DESCRIPCIÓN

Método para calcular la velocidad de avance de un vehículo ferroviario

La presente invención se refiere a un proceso para mejorar el cálculo de la velocidad de avance de un vehículo ferroviario, cuando los ejes del vehículo están en fase de deslizamiento debido a condiciones degradas de adhesión de los raíles.

Resulta de particular importancia el conocimiento más preciso de la velocidad de avance de un vehículo ferroviario, por ejemplo para activar sistemas de control, tal como sistemas antideslizantes, y para referencias odométricas instaladas a bordo.

Un método conocido para determinar de manera precisa la velocidad de un vehículo ferroviario consiste en mantener un eje “muerto”, no sometido a pares de tracción o de frenado, de modo que la medición de su velocidad sea la mejor reproducción de la velocidad real de dicho vehículo. Esta solución es particularmente eficaz en el caso de una adhesión particularmente baja entre las ruedas y el raíl cuando, durante la tracción o el frenado, todas las ruedas pueden entran en una condición de deslizamiento, y por lo tanto no estar en una posición que proporcionen una información correcta con relación a la velocidad real del vehículo. En este caso, un eje “muerto” no sometido a pares de tracción o de frenado podría seguir siendo un indicador fiable de la velocidad del vehículo.

Las modernas arquitecturas de los vehículos ferroviarios, especialmente en el caso de los vehículos del metro, tienden a tener composiciones muy limitadas, por ejemplo están formados para solo dos vagones. De esa manera, mantener un eje “muerto” podría conducir a una pérdida significativa de la capacidad de tracción y frenado del tren. La Figura 9A de los dibujos que se acompañan muestra una composición con dos coches independientes. Y la Figura 9B muestra una composición con dos coches vinculados por medio de un bogie de Jacob: es evidente como el uso de un eje “muerto” reduce la capacidad de tracción y frenado en un 12,5% en el primer caso, y en un 16,7% en el segundo caso.

El documento EP 0218839 A2 divulga un método para calcular o estimar la velocidad de un vehículo ferroviario, del que al menos un eje tiene un sistema asociado de control de la adhesión del vehículo a los raíles.

Un objeto de la presente invención consiste, por lo tanto, en proponer un nuevo método que permita recuperar por completo el luso del eje “muerto” a los efectos de tracción y frenado, incluso en el caso de adhesión particularmente reducida, incrementando con ello la capacidad de tracción y frenado del tren, mientras permite que el citado eje rastree de forma precisa la velocidad del tren para una evaluación precisa del avance del mismo.

La descripción de la presente invención se refiere al caso específico de frenado implementado por medio de un sistema antideslizante. Los expertos en la materia pueden, no obstante, deducir fácilmente una manera de implementar la presente invención a través de un sistema independiente. También, los expertos en la materia pueden deducir la aplicación dual, con relación al caso de tracción, a la que se refieren las reivindicaciones subsiguientes de la presente solicitud.

El objeto definido con anterioridad ha sido alcanzado conforme a la presente invención con un método en el que las características más destacadas del mismo están definidas en la reivindicación 1 anexa.

Otras características y ventajas de la invención resultarán evidentes a partir de la descripción detallada que sigue, proporcionada únicamente a título de ejemplo no limitativo con referencia a los dibujos que se acompañan, en los que:

La Figura 1 es un diagrama de bloques de un sistema de control antideslizante de las ruedas de un vehículo ferroviario;

La Figura 2 es un diagrama de bloques de un sistema de control en bucle cerrado de una velocidad de rotación del eje;

La Figura 3 es un gráfico que muestra cualitativamente la tendencia del coeficiente de adhesión p de las ruedas de un eje, mostrado en el eje Y, como función del deslizamiento 8, mostrado en el eje X;

La Figura 4 es un diagrama que ilustra las fuerzas aplicadas a una rueda del eje;

Las Figuras 5A y 5B son gráficos usados para ilustrar en detalle el criterio de control al que se refiere la presente invención, mostrando la Figura 5B, a mayor escala, una parte del gráfico de la Figura 5A;

Las Figuras 6, 7 y 8 son diagramas relativos a diferentes sistemas para la implementación del método conforme a la presente invención, y

La Figura 9A, ya descrita, es un tren con dos coches independientes, y la Figura 9B, asimismo ya descrita, es un tren con dos coches vinculados con un bogie de Jacobs.

En los vehículos de ferrocarril más modernos se han instalado sistemas electrónicos a bordo, los cuales incluyen típicamente subsistemas de control de deslizamiento, destinados a intervenir cuando el vehículo está en fase de tracción y también cuando está en fase de frenado. Estos subsistemas son conocidos como sistemas antideslizamiento, o también como sistemas WSP (Wheel Slide Protection).

Un sistema para controlar la adhesión de las ruedas, como función antideslizante, conforme a la técnica anterior, ha sido representado esquemáticamente en la Figura 1 de los dibujos que se acompañan, el cual se refiere a un vehículo con n ejes A1, A2, ..., An controlados, Los ejes A1, A2, ..., An comprenden un árbol S1, S2, ..., Sn respectivo, y un juego de ruedas W1, W2, ..., Wn integrales en cuanto a rotación con los mismos.

En los dibujos, solamente se ha representado en general una rueda de cada eje.

El sistema WSP de la Figura 1 comprende una unidad de control electrónico ECU, basada típicamente en arquitectura de microprocesador, que recibe señales de tacómetro relativas a la velocidad angular de cada eje A1, A2, ..., An desde sensores SS1, SS2, ..., SSn asociados respectivamente a esos ejes. La unidad de control electrónico ECU está también conectada a aparatos TC1, TC2, ..., TCn de control de par torsor, cada uno de ellos asociado a un eje A1, A2, ..., An respectivo.

La unidad de control electrónico ECU ha sido proporcionada para que realice una modulación del par torsor aplicado a cada eje conforme a un algoritmo predeterminado si, en el caso de aplicación de par torsor durante la tracción o el frenado en una condición de adhesión degradada, las ruedas de uno o más ejes terminan en una posible condición de patinaje incipiente. La modulación del par torsor se implementa de tal modo que impida un bloqueo total de los ejes, posi8blemente con el fin de llevar cada eje a una condición de deslizamiento controlado con la intención de recuperar la adhesión, y en cualquier caso durante la duración total de la condición de adhesión degradada.

La Figura 2 muestra un diagrama de bloques que ilustra un sistema de control/recuperación de adhesión para un eje genérico: el error o la diferencia E(t) entre el valor VR(t) de la velocidad de referencia a la que se desea que deslice el eje A controlado y velocidad VM(t) medida, detectada por el sensor SS asociado y acondicionada por un módulo APM de adquisición y procesamiento, se aplica como señal de entrada a un módulo de control CM, el cual presenta a la salida una señal Y(t) para el aparato ^tC de control de par torsor asociado al eje A.

La velocidad VR(t) de referencia se obtiene como una fracción de la velocidad instantánea del vehículo, por ejemplo según la expresión:

donde Vv(t) es la velocidad instantánea (calculada) del vehículo, y 8 representa el deslizamiento relativo del eje A a ser obtenido durante la fase de derrape.

Resulta evidente que el conocimiento de la velocidad VV(t) instantánea del vehículo es esencial para controlar apropiadamente el derrape.

En caso de frenado, el algoritmo más usado para la estimación de la velocidad VV(t) real del vehículo utiliza una función del tipo:

Vv(T j) = ^{m a x [ 5 1 ( r f ) , .} Sn(T¡), ⁽¹ Vv(Th l ) amax ■ T)] ^{( 2 )}mientras que en el caso de frenado, se usa la siguiente función:

donde amax es la aceleración máxima permitida para el vehículo en funcionamiento, teniendo esta aceleración un signo positivo en el caso de una condición de tracción y un signo negativo en el caso de una condición de frenado. La contribución (Vv(Tj^-1) amaxT) en las relaciones (2), (3) sirve para contener la variación de Vv(t) dentro de límites fijos permitidos por el tren, cuando las excesivas variaciones instantáneas y concurrentes de las velocidades de los ejes debido a condiciones de adhesión particularmente degradadas, en condiciones de tracción o de frenado, podrían conducir a una pérdida significativa de la velocidad Vv(t) calculada con esas relaciones (2), (3).

Se conocen variantes más precisas de las relaciones (2), (3) basadas aún en la medición instantánea de la velocidad individual de los ejes. Aquí resulta evidente cómo la disponibilidad de un eje “muerto” podría hacer (2), (3) extremadamente precisas si todos los ejes estuvieran sometidos a par torsor durante la fase de derrapaje.

A título de ejemplo no limitativo, una realización posible de un aparato TC de control de par torsor del par torsor aplicado a un eje, se encuentra descrito e ilustrado en la solicitud de patente italiana núm. 10201500008465 depositada el 22 de diciembre de 2015.

Un aparato de control de par torsor puede estar realizado conforme a muchas variantes conocidas por los expertos en la materia.

Según se sabe bien, el coeficiente de adhesión p(8) entre ruedas y raíles, varía en función del deslizamiento 8 sustancialmente de la manera que se ha ilustrado en la Figura 3. En base a la expresión (1) anterior, 8 puede ser expresada como:

siendo 0 < Vr < Vv y 0 < 8 < 1.

En la Figura 3, las curvas 1, 2 y 3 representan cualitativamente representan la tendencia de la adhesión en función de las condiciones ambientales: la curva 1 corresponde a una condición de adhesión en condiciones de contacto en seco entre las ruedas y los raíles, la curva 2 corresponde a una condición de adhesión en presencia de humedad entre las ruedas y los raíles, y la curva 3 representa una condición de adhesión en presencia de material viscoso entre las ruedas y los raíles, tal como aceite o hojas podridas (condición típica en el período de otoño), o incluso herrumbre mezclado con humedad (condición típica en los depósitos de ferrocarril).

Se ha encontrado experimentalmente que los valores de 8 en los picos de adhesión a¹, a², a3 varía con el cambio de las condiciones de adhesión, las cuales se mueven a lo largo de una curva tal y como indica A en la Figura 3.

Las mediciones experimentales demuestran como se extiende la curva A en un área correspondiente a valores 0 < 8 < 0,02 incluso en condiciones de adhesión muy degradadas.

Si uno o más ejes, por ejemplo el definido con anterioridad como eje “muerto”, puede ser mantenido sobre la curva A durante la tracción o el frenado, se consigue el efecto dual de uso, para dichos ejes, la máxima adhesión disponible y al mismo tiempo frenar a la velocidad real del tren, correspondiente a 8 = 0, con un error máximo del 2%.

La Figura 4 es un diagrama que ilustra fuerzas aplicadas a una rueda A del eje. A partir de esta Figura, se aprecia con claridad que:

Fm -R = FA ■ R — J ■ á) (5)

donde:

FA = [ L - m- g (6)

para la que:

Fm = \ i - m - g - J / R - ^ü) (7)

donde Fm es la fuerza tangencial aplicada a una rueda por el sistema de tracción y/o frenado, R es el radio de loa rueda, J es el momento de inercia del eje, m es la masa aplicada a la zona de contacto rueda-raíl, y w es la aceleración angular instantánea del eje.

Está claro que a la misma velocidad angular instantánea, la máxima fuerza Fm aplicable se obtiene en correspondencia con el valor máximo de adhesión p, es decir en los puntos que se encuentran sobre la curva A de la Figura 3.

El método según la invención hace uso de un observador de adhesión para evaluar en tiempo real el valor p de adhesión en la zona de contacto entre las ruedas y los raíles para uno o más ejes durante una fase de derrapaje y, el procesamiento de esos valores de p en tiempo real identifica de forma continua en el tiempo el valor de 8 que ha de ser asignado a un sistema de control de deslizamiento.

Un observador de adhesión adaptado para identificar dinámicamente el valor p(Tj) instantáneo de la adhesión en un período Tj de muestreo genérico de una duración T predeterminada en la zona de contacto rueda-raíl durante el derrapaje, puede ser definido usando la ecuación (7) a partir de la cual, con algunos pasos simples, se obtiene la siguiente relación:

donde:

w es la aceleración angular del eje, es decir la derivada respecto al tiempo de la velocidad angular del eje; el valor de esta aceleración se encuentra ya disponible en tiempo real dentro de un sistema de recuperación de control y adhesión, puesto que la aceleración angular es una de las variables en las que se basa normalmente la función de control implementada por el bloque CM de la Figura 2 para controlar el deslizamiento del eje;

m es la masa sobre la zona de contacto rueda-raíl; en los trenes de última generación, el valor m es conocido en tiempo real, dado que se encuentra normalmente disponible en el sistema que calcula la fuerza de aceleración/frenado a aplicar al eje para obtener las aceleraciones/deceleraciones deseadas;

J es el momento de inercia del eje y es un parámetro cuyo valor siempre es conocido, puesto que lo proporciona el fabricante de los vagones, dado que es fundamental para el cálculo de las distancias de parada;

Fm, definido ya con anterioridad en relación a la Figura 4, puede ser obtenido al multiplicar la presión aplicada al cilindro de freno, por ejemplo en al sistema de frenado, por coeficientes de conversión presión/fuerza típicos del cilindro de freno, así como los coeficientes de transmisión y eficiencia de las palancas y del coeficiente de fricción entre los forros y los discos de freno (en el caso de frenos de disco); en el caso de tracción o de frenado electrodinámicos, el valor de la fuerza Fm puede ser obtenido a partir del valor de la corriente eléctrica alimentada/generada por el motor en tracción o, respectivamente, en frenado; en el caso de lo que se conoce como frenado “combinado”, la intensidad de la fuerza Fm puede ser determinada como la suma de las respectivas contribuciones del freno neumático y del freno electroneumático, apropiadamente ponderadas con coeficientes respectivos, y

Tj es el jésimo período de muestreo del sistema con el que se lleva a cabo el observador de adhesión y, de forma más general, el método conforme a la invención; en la descripción que sigue, Tj sustituirá el uso de la variable t que representa el tiempo.

Más adelante del observador de adhesión, se puede proporcionar apropiadamente un filtro de tipo pasa-bajo, para eliminar o al menos mitigar las variaciones instantáneas y de ruido presentes fuera de la banda de frecuencia útil para una correcta observación de los valores de adhesión.

Una realización de un sistema para implementar un método conforme a la presente invención ha sido ilustrada en la Figura 6.

El método proporciona identificación y rastreo del valor 8 de deslizamiento de al menos un eje, de modo que la curva p(8) ilustrada en la Figura 5 muestra el valor máximo, es decir, el valor para el que dp,(T)/d8(T)=0.

A este efecto, se puede usar un sistema que implementa un algoritmo de LMS (Mínimo Cuadrado Medio). Para una descripción precisa de las características generales de los criterios de convergencia y de las variantes de implementación de algoritmos de LMS, consúltese la literatura disponible en particular con el texto B. Widrow, “Adaptive Signal Processing”, New Jersey, Prentice-Hall, Inc., 1985.

Con referencia a la Figura 6, un observador de adhesión 1201 recibe señales de entrada representativas del valor de la velocidad co de la rueda del eje An controlado que debe ser mantenido en el pico de adhesión, junto con un vector X que contiene los valores de las magnitudes m(Tj), J, R y Fm(T) descritos con anterioridad, para la estimación del valor instantáneo de adhesión p,(Tj) con relación al eje controlado.

La salida del observador de adhesión 1201 está conectada a la entrada de un módulo 1202 que calcula el valor de la derivada dp,/d8, por ejemplo conforme a la ecuación:

donde el valor 8 se obtiene en tiempo real conforme a la ecuación (4).

Un sumador 1203 presenta a la salida una señal de error e(Tj) como la diferencia entre el valor deseado de dicha derivada (es decir, el valor 0) y su valor instantáneo calculado por el módulo 1202, y dicho error se usa para adaptar el algoritmo de LMS implementado en un bloque 1204.

Este último proporciona a la salida una solicitud de par torsor C(Tj⁺¹) para dicho eje, la cual es transmitida a un módulo 1205 de control de par torsor de tipo en sí conocido, que tiene por ejemplo la arquitectura descrita en la solicitud de patente italiana mencionada con anterioridad, con referencia a la Figura 3.

De una manera en sí conocida, el módulo 1204 corrige de forma continuada la salida C(Tj⁺¹) con el fin de minimizar o anular el error e(T), es decir, con el fin de obtener una anulación de la derivada mencionada con anterioridad, es decir, con el fin de llevar y mantener dicho eje controlado en el valor de máxima adhesión.

Aplicando, por lo tanto, la solución conforme a la Figura 6 a al menos uno eje, dicho eje avanzará siempre a una velocidad lineal igual a la del vehículo (con menos de un error máximo que puede ser estimado en un 2%), incluso en condiciones de adhesión degrada, al mismo tiempo que proporciona el valor máximo de fuerza, en tracción o en frenado, hecho posible por la adhesión disponible.

Una implementación simplificada del grupo de módulos incluidos en el bloque 1206 de líneas punteadas de la Figura 6 ha sido ilustrada en la Figura 7, donde el bloque 1204, que implementa el algoritmo de LMS, se sustituye por un integrador 805 simple, cuya salida, amplificada con una ganancia K, genera el valor C(Tj⁺¹) de par torsor que se va a asignar al control de adhesión y al sistema 1205 de recuperación. En ese caso, cuando dp/d8>0 el integrador 805 incrementa el valor C(Tj⁺¹) de par torsor, cuando dp/d8<0 el integrador 805 reduce el valor C(Tj⁺¹), y cuando dp/d8=0 el integrador 805 mantiene el valor C(Tj⁺¹) de par torsor estable.

De esta manera, el sistema lleva, y mantiene, dicho eje controlado en el máximo valor de adhesión.

La ganancia K regula la velocidad de identificación del valor p medio máximo de adhesión y asegura simultáneamente la estabilidad el sistema en bucle cerrado.

Una variante simplificada adicional de realización del bloque 1206 mostrado con línea discontinua de la Figura 6 se ha mostrado en la Figura 8: el módulo 903 determina el signo de la derivada dp/d8, siendo la salida del bloque 903 igual a 1 o -1 (signo positivo y, respectivamente, negativo), un integrador 805 adicional realiza sumas unitarias simples.

El integrador 805 puede ser sustituido por un contador de tipo ascendente/descendente actualizado con un período T = Tj+1 - Tj.

Los diagramas según las Figuras 7 y 8 realizan un rastreo continuo del valor medio del pico de adhesión p, adaptándose continuamente al cambio en las condiciones de adhesión, de forma similar a lo que se consiguió con el diagrama según la Figura 6. Esto último permite un rastreo rápido y preciso de la condición dp/d8, pero requiere el uso de un determinado número de cálculos en tiempo real.

El diagrama según la Figura 8 reduce considerablemente el número de cálculos necesarios, pero también reduce la velocidad de rastreo de la condición dp/d8=0.

El diagrama según la Figura 7 tiene características intermedias entre las de los diagramas conforme a las Figuras 6 y 8.

Por lo tanto, las dos expresiones (2), (3) proporcionadas con anterioridad permiten siempre que se proporcione un valor muy fiable de loa velocidad V^vdel vehículo, incluso en condiciones de adhesión muy degradadas.

Si se desea incrementar aún más la precisión del rastreo de la velocidad del tren, es suficiente con calcular el error con respecto a valores de dp/d8>0, es decir, en el lado izquierdo de la curva ilustrada en la Figura 5B a expensas del valor de par torsor aplicado, el cual demostrará ser menor que el pico máximo como función del incremento del valor de referencia dp/d8 aplicado.

Naturalmente, sin alterar los principios de la invención, las realizaciones y los detalles de implementación pueden variar ampliamente con respecto a los descritos e ilustrados únicamente a título de ejemplo no limitativo, sin apartarse por ello del alcance de la invención según se define en las reivindicaciones anexas.

Claims

REIVINDICACIONES

1. - Un método para calcular o estimar la velocidad de un vehículo ferroviario, en el que al menos un eje (A) tiene asociado un sistema de control (SS, CM, TC, APM) de la adhesión de las ruedas (W) a los raíles, comprendiendo el método las etapas de:

generar señales de velocidad indicativas de la velocidad angular (w) de las ruedas (W) de dicho al menos un eje (A); estimar, como función de dicha velocidad angular (w), el valor de la adhesión (p) en la zona de contacto de las ruedas (W) de dicho eje (A) y los raíles, usando un observador de adhesión (1201) y calculando el valor del deslizamiento de velocidad (8) de las ruedas (W) de dicho eje (A) controlado;

generar señales representativas de la derivada (dp/d8) de dicha adhesión (p) como una función del deslizamiento (8) de las ruedas (W) de dicho eje (A);

generar una señal de activación (C(Tj⁺¹)) para medios (1205) de control de par torsor que controlan el par torsor aplicado a las ruedas (W) de dicho eje (A), por medio de un control (1204) adaptativo de las citadas señales (dp/d8) derivadas como función de una señal de error (e(Tj⁺¹)) indicativa de la diferencia entre dicha derivada (dp/d8) y un valor de referencia predeterminado tal como para reducir y mantener dicha diferencia sustancialmente en cero; aplicar dicha señal de activación (C(Tj⁺¹) a dichos medios (1205) de control de par torsor y a continuación calcular la velocidad del vehículo como velocidad de avance lineal de dicho al menos un eje (A) controlado.

2. - Un método según la reivindicación 1, en donde dicha señal de activación (C(Tj⁺¹)) se genera por medio de un filtraje adaptativo de tipo LMS.

3. - Un método según la reivindicación 1, en donde dicha señal de activación (C(Tj⁺¹)) se genera con la integración en el tiempo de la derivada (dp/d8) de la adhesión (p) como función del deslizamiento (8)

4. - Un método según la reivindicación 1, en donde dicha señal de activación (C(Tj⁺¹)) se genera con la integración en el tiempo del signo de la derivada (dp/d8) de la adhesión (p) como función del deslizamiento (8).

5. - Un método según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde dicho valor (dp/d8) de referencia es igual o mayor que cero.