ES2913408T3 - Sistema para determinar un valor de adherencia rueda-raíl para un vehículo ferroviario y el método correspondiente del mismo - Google Patents

Sistema para determinar un valor de adherencia rueda-raíl para un vehículo ferroviario y el método correspondiente del mismo Download PDF

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Abstract

Sistema para determinar un valor de adherencia rueda-raíl para un vehículo ferroviario que incluye al menos un eje al que se acoplan dos ruedas que tienen un radio (R), que comprende: - un circuito de detección de deformación (10) acoplado a un eje (1) del vehículo ferroviario; estando dispuesto dicho circuito de detección de deformación (10) para detectar una deformación torsional del eje debido a una fuerza de adherencia longitudinal (Flong) transferida desde el eje hasta el raíl; - un medio de control dispuesto para estimar un valor de par en función de la deformación torsional detectada por el circuito de detección de deformación (10); estando dispuesto adicionalmente dicho medio de control para convertir el valor de par estimado en un valor de fuerza de adherencia longitudinal (Flong) en función del radio (R) de las ruedas, y para calcular un valor de adherencia rueda-raíl a través de la relación entre dicho valor de fuerza de adherencia longitudinal (Flong) y un valor de carga normal que el eje ejerce sobre el raíl.

Description

DESCRIPCIÓN
Sistema para determinar un valor de adherencia rueda-raíl para un vehículo ferroviario y el método correspondiente del mismo
Sector técnico
La presente invención se encuentra, en general, en el campo de sistemas para monitorizar las fuerzas de contacto rueda-raíl para un vehículo ferroviario; en particular, la invención se refiere a un sistema para determinar un valor de adherencia rueda-raíl para un vehículo ferroviario y a un método correspondiente del mismo.
Técnica anterior
Al circular por una vía, los vehículos ferroviarios descargan fuerzas al suelo a través del contacto rueda-raíl, lo que permite que el tren siga la vía. Las fuerzas intercambiadas dependen de las características de la vía, el comportamiento dinámico del tren y la carga que este último transporte.
En los últimos años, los sistemas para monitorizar las fuerzas de contacto rueda-raíl han atraído el interés de diversos agentes en el sector ferroviario, tales como administradores de infraestructuras (IM) y empresas ferroviarias (RU). El interés está relacionado, en particular, con la posibilidad de monitorizar en tiempo real el material rodante en circulación y, por tanto, la posibilidad de notificar cualquier incumplimiento a las empresas ferroviarias (RU) con el fin de adoptar las medidas de corrección relacionadas.
Los sistemas de monitorización de fuerzas de contacto pueden clasificarse en:
- sistemas instalados a bordo del tren;
- sistemas de medición de la deformación del eje y/o la rueda;
- sistemas usados principalmente en el momento de aprobar el material rodante;
- sistemas instalados en el suelo;
- sistemas de medición de la deformación de las vías; y
- sistemas usados principalmente como sistemas de diagnóstico que deben usarse a medio o a largo plazo. La cantidad de fuerzas de contacto intercambiadas entre la rueda y el raíl está sujeta al cumplimiento de los límites establecidos en la norma UNI EN14363. Tal norma regula el rendimiento de pruebas cuasiestáticas y dinámicas con el fin de aprobar el material rodante. Los límites impuestos por la norma están directamente relacionados con: - el rendimiento estructural que debe proporcionar la vía;
- la seguridad con respecto al descarrilamiento;
- el mantenimiento de la geometría de vía correcta con el tiempo; y
- la comodidad del desplazamiento.
Al centrarse en los sistemas de medición instalados a bordo del tren, las fuerzas de contacto pueden dividirse en tres direcciones espaciales, es decir, fuerzas verticales Fvert, fuerzas laterales Flat y fuerzas longitudinales Flong (tal como se ilustra en la figura 1).
A lo largo de los años, se han desarrollado diversos métodos para medir las fuerzas de contacto. Estos métodos conocidos se basan esencialmente en estimar las fuerzas de contacto midiendo la deformación de un eje montado en diversos puntos. El término "eje montado" se usa para indicar el conjunto que consiste en dos ruedas y el eje que las conecta. Tales puntos pueden situarse en el eje o en el centro de las ruedas. Por tanto, la medición de las fuerzas no es directa, pero requiere una operación de calibración para determinar el valor de las fuerzas de contacto a partir de las mediciones de deformación.
Se conoce en la técnica la instalación de uno o más extensómetros (en diversas configuraciones: puente de Wheatstone, etc.) en el eje y/o en la rueda de un vehículo ferroviario, la calibración del sistema de medición y la estimación de las fuerzas de contacto partiendo de la deformación del eje. Un ejemplo de esto usado en el campo automovilístico se da a conocer en el documento US 5186042 A.
En la actualidad, por tanto, el único objetivo principal para estimar las fuerzas de contacto rueda-raíl es monitorizar la infraestructura y el material rodante y la planificación relativa de las operaciones de mantenimiento y/o corrección de los mismos (tal como se muestra en el diagrama de bloques en la figura 2).
Desafortunadamente, por tanto, no existen sistemas o métodos conocidos que permitan obtener una estimación de la adherencia rueda-raíl mediante una estimación de las fuerzas de contacto rueda-raíl.
Existen otros sistemas y métodos conocidos para medir la adherencia rueda-raíl, por ejemplo, el documento WO2013034698 y el documento EP2918459. En tales sistemas y métodos, la adherencia rueda-raíl se estima solo mediante mediciones indirectas (sensores ópticos, de temperatura o de conductividad, etc.) o mediante observatorios de adherencia basados en la fuerza de frenado o de tracción aplicada al eje.
En tales observatorios de adherencia, desafortunadamente, la estimación de la fuerza de frenado a partir de la presión sobre el cilindro de freno no es muy precisa y fiable, ya que está sujeta a una serie de errores (que se propagan según la teoría de la propagación de errores) debido a las características mecánicas y la eficiencia del accionador, una gran variabilidad ligada al coeficiente de fricción almohadilla-disco dependiendo de las condiciones de funcionamiento (temperatura de la almohadilla, temperatura del disco, velocidad de rotación, fuerza de cierre, etc.) y condiciones ambientales (temperatura externa, humedad, etc.).
De manera similar, la estimación de la fuerza de tracción/frenado de la corriente eléctrica producida/regenerada por el motor está sujeta al error relacionado con la conversión entre la corriente y el par habitual en cualquier motor eléctrico.
Además, los sistemas conocidos no tienen en cuenta el hecho de que, en caso de adherencia degradada (contaminante en el raíl, etc.), no se transfiere toda la fuerza de frenado o de tracción aplicada al raíl (es decir, no toda la fuerza de frenado/tracción aplicada se convierte en fuerza de adherencia longitudinal).
Un ejemplo adicional de tales sistemas (que sufre las desventajas indicadas anteriormente) es la solicitud de patente italiana n.° 102016000034535, "Method for the control and possible recovery of the adhesion of the wheels of controlled axles of a railway vehicle" por FAIVELEY TRANSPo Rt ITALIA S.p.A., que determina la adherencia mediante la siguiente fórmula:
Figure imgf000003_0001
en la que:
Fm es la estimación de la fuerza de frenado o de tracción.
En caso de frenado, la fuerza de frenado Fm se obtiene al multiplicar la presión aplicada al cilindro de freno, conocida para el sistema, por los coeficientes de conversión presión-fuerza habituales en el accionador neumático, la relación de palanca y la eficiencia de la fuerza de la palanca, y el coeficiente de fricción entre la almohadilla y el disco en caso de frenos de discos. De manera similar, la fuerza de frenado Fm puede obtenerse en caso de frenado de tracción o electrodinámico por medio del valor de corriente eléctrica suministrada/regenerada por el motor respectivamente en la tracción o en el frenado. En caso de frenado combinado, la suma de las dos contribuciones de frenado neumático y electrodinámico, pesadas de manera apropiada por sus respectivos coeficientes, proporcionará la fuerza de frenado Fm.
Sumario de la invención
Uno de los objetivos de la presente invención es, por tanto, permitir una estimación de las fuerzas longitudinales transferidas desde el eje hasta el raíl partiendo de las deformaciones torsionales del eje. Tales deformaciones torsionales se usan para estimar un valor de adherencia rueda-raíl directo, en función de la fuerza longitudinal transferida al raíl, es decir, estimar una fuerza eficaz para el frenado o la tracción del eje, sin requerir la necesidad de estimar las fuerzas de frenado o de tracción aplicadas.
Para obtener tal resultado, se propone un sistema para determinar un valor de adherencia rueda-raíl para un vehículo ferroviario que incluye al menos un eje al que se acoplan dos ruedas que tienen un radio R.
Tal sistema comprende un circuito de detección de deformación acoplado a un eje de vehículo ferroviario.
El circuito de detección de deformación se proporciona para detectar una deformación torsional del eje debido a la fuerza transferida desde el eje hasta el raíl.
El sistema para la determinación de un valor de adherencia rueda-raíl comprende, además, un medio de control proporcionado para estimar un valor de par en función de la deformación torsional detectada por el circuito de detección de deformación.
Dicho medio de control se proporciona, además, para convertir el valor de par estimado en un valor de fuerza de adherencia longitudinal en función del radio R de las ruedas, y para calcular un valor de adherencia rueda-raíl a través de la relación entre dicho valor de fuerza de adherencia longitudinal y un valor de carga normal que el eje ejerce sobre el raíl.
Además, se propone un método correspondiente para determinar un valor de adherencia rueda-raíl.
Según un aspecto de la invención, los objetos y ventajas mencionados anteriormente y otros se consiguen por un sistema para determinar un valor de adherencia rueda-raíl que tiene las características definidas en la reivindicación 1 y por un método para determinar un valor de adherencia rueda-raíl con las características definidas en la reivindicación 6. Las realizaciones preferidas de la invención se definen en las reivindicaciones dependientes.
Breve descripción de los dibujos
A continuación, se describirán las características funcionales y estructurales de algunas realizaciones preferidas de un sistema y un método para determinar la adherencia rueda-raíl según la invención. Se hace referencia a los dibujos adjuntos, en los que:
- la figura 1 ilustra un eje de un vehículo ferroviario, cuando está en reposo sobre un raíl, y en el que se ilustran las fuerzas de contacto, divididas en tres direcciones espaciales, que identifican las fuerzas verticales, las fuerzas laterales y las fuerzas longitudinales;
- la figura 2 muestra un diagrama de bloques que ilustra las etapas realizadas normalmente por sistemas construidos según la técnica anterior;
- la figura 3 ilustra un eje de un vehículo ferroviario al que se acopla un circuito de detección de deformación; y
- la figura 4 ilustra, a modo de ejemplo, la señal generada por el circuito de detección de deformación sujeta a una deformación torsional durante el movimiento de un tren.
Descripción detallada
Antes de que se explique en detalle una pluralidad de realizaciones de la invención, debe aclararse que la invención no está limitada en su aplicación a los detalles de construcción y a la configuración de los componentes expuestos en la siguiente descripción o ilustrados en los dibujos. La invención puede asumir otras realizaciones y puede implementarse o lograrse de formas esencialmente diferentes. También debe entenderse que la fraseología y la terminología tienen propósitos descriptivos y no deben interpretarse como limitativas. El uso de "incluir" y "comprender" y las variaciones de los mismos deben entenderse como que abarcan los elementos declarados a continuación en el presente documento, así como elementos adicionales.
Además, por toda la presente descripción y en las reivindicaciones, los términos y expresiones que indican posiciones y orientaciones, tales como "longitudinal", "transversal", "vertical" u "horizontal", deben referirse a la dirección de desplazamiento del tren.
Haciendo referencia inicialmente a la figura 3, se ilustra, a modo de ejemplo, un eje 1 de un vehículo ferroviario al que se acopla un circuito de detección de deformación 10 que pertenece al sistema para la determinación de un valor de adherencia rueda-raíl según la invención.
En una realización de la invención, el sistema para la determinación de un valor de adherencia rueda-raíl para un vehículo ferroviario que incluye al menos un eje 1 con dos ruedas que tiene un radio R acoplado al mismo comprende un circuito de detección de deformación 10 acoplado a un eje 1 del vehículo ferroviario.
El circuito de detección de deformación se proporciona para detectar una deformación torsional del eje debido a una fuerza de adherencia longitudinal Flong (a lo largo de la dirección de desplazamiento del tren) transferida por el eje sobre el raíl.
Tal sistema para la determinación de un valor de adherencia rueda-raíl comprende, además, un medio de control proporcionado para estimar un valor de par en función de la deformación torsional detectada por el circuito de detección de deformación.
El medio de control se proporciona, además, para convertir el valor de par estimado en un valor de fuerza de adherencia longitudinal Flong en función del radio R de las ruedas, y para calcular un valor de adherencia rueda-raíl a través de la relación entre dicho valor de fuerza de adherencia longitudinal Flong y un valor de carga normal que el eje ejerce sobre el raíl.
Tal valor de carga normal puede determinarse por la masa estática que actúa sobre el eje o por los sistemas de medición de carga dinámica conocidos (por ejemplo, células de carga, presión de suspensión, etc.).
La conversión del valor de par estimado en un valor de fuerza de adherencia longitudinal Flong puede hacerse, por ejemplo, por medio de una relación entre el valor de par estimado y el valor del radio R de las ruedas por medio de dicho medio de control. La fórmula usada para la conversión puede ser, por ejemplo, la siguiente:
Fuerza de adherencia [N] — Par [Nlh] / R [m];
El medio de control puede disponerse, por ejemplo, localmente cerca de, o directamente en, el circuito de detección de deformación 10. Como alternativa, el medio de control puede disponerse remotamente en relación con el circuito de detección de deformación 10 en otras unidades de control a bordo del vehículo o en estaciones de control remoto en relación con el vehículo ferroviario. Por tanto, el medio de control puede recibir datos del circuito de detección de deformación o bien mediante una instalación eléctrica especial o bien mediante una conexión inalámbrica (telemedida).
El medio de control puede ser, por ejemplo, pero no necesariamente, una unidad de control, un procesador o un microcontrolador.
Dicho de otro modo, haciendo referencia a la figura 4, cuando se habla de la evaluación de deformación torsional, el valor medio del esfuerzo torsional al que está sometido el eje está correlacionado con las fuerzas longitudinales intercambiadas entre las ruedas del eje y el raíl.
Si el vehículo está parado y no se aplican pares externos al eje (por ejemplo, pares de tracción o de frenado), el componente torsional obtenido a partir de las mediciones extensométricas es cero.
Si el vehículo está en movimiento y el eje no está sujeto ni a fuerza de tracción ni a fuerza de frenado (estado de funcionamiento por inercia), el valor medio del componente torsional es cero, aunque tiene una oscilación periódica ligada a la frecuencia rotacional y a la frecuencia natural del eje (normalmente en el orden de 70 Hz).
Si, por otra parte, se aplican pares externos al eje, tal como par de frenado o par de tracción, el eje está sujeto a esfuerzo torsional.
La señal de salida del circuito de detección de deformación 10 tendrá un valor promedio proporcional a la fuerza longitudinal Flong transferida desde el eje hasta el raíl, con el signo contrario dependiendo de si es tracción o frenado.
El circuito de detección de deformación 10 puede comprender al menos un medio de sensor extensométrico y/o al menos un medio de sensor piezoeléctrico.
Por ejemplo, en el caso descrito justo ahora, el circuito de detección de deformación puede realizarse usando una configuración de puente de Wheatstone conocida. Dicho de otro modo, el circuito de detección de deformación 10 comprende un puente de medio de sensor extensométrico, que puede configurarse con las variantes de "cuarto de puente", "medio puente" o "puente completo" conocidas.
Para mejorar la precisión de medición, puede haber más de un medio de sensor extensométrico y/o medio de sensor piezoeléctrico.
La fuerza longitudinal Flong transferida desde el eje hasta el raíl es la fuerza de adherencia.
El coeficiente de adherencia |j es, por definición, la relación de la fuerza de adherencia longitudinal Flong y la fuerza de carga normal Fvert. Esto es:
ji,^ Fuerza de adherencia/Fuerza de carga normal.
La presente invención se refiere adicionalmente a un método para determinar un valor de adherencia rueda-raíl para un vehículo ferroviario que incluye al menos un eje al que se acoplan dos ruedas que tienen un radio R, comprendiendo el método las etapas de:
- detectar una deformación torsional del eje debido a una fuerza de adherencia longitudinal Flong transferida desde el eje hasta el raíl.
- estimar un valor de par en función de la deformación torsional detectada;
- convertir el valor de par estimado en un valor de fuerza de adherencia longitudinal Flong según el radio R de las ruedas; y
- calcular un valor de adherencia rueda-raíl a través de la relación entre dicho valor de fuerza de adherencia longitudinal Flong y un valor de carga normal ejercido por el eje sobre el raíl.
La conversión del valor de par estimado en un valor de adherencia de fuerza longitudinal Flong puede realizarse, por ejemplo, por medio de una relación entre el valor de par estimado y el valor del radio R de las ruedas.
La ventaja proporcionada por esta invención es que permite una estimación de las fuerzas longitudinales partiendo de las deformaciones torsionales del eje.
Una ventaja adicional consiste en permitir la obtención de una medición de un valor de adherencia rueda-raíl directo en función de la fuerza longitudinal transferida al raíl, es decir, estimando una fuerza eficaz para el frenado o la tracción del eje, sin requerir la necesidad de estimar las fuerzas de frenado o de tracción aplicadas.
Se han descrito diferentes aspectos y realizaciones de un sistema para determinar un valor de adherencia ruedaraíl y un método para la determinación del valor de adherencia rueda-raíl según la invención. Se entiende que cada realización puede combinarse con cualquier otra realización. La invención, además, no se limita a las realizaciones descritas, pero puede variar dentro del alcance definido por las reivindicaciones adjuntas.

Claims (7)

  1. REIVINDICACIONES
    i. Sistema para determinar un valor de adherencia rueda-raíl para un vehículo ferroviario que incluye al menos un eje al que se acoplan dos ruedas que tienen un radio (R), que comprende:
    - un circuito de detección de deformación (10) acoplado a un eje (1) del vehículo ferroviario; estando dispuesto dicho circuito de detección de deformación (10) para detectar una deformación torsional del eje debido a una fuerza de adherencia longitudinal (F long) transferida desde el eje hasta el raíl;
    - un medio de control dispuesto para estimar un valor de par en función de la deformación torsional detectada por el circuito de detección de deformación (10); estando dispuesto adicionalmente dicho medio de control para convertir el valor de par estimado en un valor de fuerza de adherencia longitudinal (Flong) en función del radio (R) de las ruedas, y para calcular un valor de adherencia rueda-raíl a través de la relación entre dicho valor de fuerza de adherencia longitudinal (Flong) y un valor de carga normal que el eje ejerce sobre el raíl.
  2. 2. Sistema para determinar un valor de adherencia rueda-raíl para un vehículo ferroviario según la reivindicación 1, en el que la conversión del valor de par en un valor de fuerza de adherencia longitudinal (F long) se lleva a cabo por dicho medio de control a través de una relación entre el valor de par y el valor del radio (R) de las ruedas.
  3. 3. Sistema para determinar un valor de adherencia rueda-raíl para un vehículo ferroviario según la reivindicación 1 o 2, en el que el circuito de detección de deformación (10) comprende al menos un medio de sensor extensométrico.
  4. 4. Sistema para determinar un valor de adherencia rueda-raíl para un vehículo ferroviario según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el circuito de detección de deformación (10) comprende un puente del medio de sensor extensométrico.
  5. 5. Sistema para determinar un valor de adherencia rueda-raíl para un vehículo ferroviario según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el circuito de detección de deformación comprende al menos un medio de sensor piezoeléctrico.
  6. 6. Método para determinar un valor de adherencia rueda-raíl para un vehículo ferroviario que incluye al menos un eje al que se acoplan dos ruedas que tienen un radio (R), que comprende las etapas de: - detectar una deformación torsional (1) del eje debido a una fuerza de adherencia longitudinal (F long) transferida desde el eje hasta el raíl;
    - estimar un valor de par en función de la deformación torsional detectada;
    - convertir el valor de par estimado en un valor de fuerza de adherencia longitudinal (Flong) según el radio (R) de las ruedas; y
    - calcular un valor de adherencia rueda-raíl a través de la relación entre dicho valor de fuerza de adherencia longitudinal (Flong) y un valor de carga normal ejercido por el eje (1) sobre el raíl.
  7. 7. Método para determinar un valor de adherencia rueda-raíl para un vehículo ferroviario según la reivindicación 6, en el que la conversión del valor de par estimado en un valor de fuerza de adherencia longitudinal se lleva a cabo por la relación entre el valor de par y el valor del radio (R) de las ruedas.
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